光電日照計測量數(shù)據(jù)分析研究

吳吉哲

（沂水縣氣象局，山東沂水 276400）

0 引言

日照計是一種被設(shè)計專門測量太陽光度的儀器。在我國現(xiàn)階段日照時數(shù)觀測業(yè)務(wù)中，主要使用的是暗筒式日照計，此類儀器雖然基本滿足日常的數(shù)據(jù)記錄，但由于自動化程度低，需要人工涂抹感光藥劑，造成精度較差、主觀性太強的缺點，影響數(shù)據(jù)資料的可比性以及一致性。基于此現(xiàn)象，科研人員正研制可業(yè)務(wù)化的日照自動觀測傳感器新儀器。目前，在傳感器領(lǐng)域我國出現(xiàn)了一大批新的技術(shù)，例如光電日照計，其優(yōu)越的性能和穩(wěn)定的精度，對于我國日照傳感器的開發(fā)與應(yīng)用有重大的推動作用。

在氣象學(xué)上通常使用日照時數(shù)表示當(dāng)天的日照情況，而日照時數(shù)又采用日照計觀測，日照時數(shù)是所有氣象臺站必須要觀測的項目。日照時數(shù)是指太陽在一處實際照射的時間，WMO對日照時數(shù)的定義是在給定時間內(nèi)太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的時間段總和。日照時數(shù)的觀測記錄對于了解太陽直射輻射變化、監(jiān)測天氣氣候狀況、分析和預(yù)報未來天氣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)、建筑規(guī)劃與設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等都有重要意義。目前在氣象業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用的觀測儀器類型是：暗筒式日照計、直接輻射式日照計、總輻射式日照計、雙金屬片式日照計等。

目前較為精確的日照傳感器是直接輻射表。它的工作原理是通過光敏器件自動跟蹤太陽在天空中的位置，并分析出它的輻射量，自動把12O W/m2的時間累加起來，作為每天日照時數(shù)。但由于其有一個易出故障的跟蹤裝置，影響它的普及。另一種雙金屬片日照傳感器是用相互均勻隔開的6對雙金屬黑化元件置于聚丙烯圓罩下構(gòu)成。長期使用后會因為溫度、濕度等自然條件對金屬元件的不可控影響，造成儀器的精準(zhǔn)度較低。

因此，現(xiàn)有的人工日照記錄方式以及自動日照計都具有若干不可控的故障因素，這不利于氣象工作的可靠性、高精度，所以亟需新的日照測量工具。而光敏晶體管自動日照計就是在這種背景下誕生的一種可靠設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)自動地觀測和存儲日照觀測數(shù)據(jù)，是新一代氣象設(shè)備。它不僅僅可以滿足國家現(xiàn)代化氣象觀測業(yè)務(wù)需求，同時又具有跟高的觀測數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性。另外它還具有結(jié)構(gòu)簡單、牢靠耐用，持續(xù)運行時間長，易操作維護，易存儲備份的優(yōu)點。

1 輻射觀測數(shù)據(jù)的獲取及審核

對于太陽輻射觀測數(shù)據(jù)的審核，設(shè)計到分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。在進行和里的數(shù)據(jù)審核時，不僅檢查數(shù)字計算的準(zhǔn)確性，而且要特別關(guān)注輻射參數(shù)、天氣條件、太陽高度角以及其他相關(guān)輻射參數(shù)的一致性，亦要考慮到和這些參數(shù)有關(guān)的時空性。本論文針對數(shù)據(jù)格式、氣候?qū)W界限值、臺站氣候極值、內(nèi)部一致性、時間一致性等幾個方面對數(shù)據(jù)進行審核。

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從日照計直接獲得的數(shù)據(jù)內(nèi)褲包括時間，觀測站站點，總輻射，直接輻射數(shù)據(jù)，散射輻射，而為了方便導(dǎo)入MATLAB進行下一步的分析所以要利用特殊軟件進行提取。

標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)取自2014年11月6日至2015年4月25觀測站的數(shù)據(jù)，按照秒和分鐘分為二類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件較大，因此使用LOGGER NET軟件打開進行操作。通過這個軟件提取出的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過EXCEL進行格式轉(zhuǎn)換，最后用數(shù)據(jù)提取軟件篩選，即可以導(dǎo)入MATLAB繪圖。數(shù)據(jù)格式例如CR3000201411063。

1.2 光電日照計數(shù)據(jù)

光電日照計數(shù)據(jù)文件較小直接用數(shù)據(jù)提取軟件進行提取，數(shù)據(jù)格式為SDI20141106MSJCOM6。

2 最小二乘法擬合

2.1 擬合工具

MATLAB（矩陣實驗室），即MATrix LABoratory，是一款由The MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB較普通的算法設(shè)計軟件，更具有完備的數(shù)據(jù)可視化操作庫，更優(yōu)化的數(shù)據(jù)分析，以及作為數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，編寫繪圖plot函數(shù)，將總輻射，直接輻射，散射輻射三種輻射數(shù)據(jù)用不同顏色或者不同類型線繪圖，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為輻照度。可以直觀看出每日的峰值，曲線的平滑度等。

