日照传感器与人工观测数据差异分析

黄 维，董德保，沈玉亮

(1.安徽省大气探测技术保障中心，合肥 230031；2.休宁县气象局，休宁 245400)

0 引言

日照对于地球万物的生长有着极其重要的作用[1]，地球接收到的太阳辐射是推动地球上物理过程和生物过程的主要能量来源。而地理位置则是影响太阳辐射强度的重要因素之一，不同地理位置在海拔和地形等因素的影响下，太阳照射的面积和方向都存在很大的差异，检测不同地理位置的日照量对于很多领域的发展都有着重要的指导意义。

探测手段的客观化及探测方法的自动化是气象探测技术的发展方向。近年，国内外研发了很多自动观测日照的设备，杨召琼[2]对人工观测和CSD1型自动日照计的观测数据进行对比分析，结果表明人工观测与自动观测所得到的日照时数之间具有很好的相关性，同时也有一定的差异；吕文华[3]等通过对各种光电式自动日照计的数据进行对比分析，发现CSD3型自动日照计性能相对更好。

休宁县气象局2018年底装备自动日照计，并开始日照的平行观测，至2019年8月正式启用自动日照计代替人工观测。其中人工观测通过暗筒式日照计进行观测，自动观测则是采用光电式数字日照计进行观测。光电式数字日照计能够实现日照的自动连续观测，提高了日照测量精度，为天气预报、气象情报、气候分析、科学研究和气象服务提供了重要依据。文章旨在分析自动与人工2种不同观测方式下的日照观测数据的差异及其原因，为相关研究和应用提供借鉴与参考。

1 设备原理

1.1 暗筒式日照计测量原理

暗筒式日照计又称为乔唐式日照计，由金属圆筒(底端密闭，筒口带盖，两侧各有1个进光小孔，筒内附有压纸夹)、隔光板、纬度盘和支架底座等构成。筒的一端密闭，另一端装有圆盖，筒身两侧各有1个圆锥形进光小孔，两孔位置前后错开。筒的上部有1块隔光板，用于使上下午的日光分别进入孔内，筒内有1个弹性金属压纸夹，用于固定记录纸。光线透过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光药剂的记录纸上留下感光痕迹线，照射过的记录纸经清水漂洗后，即能观测日照的起止时间及日照时数。

1.2 光电式日照计测量原理

光电式数字日照计主要由光电式数字日照传感器、数据处理单元、供电单元、通信单元和安装附件等组成。其中光电式数字日照传感器包括光学镜筒、光电探测器、遮光筒、信号处理电路和防霜露加热器等，其主要运用天穹分割原理进行日照时数的测量。

光电式数字日照计的核心部件是日照传感器，其结构如图1所示，传感器内部的3个光电感应器D1，D2，D3分别安置于同一轴线上，并通过遮光组件的入射窗W1和W2对入射到D2和D3上的辐射进行角度约束。其中光电感应组件D1可以在360°的环形范围内接收太阳辐射，所以太阳处于任意位置时，D1都能接收到太阳总辐射，包括太阳直接辐射和天空散射辐射，D2和D3由于遮光罩的特殊结构，只能以相同的张角分别接收环形范围内不同方向上的辐射，从而保证在任意时刻，太阳只能照射到D2和D3中的一个，另一个则会被遮蔽，从而可以测量太阳散射辐射。

D1光电感应组件测量的信号SD1表征为直接辐射和散射辐射总和，而D2和D3光感应组件所测量的SD2和SD3中的较小值则表征散射辐射，SD1减去SD2和SD3中较小值可以得到太阳直接辐射。

