淺析DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)對(duì)比分析

李彥平，徐澤東，馬亞運(yùn)，向亞飛，安力珺

（青海省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,青海 西寧 810000）

日照是指某地接受太陽(yáng)輻射的時(shí)數(shù)，是表征當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r和氣候特點(diǎn)的重要?dú)庀笠豙1]。氣象臺(tái)站通過(guò)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)來(lái)記錄日照時(shí)長(zhǎng)，日照時(shí)數(shù)定義為太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò)120 瓦×m-2（W×m-2）時(shí)長(zhǎng)的總和[2]。文章通過(guò)對(duì)比DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)量原理及測(cè)量精度的不同，尋求兩種測(cè)量方式產(chǎn)生差異的原因及其在氣象臺(tái)站日常觀測(cè)中的實(shí)用性。

1 DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)

1.1.1 結(jié)構(gòu)

DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)采用FS-RZ1 日照傳感器，由光電探測(cè)器、光學(xué)鏡筒、遮光筒、數(shù)字處理電路、加熱器、航空插頭、傾角調(diào)整裝置、干燥劑倉(cāng)、水準(zhǔn)器、防鳥裝置等組成如圖1 所示。

圖1 DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)

1.1.2 工作原理

光電式日照傳感器是基于光電效應(yīng)的傳感器，在感受到可見(jiàn)光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。FS-RZ1 日照傳感器光學(xué)鏡筒內(nèi)的3 個(gè)光電探測(cè)器由上到下依次排列，第一個(gè)光電探測(cè)器無(wú)遮擋，可以接收全天的太陽(yáng)總輻射，第二、三個(gè)光電探測(cè)器放置于遮光筒內(nèi)，任何時(shí)候都有一個(gè)被遮光筒遮蔽，不能接收太陽(yáng)輻射，被遮蔽的光電探測(cè)器測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理可以得到散射輻射，通過(guò)總輻射與散射輻射計(jì)算出水平面直接輻射，再通過(guò)當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角計(jì)算出直接輻射[3]：

其中，S 表示直接輻射；HA表示當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角；SL表示水平面直接輻射；Eg表示總輻射；Ed表示散射輻射。再根據(jù)計(jì)算得出的直接輻射S≥120W×m-2的時(shí)間，累加計(jì)算出日照時(shí)數(shù)[4]。

1.2 暗筒式日照計(jì)

1.2.1 結(jié)構(gòu)

暗筒式日照計(jì)由金屬圓筒（底端密閉，筒口帶蓋，筒內(nèi)附有壓紙夾）、隔光板、緯度刻度盤和支架底座組成如圖2 所示。

圖2 暗筒式日照計(jì)

1.2.2 工作原理

暗筒式日照計(jì)利用太陽(yáng)光通過(guò)儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線，根據(jù)感光跡線的長(zhǎng)短即可計(jì)算日照時(shí)數(shù)。圓筒兩側(cè)各有一圓錐形進(jìn)光小孔，能分別讓上、下午日光射入筒內(nèi)。兩孔位置前后錯(cuò)開，避免上、下午感光跡線相互重合。兩孔間距離對(duì)圓筒中心的張角為120°，筒上有一個(gè)隔光板，其邊緣與小孔在同一垂直面上，主要作用是將上、下午日光分開[5]。

感光藥液：將感光藥劑檸檬酸鐵銨與水，按照3:10 的比例配置成溶液后用褐色瓶裝好放置在暗處

顯影藥液：將顯影藥劑赤血鹽與水，按1:10 的比例配成溶液用瓶裝好放置在暗處[6]。

使用時(shí)，在暗處將感光藥液用棉花均勻地涂在日照紙上，感光藥液接觸太陽(yáng)光會(huì)發(fā)生變色反應(yīng)，太陽(yáng)光照射過(guò)的地方就會(huì)留下一條深色的痕跡，再用顯影藥液浸泡使日照紙上的太陽(yáng)光痕跡顯現(xiàn)出來(lái)以便于測(cè)量。

2 數(shù)據(jù)分析

2019 年2～4 月臺(tái)站根據(jù)平行觀測(cè)，利用DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)同時(shí)觀測(cè)日照數(shù)據(jù)。本文采用循化（52972）和天峻（52745）兩個(gè)臺(tái)站2019 年2～4 月的日照平行觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從不同角度探究?jī)煞N觀測(cè)方法的差異性和一致性。

