黃 維,董德保,沈玉亮
(1.安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,合肥 230031;2.休寧縣氣象局,休寧 245400)
日照對(duì)于地球萬(wàn)物的生長(zhǎng)有著極其重要的作用[1],地球接收到的太陽(yáng)輻射是推動(dòng)地球上物理過(guò)程和生物過(guò)程的主要能量來(lái)源。而地理位置則是影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的重要因素之一,不同地理位置在海拔和地形等因素的影響下,太陽(yáng)照射的面積和方向都存在很大的差異,檢測(cè)不同地理位置的日照量對(duì)于很多領(lǐng)域的發(fā)展都有著重要的指導(dǎo)意義。
探測(cè)手段的客觀化及探測(cè)方法的自動(dòng)化是氣象探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。近年,國(guó)內(nèi)外研發(fā)了很多自動(dòng)觀測(cè)日照的設(shè)備,楊召瓊[2]對(duì)人工觀測(cè)和CSD1型自動(dòng)日照計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)所得到的日照時(shí)數(shù)之間具有很好的相關(guān)性,同時(shí)也有一定的差異;呂文華[3]等通過(guò)對(duì)各種光電式自動(dòng)日照計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)CSD3型自動(dòng)日照計(jì)性能相對(duì)更好。
休寧縣氣象局2018年底裝備自動(dòng)日照計(jì),并開(kāi)始日照的平行觀測(cè),至2019年8月正式啟用自動(dòng)日照計(jì)代替人工觀測(cè)。其中人工觀測(cè)通過(guò)暗筒式日照計(jì)進(jìn)行觀測(cè),自動(dòng)觀測(cè)則是采用光電式數(shù)字日照計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。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),提高了日照測(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)提供了重要依據(jù)。文章旨在分析自動(dòng)與人工2種不同觀測(cè)方式下的日照觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異及其原因,為相關(guān)研究和應(yīng)用提供借鑒與參考。
暗筒式日照計(jì)又稱為喬唐式日照計(jì),由金屬圓筒(底端密閉,筒口帶蓋,兩側(cè)各有1個(gè)進(jìn)光小孔,筒內(nèi)附有壓紙夾)、隔光板、緯度盤(pán)和支架底座等構(gòu)成。筒的一端密閉,另一端裝有圓蓋,筒身兩側(cè)各有1個(gè)圓錐形進(jìn)光小孔,兩孔位置前后錯(cuò)開(kāi)。筒的上部有1塊隔光板,用于使上下午的日光分別進(jìn)入孔內(nèi),筒內(nèi)有1個(gè)彈性金屬壓紙夾,用于固定記錄紙。光線透過(guò)儀器上的小孔射入筒內(nèi),使涂有感光藥劑的記錄紙上留下感光痕跡線,照射過(guò)的記錄紙經(jīng)清水漂洗后,即能觀測(cè)日照的起止時(shí)間及日照時(shí)數(shù)。
光電式數(shù)字日照計(jì)主要由光電式數(shù)字日照傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、供電單元、通信單元和安裝附件等組成。其中光電式數(shù)字日照傳感器包括光學(xué)鏡筒、光電探測(cè)器、遮光筒、信號(hào)處理電路和防霜露加熱器等,其主要運(yùn)用天穹分割原理進(jìn)行日照時(shí)數(shù)的測(cè)量。
光電式數(shù)字日照計(jì)的核心部件是日照傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,傳感器內(nèi)部的3個(gè)光電感應(yīng)器D1,D2,D3分別安置于同一軸線上,并通過(guò)遮光組件的入射窗W1和W2對(duì)入射到D2和D3上的輻射進(jìn)行角度約束。其中光電感應(yīng)組件D1可以在360°的環(huán)形范圍內(nèi)接收太陽(yáng)輻射,所以太陽(yáng)處于任意位置時(shí),D1都能接收到太陽(yáng)總輻射,包括太陽(yáng)直接輻射和天空散射輻射,D2和D3由于遮光罩的特殊結(jié)構(gòu),只能以相同的張角分別接收環(huán)形范圍內(nèi)不同方向上的輻射,從而保證在任意時(shí)刻,太陽(yáng)只能照射到D2和D3中的一個(gè),另一個(gè)則會(huì)被遮蔽,從而可以測(cè)量太陽(yáng)散射輻射。
D1光電感應(yīng)組件測(cè)量的信號(hào)SD1表征為直接輻射和散射輻射總和,而D2和D3光感應(yīng)組件所測(cè)量的SD2和SD3中的較小值則表征散射輻射,SD1減去SD2和SD3中較小值可以得到太陽(yáng)直接輻射。
