光電式數(shù)字日照計(jì)安裝不規(guī)范引起的測量誤差分析

趙振東

(河北省信息工程學(xué)校，保定 071000)

0 引言

日照是表征當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r和氣候特點(diǎn)的重要?dú)庀笠兀侵袊鴼庀缶纸y(tǒng)一布局的觀測項(xiàng)目之一。用來描述日照的概念有兩個(gè)，一是可照時(shí)數(shù)(天文可照時(shí)數(shù))，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(jìn)入西方地平線，其光線照射到地面所經(jīng)歷的時(shí)間。可照時(shí)數(shù)可由公式計(jì)算得出，也可從天文年歷或氣象常用表查出。二是日照時(shí)數(shù)，日照是指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在給定時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的時(shí)間總和[1]，以小時(shí)(h)為單位，取1位小數(shù)。日照時(shí)數(shù)也稱實(shí)照時(shí)數(shù)。

2018年全國各氣象臺站開始安裝使用光電式數(shù)字日照計(jì)，光電式數(shù)字日照計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動(dòng)連續(xù)觀測，提高日照測量準(zhǔn)確度。光電式數(shù)字日照計(jì)的安裝有特殊的要求，安裝不規(guī)范將引起測量誤差。文章針對光電式數(shù)字日照計(jì)安裝不規(guī)范引起的測量誤差進(jìn)行探討。

1 測量原理

1.1 安裝要求

光電式數(shù)字日照計(jì)的安裝過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，同時(shí)日照傳感器的固定底座要水平，按照當(dāng)?shù)鼐暥日{(diào)節(jié)日照計(jì)仰角(誤差范圍±0.5°)。光學(xué)鏡筒筒口對準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(shù)字日照計(jì)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(xué)鏡筒中的3個(gè)同軸光電感應(yīng)器對總輻射和散射輻射進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測，根據(jù)計(jì)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(gè)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(jìn)行約束。

圖2 光電式數(shù)字日照計(jì)測量原理

光電管D1在360°的環(huán)形范圍內(nèi)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(shí)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(shè)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(gè)小立體角(從太陽中心向外擴(kuò)展的半開敞角，約2.5°，相當(dāng)于5×10-3sr)內(nèi)發(fā)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(shù)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(jì)算出的太陽直接輻照度S0≥120 W/m2，則算作有日照，將日照時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，得到每小時(shí)和每天的日照時(shí)數(shù)。

2 誤差分析

2.1 傳感器方位安裝錯(cuò)誤引起的誤差

若光電式數(shù)字日照計(jì)的光學(xué)鏡筒筒口未對準(zhǔn)正北，則光學(xué)鏡筒的軸線不與地球軸線平行，導(dǎo)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(shí)間的變化而變化，并非基本不變。因此，應(yīng)用公式(2)計(jì)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(shù)字日照計(jì)的底座東西向不水平，不影響光學(xué)鏡筒的軸線與地球軸線平行，因此，應(yīng)用公式(2)計(jì)算S0時(shí)，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(gè)大于二分之一，另一個(gè)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(yīng)用公式(1)計(jì)算出的S存在誤差，從而影響S0的計(jì)算。

2.2.2 傳感器底座南北向不水平引起的誤差

光電式數(shù)字日照計(jì)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(xué)鏡筒的軸線不與地球軸線平行，導(dǎo)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(yīng)用公式(2)計(jì)算出的S0存在誤差。

2.3 傳感器未對準(zhǔn)當(dāng)?shù)鼐暥纫鸬恼`差

光電式數(shù)字日照計(jì)未對準(zhǔn)當(dāng)?shù)鼐暥龋c傳感器底座南北向不水平產(chǎn)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(jì)算誤差與光電式數(shù)字日照計(jì)的底座南北向不水平產(chǎn)生的誤差一致。

2.4 對計(jì)算日照時(shí)數(shù)的影響

日照時(shí)數(shù)的計(jì)算是以太陽直接輻照度S0≥120 W/m2作為標(biāo)準(zhǔn)的，當(dāng)S0?120 W/m2或S0?120 W/m2時(shí)，因日照計(jì)安裝不規(guī)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(shí)數(shù)的計(jì)算。當(dāng)S0值接近120 W/m2時(shí)，因日照計(jì)安裝不規(guī)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(shí)數(shù)的計(jì)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(shí)，光電式數(shù)字日照計(jì)安裝不規(guī)范會引起日照時(shí)數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

文章根據(jù)光電式數(shù)字日照計(jì)在正確的安裝情況下測量日照時(shí)數(shù)的原理，分析了日照計(jì)在安裝不水平及未對準(zhǔn)南北線、緯度的情況下引起日照時(shí)數(shù)測量誤差的原因，為日照的自動(dòng)連續(xù)觀測工作提供參考。