高緯度聚焦式與暗筒式日照計測量誤差探討

陸忠濤，于淑靜，侯士波

（大興安嶺地區(qū)氣象局，黑龍江 大興安嶺165000）

高緯度聚焦式與暗筒式日照計測量誤差探討

陸忠濤，于淑靜，侯士波

（大興安嶺地區(qū)氣象局，黑龍江 大興安嶺165000）

1 引言

中國絕大多數(shù)臺站使用的日照計為暗筒式日照計，只有少數(shù)高緯度臺站使用聚焦式日照計。聚焦式日照紙目前國內(nèi)已經(jīng)不生產(chǎn)，為了日照資料的可比性和均一化，黑龍江省于2012年1月1日將18個臺站的聚焦式日照計改為暗筒式日照計，從而結(jié)束了幾十年聚焦日照的觀測歷史。

2 兩種日照計構(gòu)造及原理

《地面氣象觀測規(guī)范》把日照定義為“太陽在一地實際照射的時數(shù)。在一給定時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W·m-2的那段時間總和，以小時為單位，取一位小數(shù)。”

2.1 暗筒式日照計

暗筒式日照計又稱喬唐式日照計，由金屬圓筒(底端密閉，筒口帶蓋，兩側(cè)各有一進光小孔，筒內(nèi)附有壓紙夾)、隔光板、緯度盤和支架底座等構(gòu)成。它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線來計算日照時數(shù)。本文中使用的暗筒式日照計為上海生產(chǎn)的Fj2型。

2.2 聚焦式日照計

聚焦式日照計又稱康培司托克式日照計，它由固定在弧型支架兩端的實心玻璃球、金屬槽(安裝自記紙用)、緯度刻度尺和底座等構(gòu)成。球形截斷面上設(shè)置有相互重疊的三副槽構(gòu)，以便在裝入日照紙后能適用于一年中不同的季節(jié)。它是利用太陽光經(jīng)玻璃球聚焦后燒灼日照紙(卡片)留下的焦痕來記錄日照時數(shù)的。本文中使用的聚焦式日照計為前蘇聯(lián)生產(chǎn)的051型號（漠河，呼瑪）、3458型號（北極村）。

3 兩種日照計的對比試驗與資料分析

3.1 試驗站點及對比時段

為了解兩種日照計的測量差異，以大興安嶺地區(qū)僅有的3個聚焦式臺站（呼瑪、漠河、北極村）為例，對比時段為2011年9-12月。兩種日照計安裝在觀測場南側(cè)，直線距離在2 m之內(nèi)。

漠河國家基準(zhǔn)氣候站位于黑龍江省漠河縣西林吉鎮(zhèn)（郊外），52°58′N，122°31′E，海拔高度 433.0 m；北極村國家一般氣象站位于黑龍江省漠河縣漠河鄉(xiāng)鄉(xiāng)村 （江邊），53°28′N，122°22′E，海拔高度 296.0 m；呼瑪國家基本氣象站位于黑龍江省呼瑪縣呼瑪鎮(zhèn) （城區(qū)），51°43′N，126°39′E，海拔高度 177.4 m。

3.2 月平均差值對比分析

通過對3個臺站2011年9-12月日照資料對比分析，得出日照月平均差值（聚焦一暗筒）(表1)。

表1 2011年各站日照月平均差值

3.3 秋冬季差值對比分析

以北極村氣象站和呼瑪氣象站為例，將代表秋(9月)、冬(12月)季的日照資料按照日出后、日落前及其他時段，分別算出3個時段差值△(聚焦式一 暗筒式 )的月平均(表 2)。

表2 3個時段△(聚焦式一暗筒式)的月平均(h)

4 兩種日照計測量誤差的原因探討

4.1 誤差綜述

通過對比分析發(fā)現(xiàn)暗筒式日照計感光時間延遲，使日記錄偏少0.4～0.6 h（北極村站是個例外，見表1），其中偏少的記錄主要發(fā)生在日落前時段，約為0.1～0.2 h。日出后時段反而偏多0.1～0.2 h，其他時段平均誤差基本為0(見表2)。在秋、冬季，各時差值>0.1次數(shù)所占百分比分別為24%、39%。

