王 璐，孟 磊，于永濤，趙 森，洪林峰

(北京市氣象探測中心，北京 100176)

0 引言

太陽輻射是地球表層和大氣圈層的主要能量來源，是大氣圈、水圈和陸地上層中發(fā)生的物理過程和各種生命活動的基本動力。氣象輻射觀測的目的是獲得太陽和地球輻射資料，對氣象、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域具有重要的意義，對氣象輻射進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測是研究地球-大氣系統(tǒng)能量收支的重要手段，也是進(jìn)行氣候變化研究的基礎(chǔ)[1，2]。北京市觀象臺54511站(以下簡稱54511站)是一級氣象輻射觀測站，觀測項目包括總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射。2019年，54511站的氣象輻射觀測系統(tǒng)由原模擬式輻射傳感器升級為數(shù)字式輻射傳感器。所用設(shè)備是由北京華創(chuàng)維想科技開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對各類輻射數(shù)據(jù)的長期連續(xù)定位監(jiān)測、記錄與分析，實現(xiàn)氣象輻射要素的自動觀測。

1 CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)由總輻射、長波輻射、直接輻射數(shù)字式輻射傳感器、全自動跟蹤器、輻射支架、加熱通風(fēng)器和輻射分采集器組成。各數(shù)字式輻射傳感器、全自動太陽跟蹤器、加熱通風(fēng)器通過RS-232與輻射分采集器進(jìn)行連接，輻射分采集器通過RS-232連接到站內(nèi)現(xiàn)有的綜合集成硬件控制器，建立與地面觀測業(yè)務(wù)軟件的連接。

1.2 工作原理

數(shù)字式輻射傳感器由硬件和嵌入式軟件兩部分組成。硬件即為各輻射表，包括濾光玻璃罩、輻射感應(yīng)元件、數(shù)據(jù)處理模塊以及其他硬件部件(例如防護(hù)罩、干燥劑、瞄準(zhǔn)光孔等)。其中數(shù)據(jù)處理模塊主要包括處理器(CPU)、模數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換、時鐘、隨機存儲 RAM、數(shù)據(jù)存儲 ROM、電源和通信接口等。感應(yīng)元件是輻射傳感器的核心部分，它由快速響應(yīng)的繞線電鍍式熱電堆組成。感應(yīng)面涂有3M無光黑漆，感應(yīng)面為熱結(jié)點，當(dāng)有陽光照射時溫度升高，它與另一面的冷結(jié)點形成溫差電動勢，輸出模擬電壓信號。

2 CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)性能

2.1 數(shù)據(jù)采集完整性

表1是54511站在2020-01-01—2020-08-31時間段對各要素缺測率的統(tǒng)計。其數(shù)據(jù)采集完整性較好，除直接輻射外，總輻射、散射輻射缺測率均低于1 min/萬次，反射輻射數(shù)據(jù)缺測率低于1 min/千次，凈輻射數(shù)據(jù)缺測率為0.00%。

表1 輻射觀測各要素缺測率統(tǒng)計

直接輻射缺測次數(shù)較多，診斷為輻射分采集器采集程序中直接輻射數(shù)據(jù)采樣時間存在沖突，導(dǎo)致每小時的02分出現(xiàn)缺測。3月13日采集器程序升級后直接輻射未出現(xiàn)缺測。

2.2 數(shù)據(jù)一致性

以相關(guān)系數(shù)、差值和相對差值為指標(biāo)，分析54511站CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)與CAWS3000觀測系統(tǒng)的差異。差異分析公式如下：

(1)

Zai=XiYi

(2)

(3)

式中，ρXY為CAWS3000觀測系統(tǒng)和CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)觀測值的相關(guān)系數(shù)；Zai為第i次輻射觀測差值；Zbi為第i次輻射觀測的相對差值；Xi和Yi分別為原輻射觀測系統(tǒng)和CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)觀測值。僅當(dāng)Xi不等于0時，計算Zbi。

2.2.1 小時曝輻量

對CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)與CAWS3000觀測系統(tǒng)的小時曝輻量進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算各要素相關(guān)系數(shù)、差值、相對差值(表2)。

表2 輻射觀測各要素小時曝輻量

從CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)與CAWS3000觀測系統(tǒng)的小時曝輻量相關(guān)系數(shù)可以看出，兩套設(shè)備觀測數(shù)據(jù)除凈輻射外其余要素均達(dá)到99%以上，相關(guān)性非常好，凈輻射相關(guān)系數(shù)也達(dá)到97%以上。

圖1是CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)與CAWS3000觀測系統(tǒng)觀測凈輻射相對差值的頻率分布，觀測差異在±20%之內(nèi)的時次占總數(shù)據(jù)量的比例為64.58%，可見凈輻射小時曝輻量一致性較好。

圖1 凈輻射相對差值的頻率分布

2.2.2 日曝輻量

對CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)與CAWS3000觀測系統(tǒng)的日曝輻量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算各要素相關(guān)系數(shù)、差值、相對差值(表3)。

