數(shù)字式日照傳感器維護及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法探討

汪清梅，蔣文軒，徐重曄，謝韶青

(浙江省嘉善縣氣象局，嘉善 314100)

0 引言

目前，測量日照的儀器有輻射表和日照計等。輻射表有直接輻射表、總輻射表和散射輻射表；日照計有暗筒式日照計、聚焦式日照計、雙金屬片式日照計和光電式數(shù)字日照計等[1，2]。光電式數(shù)字日照計能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動連續(xù)觀測，提高日照測量準確度。根據(jù)世界氣象組織對日照時數(shù)準確度和儀器性能的要求[3]，日照時數(shù)的測量范圍為0～24 h，分辨力為0.1 h，最大允許誤差為±0.1 h。DFC2型和DFC3型光電式數(shù)字日照計按照《光電式數(shù)字日照計功能規(guī)格需求書》的要求設(shè)計和生產(chǎn)，經(jīng)中國氣象局綜合觀測司定型后在全國氣象臺站專用的日照自動觀測儀器，目前已逐步代替人工日照觀測儀器。其中DFC2型日照計由江蘇無錫無線電科學研究所有限公司生產(chǎn)，DFC3型日照計由中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)，兩者測量原理和維護維修方法接近[4-6]。兩款日照計均可接入氣象臺站地面觀測業(yè)務(wù)軟件(簡稱ISOS軟件)進行業(yè)務(wù)使用并做到數(shù)據(jù)自動上傳，臺站可通過氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(簡稱MDOS操作平臺)進行數(shù)據(jù)入庫和質(zhì)量控制。

文章以DFC2型光電式數(shù)字日照計為例，探討臺站級日照計維護維修和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。安裝環(huán)境為觀測場，應(yīng)遵循《地面氣象觀測規(guī)范》中關(guān)于觀測場儀器布局的原則，按照《地面氣象觀測場規(guī)范化建設(shè)圖冊》的要求，將日照自動觀測儀器布設(shè)在觀測場原暗筒式日照計位置。安裝地帶應(yīng)選擇開闊，終年從日出到日落都能接收到太陽直接輻射的地方，儀器周圍或附近地表應(yīng)避免有高反射比的物體。DFC2型光電式數(shù)字日照計由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括日照傳感器(數(shù)字式)、日照計機箱和外圍組件等；軟件部分包括傳感器中嵌入式軟件和上位機業(yè)務(wù)軟件。通過光纖和室內(nèi)光纖通信盒與計算機串口直連，也可通過光纖接入觀測場內(nèi)綜合集成硬件控制器，由綜合集成硬件控制器連接終端計算機。

1 儀器測量原理

日照傳感器采用置于光學鏡筒中的3個同軸光電感應(yīng)器對總輻射和散射輻射進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度判斷有無日照。直接輻射為總輻射和散射輻射的差值，若直接輻照度≥120 W·m-2，則判斷有日照。按采樣時間累計，得到每小時和每天的日照時數(shù)。

2 日照計維修維護

2.1 定期維護

每周定期檢查日照計光學鏡筒的污染情況，并做適當清潔，清潔工作應(yīng)在日出前或日落后進行。每周定期檢查日照計內(nèi)干燥劑狀態(tài)，若指示卡由藍變粉，需及時更換傳感器上下兩端的干燥劑。若發(fā)生雨、雪、露、霜、霧等天氣，應(yīng)及時擦除光學鏡筒上的雨雪和凝結(jié)物，并定期檢查日照觀測系統(tǒng)供電情況。

2.2 故障舉例及分析

玻璃罩長時間結(jié)霜或起霧的原因可能是：日照傳感器加熱功能失效；供電系統(tǒng)發(fā)生故障；傳感器內(nèi)部控制繼電器出現(xiàn)故障等。需檢查自動加熱功能是否開啟；交直流供電是否正常；保險絲是否熔斷。檢查日照計內(nèi)部加熱控制電路，若故障仍存在，則更換傳感器，或聯(lián)系廠家維修。另外，日照傳感器與ISOS時差不一致，需微調(diào)傳感器經(jīng)度。因日照計自帶實時時鐘，當日照計獨立運行時，由實時時鐘芯片提供系統(tǒng)時鐘；當接入業(yè)務(wù)軟件時，由業(yè)務(wù)終端軟件校時，要求時差≤1 s/d。

3 日照數(shù)據(jù)采集和觀測

3.1 數(shù)據(jù)采樣和存儲

至少每10 s對光電感應(yīng)器進行1次采樣，1 min采集6次。對采樣得到的電壓信號進行判斷，若判斷為有日照，則將采樣時間間隔計入日照時間。對小時內(nèi)分鐘日照時數(shù)進行累加，得到日照時數(shù)小時累計；對小時日照時數(shù)進行累加，得到日照時數(shù)日累計。日照計具有數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)存儲采用滾動循環(huán)存儲方式，每分鐘存儲1條記錄，存儲至少1個月的數(shù)據(jù)量。