4.2 誤差來源

這兩種儀器觀測到的日照時數(shù)誤差，除受安裝標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境條件影響外，還受儀器性能、操作方法、天氣條件、日照紙與所用藥品的質(zhì)量等因素影響。劣質(zhì)維護也是造成誤差的原因之一。

暗筒日照紙所用的藥品檸檬酸鐵氨與赤血鹽質(zhì)量好壞，以及涂藥方法是否得當(dāng)，是影響該儀器準(zhǔn)確度的主要原因，其次由于該儀器的日照紙需人工制作、安裝和更換，日照時數(shù)需要根據(jù)感光跡線進行人工判斷，由此導(dǎo)致測量結(jié)果主觀性強，精度相對較低。聚焦式日照計的誤差主要由日照紙卡的溫度和濕度特性及過燒效應(yīng)產(chǎn)生的，特別是在少云的情況下；在中、高緯度地區(qū)常常由于露或霜影響早晨的日照值。

4.3 原因分析

4.3.1 儀器構(gòu)造影響

高緯度夏季日出很早，日落很晚。中國最北地區(qū)漠河真太陽3時后就日出，2l時前才日落，日照時數(shù)長達近18 h。暗筒式日照計由于安裝固定，二個進光孔無法隨太陽的方位轉(zhuǎn)動，使得日出后、日落前的一段時間太陽光射不進光孔。聚焦日照計由于玻璃球可以轉(zhuǎn)動，就避免了這種誤差，因此高緯度臺站，如果使用暗筒式日照計就會使得日照記錄更加偏少。當(dāng)然，由于種種原因也經(jīng)常觀測到暗筒式日照計比聚焦式日照計記錄偏多的現(xiàn)象。

4.3.2 天氣條件影響

聚焦式日照計記錄受日照紙好壞與天氣條件影響甚大。夏季短時間的太陽往往使焦痕燒得偏長，有的日照紙在太陽或蔽或露的多云天氣，使日照紙燒灼的焦痕往往比實際日照時數(shù)偏多。陰雨天日照紙受潮使焦痕顯不出來造成記錄偏少。高的云層（卷云、卷層云），其厚度變化會削弱大約120 W·m-2左右的直接太陽輻照度，致使聚焦式記錄偏少。

4.3.3 日照紙記錄范圍影響

使用的FJ型暗筒式日照自記紙是上海氣象儀器廠生產(chǎn)的8811號自記紙，可記錄范圍為04-20時。但是，在大興安嶺北部地區(qū)儀器的記錄范圍也不能夠覆蓋從日出到日落的所有時段。特別是在6-7月份，4時前和20時后也常會有日照，這時就超出了暗筒日照計記錄范圍，致使記錄偏少。

4.3.4 儀器安裝影響

正確安裝日照計是取得準(zhǔn)確日照時數(shù)的前提，日照計要安裝在開闊的、終年從日出到日落都能受到陽光照射的地方，要符合下列3個要點：儀器安裝水平；對準(zhǔn)正北；對準(zhǔn)當(dāng)?shù)鼐暥取３艘陨蠋c之外還要符合《氣象探測環(huán)境和設(shè)施保護辦法》規(guī)定：在日出、日落方向障礙物的高度角≤5°，四周障礙物不得遮擋儀器感應(yīng)面。

5 結(jié)論

綜上所述，影響日照時數(shù)準(zhǔn)確度的因素是錯綜復(fù)雜的，日照計的安裝、日照紙質(zhì)量及涂藥的好壞、儀器日常維護等都會引起日照時數(shù)的誤差。但只要按規(guī)范操作并注意維護儀器，就可以將誤差降到最低，從而提高日照觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于暗筒式和聚焦式日照計的業(yè)務(wù)觀測離不開人工操作，準(zhǔn)確度相對較低。按實際觀測的日照時數(shù)，聚焦式日照計較準(zhǔn)，暗筒式次之，具體誤差值需要和標(biāo)準(zhǔn)日照傳感器進行比對。

P414.5+2

B

1002-252X(2012)02-0031-02

2012-2-1

陸忠濤(1971-)，男，黑龍江省呼瑪縣人，西南大學(xué)，本科生，工程師.