高緯度聚焦式與暗筒式日照計(jì)測(cè)量誤差探討

陸忠濤，于淑靜，侯士波

（大興安嶺地區(qū)氣象局，黑龍江 大興安嶺165000）

高緯度聚焦式與暗筒式日照計(jì)測(cè)量誤差探討

陸忠濤，于淑靜，侯士波

（大興安嶺地區(qū)氣象局，黑龍江 大興安嶺165000）

1 引言

中國(guó)絕大多數(shù)臺(tái)站使用的日照計(jì)為暗筒式日照計(jì)，只有少數(shù)高緯度臺(tái)站使用聚焦式日照計(jì)。聚焦式日照紙目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)不生產(chǎn)，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(gè)臺(tái)站的聚焦式日照計(jì)改為暗筒式日照計(jì)，從而結(jié)束了幾十年聚焦日照的觀測(cè)歷史。

2 兩種日照計(jì)構(gòu)造及原理

《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》把日照定義為“太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在一給定時(shí)間，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 W·m-2的那段時(shí)間總和，以小時(shí)為單位，取一位小數(shù)。”

2.1 暗筒式日照計(jì)

暗筒式日照計(jì)又稱(chēng)喬唐式日照計(jì)，由金屬圓筒(底端密閉，筒口帶蓋，兩側(cè)各有一進(jìn)光小孔，筒內(nèi)附有壓紙夾)、隔光板、緯度盤(pán)和支架底座等構(gòu)成。它是利用太陽(yáng)光通過(guò)儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線來(lái)計(jì)算日照時(shí)數(shù)。本文中使用的暗筒式日照計(jì)為上海生產(chǎn)的Fj2型。

2.2 聚焦式日照計(jì)

聚焦式日照計(jì)又稱(chēng)康培司托克式日照計(jì)，它由固定在弧型支架兩端的實(shí)心玻璃球、金屬槽(安裝自記紙用)、緯度刻度尺和底座等構(gòu)成。球形截?cái)嗝嫔显O(shè)置有相互重疊的三副槽構(gòu)，以便在裝入日照紙后能適用于一年中不同的季節(jié)。它是利用太陽(yáng)光經(jīng)玻璃球聚焦后燒灼日照紙(卡片)留下的焦痕來(lái)記錄日照時(shí)數(shù)的。本文中使用的聚焦式日照計(jì)為前蘇聯(lián)生產(chǎn)的051型號(hào)（漠河，呼瑪）、3458型號(hào)（北極村）。

3 兩種日照計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)與資料分析

3.1 試驗(yàn)站點(diǎn)及對(duì)比時(shí)段

為了解兩種日照計(jì)的測(cè)量差異，以大興安嶺地區(qū)僅有的3個(gè)聚焦式臺(tái)站（呼瑪、漠河、北極村）為例，對(duì)比時(shí)段為2011年9-12月。兩種日照計(jì)安裝在觀測(cè)場(chǎng)南側(cè)，直線距離在2 m之內(nèi)。

漠河國(guó)家基準(zhǔn)氣候站位于黑龍江省漠河縣西林吉鎮(zhèn)（郊外），52°58′N(xiāo)，122°31′E，海拔高度 433.0 m；北極村國(guó)家一般氣象站位于黑龍江省漠河縣漠河鄉(xiāng)鄉(xiāng)村 （江邊），53°28′N(xiāo)，122°22′E，海拔高度 296.0 m；呼瑪國(guó)家基本氣象站位于黑龍江省呼瑪縣呼瑪鎮(zhèn) （城區(qū)），51°43′N(xiāo)，126°39′E，海拔高度 177.4 m。

3.2 月平均差值對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)3個(gè)臺(tái)站2011年9-12月日照資料對(duì)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(duì)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(shí)段，分別算出3個(gè)時(shí)段差值△(聚焦式一 暗筒式 )的月平均(表 2)。

表2 3個(gè)時(shí)段△(聚焦式一暗筒式)的月平均(h)

4 兩種日照計(jì)測(cè)量誤差的原因探討

4.1 誤差綜述

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)暗筒式日照計(jì)感光時(shí)間延遲，使日記錄偏少0.4～0.6 h（北極村站是個(gè)例外，見(jiàn)表1），其中偏少的記錄主要發(fā)生在日落前時(shí)段，約為0.1～0.2 h。日出后時(shí)段反而偏多0.1～0.2 h，其他時(shí)段平均誤差基本為0(見(jiàn)表2)。在秋、冬季，各時(shí)差值>0.1次數(shù)所占百分比分別為24%、39%。