表3 輻射觀測各要素日曝輻量

除凈輻射外各要素相關(guān)系數(shù)均在98%以上，凈輻射為97.17%，此結(jié)果與小時曝輻量相關(guān)性基本一致。日曝輻量平均差值與小時曝輻量平均差值基本一致，CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)總輻射、反射輻射較CAWS3000觀測系統(tǒng)偏大，直接輻射、散射輻射、凈輻射數(shù)據(jù)偏小。從相對平均偏差看，反射輻射、凈輻射偏差較大，總輻射、直接輻射、散射輻射相差較小。

3 故障實例分析

54511站的CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)運行期間，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)缺測和系統(tǒng)停機現(xiàn)象。

輻射觀測系統(tǒng)常見故障檢修流程為：1)參數(shù)檢查；2)供電檢查；3)線纜檢查；4)傳感器檢查；5)輻射分采集器檢查[3]。

3.1 直接輻射數(shù)據(jù)缺測

直接輻射數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)缺測，缺測時間均在北京時每小時的16分。

故障判斷：經(jīng)檢查，參數(shù)、供電、線纜、傳感器、采集器均正常。采集器內(nèi)部時鐘與計算機時鐘一致，缺測時間固定，判斷為輻射分采對直接輻射傳感器進(jìn)行校時的命令出錯。檢查采集程序發(fā)現(xiàn)輻射分采集器在每小時的15分43秒開始對各傳感器進(jìn)行授時，直接輻射處于最后一個通道，其返回值未能及時輸出至分采集器，即分采集器沒有接受到校時期間的直接輻射數(shù)據(jù)，導(dǎo)致缺測。

故障處理：更改采集程序中傳感器校時命令，將校時延時至第45秒進(jìn)行，直接輻射數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

原因分析：CAMS620-SR輻射系統(tǒng)在各傳感器端新增了時鐘，輻射分采集器在每小時的15分20-25秒接受地面觀測業(yè)務(wù)軟件的授時命令，將自身進(jìn)行校時后，于每小時的15分43秒向各傳感器及附件發(fā)送授時命令，并接收設(shè)置成功的信息。分采集器對各傳感器校時需要3～5 s，導(dǎo)致最后通道的直接輻射向分采集器返回信息時與分采集器其他命令沖突，未能將返回值輸出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測[4]。

3.2 總輻射輻照度夜間為負(fù)值

總輻射輻照度夜間出現(xiàn)負(fù)值。1月21日日落時間為17：02(地方時)，17：07開始總輻射輻照度陸續(xù)出現(xiàn)負(fù)值。

故障判斷及處理：經(jīng)檢查，參數(shù)、供電、線纜、傳感器和采集器等均正常。此現(xiàn)象并非傳感器性能問題，可通過增加數(shù)據(jù)質(zhì)量控制調(diào)試命令(SETLOW)控制總輻射出現(xiàn)負(fù)值的情況。

原因分析：輻射傳感器感應(yīng)面為熱結(jié)點，受陽光照射時溫度升高，它與另一面的冷結(jié)點形成溫差電動勢，輸出模擬電壓信號。日落后溫度降低，感應(yīng)面吸收不到熱量，與另一面冷結(jié)點沒有形成溫差電動勢，故應(yīng)為零。如果感應(yīng)面溫度比冷結(jié)點還要低就會形成溫差電動勢，且方向為反方向，故為負(fù)值。這種情況稱之為“零位漂移”[5]。

3.3 輻射觀測系統(tǒng)停機

輻射觀測系統(tǒng)停機后，全自動太陽跟蹤器復(fù)位，全部數(shù)據(jù)缺測，重啟電源后仍未恢復(fù)。

故障判斷及處理：經(jīng)測量檢查，交流供電電源、電源控制器正常，電池與輻射分采集器電壓為零。判斷為直流輸入與電池之間故障?？稍诖谁h(huán)節(jié)增加一個充放電控制器用來保護(hù)電池，更換控制器后系統(tǒng)恢復(fù)運行。

原因分析：CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)采用12 V蓄電池為數(shù)字式輻射傳感器、輻射加熱通風(fēng)器、太陽跟蹤器和輻射分采集器等部件供電，并配備交直流轉(zhuǎn)換器和充放電控制器，通過交流電源為蓄電池浮充電。由于充放電控制器電阻較小，發(fā)生損壞后使輻射觀測系統(tǒng)停機。

4 結(jié)束語

CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集完整性較好，各觀測要素缺測率均不超過0.015%。其觀測數(shù)據(jù)的小時曝輻量和日曝輻量與CAWS3000觀測系統(tǒng)一致性較好，符合現(xiàn)階段輻射觀測要求。

CAMS620-SR輻射觀測系統(tǒng)可能發(fā)生直接輻射數(shù)據(jù)缺測、總輻射夜間為負(fù)值、觀測系統(tǒng)停機等故障，可根據(jù)實際情況進(jìn)行故障判斷及處理。