日照计

日照计（sunshine recorder）是指记录一天中太阳直接辐射达到一定辐照度的时间的仪器。主要的类型有：聚焦式日照计、暗筒式日照计、直接辐射式日照计、总辐射式日照计、双金属片式日照计等。

简介

气象上通常采用日照计观测日照时数。日照时数是指太阳在一地实际照射的时间, WMO 对日照时数的定义是在给定时间内太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2 (±20 %)的各段时间总和, 它是所有地面气象台站必须观测的基本项目。

观测日照对于了解太阳直射辐射变化、监测天气气候状况、分析和预报未来天气、农业生产、太阳能开发、建筑规划与设计、环境监测等都有重要意义。

主要的观测仪器类型有:聚焦式日照计、暗筒式日照计、直接辐射式日照计、总辐射式日照计、双金属片式日照计等。

分类

目前的日照计按原理可分为:烧痕法、直接辐射测量法、总辐射测量法、对比法和扫描法等。主要的观测仪器类型有:聚焦式、暗筒式、直接辐射式、总辐射式、双金属片式等。下面根据探测原理的不同分别进行分析。

烧痕法测量日照时数的原理是通过聚集太阳直接辐射, 产生烧焦记录纸的阈值效应, 由烧痕读出日照时间。基于此原理的仪器主要有暗筒式日照计和聚焦式日照计两种。

聚焦式日照计

聚焦式(或称康培-斯托克斯式)日照计是利用太阳光经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下的焦痕, 来记录日照时数的, 在1880 年就引入气象站。仪器的结构包括固定在弧型支架两端的实心玻璃球、金属槽(安装自记纸用)、纬度刻度尺(在弧型支架上)和底座。这种方式需要操作员的人工操作, 自动化程度低, 也不利于自动化观测。

暗筒式日照计

暗筒式(或称乔唐式)日照计的测量原理是太阳光通过仪器上的小孔射入筒内, 使涂有感光药剂的日照纸上留下感光迹线, 根据感光迹线的长短来计算日照时数。仪器包括金属圆筒(底端密闭, 筒口带盖, 两侧各有一进光小孔, 筒内附有压纸夹)、隔光板、纬度刻度盘和支架底座。当太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2时, 日照计内的自记纸会产生感光迹线, 日照时数是依据换下的日照纸感光迹线的长短计算, 因此日照纸能否正确感光, 成为是否造成误差的关键。

对于日照纸, 药液的配置比例、日照纸的涂刷方法和浸泡时间都会影响测量的准确性, 因此需严格按照操作规范进行。此外, 日照纸的记录还与天气条件有关, 在太阳时蔽时露的多云天气, 日照纸烧灼的焦痕往往比实际日照时数偏多;而夜间或阴雨天日照纸受潮往往使焦痕显不出来, 从而造成记录偏少。由于该仪器的日照纸需人工制作、安装和更换, 日照时数需要根据感光迹线进行人工判断, 自动化程度较低, 由此导致测量结果主观性强, 精度相对较低, 资料可比性和一致性难以得到保证。

由于暗筒式和聚焦式日照计的业务观测离不开人工操作, 准确度较低, 且无法实现自动化。随着当前地面气象观测自动化的发展, 该类型仪器已不能满足自动化业务观测的需求, 亟待突破关键技术, 研制能够投入业务运行的无人值守日照计。

双金属片式日照计

基于双金属片测量法的日照传感器主要包括置于聚丙烯圆罩下, 相互均匀隔开的多对双金属黑化元件。当照射在仪器上的直接辐射大于某预设阈值(≥120 W/m2)时, 被照射的双金属片外部黑色元件受热高于内侧背光处元件, 导致正向的接触闭合形成电回路, 外部和内部的不同弯折度又使它们产生自动擦除动作, 形成接触闭合。接触闭合的瞬间和持续时间被采集器作为日照时间记录下来。而当直接辐射小于预定阈值时, 落在白色基板上的散射光反射到内部元件下侧, 对内部温度进行补偿, 这时触点断开, 记录无日照。

基于该原理的仪器有Vaisala 的DSU12 传感器, 该传感器有6 对双金属黑化元件。此类传感器的自动化程度相比基于烧痕法的仪器有明显提高, 但由于双金属片是机械形变型元件, 其膨胀/收缩具有温度效应, 重复性差, 具有滞后性, 长期稳定性难以保证, 导致测量精度不高, 因此应用较少。

