黃 維，董德保，沈玉亮

(1.安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥 230031；2.休寧縣氣象局，休寧 245400)

0 引言

日照對(duì)于地球萬物的生長有著極其重要的作用[1]，地球接收到的太陽輻射是推動(dòng)地球上物理過程和生物過程的主要能量來源。而地理位置則是影響太陽輻射強(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，太陽照射的面積和方向都存在很大的差異，檢測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。

探測手段的客觀化及探測方法的自動(dòng)化是氣象探測技術(shù)的發(fā)展方向。近年，國內(nèi)外研發(fā)了很多自動(dòng)觀測日照的設(shè)備，楊召瓊[2]對(duì)人工觀測和CSD1型自動(dòng)日照計(jì)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明人工觀測與自動(dòng)觀測所得到的日照時(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)，并開始日照的平行觀測，至2019年8月正式啟用自動(dòng)日照計(jì)代替人工觀測。其中人工觀測通過暗筒式日照計(jì)進(jìn)行觀測，自動(dòng)觀測則是采用光電式數(shù)字日照計(jì)進(jìn)行觀測。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，提高了日照測量精度，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種不同觀測方式下的日照觀測數(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。

1 設(shè)備原理

1.1 暗筒式日照計(jì)測量原理

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。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，照射過的記錄紙經(jīng)清水漂洗后，即能觀測日照的起止時(shí)間及日照時(shí)數(shù)。

1.2 光電式日照計(jì)測量原理

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)接收太陽輻射，所以太陽處于任意位置時(shí)，D1都能接收到太陽總輻射，包括太陽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，從而可以測量太陽散射輻射。

D1光電感應(yīng)組件測量的信號(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)太陽輻射經(jīng)過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。在內(nèi)電場的作用下，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)閾值開關(guān)電路導(dǎo)通，處理器開始記錄日照時(shí)間。

圖1 光電式數(shù)字日照計(jì)測量原理

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，波長越長，激發(fā)的載流子深度也就越大。PN節(jié)的薄厚決定了對(duì)于不同波長入射光的轉(zhuǎn)換效率，較寬的PN節(jié)更容易轉(zhuǎn)換長波的入射光；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)電場的作用下，向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。波長較長的光無法被P區(qū)擴(kuò)散層吸收，會(huì)穿過表層，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)電場的作用下，載流子分別向P區(qū)和N區(qū)運(yùn)動(dòng)。波長更長的光會(huì)直接穿過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)。

2 資料分析

2.1 月日照總數(shù)統(tǒng)計(jì)

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。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)觀測的月日照時(shí)數(shù)得出，自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)明顯多于人工觀測。

2.2 逐月日照時(shí)數(shù)分析

將12月—次年7月的自動(dòng)觀測與人工觀測的數(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)觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)都處于遞增的趨勢，對(duì)比可知自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)明顯高于人工觀測數(shù)據(jù)。且二者差值呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢。

2.3 逐日日照時(shí)數(shù)差異分析

將12月—次年7月的自動(dòng)觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)按日統(tǒng)計(jì)，對(duì)人工與自動(dòng)觀測的日照數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，通過計(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)和人工觀測數(shù)據(jù)整體上具有較好的一致性，自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)較人工觀測偏高，個(gè)別情況下，人工觀測日照數(shù)據(jù)為0，而自動(dòng)觀測日照數(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，太陽輻射強(qiáng)度沒有達(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)觀測和人工觀測均沒有日照的天數(shù)剔除，然后將自動(dòng)和人工觀測日照時(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)差值超過了2 h。

為了更好地分析自動(dòng)觀測和人工觀測日照逐日數(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%，表明大部分觀測數(shù)據(jù)的誤差很小。

3 差異分析

文章對(duì)休寧縣氣象站2018年12月—2019年7月的自動(dòng)觀測和人工觀測日照時(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)觀測比人工觀測平均偏多0.52 h，但同時(shí)有15.23%的自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)少于人工觀測；逐月日照數(shù)據(jù)自動(dòng)觀測均多于人工觀測，二者間的差值總體上呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢，造成差異的原因有以下幾種：

3.1 感光閾值

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)觀測日照數(shù)據(jù)相對(duì)人工觀測偏多。

3.2 分辨力

在多云天氣條件下，由于太陽位置的變化以及云的移動(dòng)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)太陽被遮擋的現(xiàn)象，造成地面日照時(shí)有時(shí)無。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)記錄下太陽被遮擋超過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)太陽被云層遮擋1～6 min時(shí)，光電式日照計(jì)記錄無日照，而暗筒式日照計(jì)記錄有日照，導(dǎo)致人工觀測日照時(shí)數(shù)多于自動(dòng)觀測[7]。

3.3 衰減作用

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)太陽直射在接收窗內(nèi)壁時(shí)，吸光漆無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、陰天或太陽直接輻射度不強(qiáng)的天氣時(shí)，衰減作用的影響較大。

3.4 主觀誤差

人工觀測需要在換下日照紙后，由觀測員按照感光跡線手動(dòng)描畫，然后計(jì)算日照時(shí)數(shù)。在手動(dòng)描畫的過程中會(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)被描畫成連續(xù)的直線，使得人工觀測日照時(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，人工觀測數(shù)據(jù)的主觀性很大，對(duì)于觀測員的操作要求很高。

3.5 余弦特性

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，接收到的太陽輻射強(qiáng)度小于實(shí)際的太陽輻射強(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。

4 余弦校正

由于暗筒式日照計(jì)的余弦特性對(duì)人工觀測日照數(shù)據(jù)影響很大，故對(duì)人工觀測日照數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦校正，以減小余弦誤差[9-11]。

假設(shè)太陽輻射垂直入射到面積為S的接收面時(shí)，產(chǎn)生的太陽輻射為E；當(dāng)太陽輻射以h的太陽高度角入射到接收面時(shí)，產(chǎn)生的太陽輻射為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)，太陽輻射強(qiáng)度從日出時(shí)由0開始增大，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數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦校正后，與光電式日照計(jì)觀測數(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)與人工觀測數(shù)據(jù)差值同校正后的差值對(duì)比分析。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種觀測數(shù)據(jù)差值明顯減小，出現(xiàn)了人工觀測數(shù)值大于自動(dòng)觀測的現(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數(shù)據(jù)和自動(dòng)觀測數(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)差值超過了2 h，比校正前的3.97%有所減小。從差值的分布來看，兩種觀測數(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)差值的分布來看，校正后兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強(qiáng)。

5 結(jié)束語

文章通過對(duì)休寧國家氣象站自動(dòng)觀測和人工觀測日照數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)整體上自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)明顯多于人工觀測日照數(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)觀測和人工觀測的差異性來源很多，兩種觀測儀器的感光閾值、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)。