光電感應(yīng)器中裝有光電二極管和余弦校正器,光電二極管的核心部分是一個(gè)PN節(jié),為了方便接收光照,在光電二極管的外殼上有一個(gè)玻璃窗口。在沒(méi)有接收到光照的情況下,因熱效應(yīng)產(chǎn)生微小的暗電流流經(jīng)PN節(jié),當(dāng)太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)余弦校正器后照射到光電二極管上,光子的能量被吸收,將二極管半導(dǎo)體材料中的空穴和電子載流子激發(fā)到導(dǎo)態(tài),從而在二極管內(nèi)部形成內(nèi)電場(chǎng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,載流子加速向二極管的兩端運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度信號(hào)向電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)采樣電路后,電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),總光照強(qiáng)度電壓信號(hào)和散射光照強(qiáng)度電壓信號(hào)在差分放大電路的作用下被差分放大,放大后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后到達(dá)微處理器。當(dāng)放大信號(hào)達(dá)到120 mV時(shí),表明太陽(yáng)直接輻射達(dá)到120 W/m2,這也是氣象上規(guī)定的日照閾值,此時(shí)閾值開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通,處理器開(kāi)始記錄日照時(shí)間。
圖1 光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)量原理
光電二極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)向電信號(hào)的效率受制于PN節(jié)和入射光的波長(zhǎng),波長(zhǎng)越長(zhǎng),激發(fā)的載流子深度也就越大。PN節(jié)的薄厚決定了對(duì)于不同波長(zhǎng)入射光的轉(zhuǎn)換效率,較寬的PN節(jié)更容易轉(zhuǎn)換長(zhǎng)波的入射光;反之,短波的入射光則需要薄型PN節(jié)。光電二極管對(duì)于一定波長(zhǎng)入射光的轉(zhuǎn)換可以表示為:
ip=r??e
(1)
式中,r?表示光電二極管的通量響應(yīng)率;?e表示輻射通量功率。光電二極管內(nèi)的各個(gè)區(qū)域會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的入射光,短波的光會(huì)被位于表面的P區(qū)擴(kuò)散層吸收。與此同時(shí),被光照激發(fā)的少量載流子在運(yùn)動(dòng)到空間電荷區(qū)時(shí),會(huì)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光無(wú)法被P區(qū)擴(kuò)散層吸收,會(huì)穿過(guò)表層,在空間電荷區(qū)激發(fā)大量的電子空穴對(duì),在耗盡層內(nèi)電場(chǎng)的作用下,載流子分別向P區(qū)和N區(qū)運(yùn)動(dòng)。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光會(huì)直接穿過(guò)P區(qū)和耗盡層,被N區(qū)所吸收。在N區(qū)被激發(fā)的載流子當(dāng)運(yùn)動(dòng)到耗盡層邊界時(shí),受內(nèi)電場(chǎng)的影響,向P區(qū)移動(dòng)。各個(gè)部分產(chǎn)生的電流共同組成了光電二極管由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電流信號(hào)。
由12月—次年7月的人工和自動(dòng)日照時(shí)數(shù)可以看出二者整體上均呈現(xiàn)冬季少、夏季多的趨勢(shì)。這是由于冬季以陰雨天氣為主,夏季晴朗天氣居多,并且太陽(yáng)直接輻射度從冬季到夏季不斷增強(qiáng)。其中2月和6月受連續(xù)陰雨天氣的影響,日照時(shí)數(shù)存在異常偏少的現(xiàn)象。對(duì)比人工和自動(dòng)觀測(cè)的月日照時(shí)數(shù)得出,自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)明顯多于人工觀測(cè)。
將12月—次年7月的自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)按月統(tǒng)計(jì),并計(jì)算二者間的差值,可以得出,整體上自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)都處于遞增的趨勢(shì),對(duì)比可知自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯高于人工觀測(cè)數(shù)據(jù)。且二者差值呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢(shì)。
