DFC2光電式數字日照計數據偏差問題研究

崔曉霞

(山東省陽信縣氣象局，陽信 251800)

0 引言

日照是重要的氣候因子，是表征一地氣候特征的重要氣象要素，更是生物生長和發育的必要條件。日照是氣象臺站的基本觀測項目之一，是指太陽在一地實際照射的時數，定義為在一個給定時段內太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的時間的總和[1]，因此，日照時數也稱實照時數。在氣象觀測中，日照計自1880年引入氣象臺站使用后，臺站普遍使用的是聚焦式或暗筒式日照計，以人工觀測為主。近年來，隨著氣象現代化發展以及地面氣象觀測自動化改革的推進，各級氣象臺站逐步實現自動化觀測。光電式數字日照計以性能穩定、觀測準確度高、操作簡單被臺站廣泛使用。但是，在使用過程中，操作維護方式不當或設備自身原因等問題，對數據的業務可用性造成一定的影響。文章以本站2020-01-16—2020-02-04的1次因傳感器出現故障造成的日累計日照時數數據異常的情況為例，對引起數據偏差的原因進行分析并結合當前臺站應用的業務軟件對異常數據進行處理。

1 光電式數字日照計測量原理

根據光電式數字日照計測量原理可知，光電式數字日照計使用HYSD1型光電式數字日照傳感器，傳感器采用3個光電感應器件測量太陽總輻射和散射輻射，計算出太陽直接輻射，并判斷累計日照時數。

2 日照傳感器故障處理

2.1 故障現象及特征對比分析

2020-01-16-2020-02-04，本站日累計日照時數自動觀測數據間歇性出現異常偏多，文章對本站及周邊臨近5個臺站(樂陵、慶云、無棣、商河、惠民)日累計日照數據、小時累計日照數據以及臨近無棣、惠民兩站日照記錄開始、結束時間進行對比分析。

2.1.1 日累計日照時數對比

文章計算出其他5站每日平均日累計日照時數，并按日照時數的多少劃分為3個等級(表1)，本站與其他5站對比發現：5站平均日累計日照時數<1.0 h的日數為9 d，占總時段的50%，本站日累計日照時數<1.0 h的日數為 0 d，遠遠低于5站平均值；5站平均日累計日照時數≥7.0 h的日數僅為4 d，占比22%，本站日累計日照時數≥7.0 h的日數為10 d，占比56%。說明在所選時段本站日累計日照時數明顯高于其他5站平均數據且高值區占比偏大。

表1 本站與其他5站日累計日照時數分段統計日數

將各站每日日累計日照數據進行比較，發現樂陵與慶云、惠民與商河的日累計日照時數及其變化趨勢相近，分別選擇樂陵、惠民為代表站與本站、無棣站進行數據對比(圖1)，可以看出，本站1月16日—2月2日除20日及30日的日累計日照時數略低于個別站數據外，其他日期均明顯高于其他站，且日累計日照時數越少偏差越大。

圖1 本站與臨近站逐日累計日照時數

2.1.2 日照起止時間對比

從地理位置上來看，本站與無棣、惠民兩站臨近且處于中間位置，日照除受天氣等外在因素影響相差不大。對故障期間3站日累計日照時數>0.0 h的日出及日落時間進行統計，計算出時間差。其中本站日出時間除1月20日、30日及2月1日較無棣、惠民兩站略偏晚外，其他日期均早于其他兩站，平均提前時間分別為47 min、42 min，最長提前時間分別為209 min、152 min，最短為3 min、9 min；日落時間除1月20日外，其余均落后于其他兩站，平均落后時間分別為75 min、85 min，最長落后時間為1月25日，落后時間分別為249 min和287 min。

2.1.3 天空狀況對日照數據的影響

呂文華在對光電式自動日照計性能比對試驗與分析中指出，現階段國內外光電日照計的月累計誤差受天氣狀況影響，多云、陰雨天的測量誤差很大[2]。1月16日—2月2日，對比自動觀測天氣現象記錄，臺站除1月24日、2月1日外，均有霧或輕霧出現，大霧天氣出現5 d，降雪天氣出現1 d。1月24日、2月1日本站與其他5站日累計日照時數差值為1.3～1.7 h，其他日期平均差值4.0 h，由此可見，不同的天空狀況對日照觀測數據存在一定的影響。

