竇苗苗 郭葉萍 王蒙

摘 要：日照時(shí)數(shù)是是地面氣象臺(tái)站觀測(cè)的基本項(xiàng)目。目前，我國(guó)氣象部門(mén)在日照時(shí)數(shù)觀測(cè)業(yè)務(wù)中使用的是暗筒式和聚焦式日照計(jì)，需人工制作、安裝和更換日照紙，人工判斷感光跡線，自動(dòng)化程度較低。隨著地面綜合氣象觀測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展，截至2018年底，我國(guó)2300余個(gè)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站全部列裝光電式數(shù)字日照計(jì)并開(kāi)展平行觀測(cè)業(yè)務(wù)。為保障人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的平穩(wěn)切換，有必要對(duì)觀測(cè)人員進(jìn)行相關(guān)的裝備技術(shù)培訓(xùn)。本文提出觀測(cè)員培訓(xùn)課件開(kāi)發(fā)方案，內(nèi)容包涵觀測(cè)環(huán)境、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理、調(diào)試維護(hù)、校準(zhǔn)方法等內(nèi)容，開(kāi)發(fā)主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)件等部分組成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞：光電式數(shù)字日照計(jì);觀測(cè)員培訓(xùn);調(diào)試維護(hù);校準(zhǔn)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN06;TH765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0214-03

1 國(guó)內(nèi)外日照觀測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀

日照時(shí)數(shù)是我國(guó)氣象部門(mén)各國(guó)家地面氣象觀測(cè)站的基本觀測(cè)要素，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)研究和太陽(yáng)能利用方面有著重要的參考作用。常用的儀器有暗筒式日照計(jì)、聚焦式日照計(jì)、太陽(yáng)直接輻射表和雙金屬片日照傳感器。目前，我國(guó)氣象部門(mén)制式化觀測(cè)儀器為低緯度地區(qū)使用暗筒式日照計(jì)，高緯度地區(qū)（≥60°）使用聚焦式日照計(jì)。這兩種儀器均采用人工干預(yù)的試紙曝光法觀測(cè)。

（1）國(guó)內(nèi)對(duì)日照自動(dòng)化觀測(cè)裝置的探索。七十年代中期，河北、江蘇、四川省氣象局曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)光電池法、機(jī)械跟蹤法、濕度表改裝法進(jìn)行日照時(shí)數(shù)自動(dòng)化觀測(cè)的探索工作。九十年代初期，天津氣象儀器廠王大旺等人利用熱電堆傳感器結(jié)合水平及赤緯跟蹤裝置拖動(dòng)自記筆運(yùn)動(dòng)記錄日照時(shí)間，研制成功有線遙測(cè)日照計(jì)。2011年中國(guó)局行業(yè)專項(xiàng)支持中國(guó)華云技術(shù)開(kāi)發(fā)公司劉鈞等人開(kāi)展通過(guò)使用直接輻射傳感器和數(shù)學(xué)建模等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)日照時(shí)數(shù)自動(dòng)觀測(cè)的研究工作。

（2）國(guó)外日照觀測(cè)儀器。澳大利亞和英國(guó)產(chǎn)技術(shù)成熟的產(chǎn)品包括BF3型、SD4型、SPN1型日照時(shí)數(shù)傳感器，用硅光二極管、陣列光電二極管或復(fù)合熱電堆技術(shù)配合一定的日照模型解算方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化光電測(cè)量。

（3）我國(guó)氣象部門(mén)制式化觀測(cè)儀器為低緯度地區(qū)使用暗筒式日照計(jì)又稱喬唐式日照計(jì)，高緯度地區(qū)（≥60°）使用聚焦式日照計(jì)又稱康培司托克式日照計(jì)。這兩種儀器均利用太陽(yáng)光燒蝕涂有感光制劑的感光紙，根據(jù)感光跡線計(jì)算日照時(shí)數(shù)。

