淺析DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計對比分析

李彥平，徐澤東，馬亞運，向亞飛，安力珺

（青海省大氣探測技術保障中心,青海 西寧 810000）

日照是指某地接受太陽輻射的時數，是表征當地氣象狀況和氣候特點的重要氣象要素[1]。氣象臺站通過觀測日照時數來記錄日照時長，日照時數定義為太陽直接輻照度達到或超過120 瓦×m-2（W×m-2）時長的總和[2]。文章通過對比DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測量原理及測量精度的不同，尋求兩種測量方式產生差異的原因及其在氣象臺站日常觀測中的實用性。

1 DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計結構及工作原理

1.1 DFC1 型光電式數字日照計

1.1.1 結構

DFC1 型光電式數字日照計采用FS-RZ1 日照傳感器，由光電探測器、光學鏡筒、遮光筒、數字處理電路、加熱器、航空插頭、傾角調整裝置、干燥劑倉、水準器、防鳥裝置等組成如圖1 所示。

圖1 DFC1 型光電式數字日照計

1.1.2 工作原理

光電式日照傳感器是基于光電效應的傳感器，在感受到可見光照射后即產生光電效應，將光信號轉換成電信號輸出。FS-RZ1 日照傳感器光學鏡筒內的3 個光電探測器由上到下依次排列，第一個光電探測器無遮擋，可以接收全天的太陽總輻射，第二、三個光電探測器放置于遮光筒內，任何時候都有一個被遮光筒遮蔽，不能接收太陽輻射，被遮蔽的光電探測器測量信號經過計算處理可以得到散射輻射，通過總輻射與散射輻射計算出水平面直接輻射，再通過當時的太陽高度角計算出直接輻射[3]：

其中，S 表示直接輻射；HA表示當時的太陽高度角；SL表示水平面直接輻射；Eg表示總輻射；Ed表示散射輻射。再根據計算得出的直接輻射S≥120W×m-2的時間，累加計算出日照時數[4]。

1.2 暗筒式日照計

1.2.1 結構

暗筒式日照計由金屬圓筒（底端密閉，筒口帶蓋，筒內附有壓紙夾）、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

1.2.2 工作原理

暗筒式日照計利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線，根據感光跡線的長短即可計算日照時數。圓筒兩側各有一圓錐形進光小孔，能分別讓上、下午日光射入筒內。兩孔位置前后錯開，避免上、下午感光跡線相互重合。兩孔間距離對圓筒中心的張角為120°，筒上有一個隔光板，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，在暗處將感光藥液用棉花均勻地涂在日照紙上，感光藥液接觸太陽光會發生變色反應，太陽光照射過的地方就會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光痕跡顯現出來以便于測量。

2 數據分析

2019 年2～4 月臺站根據平行觀測，利用DFC1型光電式數字日照計和暗筒式日照計同時觀測日照數據。本文采用循化（52972）和天峻（52745）兩個臺站2019 年2～4 月的日照平行觀測數據進行數據分析，從不同角度探究兩種觀測方法的差異性和一致性。

2.1 循化站（52972）2019 年2～4 月兩種日照計觀測數據對比如圖3～5 所示

圖3 2019 年2 月循化站（52972）兩種日照計觀測數據對比

圖4 2019 年3 月循化站（52972）兩種日照計觀測數據對比

圖5 2019 年4 月循化站（52972）兩種日照計觀測數據對比

根據2019 年2～4 月循化站（52972）89 天日照觀測數據分析：

1）2019 年2～4 月循化站（52972）DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計均無缺測數據。DFC1型光電式數字日照計測得81d 日照數據，其中日照時數大于等于8.0h 有40d；暗筒式日照計測得85d日照數據，其中日照時數大于等于8.0h 有39d。

2）從圖（3）到圖（5）DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得數據的差值可以看出，隨著觀測時間的推移，兩種觀測方法的測量差值越來越小。在長期觀測中DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得數據一致性較高，但也存在一定的差異。

（1）根據2019 年2～4 月循化站天氣情況，DFC1型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得日照時數差值大于等于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 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差值較大。

（2）當天氣情況為連續的晴天，DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差異較小，當天氣情況出現突變，則轉變前后兩者測得的日照時數差異較大。

3）2019 年2 月15 日、17 日、26 日和2019 年3月6 日，DFC1 型光電式數字日照計測得日照時數均為0.0h，但暗筒式日照計測得日照數據大于0.0h，在長期觀測中，暗筒式日照計測得日照數據普遍大于DFC1 型光電式數字日照計。