2.1 循化站（52972）2019 年2～4 月兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3～5 所示

圖3 2019 年2 月循化站（52972）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 2019 年3 月循化站（52972）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 2019 年4 月循化站（52972）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)2019 年2～4 月循化站（52972）89 天日照觀測(cè)數(shù)據(jù)分析：

1）2019 年2～4 月循化站（52972）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)均無(wú)缺測(cè)數(shù)據(jù)。DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)得81d 日照數(shù)據(jù)，其中日照時(shí)數(shù)大于等于8.0h 有40d；暗筒式日照計(jì)測(cè)得85d日照數(shù)據(jù)，其中日照時(shí)數(shù)大于等于8.0h 有39d。

2）從圖（3）到圖（5）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)的差值可以看出，隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，兩種觀測(cè)方法的測(cè)量差值越來(lái)越小。在長(zhǎng)期觀測(cè)中DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)一致性較高，但也存在一定的差異。

（1）根據(jù)2019 年2～4 月循化站天氣情況，DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得日照時(shí)數(shù)差值大于等于1.0h 的有11d，其中10d 的天氣情況是陰天或多云，相較于晴天，陰天或多云天氣DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差值較大。

（2）當(dāng)天氣情況為連續(xù)的晴天，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差異較小，當(dāng)天氣情況出現(xiàn)突變，則轉(zhuǎn)變前后兩者測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差異較大。

3）2019 年2 月15 日、17 日、26 日和2019 年3月6 日，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)得日照時(shí)數(shù)均為0.0h，但暗筒式日照計(jì)測(cè)得日照數(shù)據(jù)大于0.0h，在長(zhǎng)期觀測(cè)中，暗筒式日照計(jì)測(cè)得日照數(shù)據(jù)普遍大于DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)。

2.2 天峻站（52745）2019 年2～4 月兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6～8 所示

圖6 2019 年2 月天峻站（52745）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 2019 年3 月天峻站（52745）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 2019 年4 月天峻站（52745）兩種日照計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)2019 年2～4 月天峻站（52745）89 天日照觀測(cè)數(shù)據(jù)分析：

1）2019 年2～4 月天峻站（52745）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)無(wú)缺測(cè)數(shù)據(jù)，暗筒式日照計(jì)有4d 日照數(shù)據(jù)缺測(cè)，所以天峻站（52745）只采用85d 的日照觀測(cè)數(shù)據(jù)。DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)得84d日照數(shù)據(jù)，其中日照時(shí)數(shù)大于等于8.0h 有49d；暗筒式日照計(jì)測(cè)得85d 日照數(shù)據(jù)，其中日照時(shí)數(shù)大于等于8.0h 有44d。

2）從圖（6）到圖（8）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)的差值可以看出，2019 年2～4 月兩種觀測(cè)方法的測(cè)量差值波動(dòng)變化。

（1）根據(jù)2019 年2～4 月天峻站（52745）天氣情況，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得日照時(shí)數(shù)差值大于等于1.0h 的有18d，其中16d為陰天或多云，相較于晴天，陰天或多云天氣DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差值較大。

（2）當(dāng)天氣情況為連續(xù)的晴天，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差異較小。2019 年2 月10～14 日天峻為晴天，2 月15～22日天峻為多云和陰天，2 月15 日DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)得日照數(shù)據(jù)為0.0h，暗筒式日照計(jì)測(cè)得日照數(shù)據(jù)為9.3h，天氣情況不連續(xù)時(shí)，相較于暗筒式日照計(jì)，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)有更高的靈敏度，能對(duì)天氣變化做出快速反應(yīng)。

3 差值來(lái)源

3.1 DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)差值來(lái)源

3.1.1 干燥劑失效

DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)頂部和底部分別有大小兩個(gè)干燥劑倉(cāng)，小干燥劑底部有濕度指示卡，若指示卡由藍(lán)色變?yōu)榉凵?，?yīng)及時(shí)更換傳感器兩端的干燥劑。在日常測(cè)量工作中，如果干燥劑失效且沒(méi)有及時(shí)更換，則DFC1 型光電式數(shù)字日照傳感器內(nèi)部濕度增加，光學(xué)鏡筒內(nèi)側(cè)出現(xiàn)水汽凝結(jié)，光電探測(cè)器無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)到太陽(yáng)光，導(dǎo)致測(cè)得的日照時(shí)數(shù)偏低；同時(shí)，傳感器內(nèi)部的水汽還會(huì)導(dǎo)致電路損