將12月—次年7月的自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)按日統(tǒng)計(jì),對(duì)人工與自動(dòng)觀測(cè)的日照數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,通過(guò)計(jì)算得出日照時(shí)數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.9844,其回歸方程為:
sr=sz×1.004-1.992
(2)
式中,sr和sz分別為人工與自動(dòng)觀測(cè)逐日日照時(shí)數(shù)(單位:0.1 h)。
從圖2可以看出,自動(dòng)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)整體上具有較好的一致性,自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)較人工觀測(cè)偏高,個(gè)別情況下,人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)為0,而自動(dòng)觀測(cè)日照數(shù)據(jù)在0~2 h。此種差異的形成是由于人工和自動(dòng)觀測(cè)兩種不同儀器的感光閾值不同,光電式日照計(jì)相較于暗筒式日照計(jì)更加敏感,所以在光照強(qiáng)度較弱的天氣中,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到暗筒式日照計(jì)的感光閾值,但光電式日照計(jì)卻可以記錄下日照[4,5]。
圖2 自動(dòng)和校正前人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)散點(diǎn)分析
對(duì)日照數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,將自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)均沒(méi)有日照的天數(shù)剔除,然后將自動(dòng)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差值以0.1 h為間隔進(jìn)行分段概率統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,二者的差值絕大多數(shù)為正值,負(fù)值所占的百分比只有15.23%,差值在-0.2~0.2 h的數(shù)據(jù)僅占 33.11%,此外有3.97%的數(shù)據(jù)差值超過(guò)了2 h。
為了更好地分析自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照逐日數(shù)據(jù)的差異性,定義相對(duì)差值為自動(dòng)日照時(shí)數(shù)減去人工日照時(shí)數(shù),所得的差值除以人工日照時(shí)數(shù),即:
(3)
將自動(dòng)和人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)相對(duì)差值以5%為間隔進(jìn)行分段概率統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,相對(duì)差值集中分布在-10%~10%,所占百分比達(dá)到了56.95%,相對(duì)差值大于50%的數(shù)據(jù)僅占9.93%,表明大部分觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差很小。
文章對(duì)休寧縣氣象站2018年12月—2019年7月的自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,逐日日照數(shù)據(jù)自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)平均偏多0.52 h,但同時(shí)有15.23%的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)少于人工觀測(cè);逐月日照數(shù)據(jù)自動(dòng)觀測(cè)均多于人工觀測(cè),二者間的差值總體上呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢(shì),造成差異的原因有以下幾種:
根據(jù)張緯敏[6]的研究,晴朗天氣時(shí)暗筒式日照計(jì)在120~300 W/m2的太陽(yáng)直接輻射度才會(huì)產(chǎn)生感光跡線,而地平線渾濁時(shí),需要達(dá)到130~145 W/m2才出現(xiàn)感光跡線。而對(duì)于光電式日照計(jì)而言,當(dāng)直接輻射達(dá)到閾值120 W/m2時(shí)便會(huì)輸出日照信號(hào),相比之下,自動(dòng)日照計(jì)呈現(xiàn)日照數(shù)據(jù)出現(xiàn)早、結(jié)束晚的現(xiàn)象,使得自動(dòng)觀測(cè)日照數(shù)據(jù)相對(duì)人工觀測(cè)偏多。