2.2 故障分析判斷及處理

通過自動觀測站地面終端ISOS軟件對設備進行自檢，可以發現設備存在的問題。打開ISOS終端軟件，對終端進行維護，選擇日照串口處理，首先檢查ISOS軟件日照的串口號及串口參數是否正確，正確的日照傳感器通訊參數為9600 8 N 1；其次檢查時間設置是否正確；然后使用設備自檢命令“AUTOCHECK”進行自檢[3，4]。

HYSD-1型光電式數字日照傳感器自檢返回的內容包括日照傳感器9位序列號、1位自檢狀態碼、14位當前日期時間，ABC代表的3路光電組件電壓(mV)值，T 為主板溫度、V為主板電壓等。

對本站日照傳感器發送自檢命令：

返回值：

根據光電式數字日照計測量原理，在有日照的情況下，ABC 3路光電組件電壓值應隨太陽高度角的變動而變化。在命令返回值中，C值為0000，說明當前時刻無電壓值輸出，結合當前日照進行分析，初步判斷日照傳感器異常。隨后，分別選擇在不同太陽高度角(當日中午、傍晚、次日早晨)進行測試，發現A、B值隨太陽高度的變化而變化，而C值分別為0001、0000、0000，等于或接近于0，由此可以判斷，日照傳感器出現故障，需更換傳感器。

在判斷傳感器出現故障后，業務人員取消了日照設備的掛接，避免產生更多異常數據。對故障期間確認無日照記錄以外的其他日期的日出至日落時段小時數據按缺測處理，其他時段和確認無日照記錄的日期按0.0處理，更正補發故障期間的日照數據文件。

3 引起日照測量偏差的其他原因分析

對比故障期間自動觀測和人工觀測數據，有時會發現自動觀測采集的日照時數和人工觀測到的日照時數存在誤差，分析原因，除因人工觀測日照紙涂刷和藥物配制不當外，日照傳感器的安裝維護不當也可引起日照數據偏差。

3.1 玻璃罩灰塵較厚

由于日照傳感器安裝在室外，受外界環境影響較大，因此應每天日出前、日落后檢查光電式數字日照傳感器的玻璃罩是否有灰塵，如有，則用軟布將光筒擦凈。

3.2 日照傳感器安裝不規范

檢查日照計傳感器安裝是否為南北向，以及緯度角是否正確。若安裝不正確，會影響測量準確度。

3.3 經緯度設置有誤

ISOS軟件用LONG和LAT命令查看經度和緯度信息，確保經緯度是本站的經緯度。

3.4 采集電路溫漂嚴重或光電感應器件老化

需聯系上級保障部門或廠家進行維修或更換。

4 異常數據的處理

在ISOS軟件中，當日各時次日照數據和日照日合計數據均保存在次日00地面小時BUFR文件中。如出現設備故障或數據異常，按照現行相關業務規定，可做如下處理。

4.1 設備故障

因日照設備出現故障導致數據錯誤，打開ISOS軟件“自定項目參數”中的“自動編發日照數據”，將其取消勾選，同時取消掛接日照設備，修復后再恢復原設置。

4.2 設備正常而數據缺測

日照設備正常而日照數據缺測，需重新下載當日地平時00：00至次日地平時00：00的日照數據，完成歷史數據下載并在當日“日照數據編報”界面點擊“補調入庫”后，再更正編發次日00：00地面小時BUFR數據文件。

5 結束語

文章以本站DFC2光電式數字日照計出現的1次傳感器故障為例，對引起數據偏差的原因進行分析，通過對數據特征的分析及與生產廠家的溝通，發現因設備原因引起的日照數據偏差問題在臺站較為多見，值班員在值班時應注意查看日照傳感器的工作狀態，及時發現問題并進行處理，避免異常數據的發生。及時對比臨近站數據是發現數據異常的有效途徑，值班員可通過MDOS系統平臺，選擇臨近站點數據進行查看對比。為確保日照傳感器可靠穩定運行，加強儀器的檢查維護是數據準確的有利保障。