直接辐射式日照计

直接辐射检测法利用和时间记录设备相连接的直接辐射表测量直接太阳辐照度, 通过阈值鉴别器进行120 W/m2 阈值的转换, 由相应的向上和向下的转换触发时间计数器, 即可确定日照时数。

基于该原理的仪器有澳大利亚MiddletonSolar 公司的SD 系列直接辐射式日照计。如其SD 6 型日照计主要由光学部分、敏感元件和控制单元组成, 与仪器主轴相垂直的平面上有一环状遮盖物, 在遮盖物上有均匀对称分布的16 个凹槽, 在每个凹槽下面均放置了感光器件。当这些感光元件测出太阳辐射大于120 W/m2时, 将有一个输出电路被接通, 通过计时测量日照时数。该设备测量谱宽为0 .6 ～ 1 .05 μm , 视角为270°, 时间分辨力为1 s 。

在直接辐射表的基础上, 加装能够自动跟踪太阳位置的自动跟踪装置, 可以进一步提高日照时数探测的准确度。基于该原理的仪器主要有锦州阳光科技公司的TBS-2-2 型太阳自动跟踪直接辐射表(日照计)。该设备由光筒和自动跟踪装置组成, 光筒包括光栏、内筒、热电堆(感应面)、干燥剂筒等, 感应部件是采用绕线电镀式多接点热电堆, 其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上, 冷结点在机体内, 在线性范围内产生的温差电势与太阳直接辐照度成正比。当太阳直接辐射量超过120 W/m2 时和日照时数记录仪连接, 从而实现日照时数的确定。该日照计的光谱范围为0 .3 ～ 3 μm , 精度小于0 .1 h ,分辨力0 .1 h , 响应时间≤30 s , 跟踪精度24 h 小于±1°。由于该型日照计采用了二维伺服机构对太阳进行跟踪, 结构相对复杂, 在环境适应性较差, 往往需要人工值守, 还需要进一步改进。

总辐射式日照计

总辐射测量法是通过对总的太阳辐照度和散射太阳辐照度的总辐射测量, 得出WMO 推荐的直接太阳辐照度阈值, 当太阳直接辐射量超过120 W/m2 时, 日照时数记录仪记录持续时间, 从而实现日照时数的确定。基于该方法的仪器主要由2 台相同的总辐射表和1 个遮光装置、与电的或计算机处理的阈值鉴别器和时间记录设备组成的整套辐射表系统。

基于该原理的仪器有荷兰Kipp & Zonen 公司的CSD 系列太阳日照时数计。CSD 系列的核心部件为3 个光谱特性和角度特性一致的硅光电二极管, 放置于一透明的玻璃罩内, 1 个硅光电二极管检测全天空总辐射度, 另2 个分别检测东、西半天空散射辐射度, 采用一种特殊排列, 二者不能够同时检测到太阳直接辐射。总辐照度与散射辐照度之差即为太阳直接辐照度, 这可以通过输出和太阳辐射强度成线性关系的3 个电压信号, 来判断太阳辐射是否超过120 W/m2 。当超过则输出高电平信号, 否则输出低电平信号, 高电平信号的累计时间就是日照时数。仪器本身没有转动部件、耗电量低, 内置有加热器可以防止雨雪、霜降等对观测产生的不利影响, 也可以根据实际需要选择内部温度调节装置, 能够胜任野外的长期观测使用。CSD3 型的测量谱宽范围为0 .4 ～ 1 .1 μm , 响应时间小于1 ms , 日照时数测量精度大于90 %,误差小于2 %/年, 加热时功耗为1 W(防露)或10 W(防雪), 质量约930g。

该系列日照计所采用的技术成熟, 测量精度高, 已经广泛应用于业务日照时数观测中。芬兰Vaisala 公司的Milos 系列自动气象站就配备了CSD 系列日照传感器。国内有研究者对CSD 1型和暗筒式日照计进行了对比观测, 实测结果表明 , 自动观测比人工观测有更高的灵敏度和分辨率, 观测数据更客观, 自动观测的日照时数总值明显高于人工观测值, 二者有很好的相关性。

日照观测技术展望

通过对现有的烧痕法、双金属片测量法、直接辐射测量法等日照时数测量技术和系统的发展现状和存在问题进行分析, 认为当前迫切需研制可业务化的国产日照自动观测仪器, 并对未来日照观测技术的发展展望如下:

(1)基于烧痕法的暗筒式日照计和聚焦式日照计无法实现无人值守, 自动化水平低, 已逐步被淘汰。直接辐射式或总辐射式测量原理进行日照时数的测量是目前最贴近WMO 对日照时数定义的, 其测量准确度最高, 将是未来的主要发展趋势。