3.2 日照數(shù)據(jù)觀測

日照計安裝完成后，使用地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件(ISOS)采集器監(jiān)控操作命令或串口調(diào)試工具，設(shè)置臺站經(jīng)緯度、日期和時間等必要參數(shù)。通過READDATA實時讀取觀測設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)命令，輸出日照實時觀測要素和設(shè)備狀態(tài)要素。

4 日照數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

根據(jù)QX/T 66-2007第22部分內(nèi)容和QX/T 118-2010兩項行業(yè)標準中對日照數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制要求，結(jié)合臺站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制職責，開展臺站級日照觀測記錄的質(zhì)量控制。

4.1 質(zhì)控碼及含義

對質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量標識。表示資料質(zhì)量的數(shù)字標識為：0表示正確；1表示可疑；2表示錯誤；3表示訂正數(shù)據(jù)；4表示修改數(shù)據(jù)；8表示缺測；9表示未做質(zhì)量控制。日照數(shù)據(jù)質(zhì)控碼與氣象行業(yè)標準QX/T 118-2010一致。

4.2 傳感器質(zhì)量控制

對采樣信號轉(zhuǎn)換為氣象要素的過程進行質(zhì)量控制，其控制對象是氣象要素的采樣值，質(zhì)量方法主要包括兩個方面：一是對采樣值變化速率進行檢查，將當前的采樣值與前一個采樣值作比較，若兩個采樣值的差異大于給定的界限，則當前采樣值被標記為不可信，不能參與進一步計算，但仍可用于采樣值變化速率檢查；二是對采樣值極限范圍進行檢查，檢查采樣值是否在傳感器測量范圍內(nèi)，如果未通過檢查，則該值被丟棄，不能參與進一步計算。

4.3 臺站級質(zhì)量控制

對日照數(shù)據(jù)進行臺站級質(zhì)量控制時，通過人機交互方式，按下列順序進行：格式檢查；缺測檢查；主要變化范圍檢查；質(zhì)量控制綜合分析；數(shù)據(jù)質(zhì)量標識。

格式檢查時，檢查日照觀測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)記錄的長度；缺測檢查時，查驗日照數(shù)據(jù)是否為缺測數(shù)據(jù)，若為缺測數(shù)據(jù)則不進行其他檢查；主要變化范圍檢查時，因夏至日日照時數(shù)最長，根據(jù)當?shù)鼐暥冗M行測算，太陽從地平線升起到落下，無任何遮擋情況下的日照時數(shù)可作為變化范圍檢查的參考值。通過設(shè)定經(jīng)度和年、月、日參數(shù)，可以計算1 a中最長日照月的可照時數(shù)，若某站在夏至日日照為14 h，當超出這個值時，即可判定為錯誤數(shù)據(jù)。

4.4 MDOS操作平臺疑誤數(shù)據(jù)反饋

通過臺站和省級一體化數(shù)據(jù)處理平臺進行日照數(shù)據(jù)完整性和疑誤數(shù)據(jù)查詢反饋。日照數(shù)據(jù)完整性檢查：通過ISOS軟件平臺在00：00上傳前一日的日照數(shù)據(jù)，于次日08：00前，臺站檢查MDOS中前一日的日照數(shù)據(jù)是否入庫，并進行小時值和合計值一致性檢查。

日照疑誤數(shù)據(jù)查詢反饋：通過MDOS平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控信息可以查看日照原始數(shù)據(jù)完整性和入庫詳情。在臺站編發(fā)日照數(shù)據(jù)更正報時，MDOS入庫時可能會出現(xiàn)小時與日合計不一致的情況。對于省級下發(fā)的疑誤查詢，可以通過平臺質(zhì)控信息處理中“省級處理與查詢反饋”和“臺站處理與反饋”項進行被動式數(shù)據(jù)處理。選擇數(shù)據(jù)類型為日照數(shù)據(jù)，要素類別為日照時數(shù)，進行質(zhì)量控制信息處理時，在1 h反饋時效內(nèi)，按實際情況分別以原始觀測無誤、數(shù)據(jù)錯誤(按缺測處理)、數(shù)據(jù)修改3種處理方式進行數(shù)據(jù)處理，但需詳細說明處理理由以供備查。同時，臺站能及早發(fā)現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)，在省級未下發(fā)疑誤信息時，可以通過快捷通道對入庫數(shù)據(jù)直接進行主動式修改和反饋。

5 結(jié)束語

隨著中國氣象局深入開展氣象觀測業(yè)務(wù)的全面自動化工作，光電式數(shù)字日照計的應(yīng)用和普及無疑加快了觀測自動化進程，將有更多的氣象觀測人員轉(zhuǎn)崗到裝備保障和氣象預(yù)報預(yù)警工作中，承擔更多的綜合氣象業(yè)務(wù)職責。文章通過對DFC系列光電式數(shù)字日照傳感器的選址安裝、設(shè)備維護、故障檢修和疑誤數(shù)據(jù)處理等方面進行總結(jié)梳理，形成該儀器全生命周期的操作流程，為臺站綜合業(yè)務(wù)人員提供可借鑒的設(shè)備維護維修和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的操作方法。