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

（大興安嶺地區氣象局，黑龍江 大興安嶺165000）

1 引言

中國絕大多數臺站使用的日照計為暗筒式日照計，只有少數高緯度臺站使用聚焦式日照計。聚焦式日照紙目前國內已經不生產，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，從而結束了幾十年聚焦日照的觀測歷史。

2 兩種日照計構造及原理

《地面氣象觀測規范》把日照定義為“太陽在一地實際照射的時數。在一給定時間，日照時數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。”

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，兩側各有一進光小孔，筒內附有壓紙夾)、隔光板、緯度盤和支架底座等構成。它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線來計算日照時數。本文中使用的暗筒式日照計為上海生產的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成。球形截斷面上設置有相互重疊的三副槽構，以便在裝入日照紙后能適用于一年中不同的季節。它是利用太陽光經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的。本文中使用的聚焦式日照計為前蘇聯生產的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，直線距離在2 m之內。

漠河國家基準氣候站位于黑龍江省漠河縣西林吉鎮（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鄉村 （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 （城區），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

通過對比分析發現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誤差，除受安裝標準及環境條件影響外，還受儀器性能、操作方法、天氣條件、日照紙與所用藥品的質量等因素影響。劣質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量好壞，以及涂藥方法是否得當，是影響該儀器準確度的主要原因，其次由于該儀器的日照紙需人工制作、安裝和更換，日照時數需要根據感光跡線進行人工判斷，由此導致測量結果主觀性強，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產生的，特別是在少云的情況下；在中、高緯度地區常常由于露或霜影響早晨的日照值。

4.3 原因分析

4.3.1 儀器構造影響

高緯度夏季日出很早，日落很晚。中國最北地區漠河真太陽3時后就日出，2l時前才日落，日照時數長達近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。當然，由于種種原因也經常觀測到暗筒式日照計比聚焦式日照計記錄偏多的現象。

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確日照時數的前提，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；對準正北；對準當地緯度。除了以上幾點之外還要符合《氣象探測環境和設施保護辦法》規定：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面。

5 結論

綜上所述，影響日照時數準確度的因素是錯綜復雜的，日照計的安裝、日照紙質量及涂藥的好壞、儀器日常維護等都會引起日照時數的誤差。但只要按規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據質量。由于暗筒式和聚焦式日照計的業務觀測離不開人工操作，準確度相對較低。按實際觀測的日照時數，聚焦式日照計較準，暗筒式次之，具體誤差值需要和標準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，本科生，工程師.