光电感应器中装有光电二极管和余弦校正器，光电二极管的核心部分是一个PN节，为了方便接收光照，在光电二极管的外壳上有一个玻璃窗口。在没有接收到光照的情况下，因热效应产生微小的暗电流流经PN节，当太阳辐射经过余弦校正器后照射到光电二极管上，光子的能量被吸收，将二极管半导体材料中的空穴和电子载流子激发到导态，从而在二极管内部形成内电场。在内电场的作用下，载流子加速向二极管的两端运动，实现光照强度信号向电流信号的转换，经过采样电路后，电流信号转换为电压信号，总光照强度电压信号和散射光照强度电压信号在差分放大电路的作用下被差分放大，放大后的信号经A/D转换后到达微处理器。当放大信号达到120 mV时，表明太阳直接辐射达到120 W/m2，这也是气象上规定的日照阈值，此时阈值开关电路导通，处理器开始记录日照时间。

图1 光电式数字日照计测量原理

光电二极管的光信号转向电信号的效率受制于PN节和入射光的波长，波长越长，激发的载流子深度也就越大。PN节的薄厚决定了对于不同波长入射光的转换效率，较宽的PN节更容易转换长波的入射光；反之，短波的入射光则需要薄型PN节。光电二极管对于一定波长入射光的转换可以表示为：

ip=r∅∅e

(1)

式中，r∅表示光电二极管的通量响应率；∅e表示辐射通量功率。光电二极管内的各个区域会吸收特定波长的入射光，短波的光会被位于表面的P区扩散层吸收。与此同时，被光照激发的少量载流子在运动到空间电荷区时，会在内电场的作用下，向N区运动。波长较长的光无法被P区扩散层吸收，会穿过表层，在空间电荷区激发大量的电子空穴对，在耗尽层内电场的作用下，载流子分别向P区和N区运动。波长更长的光会直接穿过P区和耗尽层，被N区所吸收。在N区被激发的载流子当运动到耗尽层边界时，受内电场的影响，向P区移动。各个部分产生的电流共同组成了光电二极管由光信号转换成的电流信号。

2 资料分析

2.1 月日照总数统计

由12月—次年7月的人工和自动日照时数可以看出二者整体上均呈现冬季少、夏季多的趋势。这是由于冬季以阴雨天气为主，夏季晴朗天气居多，并且太阳直接辐射度从冬季到夏季不断增强。其中2月和6月受连续阴雨天气的影响，日照时数存在异常偏少的现象。对比人工和自动观测的月日照时数得出，自动观测日照时数明显多于人工观测。

2.2 逐月日照时数分析

将12月—次年7月的自动观测与人工观测的数据按月统计，并计算二者间的差值，可以得出，整体上自动观测和人工观测的数据都处于递增的趋势，对比可知自动观测数据明显高于人工观测数据。且二者差值呈现冬季小、夏季大的趋势。

2.3 逐日日照时数差异分析

将12月—次年7月的自动观测和人工观测的数据按日统计，对人工与自动观测的日照数据进行线性回归分析，通过计算得出日照时数间的相关系数为0.9844，其回归方程为：

sr=sz×1.004-1.992

(2)

式中，sr和sz分别为人工与自动观测逐日日照时数(单位：0.1 h)。

从图2可以看出，自动和人工观测数据整体上具有较好的一致性，自动观测日照时数较人工观测偏高，个别情况下，人工观测日照数据为0，而自动观测日照数据在0～2 h。此种差异的形成是由于人工和自动观测两种不同仪器的感光阈值不同，光电式日照计相较于暗筒式日照计更加敏感，所以在光照强度较弱的天气中，太阳辐射强度没有达到暗筒式日照计的感光阈值，但光电式日照计却可以记录下日照[4，5]。

图2 自动和校正前人工观测日照时数散点分析

对日照数据进行筛选，将自动观测和人工观测均没有日照的天数剔除，然后将自动和人工观测日照时数的差值以0.1 h为间隔进行分段概率统计，统计结果显示，二者的差值绝大多数为正值，负值所占的百分比只有15.23%，差值在-0.2～0.2 h的数据仅占 33.11%，此外有3.97%的数据差值超过了2 h。