4.2 誤差來(lái)源

這兩種儀器觀測(cè)到的日照時(shí)數(shù)誤差，除受安裝標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)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(zhì)量等因素影響。劣質(zhì)維護(hù)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(zhì)量好壞，以及涂藥方法是否得當(dāng)，是影響該儀器準(zhǔn)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(shí)數(shù)需要根據(jù)感光跡線進(jìn)行人工判斷，由此導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果主觀性強(qiáng)，精度相對(duì)較低。聚焦式日照計(jì)的誤差主要由日照紙卡的溫度和濕度特性及過(guò)燒效應(yīng)產(chǎn)生的，特別是在少云的情況下；在中、高緯度地區(qū)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(gòu)造影響

高緯度夏季日出很早，日落很晚。中國(guó)最北地區(qū)漠河真太陽(yáng)3時(shí)后就日出，2l時(shí)前才日落，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)達(dá)近18 h。暗筒式日照計(jì)由于安裝固定，二個(gè)進(jìn)光孔無(wú)法隨太陽(yáng)的方位轉(zhuǎn)動(dòng)，使得日出后、日落前的一段時(shí)間太陽(yáng)光射不進(jìn)光孔。聚焦日照計(jì)由于玻璃球可以轉(zhuǎn)動(dòng)，就避免了這種誤差，因此高緯度臺(tái)站，如果使用暗筒式日照計(jì)就會(huì)使得日照記錄更加偏少。當(dāng)然，由于種種原因也經(jīng)常觀測(cè)到暗筒式日照計(jì)比聚焦式日照計(jì)記錄偏多的現(xiàn)象。

4.3.2 天氣條件影響

聚焦式日照計(jì)記錄受日照紙好壞與天氣條件影響甚大。夏季短時(shí)間的太陽(yáng)往往使焦痕燒得偏長(zhǎng)，有的日照紙?jiān)谔?yáng)或蔽或露的多云天氣，使日照紙燒灼的焦痕往往比實(shí)際日照時(shí)數(shù)偏多。陰雨天日照紙受潮使焦痕顯不出來(lái)造成記錄偏少。高的云層（卷云、卷層云），其厚度變化會(huì)削弱大約120 W·m-2左右的直接太陽(yáng)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(chǎn)的8811號(hào)自記紙，可記錄范圍為04-20時(shí)。但是，在大興安嶺北部地區(qū)儀器的記錄范圍也不能夠覆蓋從日出到日落的所有時(shí)段。特別是在6-7月份，4時(shí)前和20時(shí)后也常會(huì)有日照，這時(shí)就超出了暗筒日照計(jì)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(jì)是取得準(zhǔn)確日照時(shí)數(shù)的前提，日照計(jì)要安裝在開(kāi)闊的、終年從日出到日落都能受到陽(yáng)光照射的地方，要符合下列3個(gè)要點(diǎn)：儀器安裝水平；對(duì)準(zhǔn)正北；對(duì)準(zhǔn)當(dāng)?shù)鼐暥取３艘陨蠋c(diǎn)之外還要符合《氣象探測(cè)環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》規(guī)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(yīng)面。

5 結(jié)論

綜上所述，影響日照時(shí)數(shù)準(zhǔn)確度的因素是錯(cuò)綜復(fù)雜的，日照計(jì)的安裝、日照紙質(zhì)量及涂藥的好壞、儀器日常維護(hù)等都會(huì)引起日照時(shí)數(shù)的誤差。但只要按規(guī)范操作并注意維護(hù)儀器，就可以將誤差降到最低，從而提高日照觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于暗筒式和聚焦式日照計(jì)的業(yè)務(wù)觀測(cè)離不開(kāi)人工操作，準(zhǔn)確度相對(duì)較低。按實(shí)際觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)，聚焦式日照計(jì)較準(zhǔn)，暗筒式次之，具體誤差值需要和標(biāo)準(zhǔn)日照傳感器進(jìn)行比對(duì)。

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(xué)，本科生，工程師.