在多云天氣條件下,由于太陽(yáng)位置的變化以及云的移動(dòng),會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)太陽(yáng)被遮擋的現(xiàn)象,造成地面日照時(shí)有時(shí)無(wú)。對(duì)于這種情況,光電式日照計(jì)由于其時(shí)間分辨力為1 min,會(huì)記錄下太陽(yáng)被遮擋超過(guò)1 min的變化;而對(duì)于暗筒式日照計(jì)而言,日照紙上記錄的最小刻度為0.1 h,即6 min,無(wú)法反映6 min以內(nèi)的變化,呈現(xiàn)的結(jié)果是1條濃淡不一但連續(xù)的感光跡線。所以在多云天氣條件下,當(dāng)太陽(yáng)被云層遮擋1~6 min時(shí),光電式日照計(jì)記錄無(wú)日照,而暗筒式日照計(jì)記錄有日照,導(dǎo)致人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)多于自動(dòng)觀測(cè)[7]。
光電式日照計(jì)的接收窗內(nèi)附有吸光漆涂層,用于吸收反射輻射,從而減小誤差,但由于實(shí)際情況,吸光漆的吸光率并不能達(dá)到100%。并且在長(zhǎng)時(shí)間的使用后,暴曬導(dǎo)致吸光漆老化,吸光率進(jìn)一步下降,通常會(huì)有25%左右的反射率,造成在正午前后,當(dāng)太陽(yáng)直射在接收窗內(nèi)壁時(shí),吸光漆無(wú)法完全吸收反射輻射,導(dǎo)致接收到的反射輻射偏大,輸出的直接輻射偏小,從而出現(xiàn)直接輻射衰減的現(xiàn)象。根據(jù)楊海行[8]的研究,衰減作用具有明顯的時(shí)間分布規(guī)律,在正午時(shí)刻衰減作用最強(qiáng),上下午時(shí)刻較弱,并且呈一定的對(duì)稱分布。
晴朗天氣時(shí)中午的直接輻射度很高,即便衰減后直接輻射度依然能達(dá)到閾值,所以不會(huì)影響日照時(shí)數(shù)的累積。在多云或陰天時(shí),正午直接輻射度較弱,衰減后的直接輻射度會(huì)低于閾值,使得日照時(shí)數(shù)偏少,所以光電式日照計(jì)的衰減作用在晴朗天氣下影響不大,在多云、陰天或太陽(yáng)直接輻射度不強(qiáng)的天氣時(shí),衰減作用的影響較大。
人工觀測(cè)需要在換下日照紙后,由觀測(cè)員按照感光跡線手動(dòng)描畫(huà),然后計(jì)算日照時(shí)數(shù)。在手動(dòng)描畫(huà)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩種誤差:一是當(dāng)感光跡線為一條時(shí)斷時(shí)續(xù)的線時(shí),可能會(huì)被描畫(huà)成連續(xù)的直線,使得人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)偏多;二是當(dāng)感光跡線存在但不明顯時(shí),可能會(huì)被遺漏,造成人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)偏少。
此外,暗筒式日照計(jì)需要每天及時(shí)更換涂抹好感光藥品的日照紙,因此感光藥品的質(zhì)量和觀測(cè)員的涂抹技巧都會(huì)對(duì)日照紙的質(zhì)量產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響人工觀測(cè)的日照數(shù)據(jù)。并且在更換日照紙時(shí),日照紙的擺放位置、暗筒內(nèi)是否有積水、圓蓋是否完全密閉以及浸泡日照紙的時(shí)間長(zhǎng)短都是決定日照數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確的重要因素。因此,人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的主觀性很大,對(duì)于觀測(cè)員的操作要求很高。
余弦特性指的是儀器所接收到的光信號(hào)數(shù)值與入射光的角度存在余弦關(guān)系,接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于實(shí)際的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,故余弦特性也是影響日照數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要因素之一。光電式日照計(jì)中的光電感應(yīng)器里裝有余弦校正器,能夠在一定程度上消除余弦特性引起的誤差;而暗筒式日照計(jì)則受余弦特性影響很大。
由于暗筒式日照計(jì)的余弦特性對(duì)人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)影響很大,故對(duì)人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦校正,以減小余弦誤差[9-11]。
假設(shè)太陽(yáng)輻射垂直入射到面積為S的接收面時(shí),產(chǎn)生的太陽(yáng)輻射為E;當(dāng)太陽(yáng)輻射以h的太陽(yáng)高度角入射到接收面時(shí),產(chǎn)生的太陽(yáng)輻射為E1,二者之間存在以下關(guān)系:
E1=E×sinh
(4)
