光電式數(shù)字日照計觀測員培訓(xùn)課件開發(fā)

竇苗苗 郭葉萍 王蒙

摘 要：日照時數(shù)是是地面氣象臺站觀測的基本項目。目前，我國氣象部門在日照時數(shù)觀測業(yè)務(wù)中使用的是暗筒式和聚焦式日照計，需人工制作、安裝和更換日照紙，人工判斷感光跡線，自動化程度較低。隨著地面綜合氣象觀測自動化的發(fā)展，截至2018年底，我國2300余個國家地面氣象觀測站全部列裝光電式數(shù)字日照計并開展平行觀測業(yè)務(wù)。為保障人工觀測和自動觀測的平穩(wěn)切換，有必要對觀測人員進行相關(guān)的裝備技術(shù)培訓(xùn)。本文提出觀測員培訓(xùn)課件開發(fā)方案，內(nèi)容包涵觀測環(huán)境、儀器結(jié)構(gòu)、測量原理、調(diào)試維護、校準(zhǔn)方法等內(nèi)容，開發(fā)主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動太陽跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機械結(jié)構(gòu)件等部分組成的教學(xué)實驗裝置。

關(guān)鍵詞：光電式數(shù)字日照計;觀測員培訓(xùn);調(diào)試維護;校準(zhǔn)方法

中圖分類號：TN06;TH765 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0214-03

1 國內(nèi)外日照觀測設(shè)備現(xiàn)狀

日照時數(shù)是我國氣象部門各國家地面氣象觀測站的基本觀測要素，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)研究和太陽能利用方面有著重要的參考作用。常用的儀器有暗筒式日照計、聚焦式日照計、太陽直接輻射表和雙金屬片日照傳感器。目前，我國氣象部門制式化觀測儀器為低緯度地區(qū)使用暗筒式日照計，高緯度地區(qū)（≥60°）使用聚焦式日照計。這兩種儀器均采用人工干預(yù)的試紙曝光法觀測。

（1）國內(nèi)對日照自動化觀測裝置的探索。七十年代中期，河北、江蘇、四川省氣象局曾經(jīng)開展過光電池法、機械跟蹤法、濕度表改裝法進行日照時數(shù)自動化觀測的探索工作。九十年代初期，天津氣象儀器廠王大旺等人利用熱電堆傳感器結(jié)合水平及赤緯跟蹤裝置拖動自記筆運動記錄日照時間，研制成功有線遙測日照計。2011年中國局行業(yè)專項支持中國華云技術(shù)開發(fā)公司劉鈞等人開展通過使用直接輻射傳感器和數(shù)學(xué)建模等方式實現(xiàn)對日照時數(shù)自動觀測的研究工作。

（2）國外日照觀測儀器。澳大利亞和英國產(chǎn)技術(shù)成熟的產(chǎn)品包括BF3型、SD4型、SPN1型日照時數(shù)傳感器，用硅光二極管、陣列光電二極管或復(fù)合熱電堆技術(shù)配合一定的日照模型解算方法實現(xiàn)自動化光電測量。

（3）我國氣象部門制式化觀測儀器為低緯度地區(qū)使用暗筒式日照計又稱喬唐式日照計，高緯度地區(qū)（≥60°）使用聚焦式日照計又稱康培司托克式日照計。這兩種儀器均利用太陽光燒蝕涂有感光制劑的感光紙，根據(jù)感光跡線計算日照時數(shù)。

2000年，中國氣象科學(xué)研究院張緯敏等人對歷史資料的對比分析表明，從日照時數(shù)觀測定義的閾值要求出發(fā)，直射表最準(zhǔn)，聚焦式次之，暗筒式日照計較差。按實際觀測的日照時數(shù)誤差，聚焦式日照計較準(zhǔn)，暗筒式次之，直射表較差。實踐證明，直射表成年累月在露天條件下轉(zhuǎn)動很難精確跟蹤太陽運行軌跡。美國較精確的NIP型直射表觀測的日照還不如暗筒式日照計準(zhǔn)確。我國多數(shù)氣象臺站使用的暗筒式日照計只要嚴(yán)格按規(guī)范操作，其資料的準(zhǔn)確度基本滿足要求。不過聚焦式與暗筒式日照計均無法成自動氣象站遙測儀器的日照傳感器。世界氣象組織在1983年出版的《氣象儀器和觀測方法指南》（第五版）也沒有把暗筒式日照計列入日照測量儀器。但是，暗筒式日照計結(jié)構(gòu)簡單，幾何位置精準(zhǔn)，觀測值可靠，儀器成本低，便于大范圍推廣，自1825年誕生以來，一直在廣泛使用。