2000年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院張緯敏等人對(duì)歷史資料的對(duì)比分析表明，從日照時(shí)數(shù)觀測(cè)定義的閾值要求出發(fā)，直射表最準(zhǔn)，聚焦式次之，暗筒式日照計(jì)較差。按實(shí)際觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)誤差，聚焦式日照計(jì)較準(zhǔn)，暗筒式次之，直射表較差。實(shí)踐證明，直射表成年累月在露天條件下轉(zhuǎn)動(dòng)很難精確跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡。美國(guó)較精確的NIP型直射表觀測(cè)的日照還不如暗筒式日照計(jì)準(zhǔn)確。我國(guó)多數(shù)氣象臺(tái)站使用的暗筒式日照計(jì)只要嚴(yán)格按規(guī)范操作，其資料的準(zhǔn)確度基本滿足要求。不過(guò)聚焦式與暗筒式日照計(jì)均無(wú)法成自動(dòng)氣象站遙測(cè)儀器的日照傳感器。世界氣象組織在1983年出版的《氣象儀器和觀測(cè)方法指南》（第五版）也沒(méi)有把暗筒式日照計(jì)列入日照測(cè)量?jī)x器。但是，暗筒式日照計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾何位置精準(zhǔn)，觀測(cè)值可靠，儀器成本低，便于大范圍推廣，自1825年誕生以來(lái)，一直在廣泛使用。

2 光電式數(shù)字日照計(jì)在我國(guó)氣象部門(mén)的應(yīng)用

世界氣象組織定義日照指太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在一給定時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò)120瓦·米-2（W·m-2）的那段時(shí)間總和，以小時(shí)（h）為單位，取1位小數(shù)。光電式數(shù)字日照計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，提高日照測(cè)量精度，為天氣預(yù)報(bào)、氣象情報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。

按照中國(guó)氣象局《觀測(cè)司關(guān)于調(diào)整日照自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備采購(gòu)數(shù)量的函》（氣測(cè)函〔2018〕69號(hào)）的工作安排，截至2018年底，我國(guó)2300余個(gè)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站全部完成光電式數(shù)字日照計(jì)列裝。根據(jù)觀測(cè)司《日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》（氣測(cè)函〔2018〕153號(hào)）相關(guān)要求，各觀測(cè)站自2019年1月1日起，開(kāi)展為期6個(gè)月的日照平行觀測(cè)。其中，第一階段（前3個(gè)月）以人工觀測(cè)記錄為正式觀測(cè)記錄，人工觀測(cè)及記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》和業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行;第二階段（后3個(gè)月）以自動(dòng)觀測(cè)記錄為正式觀測(cè)記錄。平行觀測(cè)結(jié)束后，光電式數(shù)字日照計(jì)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為正式觀測(cè)記錄。觀測(cè)技術(shù)人員須按規(guī)定做好光電式數(shù)字日照計(jì)的日常維護(hù)，保證其正常運(yùn)行;光電式數(shù)字日照計(jì)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)排除，并按要求做好相關(guān)記錄和填報(bào)工作。

《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范（試行）》（氣測(cè)函〔2018〕109號(hào)）和《光電式數(shù)字日照計(jì)出廠測(cè)試驗(yàn)收大綱》（氣測(cè)函〔2018〕142號(hào)）均要求定期對(duì)光電式數(shù)字日照計(jì)的閾值測(cè)量誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，每?jī)赡曛辽傩?zhǔn)一次，分為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和室外校準(zhǔn)兩種方法。觀測(cè)站通常使用室外校準(zhǔn)方法。

光電式數(shù)字日照計(jì)是我國(guó)氣象部門(mén)第三種大規(guī)模業(yè)務(wù)化列裝的氣象光學(xué)儀器。目前，氣象培訓(xùn)部門(mén)在裝備保障技術(shù)培訓(xùn)方面還未設(shè)立專項(xiàng)教學(xué)模塊。開(kāi)發(fā)培訓(xùn)課件和教學(xué)輔助裝置，直觀講解測(cè)量原理，演示日照輻射光電信號(hào)變化特征，開(kāi)展校準(zhǔn)方法實(shí)地操作練習(xí)，有助于觀測(cè)技術(shù)人員熟悉新型設(shè)備，深入理解觀測(cè)規(guī)范中的相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)要求，高質(zhì)量完成自動(dòng)化日照觀測(cè)業(yè)務(wù)。