3.1.2 加熱器失效

DFC1 型光電式數(shù)字日照傳感器有兩檔加熱器，當(dāng)光學(xué)鏡筒結(jié)露或結(jié)霜時(shí)，加熱器啟動(dòng)釋放熱量除露除霜，以降低結(jié)露結(jié)霜現(xiàn)象對(duì)DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)的影響。如果加熱器失效，光電探測(cè)器被光學(xué)鏡筒上的露或霜遮擋，無(wú)法有效探測(cè)到太陽(yáng)光，則DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)偏低。

3.1.3 外物遮擋光學(xué)鏡筒

DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)頂部裝有防鳥裝置，為了防止鳥類停留在傳感器上阻擋光學(xué)鏡筒中的光電探測(cè)器接收光信號(hào)；同理，如果有樹葉等其他外物遮擋住光學(xué)鏡筒，光電探測(cè)器無(wú)法接收光信號(hào)，則會(huì)導(dǎo)致DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)無(wú)法測(cè)得被遮擋期間的日照時(shí)數(shù)，當(dāng)日日照時(shí)數(shù)相較于真實(shí)值偏低。

3.2 暗筒式日照計(jì)差值來(lái)源

3.2.1 人工測(cè)量

根據(jù)暗筒式日照計(jì)測(cè)量原理，太陽(yáng)光通過(guò)進(jìn)光控照射到涂有感光藥液的日照紙上，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照射角度的變化，在日照紙上留下一條連續(xù)的痕跡，日落后取出日照紙，通過(guò)人工測(cè)量日照紙上痕跡的長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)換算得到當(dāng)日的日照時(shí)數(shù)。由于人工測(cè)量主觀性大，臺(tái)站觀測(cè)人員無(wú)法做到嚴(yán)格統(tǒng)一，導(dǎo)致暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)相較于精確值存在一定的偏差。

3.2.2 感光藥液

如果感光藥液配比不正確或者沒(méi)有存放到暗處，則太陽(yáng)光照射到日照紙上不會(huì)發(fā)生變色反應(yīng)，最終測(cè)得的日照時(shí)數(shù)相較于準(zhǔn)確值偏低；同理，如果感光藥液涂抹不均勻，日照紙上未涂到感光藥液的地方也不會(huì)發(fā)生變色反應(yīng)，測(cè)得的日照時(shí)數(shù)同樣偏低。

4 結(jié)論

（1）在長(zhǎng)期觀測(cè)中DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)一致性較高，但也存在一定的差異。

（2）陰天或多云天氣DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差值較大；當(dāng)天氣情況為連續(xù)的晴天，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差異較?。划?dāng)天氣情況出現(xiàn)突變，則轉(zhuǎn)變前后兩者測(cè)得的日照時(shí)數(shù)差異較大。

（3）天氣情況不連續(xù)時(shí)，相較于暗筒式日照計(jì)，DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)有更高的靈敏度，能對(duì)天氣變化做出快速反應(yīng)。

（4）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)差值主要來(lái)自于干燥劑、加熱器失效導(dǎo)致光學(xué)鏡筒內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)水汽凝結(jié)、結(jié)露結(jié)霜或鳥類等外物遮擋光電探測(cè)器，測(cè)得日照時(shí)數(shù)相較于精確值偏低。

（5）暗筒式日照計(jì)差值主要來(lái)自于人工測(cè)量誤差和感光藥液配比不正確、涂抹不均勻或感光藥液失效導(dǎo)致測(cè)得日照時(shí)數(shù)偏低。

（6）DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)無(wú)需更換日照紙，無(wú)需人工讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)的自動(dòng)化觀測(cè)，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。為保證設(shè)備的觀測(cè)精度，應(yīng)該定期對(duì)傳感器進(jìn)行檢查維護(hù)，及時(shí)更換干燥劑，定期清潔光學(xué)鏡筒。