为了更好地分析自动观测和人工观测日照逐日数据的差异性，定义相对差值为自动日照时数减去人工日照时数，所得的差值除以人工日照时数，即：

(3)

将自动和人工观测日照数据相对差值以5%为间隔进行分段概率统计，结果显示，相对差值集中分布在-10%～10%，所占百分比达到了56.95%，相对差值大于50%的数据仅占9.93%，表明大部分观测数据的误差很小。

3 差异分析

文章对休宁县气象站2018年12月—2019年7月的自动观测和人工观测日照时数进行对比分析，结果表明，逐日日照数据自动观测比人工观测平均偏多0.52 h，但同时有15.23%的自动观测数据少于人工观测；逐月日照数据自动观测均多于人工观测，二者间的差值总体上呈现冬季小、夏季大的趋势，造成差异的原因有以下几种：

3.1 感光阈值

根据张纬敏[6]的研究，晴朗天气时暗筒式日照计在120～300 W/m2的太阳直接辐射度才会产生感光迹线，而地平线浑浊时，需要达到130～145 W/m2才出现感光迹线。而对于光电式日照计而言，当直接辐射达到阈值120 W/m2时便会输出日照信号，相比之下，自动日照计呈现日照数据出现早、结束晚的现象，使得自动观测日照数据相对人工观测偏多。

3.2 分辨力

在多云天气条件下，由于太阳位置的变化以及云的移动，会经常出现太阳被遮挡的现象，造成地面日照时有时无。对于这种情况，光电式日照计由于其时间分辨力为1 min，会记录下太阳被遮挡超过1 min的变化；而对于暗筒式日照计而言，日照纸上记录的最小刻度为0.1 h，即6 min，无法反映6 min以内的变化，呈现的结果是1条浓淡不一但连续的感光迹线。所以在多云天气条件下，当太阳被云层遮挡1～6 min时，光电式日照计记录无日照，而暗筒式日照计记录有日照，导致人工观测日照时数多于自动观测[7]。

3.3 衰减作用

光电式日照计的接收窗内附有吸光漆涂层，用于吸收反射辐射，从而减小误差，但由于实际情况，吸光漆的吸光率并不能达到100%。并且在长时间的使用后，暴晒导致吸光漆老化，吸光率进一步下降，通常会有25%左右的反射率，造成在正午前后，当太阳直射在接收窗内壁时，吸光漆无法完全吸收反射辐射，导致接收到的反射辐射偏大，输出的直接辐射偏小，从而出现直接辐射衰减的现象。根据杨海行[8]的研究，衰减作用具有明显的时间分布规律，在正午时刻衰减作用最强，上下午时刻较弱，并且呈一定的对称分布。

晴朗天气时中午的直接辐射度很高，即便衰减后直接辐射度依然能达到阈值，所以不会影响日照时数的累积。在多云或阴天时，正午直接辐射度较弱，衰减后的直接辐射度会低于阈值，使得日照时数偏少，所以光电式日照计的衰减作用在晴朗天气下影响不大，在多云、阴天或太阳直接辐射度不强的天气时，衰减作用的影响较大。

3.4 主观误差

人工观测需要在换下日照纸后，由观测员按照感光迹线手动描画，然后计算日照时数。在手动描画的过程中会出现两种误差：一是当感光迹线为一条时断时续的线时，可能会被描画成连续的直线，使得人工观测日照时数偏多；二是当感光迹线存在但不明显时，可能会被遗漏，造成人工观测日照时数偏少。

此外，暗筒式日照计需要每天及时更换涂抹好感光药品的日照纸，因此感光药品的质量和观测员的涂抹技巧都会对日照纸的质量产生影响，进而影响人工观测的日照数据。并且在更换日照纸时，日照纸的摆放位置、暗筒内是否有积水、圆盖是否完全密闭以及浸泡日照纸的时间长短都是决定日照数据是否准确的重要因素。因此，人工观测数据的主观性很大，对于观测员的操作要求很高。