3 光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)員培訓(xùn)課件的設(shè)計(jì)方案

培訓(xùn)課件包涵觀測(cè)環(huán)境、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理、調(diào)試維護(hù)、校準(zhǔn)方法等教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)件等部分組成的專用教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

3.1 開(kāi)發(fā)光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)業(yè)務(wù)培訓(xùn)課件

光電式數(shù)字日照計(jì)應(yīng)安裝在開(kāi)闊地帶，終年從日出到日落都能接受到太陽(yáng)直接輻射的地方。儀器周?chē)蚋浇乇響?yīng)避免有高反射比（例如淺色、發(fā)亮和反光）的物體。設(shè)計(jì)影響光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)的仿真環(huán)境，直觀展示觀測(cè)值變化。

日照計(jì)主要由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、供電單元、通信單元、安裝附件等部分組成。對(duì)照功能規(guī)格需求書(shū)，重點(diǎn)講解儀器各組成部分的作用和調(diào)試方法。

傳感器工作原理采用置于光學(xué)鏡筒中的三個(gè)同軸光電感應(yīng)器對(duì)總輻射和散射輻照進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)計(jì)算出的直接輻照度判斷有無(wú)日照。在課件中設(shè)計(jì)光路圖示，講解測(cè)量原理。使用過(guò)程中，觀測(cè)站需要對(duì)日照計(jì)進(jìn)行室外校準(zhǔn)，按照技術(shù)要求設(shè)計(jì)實(shí)際操作演練方法。

3.2 開(kāi)發(fā)室外校準(zhǔn)方法教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)件等部分組成。

直接輻射表用于測(cè)量垂直于太陽(yáng)表面的輻射和太陽(yáng)周?chē)苷沫h(huán)日天空散射輻射。當(dāng)太陽(yáng)直接輻射量超過(guò)120W/m2時(shí)，視為有日照，直接測(cè)量日照時(shí)數(shù)。全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器是由底板、緯度架、電機(jī)、導(dǎo)電環(huán)、蝸輪箱（用于太陽(yáng)傾角調(diào)整）和電機(jī)控制器等組成。當(dāng)傾角與當(dāng)?shù)靥?yáng)傾角相同時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的自動(dòng)跟蹤。直接輻射表主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

六位半數(shù)字多用表具有很寬的測(cè)量量程和很高的精度，可無(wú)人值守連續(xù)自動(dòng)測(cè)量及采集數(shù)據(jù)，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

室外校準(zhǔn)操作按下列步驟進(jìn)行：

將標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表安裝在太陽(yáng)跟蹤器上，被測(cè)日照計(jì)安置在室外平臺(tái)上，兩者距離不超過(guò)5米。

將標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表連接到數(shù)字多用表，進(jìn)行直接輻照度連續(xù)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間間隔不大于10s。

用計(jì)算機(jī)連續(xù)采集被測(cè)日照計(jì)的直接輻照度數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)間間隔不大于10s。標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表與日照計(jì)采樣時(shí)間應(yīng)同步。測(cè)量時(shí)間至少包含1個(gè)日出和日落。測(cè)量期間禁止人員靠近測(cè)量場(chǎng)地，以免遮蔽或反射日光對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

按式（1）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表的輻照度E0：

E0=U/K ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：

U—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表的輸出電壓，單位為微伏（uV）;

K—— 直接輻射表的靈敏度，單位為微伏平方米每瓦（uV/（W/m2））。

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表輸出介于（120±5）W/m2范圍內(nèi)的直接輻照度平均值作為閾值參考值E0，讀取相同時(shí)間段內(nèi)被測(cè)日照計(jì)的直接輻照度數(shù)據(jù)計(jì)算平均值E。按式（2）計(jì)算被測(cè)日照計(jì)測(cè)量的本組閾值誤差ΔEi：

