DFC2光電式數(shù)字日照計數(shù)據(jù)偏差問題研究

崔曉霞

(山東省陽信縣氣象局，陽信 251800)

0 引言

日照是重要的氣候因子，是表征一地氣候特征的重要氣象要素，更是生物生長和發(fā)育的必要條件。日照是氣象臺站的基本觀測項目之一，是指太陽在一地實際照射的時數(shù)，定義為在一個給定時段內(nèi)太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的時間的總和[1]，因此，日照時數(shù)也稱實照時數(shù)。在氣象觀測中，日照計自1880年引入氣象臺站使用后，臺站普遍使用的是聚焦式或暗筒式日照計，以人工觀測為主。近年來，隨著氣象現(xiàn)代化發(fā)展以及地面氣象觀測自動化改革的推進(jìn)，各級氣象臺站逐步實現(xiàn)自動化觀測。光電式數(shù)字日照計以性能穩(wěn)定、觀測準(zhǔn)確度高、操作簡單被臺站廣泛使用。但是，在使用過程中，操作維護(hù)方式不當(dāng)或設(shè)備自身原因等問題，對數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)可用性造成一定的影響。文章以本站2020-01-16—2020-02-04的1次因傳感器出現(xiàn)故障造成的日累計日照時數(shù)數(shù)據(jù)異常的情況為例，對引起數(shù)據(jù)偏差的原因進(jìn)行分析并結(jié)合當(dāng)前臺站應(yīng)用的業(yè)務(wù)軟件對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1 光電式數(shù)字日照計測量原理

根據(jù)光電式數(shù)字日照計測量原理可知，光電式數(shù)字日照計使用HYSD1型光電式數(shù)字日照傳感器，傳感器采用3個光電感應(yīng)器件測量太陽總輻射和散射輻射，計算出太陽直接輻射，并判斷累計日照時數(shù)。

2 日照傳感器故障處理

2.1 故障現(xiàn)象及特征對比分析

2020-01-16-2020-02-04，本站日累計日照時數(shù)自動觀測數(shù)據(jù)間歇性出現(xiàn)異常偏多，文章對本站及周邊臨近5個臺站(樂陵、慶云、無棣、商河、惠民)日累計日照數(shù)據(jù)、小時累計日照數(shù)據(jù)以及臨近無棣、惠民兩站日照記錄開始、結(jié)束時間進(jìn)行對比分析。

2.1.1 日累計日照時數(shù)對比

文章計算出其他5站每日平均日累計日照時數(shù)，并按日照時數(shù)的多少劃分為3個等級(表1)，本站與其他5站對比發(fā)現(xiàn)：5站平均日累計日照時數(shù)<1.0 h的日數(shù)為9 d，占總時段的50%，本站日累計日照時數(shù)<1.0 h的日數(shù)為 0 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5站平均值；5站平均日累計日照時數(shù)≥7.0 h的日數(shù)僅為4 d，占比22%，本站日累計日照時數(shù)≥7.0 h的日數(shù)為10 d，占比56%。說明在所選時段本站日累計日照時數(shù)明顯高于其他5站平均數(shù)據(jù)且高值區(qū)占比偏大。

表1 本站與其他5站日累計日照時數(shù)分段統(tǒng)計日數(shù)

將各站每日日累計日照數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)樂陵與慶云、惠民與商河的日累計日照時數(shù)及其變化趨勢相近，分別選擇樂陵、惠民為代表站與本站、無棣站進(jìn)行數(shù)據(jù)對比(圖1)，可以看出，本站1月16日—2月2日除20日及30日的日累計日照時數(shù)略低于個別站數(shù)據(jù)外，其他日期均明顯高于其他站，且日累計日照時數(shù)越少偏差越大。

圖1 本站與臨近站逐日累計日照時數(shù)

2.1.2 日照起止時間對比

從地理位置上來看，本站與無棣、惠民兩站臨近且處于中間位置，日照除受天氣等外在因素影響相差不大。對故障期間3站日累計日照時數(shù)>0.0 h的日出及日落時間進(jìn)行統(tǒng)計，計算出時間差。其中本站日出時間除1月20日、30日及2月1日較無棣、惠民兩站略偏晚外，其他日期均早于其他兩站，平均提前時間分別為47 min、42 min，最長提前時間分別為209 min、152 min，最短為3 min、9 min；日落時間除1月20日外，其余均落后于其他兩站，平均落后時間分別為75 min、85 min，最長落后時間為1月25日，落后時間分別為249 min和287 min。

2.1.3 天空狀況對日照數(shù)據(jù)的影響

呂文華在對光電式自動日照計性能比對試驗與分析中指出，現(xiàn)階段國內(nèi)外光電日照計的月累計誤差受天氣狀況影響，多云、陰雨天的測量誤差很大[2]。1月16日—2月2日，對比自動觀測天氣現(xiàn)象記錄，臺站除1月24日、2月1日外，均有霧或輕霧出現(xiàn)，大霧天氣出現(xiàn)5 d，降雪天氣出現(xiàn)1 d。1月24日、2月1日本站與其他5站日累計日照時數(shù)差值為1.3～1.7 h，其他日期平均差值4.0 h，由此可見，不同的天空狀況對日照觀測數(shù)據(jù)存在一定的影響。