(2)对于基于直接辐射式测量法的自动日照计,重点需解决传感器的辐射相应问题、太阳的自动跟踪、日照计的结构优化以及运行中的长期稳定性、可靠性等问题, 以切实推动自动日照计的业务化。

(3)在全自动太阳跟踪装置上安装不同辐射仪器, 也可有效解决日照观测的问题。利用直接辐射表测量的太阳直接辐射和总辐射表所测量的太阳总辐射和散射辐射, 可以作为日照测量的标准仪器, 用于日照计的定标和校准。

测量误差分析

阈值的测定

晴天聚焦式日照计阈值(开始烧灼)从120-16ow·m-2范围变化。暗筒式日照计阂值为270-300W·m-2范围才有感光迹线。日照记录比聚焦式偏少0. 2-0.3时。地平线混浊时聚焦式阈值(开始就明显烧灼)为120W·m-2左右。暗筒日照纸要到130-145W·m-2左右才出现感光迹线，即日照也比聚焦式少0. 2时。试验证明聚焦式日照计阂值120W·m-2左右定为IRSR是恰当的。

聚焦式与暗筒式日照计的误差

暗筒式日照计只要严格按钡范”操作，其资料的误差约为5%左右，合乎同类气象要素如总辐射的准确度要求，可以满足业务需求。但按WMO对日照任一小时内为0. 1小时的要求，从表2看到:6,9,12三个月分别有38次(7. 7%) ,15次(3. 6%)与31次(10. 3%)大于0. 1小时，达不到此要求。实际上WMO这种规定是不合理的，对于日照要素要求太高，按此标准，较好的日照仪器也难达到。

聚焦式日照计记录受日照纸好坏与天气条件影响甚大。有的日照纸在太阳或蔽或露的多云天气，使日照纸烧灼的焦痕往往比实际日照时数偏多。阴雨天日照纸受潮使焦痕显不出来造成记录偏少。表2显示:日出后的记录均比日落前偏少0. 1-0. 2小时，就是由于夜间或早晨雨、露、霜等使日照纸受潮造成的。由于种种原因也经常观测到，暗筒式日照计比聚焦式日照计记录偏多现象。

直射表测量日照的误差

WMO把太阳直射120W·m-2辐照度定为日照阈值，因此用直射表做为日照检定仪器是准确的。如把它定为台站日照测量仪器，还决定于直射表自动跟踪太阳装置是否精确。实践证明:直射表成年累月在露天条件下转动，很难达到跟踪太阳完全精确这个要求。用直射表观测日照时数，8个月平均相对误差大到一7.1%一11.2%，甚至用美国较精确的NIP直射表观测的日照还不如暗筒式日照计准确(偏少0. 1-0. 2)。这表明直射表跟踪不准造成的误差，要比暗筒式日照计阈值不准造成的误差还来得大。这是直射表日照时数偏少的主要原因。通过统计15个辐射1级站多年用直射表观汉日照时数的资料，发现直射表均比暗筒式日照计偏少0. 4小时(0. 3-1. 3小时)左右。

影响日照时数准确度的因素是错综复杂的。从日照定义的阈值要求，直射表最准，聚焦式次之，暗筒式日照计较差。按实际观测的日照时数，聚焦式日照计较准，暗筒式次之，直射表较差。我国多数气象台站使用的暗筒式日照计，只要严格按规范”操作，其资料的准确度基本满足要求。但聚焦式与暗筒式日照计均无法成为今后遥测仪器的日照传感器。如若直射表用做遥测日照计的传感器，必须提高跟踪太阳装置的精确度，否则，它观测的资料还不如暗筒式日照计准确。

制作方法

简易日照计的制作方法如下：

材料

1．400ml或250ml圆底烧杯一个，蒸馏水或酒精400ml或250ml。

2．长32cm、宽12cm、枣核形铁片一块。

3．卡片纸数张。

4．木版一快（长18cm、宽10cm、厚3cm）。

5．软木塞一个，铅丝少许。

制作步骤

1.先将烧瓶灌满蒸馏水（冬季使用酒精）后，盖紧软木塞。

2.做木架。正好将烧瓶卡在中间，然后将木架固定在底座上（如北京的纬度是40度，则必须使木架和底座40度角，木架安在底座上也可以做活动的，然后调整纬度）。

3.把一块枣核形铁块弯成弧形，把铁块中心和木架钉在一起（避免铁块滑落），正好围在烧瓶后面。铁块距烧瓶的远近要根据烧瓶的焦距决定（聚焦光点越小火力越集中）。