ΔEi=E-E0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：

E—— 被測(cè)日照計(jì)直接輻照度數(shù)據(jù)組的平均值，單位為瓦每平方米（W/m2）;

E0—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表輻照度數(shù)據(jù)組的平均值，單位為瓦每平方米（W/m2）。

按式（3）計(jì)算閾值誤差ΔE：

ΔE=ΔEi ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：

n—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表滿足（120±5）W/m2條件的數(shù)據(jù)組數(shù)。

當(dāng)閾值誤差在±24W/m2以內(nèi)時(shí)，待測(cè)設(shè)備視為合格。

4 結(jié)語(yǔ)

在2018年的列裝過(guò)程中，部分生產(chǎn)單位開(kāi)展了自動(dòng)日照計(jì)設(shè)備安裝使用現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，市氣象局的保障人員熟悉了設(shè)備安裝要求、主要組成部分、數(shù)據(jù)傳輸軟件調(diào)試等內(nèi)容，但各觀測(cè)站技術(shù)人員尚不熟悉運(yùn)行原理、故障分析及使用中的校準(zhǔn)方法。

近年來(lái)，中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院每年均開(kāi)展氣象探測(cè)裝備保障技術(shù)培訓(xùn)，逐步建立了基層綜合氣象觀測(cè)培訓(xùn)云平臺(tái)、綜合氣象業(yè)務(wù)情景模擬培訓(xùn)系統(tǒng)。本課件開(kāi)發(fā)方案可補(bǔ)充完善現(xiàn)有教學(xué)資源在氣象裝備保障技術(shù)方面的教學(xué)內(nèi)容和培訓(xùn)手段。

自2019年1月1日開(kāi)始，全國(guó)氣象部門(mén)所屬國(guó)家地面氣象觀測(cè)站開(kāi)展為期6個(gè)月的日照平行觀測(cè)。為貫徹落實(shí)新型觀測(cè)儀器的業(yè)務(wù)技術(shù)要求，本課件設(shè)計(jì)的光電式數(shù)字日照計(jì)教學(xué)內(nèi)容，直觀講解測(cè)量原理，演示日照輻射光電信號(hào)變化特征，開(kāi)展校準(zhǔn)方法實(shí)地操作練習(xí)，有助于觀測(cè)技術(shù)人員熟悉新型設(shè)備，深入理解觀測(cè)規(guī)范中的相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)要求，高質(zhì)量完成自動(dòng)化日照觀測(cè)業(yè)務(wù)。

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Design of ?Training Courseware for Observers of ?Photoelectric Digital Sunshine Meter

DOU Miao-miao，GUO Yie-ping，WANG Meng

（Anhui Branch of Meteorological Cadre Training College by China Meteorological Administration，Hefei Anhui ?230031）

Abstract：Sunshine duration is the basic item observed by surface meteorological stations. At present， Jordan sunshine recorder and Campbell-Stokes sunshine recorder are used in observation by meteorological departments in China， which require manual production， installation and replacement of sunshine paper and manual judgment of photosensitive traces， with a low degree of automation. With the development of automation of ground integrated meteorological observation， more than 2300 national ground meteorological observatories in China were equipped with photoelectric digital sunshine meters and carried out parallel observation business by the end of 2018. In order to ensure the smooth switching between manual observation and automatic observation， it is necessary to train observers in relevant equipment technology. This paper design a scheme of observer training courseware， which includes observation environment review， instrument structure， measurement principle， testing and maintenance， calibration method， etc. The special experimental teaching device for courseware mainly consists of standard direct radiation meter， automatic solar tracker， six-bit semi-digital multi-meter， data collector and processing program， mechanical structure parts for equipment installation .

Key words：photoelectric digital sunshine meter;observer training;testing and maintenance;calibration method