2.2 故障分析判斷及處理

通過自動觀測站地面終端ISOS軟件對設(shè)備進(jìn)行自檢，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題。打開ISOS終端軟件，對終端進(jìn)行維護(hù)，選擇日照串口處理，首先檢查ISOS軟件日照的串口號及串口參數(shù)是否正確，正確的日照傳感器通訊參數(shù)為9600 8 N 1；其次檢查時間設(shè)置是否正確；然后使用設(shè)備自檢命令“AUTOCHECK”進(jìn)行自檢[3，4]。

HYSD-1型光電式數(shù)字日照傳感器自檢返回的內(nèi)容包括日照傳感器9位序列號、1位自檢狀態(tài)碼、14位當(dāng)前日期時間，ABC代表的3路光電組件電壓(mV)值，T 為主板溫度、V為主板電壓等。

對本站日照傳感器發(fā)送自檢命令：

返回值：

根據(jù)光電式數(shù)字日照計測量原理，在有日照的情況下，ABC 3路光電組件電壓值應(yīng)隨太陽高度角的變動而變化。在命令返回值中，C值為0000，說明當(dāng)前時刻無電壓值輸出，結(jié)合當(dāng)前日照進(jìn)行分析，初步判斷日照傳感器異常。隨后，分別選擇在不同太陽高度角(當(dāng)日中午、傍晚、次日早晨)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)A、B值隨太陽高度的變化而變化，而C值分別為0001、0000、0000，等于或接近于0，由此可以判斷，日照傳感器出現(xiàn)故障，需更換傳感器。

在判斷傳感器出現(xiàn)故障后，業(yè)務(wù)人員取消了日照設(shè)備的掛接，避免產(chǎn)生更多異常數(shù)據(jù)。對故障期間確認(rèn)無日照記錄以外的其他日期的日出至日落時段小時數(shù)據(jù)按缺測處理，其他時段和確認(rèn)無日照記錄的日期按0.0處理，更正補發(fā)故障期間的日照數(shù)據(jù)文件。

3 引起日照測量偏差的其他原因分析

對比故障期間自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)，有時會發(fā)現(xiàn)自動觀測采集的日照時數(shù)和人工觀測到的日照時數(shù)存在誤差，分析原因，除因人工觀測日照紙涂刷和藥物配制不當(dāng)外，日照傳感器的安裝維護(hù)不當(dāng)也可引起日照數(shù)據(jù)偏差。

3.1 玻璃罩灰塵較厚

由于日照傳感器安裝在室外，受外界環(huán)境影響較大，因此應(yīng)每天日出前、日落后檢查光電式數(shù)字日照傳感器的玻璃罩是否有灰塵，如有，則用軟布將光筒擦凈。

3.2 日照傳感器安裝不規(guī)范

檢查日照計傳感器安裝是否為南北向，以及緯度角是否正確。若安裝不正確，會影響測量準(zhǔn)確度。

3.3 經(jīng)緯度設(shè)置有誤

ISOS軟件用LONG和LAT命令查看經(jīng)度和緯度信息，確保經(jīng)緯度是本站的經(jīng)緯度。

3.4 采集電路溫漂嚴(yán)重或光電感應(yīng)器件老化

需聯(lián)系上級保障部門或廠家進(jìn)行維修或更換。

4 異常數(shù)據(jù)的處理

在ISOS軟件中，當(dāng)日各時次日照數(shù)據(jù)和日照日合計數(shù)據(jù)均保存在次日00地面小時BUFR文件中。如出現(xiàn)設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常，按照現(xiàn)行相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定，可做如下處理。

4.1 設(shè)備故障

因日照設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，打開ISOS軟件“自定項目參數(shù)”中的“自動編發(fā)日照數(shù)據(jù)”，將其取消勾選，同時取消掛接日照設(shè)備，修復(fù)后再恢復(fù)原設(shè)置。

4.2 設(shè)備正常而數(shù)據(jù)缺測

日照設(shè)備正常而日照數(shù)據(jù)缺測，需重新下載當(dāng)日地平時00：00至次日地平時00：00的日照數(shù)據(jù)，完成歷史數(shù)據(jù)下載并在當(dāng)日“日照數(shù)據(jù)編報”界面點擊“補調(diào)入庫”后，再更正編發(fā)次日00：00地面小時BUFR數(shù)據(jù)文件。

5 結(jié)束語

文章以本站DFC2光電式數(shù)字日照計出現(xiàn)的1次傳感器故障為例，對引起數(shù)據(jù)偏差的原因進(jìn)行分析，通過對數(shù)據(jù)特征的分析及與生產(chǎn)廠家的溝通，發(fā)現(xiàn)因設(shè)備原因引起的日照數(shù)據(jù)偏差問題在臺站較為多見，值班員在值班時應(yīng)注意查看日照傳感器的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理，避免異常數(shù)據(jù)的發(fā)生。及時對比臨近站數(shù)據(jù)是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的有效途徑，值班員可通過MDOS系統(tǒng)平臺，選擇臨近站點數(shù)據(jù)進(jìn)行查看對比。為確保日照傳感器可靠穩(wěn)定運行，加強(qiáng)儀器的檢查維護(hù)是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的有利保障。