2 光電式數(shù)字日照計在我國氣象部門的應(yīng)用

世界氣象組織定義日照指太陽在一地實際照射的時數(shù)。在一給定時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120瓦·米-2（W·m-2）的那段時間總和，以小時（h）為單位，取1位小數(shù)。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，提高日照測量精度，為天氣預(yù)報、氣象情報、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。

按照中國氣象局《觀測司關(guān)于調(diào)整日照自動觀測設(shè)備采購數(shù)量的函》（氣測函〔2018〕69號）的工作安排，截至2018年底，我國2300余個國家地面氣象觀測站全部完成光電式數(shù)字日照計列裝。根據(jù)觀測司《日照平行觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》（氣測函〔2018〕153號）相關(guān)要求，各觀測站自2019年1月1日起，開展為期6個月的日照平行觀測。其中，第一階段（前3個月）以人工觀測記錄為正式觀測記錄，人工觀測及記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》和業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行;第二階段（后3個月）以自動觀測記錄為正式觀測記錄。平行觀測結(jié)束后，光電式數(shù)字日照計自動觀測數(shù)據(jù)作為正式觀測記錄。觀測技術(shù)人員須按規(guī)定做好光電式數(shù)字日照計的日常維護，保證其正常運行;光電式數(shù)字日照計發(fā)生故障時，應(yīng)及時排除，并按要求做好相關(guān)記錄和填報工作。

《光電式數(shù)字日照計觀測規(guī)范（試行）》（氣測函〔2018〕109號）和《光電式數(shù)字日照計出廠測試驗收大綱》（氣測函〔2018〕142號）均要求定期對光電式數(shù)字日照計的閾值測量誤差進行校準(zhǔn)，每兩年至少校準(zhǔn)一次，分為實驗室校準(zhǔn)和室外校準(zhǔn)兩種方法。觀測站通常使用室外校準(zhǔn)方法。

光電式數(shù)字日照計是我國氣象部門第三種大規(guī)模業(yè)務(wù)化列裝的氣象光學(xué)儀器。目前，氣象培訓(xùn)部門在裝備保障技術(shù)培訓(xùn)方面還未設(shè)立專項教學(xué)模塊。開發(fā)培訓(xùn)課件和教學(xué)輔助裝置，直觀講解測量原理，演示日照輻射光電信號變化特征，開展校準(zhǔn)方法實地操作練習(xí)，有助于觀測技術(shù)人員熟悉新型設(shè)備，深入理解觀測規(guī)范中的相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)要求，高質(zhì)量完成自動化日照觀測業(yè)務(wù)。

3 光電式數(shù)字日照計觀測員培訓(xùn)課件的設(shè)計方案

培訓(xùn)課件包涵觀測環(huán)境、儀器結(jié)構(gòu)、測量原理、調(diào)試維護、校準(zhǔn)方法等教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動太陽跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機械結(jié)構(gòu)件等部分組成的專用教學(xué)實驗裝置。

3.1 開發(fā)光電式數(shù)字日照計觀測業(yè)務(wù)培訓(xùn)課件

光電式數(shù)字日照計應(yīng)安裝在開闊地帶，終年從日出到日落都能接受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（例如淺色、發(fā)亮和反光）的物體。設(shè)計影響光電式數(shù)字日照計觀測的仿真環(huán)境，直觀展示觀測值變化。

日照計主要由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、供電單元、通信單元、安裝附件等部分組成。對照功能規(guī)格需求書，重點講解儀器各組成部分的作用和調(diào)試方法。

傳感器工作原理采用置于光學(xué)鏡筒中的三個同軸光電感應(yīng)器對總輻射和散射輻照進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度判斷有無日照。在課件中設(shè)計光路圖示，講解測量原理。使用過程中，觀測站需要對日照計進行室外校準(zhǔn)，按照技術(shù)要求設(shè)計實際操作演練方法。

3.2 開發(fā)室外校準(zhǔn)方法教學(xué)實驗裝置

教學(xué)實驗裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表、全自動太陽跟蹤器、六位半數(shù)字多用表、數(shù)據(jù)采集器及處理程序、設(shè)備安裝機械結(jié)構(gòu)件等部分組成。

直接輻射表用于測量垂直于太陽表面的輻射和太陽周圍很窄的環(huán)日天空散射輻射。當(dāng)太陽直接輻射量超過120W/m2時，視為有日照，直接測量日照時數(shù)。全自動太陽跟蹤器是由底板、緯度架、電機、導(dǎo)電環(huán)、蝸輪箱（用于太陽傾角調(diào)整）和電機控制器等組成。當(dāng)傾角與當(dāng)?shù)靥杻A角相同時，即可實現(xiàn)準(zhǔn)確的自動跟蹤。直接輻射表主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