最小二乘法，又稱之為最小平方法，它是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。為了獲得數(shù)據(jù)序列的最佳函數(shù)匹配，可以利用最小化誤差的平方和，從而簡便快捷地求得未知的數(shù)據(jù)。通過其模擬演算出的數(shù)據(jù)，降低了與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。最小二乘法也可用于擬合測量數(shù)據(jù)的曲線。因為是大部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合的曲線，所以曲線有時可以通過數(shù)據(jù)的點，但在其他點上，曲線是接而不是通過它們。基本情況下，通過算法擬合的選擇曲線會使得數(shù)據(jù)點的平方誤差和最小。用一系列基函數(shù)進行的最小二乘曲線擬合，直接而通用的做法是用多項式，即線性擬合；另外還可以選擇其他基函數(shù)，這種做法稱之為非線性擬合。

天氣擬合圖像如圖1。

圖1 2015年4月15日雷雨轉(zhuǎn)多云

2.2 一致性分析

從圖表（略）中可觀察到，直接輻射表的數(shù)據(jù)和光電日照計的數(shù)據(jù)在總輻射的觀測中保持了一致性。即使在特殊天氣情況下，倆者的總輻射數(shù)據(jù)都是基本一致的，所以可以推測倆種日照計的數(shù)據(jù)在總輻射的觀測中保持了一致性。所以著重分析倆者在直接輻射和散射輻射的差異。

2.3 每日誤差分析

光電日照計和直接輻射表在測量散射輻射和直接輻射有顯著差異，基本趨勢是在天氣情況較好的條件下，在直接輻射觀測中，直接輻射表觀測的數(shù)值和光電日照計測得的沒有明顯差異，但是在時間尺度上略微提前，在遇到復(fù)雜天氣時，則數(shù)值比光電日照計測量獲得的數(shù)據(jù)多。而在散射輻射的觀測中，情況則相反，光電日照計觀測數(shù)值在時間上提前，在數(shù)值上也較大。在極端天氣情況時，例如雷雨，多云天氣時，兩種輻射的觀測差異比較明顯，總結(jié)基本趨勢為直接輻射的觀測里，直接輻射表觀測的數(shù)值比光電日照計大，而在散射輻射的觀測中情況則相反。

在黎明的日出時，因為受夜間輻射冷卻效應(yīng)的作用，環(huán)境溫度比較低。感應(yīng)面因為接受熱量，所以感應(yīng)面大于環(huán)境溫度。由于熱平衡，所以熱量會從感應(yīng)面向空氣傳導(dǎo)，從而單位太陽入射強度產(chǎn)生的溫差電動勢會降低，這就造成了直接輻射表觀測的日照時數(shù)偏少。隨著太陽輻射的增大，環(huán)境溫度逐漸升高，儀器的感應(yīng)面和環(huán)境之間的熱量傳導(dǎo)就會減少，這就會使得兩種觀測資料的差異逐漸變小。在日落時間，由于白天太陽的輻射，環(huán)境溫度比較高，熱量會由空氣向感應(yīng)面?zhèn)鲗?dǎo)，從而增加了單位太陽入射強度產(chǎn)生的溫差電動勢，即增加了觀測到的日照時數(shù)。

所以在直接輻射的觀測中，在天氣情況較好時，直接輻射表的觀測記錄開始的比光電日照計遲，結(jié)束也晚。而在復(fù)雜天氣情況下，雖然日照已經(jīng)被阻擋，但是由于環(huán)境溫度變化初期不明顯，直接輻射表記錄觀測直接輻射誤差加大，出現(xiàn)了直接輻射記錄增加的情況，而另一方面，記錄散射輻射則由于熱電效應(yīng)的遲緩比光電日照計測得的少。

2.4 不同天氣條件下光電日照計數(shù)據(jù)分析

日照的變化是受云量、水汽、以及大氣渾濁度等多種因素的影響的，光電日照計和直接輻射表的觀測靈敏度也會受環(huán)境的影響。分別取直接輻射表和光電日照計的數(shù)據(jù)，并且是來自不同天氣情況下的數(shù)據(jù)，分別是多云，霧天，陰天，雨天四種情況。在直接輻射表觀測數(shù)據(jù)中，在晴天，霧霾，多云等天氣時，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。當(dāng)遇到雷雨極端天氣時，總輻射，直接輻射測量數(shù)據(jù)變化明顯，數(shù)據(jù)擺動過大，出現(xiàn)失真現(xiàn)象。進一步分析得出光電日照計在遇到雷雨天氣時，數(shù)據(jù)也有明顯波動，但是并不劇烈，數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合處理具有一定的代表性，并且在天氣情況較好時，測量得到的直接輻射和散射輻射更準(zhǔn)確。所以，即使在在天空云量增大，即太陽輻射減弱，遭遇復(fù)雜的天氣情況時，光電日照計的性能比直接輻射表性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語

1）光電日照計和直接輻射表觀測得到的總輻射數(shù)值保持了一致性。

2）光電日照計在測量直接輻射、散射輻射方面比直接輻射表性能優(yōu)異；在遇到復(fù)雜天氣情況下，光電日照計穩(wěn)定性及靈敏性比直接輻射表高。

3）天氣條件的變化也是影響差值大小因素之一。在日照條件差的時候，例如陰天，天氣影響因素相對較小；而在晴天的情況下，遇到突發(fā)性雷雨天氣，影響也較為明顯。

4）通過查閱資料得知，光電日照計可以通過合理設(shè)計解決光學(xué)系統(tǒng)上的雜光影響，例如可以進行印刷線路板的布局，進行時鐘電路抗干擾設(shè)計。并且在應(yīng)用上使用新材料，可以幫助解決傳感器的輻射響應(yīng)影響等問題。