假定1 d內(nèi)日出時(shí)間為a,此時(shí)輻射強(qiáng)度為0 W/m2;按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度日照出現(xiàn)時(shí)間為b,此時(shí)輻射強(qiáng)度為120 W/m2;暗筒式日照計(jì)記錄的日照開(kāi)始時(shí)間為c,此時(shí)輻射強(qiáng)度為(120/sinh) W/m2。1 d內(nèi),太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從日出時(shí)由0開(kāi)始增大,一般在正午12:00左右達(dá)到最大值,隨后逐漸減小為0。將1 d內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化近似為成正比,則可以得出式(5):
(5)
根據(jù)式(5)對(duì)2018年12月—2019年7月休寧地區(qū)所有晴天的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦校正后,與光電式日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。
將余弦校正前的自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差值同校正后的差值對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)差值明顯減小,出現(xiàn)了人工觀測(cè)數(shù)值大于自動(dòng)觀測(cè)的現(xiàn)象,并且,二者間差值同樣符合冬季小、夏季大的特點(diǎn)。
表1 自動(dòng)人工月日照總數(shù)統(tǒng)計(jì) 0.1 h
將校正后的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)按日統(tǒng)計(jì),對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析,結(jié)果如圖3所示,計(jì)算后得出日照時(shí)數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.9899,其回歸方程為:
sr=sz×0.938-0.829
(6)
與校正前相比,修正后兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)有所增大,二者間的相關(guān)性更強(qiáng)。
圖3 自動(dòng)和校正后人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)散點(diǎn)分析
對(duì)校正前后自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)的差值以0.1 h為間隔進(jìn)行分段概率統(tǒng)計(jì),從差值分布發(fā)現(xiàn),校正前二者差值大多為正值,占比74.77%,校正后負(fù)值占比明顯增加,二者的差值分布相對(duì)更平均,正負(fù)值占比分別為51.6%和38.6%。校正后差值在-0.2~0.2 h的數(shù)據(jù)達(dá)到了45.7%,相比于校正前的33.11%明顯提高,此外僅有1.99%的數(shù)據(jù)差值超過(guò)了2 h,比校正前的3.97%有所減小。從差值的分布來(lái)看,兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)間的差異相較于校正前顯著減小,相關(guān)性更強(qiáng)。
將校正前后自動(dòng)和人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)相對(duì)差值以5%為間隔進(jìn)行分段概率統(tǒng)計(jì)可知,校正后相對(duì)差值分布集中在-10%~10%,所占百分比達(dá)到了67.54%,相較于校正前的56.95%有所增大,相對(duì)差值大于50%的數(shù)據(jù)占比7.28%,同校正前的9.93%相比有一定的減小。從相對(duì)差值的分布來(lái)看,校正后兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強(qiáng)。
文章通過(guò)對(duì)休寧國(guó)家氣象站自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:
1)整體上自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯多于人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù),平均偏多0.52 h,但兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.9844,具有較好的一致性;
2)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的差異性來(lái)源很多,兩種觀測(cè)儀器的感光閾值、分辨力、余弦特性以及光電式日照計(jì)的衰減作用和人工觀測(cè)的規(guī)范性都是造成數(shù)據(jù)誤差的重要因素;
3)對(duì)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦校正后,差值集中分布在-0.2~0.2 h,相對(duì)差值在-10%~10%的數(shù)據(jù)達(dá)到了67.54%,兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9899,相關(guān)性更強(qiáng)。