六位半數(shù)字多用表具有很寬的測量量程和很高的精度，可無人值守連續(xù)自動測量及采集數(shù)據(jù)，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

室外校準(zhǔn)操作按下列步驟進行：

將標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表安裝在太陽跟蹤器上，被測日照計安置在室外平臺上，兩者距離不超過5米。

將標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表連接到數(shù)字多用表，進行直接輻照度連續(xù)測量，測量時間間隔不大于10s。

用計算機連續(xù)采集被測日照計的直接輻照度數(shù)據(jù)，測量時間間隔不大于10s。標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表與日照計采樣時間應(yīng)同步。測量時間至少包含1個日出和日落。測量期間禁止人員靠近測量場地，以免遮蔽或反射日光對測量結(jié)果造成影響。

按式（1）計算標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表的輻照度E0：

E0=U/K ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：

U—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表的輸出電壓，單位為微伏（uV）;

K—— 直接輻射表的靈敏度，單位為微伏平方米每瓦（uV/（W/m2））。

計算標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表輸出介于（120±5）W/m2范圍內(nèi)的直接輻照度平均值作為閾值參考值E0，讀取相同時間段內(nèi)被測日照計的直接輻照度數(shù)據(jù)計算平均值E。按式（2）計算被測日照計測量的本組閾值誤差ΔEi：

ΔEi=E-E0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：

E—— 被測日照計直接輻照度數(shù)據(jù)組的平均值，單位為瓦每平方米（W/m2）;

E0—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表輻照度數(shù)據(jù)組的平均值，單位為瓦每平方米（W/m2）。

按式（3）計算閾值誤差ΔE：

ΔE=ΔEi ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：

n—— 標(biāo)準(zhǔn)直接輻射表滿足（120±5）W/m2條件的數(shù)據(jù)組數(shù)。

當(dāng)閾值誤差在±24W/m2以內(nèi)時，待測設(shè)備視為合格。

4 結(jié)語

在2018年的列裝過程中，部分生產(chǎn)單位開展了自動日照計設(shè)備安裝使用現(xiàn)場培訓(xùn)，市氣象局的保障人員熟悉了設(shè)備安裝要求、主要組成部分、數(shù)據(jù)傳輸軟件調(diào)試等內(nèi)容，但各觀測站技術(shù)人員尚不熟悉運行原理、故障分析及使用中的校準(zhǔn)方法。

近年來，中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院每年均開展氣象探測裝備保障技術(shù)培訓(xùn)，逐步建立了基層綜合氣象觀測培訓(xùn)云平臺、綜合氣象業(yè)務(wù)情景模擬培訓(xùn)系統(tǒng)。本課件開發(fā)方案可補充完善現(xiàn)有教學(xué)資源在氣象裝備保障技術(shù)方面的教學(xué)內(nèi)容和培訓(xùn)手段。

自2019年1月1日開始，全國氣象部門所屬國家地面氣象觀測站開展為期6個月的日照平行觀測。為貫徹落實新型觀測儀器的業(yè)務(wù)技術(shù)要求，本課件設(shè)計的光電式數(shù)字日照計教學(xué)內(nèi)容，直觀講解測量原理，演示日照輻射光電信號變化特征，開展校準(zhǔn)方法實地操作練習(xí)，有助于觀測技術(shù)人員熟悉新型設(shè)備，深入理解觀測規(guī)范中的相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)要求，高質(zhì)量完成自動化日照觀測業(yè)務(wù)。

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Design of ?Training Courseware for Observers of ?Photoelectric Digital Sunshine Meter

DOU Miao-miao，GUO Yie-ping，WANG Meng

（Anhui Branch of Meteorological Cadre Training College by China Meteorological Administration，Hefei Anhui ?230031）

Abstract：Sunshine duration is the basic item observed by surface meteorological stations. At present， Jordan sunshine recorder and Campbell-Stokes sunshine recorder are used in observation by meteorological departments in China， which require manual production， installation and replacement of sunshine paper and manual judgment of photosensitive traces， with a low degree of automation. With the development of automation of ground integrated meteorological observation， more than 2300 national ground meteorological observatories in China were equipped with photoelectric digital sunshine meters and carried out parallel observation business by the end of 2018. In order to ensure the smooth switching between manual observation and automatic observation， it is necessary to train observers in relevant equipment technology. This paper design a scheme of observer training courseware， which includes observation environment review， instrument structure， measurement principle， testing and maintenance， calibration method， etc. The special experimental teaching device for courseware mainly consists of standard direct radiation meter， automatic solar tracker， six-bit semi-digital multi-meter， data collector and processing program， mechanical structure parts for equipment installation .

Key words：photoelectric digital sunshine meter;observer training;testing and maintenance;calibration method