光電式數字日照計安裝不規范引起的測量誤差分析

趙振東

(河北省信息工程學校，保定 071000)

0 引言

日照是表征當地氣象狀況和氣候特點的重要氣象要素，是中國氣象局統一布局的觀測項目之一。用來描述日照的概念有兩個，一是可照時數(天文可照時數)，是指在無任何遮蔽條件下，太陽中心從某地東方地平線到進入西方地平線，其光線照射到地面所經歷的時間。可照時數可由公式計算得出，也可從天文年歷或氣象常用表查出。二是日照時數，日照是指太陽在一地實際照射的時數。在給定時間，日照時數定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的時間總和[1]，以小時(h)為單位，取1位小數。日照時數也稱實照時數。

2018年全國各氣象臺站開始安裝使用光電式數字日照計，光電式數字日照計能夠實現日照的自動連續觀測，提高日照測量準確度。光電式數字日照計的安裝有特殊的要求，安裝不規范將引起測量誤差。文章針對光電式數字日照計安裝不規范引起的測量誤差進行探討。

1 測量原理

1.1 安裝要求

光電式數字日照計的安裝過程嚴格按照相關規范要求執行，同時日照傳感器的固定底座要水平，按照當地緯度調節日照計仰角(誤差范圍±0.5°)。光學鏡筒筒口對準正北(誤差范圍±5°)，北半球，光筒頂端朝向正北；南半球，光筒頂端朝向正南[2]。

若日照傳感器安裝正確，則其光學鏡筒的軸線與地球軸線平行，如圖1所示。在春分、秋分日，太陽直射赤道(圖1中3線)，太陽直接輻射入射光與光學鏡筒垂直；在北半球的夏季，太陽直射北半球(圖1中1線)，太陽直接輻射入射光與圖1中3線有夾角δ，為太陽傾角，δ在1 d中基本不變；在北半球的冬季，太陽直射南半球(圖1中2線)，太陽直接輻射入射光與圖1中3線有夾角δ，為太陽傾角，δ在1 d中基本不變[3]。

圖1 光電式數字日照計接受不同方向太陽光示意圖

1.2 測量原理

日照傳感器采用置于光學鏡筒中的3個同軸光電感應器對總輻射和散射輻射進行自動連續觀測，根據計算出的直接輻照度判斷有無日照。測量原理如圖2所示，3個帶有圓柱形漫射器的光電管D1、D2、D3安裝在同一軸線上，并通過遮光罩及其入射窗W1、W2對入射到D2、D3上的輻射進行約束。

圖2 光電式數字日照計測量原理

光電管D1在360°的環形范圍內接收總輻射。D2和D3用于測量散射輻射，其遮光罩采用特殊的全分天空方式，使二者不能同時暴露于陽光下，太陽直接輻射只能照射到D2、D3中的1只，其中較小的輸出值即為散射輻射[4]，且D2、D3只能接收二分之一天空的散射輻射。

設傳感器測得直接輻射為S，總輻射為Eg，D2、D3其中之一測得的散射輻射為Ed，則

S=Eg-2Ed

(1)

直接輻射是指日面及其周圍一個小立體角(從太陽中心向外擴展的半開敞角，約2.5°，相當于5×10-3sr)內發出并入射到與該立體角軸線相垂直平面上的輻射。因此傳感器測得直接輻射需換算成垂直于太陽入射光的值S0。如圖1所示，則

S0=S/cosδ

(2)

其中：

dn是按天數排列的序號，1月1日為0，2日為1，…，12月31日為364(平年)，閏年12月31日為365。

若計算出的太陽直接輻照度S0≥120 W/m2，則算作有日照，將日照時間進行累計，得到每小時和每天的日照時數。

2 誤差分析

2.1 傳感器方位安裝錯誤引起的誤差

若光電式數字日照計的光學鏡筒筒口未對準正北，則光學鏡筒的軸線不與地球軸線平行，導致太陽直射光和圖1中3線的夾角與太陽傾角δ存在偏差，且其夾角從日出至日落隨時間的變化而變化，并非基本不變。因此，應用公式(2)計算出的S0存在誤差。

2.2 傳感器底座安裝不水平引起的誤差

2.2.1 傳感器底座東西向不水平引起的誤差

光電式數字日照計的底座東西向不水平，不影響光學鏡筒的軸線與地球軸線平行，因此，應用公式(2)計算S0時，使用的太陽傾角δ正確。由于D2和D3的遮光罩采用特殊的全分天空方式，只能接收二分之一天空的散射輻射。因東西向不水平，D2和D3接收的并不是二分之一天空的散射輻射，而是一個大于二分之一，另一個小于二分之一，因此測得的Ed不是二分之一天空的散射輻射，應用公式(1)計算出的S存在誤差，從而影響S0的計算。

2.2.2 傳感器底座南北向不水平引起的誤差

光電式數字日照計的底座南北向不水平，不影響D2和D3接收二分之一天空的散射輻射。但是，會使光學鏡筒的軸線不與地球軸線平行，導致太陽直射光和圖1中3線的夾角與太陽傾角δ存在偏差，但1 d中其夾角基本不變。因此，應用公式(2)計算出的S0存在誤差。

2.3 傳感器未對準當地緯度引起的誤差

光電式數字日照計未對準當地緯度，與傳感器底座南北向不水平產生的影響類似。無論是緯度偏小還是偏大，均使太陽直射光和圖1中3線的夾角與太陽傾角δ存在偏差，S0的計算誤差與光電式數字日照計的底座南北向不水平產生的誤差一致。

2.4 對計算日照時數的影響

日照時數的計算是以太陽直接輻照度S0≥120 W/m2作為標準的，當S0?120 W/m2或S0?120 W/m2時，因日照計安裝不規范引起的測量誤差，不影響S0≥120 W/m2的判別，所以不影響日照時數的計算。當S0值接近120 W/m2時，因日照計安裝不規范引起的測量誤差可能影響S0≥120 W/m2的判別，從而影響日照時數的計算。

因此，在日出后或日落前，以及因天氣狀況使太陽直接輻射值接近120 W/m2時，光電式數字日照計安裝不規范會引起日照時數計算的準確性。

3 結束語

文章根據光電式數字日照計在正確的安裝情況下測量日照時數的原理，分析了日照計在安裝不水平及未對準南北線、緯度的情況下引起日照時數測量誤差的原因，為日照的自動連續觀測工作提供參考。