2.2 天峻站（52745）2019 年2～4 月兩種日照計觀測數據對比如圖6～8 所示

圖6 2019 年2 月天峻站（52745）兩種日照計觀測數據對比

圖7 2019 年3 月天峻站（52745）兩種日照計觀測數據對比

圖8 2019 年4 月天峻站（52745）兩種日照計觀測數據對比

根據2019 年2～4 月天峻站（52745）89 天日照觀測數據分析：

1）2019 年2～4 月天峻站（52745）DFC1 型光電式數字日照計無缺測數據，暗筒式日照計有4d 日照數據缺測，所以天峻站（52745）只采用85d 的日照觀測數據。DFC1 型光電式數字日照計測得84d日照數據，其中日照時數大于等于8.0h 有49d；暗筒式日照計測得85d 日照數據，其中日照時數大于等于8.0h 有44d。

2）從圖（6）到圖（8）DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得數據的差值可以看出，2019 年2～4 月兩種觀測方法的測量差值波動變化。

（1）根據2019 年2～4 月天峻站（52745）天氣情況，DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得日照時數差值大于等于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型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差值較大。

（2）當天氣情況為連續的晴天，DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差異較小。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 型光電式數字日照計測得日照數據為0.0h，暗筒式日照計測得日照數據為9.3h，天氣情況不連續時，相較于暗筒式日照計，DFC1 型光電式數字日照計有更高的靈敏度，能對天氣變化做出快速反應。

3 差值來源

3.1 DFC1 型光電式數字日照計差值來源

3.1.1 干燥劑失效

DFC1 型光電式數字日照計頂部和底部分別有大小兩個干燥劑倉，小干燥劑底部有濕度指示卡，若指示卡由藍色變為粉色，應及時更換傳感器兩端的干燥劑。在日常測量工作中，如果干燥劑失效且沒有及時更換，則DFC1 型光電式數字日照傳感器內部濕度增加，光學鏡筒內側出現水汽凝結，光電探測器無法準確探測到太陽光，導致測得的日照時數偏低；同時，傳感器內部的水汽還會導致電路損

3.1.2 加熱器失效

DFC1 型光電式數字日照傳感器有兩檔加熱器，當光學鏡筒結露或結霜時，加熱器啟動釋放熱量除露除霜，以降低結露結霜現象對DFC1 型光電式數字日照計的影響。如果加熱器失效，光電探測器被光學鏡筒上的露或霜遮擋，無法有效探測到太陽光，則DFC1 型光電式數字日照計測得的日照時數偏低。

3.1.3 外物遮擋光學鏡筒

DFC1 型光電式數字日照計頂部裝有防鳥裝置，為了防止鳥類停留在傳感器上阻擋光學鏡筒中的光電探測器接收光信號；同理，如果有樹葉等其他外物遮擋住光學鏡筒，光電探測器無法接收光信號，則會導致DFC1 型光電式數字日照計無法測得被遮擋期間的日照時數，當日日照時數相較于真實值偏低。

3.2 暗筒式日照計差值來源

3.2.1 人工測量

根據暗筒式日照計測量原理，太陽光通過進光控照射到涂有感光藥液的日照紙上，經過太陽光照射角度的變化，在日照紙上留下一條連續的痕跡，日落后取出日照紙，通過人工測量日照紙上痕跡的長度，經過換算得到當日的日照時數。由于人工測量主觀性大，臺站觀測人員無法做到嚴格統一，導致暗筒式日照計測得的日照時數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有存放到暗處，則太陽光照射到日照紙上不會發生變色反應，最終測得的日照時數相較于準確值偏低；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發生變色反應，測得的日照時數同樣偏低。

4 結論

（1）在長期觀測中DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得數據一致性較高，但也存在一定的差異。

（2）陰天或多云天氣DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差值較大；當天氣情況為連續的晴天，DFC1 型光電式數字日照計與暗筒式日照計測得的日照時數差異較小；當天氣情況出現突變，則轉變前后兩者測得的日照時數差異較大。

（3）天氣情況不連續時，相較于暗筒式日照計，DFC1 型光電式數字日照計有更高的靈敏度，能對天氣變化做出快速反應。

（4）DFC1 型光電式數字日照計差值主要來自于干燥劑、加熱器失效導致光學鏡筒內外側出現水汽凝結、結露結霜或鳥類等外物遮擋光電探測器，測得日照時數相較于精確值偏低。

（5）暗筒式日照計差值主要來自于人工測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致測得日照時數偏低。

（6）DFC1 型光電式數字日照計無需更換日照紙，無需人工讀數，實現日照時數的自動化觀測，提高了測量準確性。為保證設備的觀測精度，應該定期對傳感器進行檢查維護，及時更換干燥劑，定期清潔光學鏡筒。