3.5 余弦特性

余弦特性指的是仪器所接收到的光信号数值与入射光的角度存在余弦关系，接收到的太阳辐射强度小于实际的太阳辐射强度，故余弦特性也是影响日照数据准确性的重要因素之一。光电式日照计中的光电感应器里装有余弦校正器，能够在一定程度上消除余弦特性引起的误差；而暗筒式日照计则受余弦特性影响很大。

4 余弦校正

由于暗筒式日照计的余弦特性对人工观测日照数据影响很大，故对人工观测日照数据进行余弦校正，以减小余弦误差[9-11]。

假设太阳辐射垂直入射到面积为S的接收面时，产生的太阳辐射为E；当太阳辐射以h的太阳高度角入射到接收面时，产生的太阳辐射为E1，二者之间存在以下关系：

E1=E×sinh

(4)

假定1 d内日出时间为a，此时辐射强度为0 W/m2；按规定标准强度日照出现时间为b，此时辐射强度为120 W/m2；暗筒式日照计记录的日照开始时间为c，此时辐射强度为(120/sinh) W/m2。1 d内，太阳辐射强度从日出时由0开始增大，一般在正午12：00左右达到最大值，随后逐渐减小为0。将1 d内太阳辐射强度随时间的变化近似为成正比，则可以得出式(5)：

(5)

根据式(5)对2018年12月—2019年7月休宁地区所有晴天的人工观测数据进行余弦校正后，与光电式日照计观测数据进行对比，结果如表1所示。

将余弦校正前的自动与人工观测数据差值同校正后的差值对比分析。通过对比发现，两种观测数据差值明显减小，出现了人工观测数值大于自动观测的现象，并且，二者间差值同样符合冬季小、夏季大的特点。

表1 自动人工月日照总数统计 0.1 h

将校正后的人工观测数据和自动观测数据按日统计，对其进行线性回归分析，结果如图3所示，计算后得出日照时数间的相关系数为0.9899，其回归方程为：

sr=sz×0.938-0.829

(6)

与校正前相比，修正后两种数据的相关系数有所增大，二者间的相关性更强。

图3 自动和校正后人工观测日照时数散点分析

对校正前后自动和人工日照时数的差值以0.1 h为间隔进行分段概率统计，从差值分布发现，校正前二者差值大多为正值，占比74.77%，校正后负值占比明显增加，二者的差值分布相对更平均，正负值占比分别为51.6%和38.6%。校正后差值在-0.2～0.2 h的数据达到了45.7%，相比于校正前的33.11%明显提高，此外仅有1.99%的数据差值超过了2 h，比校正前的3.97%有所减小。从差值的分布来看，两种观测数据间的差异相较于校正前显著减小，相关性更强。

将校正前后自动和人工观测日照数据相对差值以5%为间隔进行分段概率统计可知，校正后相对差值分布集中在-10%～10%，所占百分比达到了67.54%，相较于校正前的56.95%有所增大，相对差值大于50%的数据占比7.28%，同校正前的9.93%相比有一定的减小。从相对差值的分布来看，校正后两种数据的相关性更强。

5 结束语

文章通过对休宁国家气象站自动观测和人工观测日照数据的对比分析，得出以下结论：

1)整体上自动观测数据明显多于人工观测日照数据，平均偏多0.52 h，但两者之间的相关系数为0.9844，具有较好的一致性；

2)自动观测和人工观测的差异性来源很多，两种观测仪器的感光阈值、分辨力、余弦特性以及光电式日照计的衰减作用和人工观测的规范性都是造成数据误差的重要因素；

3)对人工观测数据进行余弦校正后，差值集中分布在-0.2～0.2 h，相对差值在-10%～10%的数据达到了67.54%，两种数据的相关系数达到了0.9899，相关性更强。