日照計

日照計（sunshine recorder）是指記錄一天中太陽直接輻射達到一定輻照度的時間的儀器。主要的類型有：聚焦式日照計、暗筒式日照計、直接輻射式日照計、總輻射式日照計、雙金屬片式日照計等。

基本介紹

• 中文名：日照計
• 外文名：sunshine recorder
• 所屬學科：大氣科學
• 種類：聚焦式、暗筒式、直接輻射式

簡介

氣象上通常採用日照計觀測日照時數。日照時數是指太陽在一地實際照射的時間, WMO 對日照時數的定義是在給定時間內太陽直接輻照度達到或超過120 W/m² (±20 %)的各段時間總和, 它是所有地面氣象台站必須觀測的基本項目。

觀測日照對於了解太陽直射輻射變化、監測天氣氣候狀況、分析和預報未來天氣、農業生產、太陽能開發、建築規劃與設計、環境監測等都有重要意義。

主要的觀測儀器類型有:聚焦式日照計、暗筒式日照計、直接輻射式日照計、總輻射式日照計、雙金屬片式日照計等。

分類

目前的日照計按原理可分為:燒痕法、直接輻射測量法、總輻射測量法、對比法和掃描法等。主要的觀測儀器類型有:聚焦式、暗筒式、直接輻射式、總輻射式、雙金屬片式等。下面根據探測原理的不同分別進行分析。

燒痕法測量日照時數的原理是通過聚集太陽直接輻射, 產生燒焦記錄紙的閾值效應, 由燒痕讀出日照時間。基於此原理的儀器主要有暗筒式日照計和聚焦式日照計兩種。

聚焦式日照計

聚焦式(或稱康培-斯托克斯式)日照計是利用太陽光經玻璃球聚焦後燒灼日照紙留下的焦痕, 來記錄日照時數的, 在1880 年就引入氣象站。儀器的結構包括固定在弧型支架兩端的實心玻璃球、金屬槽(安裝自記紙用)、緯度刻度尺(在弧型支架上)和底座。這種方式需要操作員的人工操作, 自動化程度低, 也不利於自動化觀測的實

暗筒式日照計

暗筒式(或稱喬唐式)日照計的測量原理是太陽光通過儀器上的小孔射入筒內, 使塗有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線, 根據感光跡線的長短來計算日照時數。儀器包括金屬圓筒(底端密閉, 筒口帶蓋, 兩側各有一進光小孔, 筒內附有壓紙夾)、隔光板、緯度刻度盤和支架底座, 如圖2 所示。當太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2時, 日照計內的自記紙會產生感光跡線, 日照時數是依據換下的日照紙感光跡線的長短計算, 因此日照紙能否正確感光, 成為是否造成誤差的關鍵。

暗筒式日照計

對於日照紙, 藥液的配置比例、日照紙的塗刷方法和浸泡時間都會影響測量的準確性, 因此需嚴格按照操作規範進行。此外, 日照紙的記錄還與天氣條件有關, 在太陽時蔽時露的多雲天氣, 日照紙燒灼的焦痕往往比實際日照時數偏多;而夜間或陰雨天日照紙受潮往往使焦痕顯不出來, 從而造成記錄偏少。由於該儀器的日照紙需人工製作、安裝和更換, 日照時數需要根據感光跡線進行人工判斷, 自動化程度較低, 由此導致測量結果主觀性強, 精度相對較低, 資料可比性和一致性難以得到保證。

由於暗筒式和聚焦式日照計的業務觀測離不開人工操作, 準確度較低, 且無法實現自動化。隨著當前地面氣象觀測自動化的發展, 該類型儀器已不能滿足自動化業務觀測的需求, 亟待突破關鍵技術, 研製能夠投入業務運行的無人值守日照計。

雙金屬片式日照計

基於雙金屬片測量法的日照感測器主要包括置於聚丙烯圓罩下, 相互均勻隔開的多對雙金屬黑化元件。當照射在儀器上的直接輻射大於某預設閾值(≥120 W/m2)時, 被照射的雙金屬片外部黑色元件受熱高於內側背光處元件, 導致正向的接觸閉合形成電迴路, 外部和內部的不同彎折度又使它們產生自動擦除動作, 形成接觸閉合。接觸閉合的瞬間和持續時間被採集器作為日照時間記錄下來。而當直接輻射小於預定閾值時, 落在白色基板上的散射光反射到內部元件下側, 對內部溫度進行補償, 這時觸點斷開, 記錄無日照。

基於該原理的儀器有Vaisala 的DSU12 感測器, 該感測器有6 對雙金屬黑化元件。此類感測器的自動化程度相比基於燒痕法的儀器有明顯提高, 但由於雙金屬片是機械形變型元件, 其膨脹/收縮具有溫度效應, 重複性差, 具有滯後性, 長期穩定性難以保證, 導致測量精度不高, 因此套用較少。

直接輻射式日照計

直接輻射檢測法利用和時間記錄設備相連線的直接輻射表測量直接太陽輻照度, 通過閾值鑑別器進行120 W/m² 閾值的轉換, 由相應的向上和向下的轉換觸發時間計數器, 即可確定日照時數。

基於該原理的儀器有澳大利亞MiddletonSolar 公司的SD 系列直接輻射式日照計。如其SD 6 型日照計主要由光學部分、敏感元件和控制單元組成, 與儀器主軸相垂直的平面上有一環狀遮蓋物, 在遮蓋物上有均勻對稱分布的16 個凹槽, 在每個凹槽下面均放置了感光器件。當這些感光元件測出太陽輻射大於120 W/m2時, 將有一個輸出電路被接通, 通過計時測量日照時數。該設備測量譜寬為0 .6 ～ 1 .05 μm , 視角為270°, 時間分辨力為1 s 。

在直接輻射表的基礎上, 加裝能夠自動跟蹤太陽位置的自動跟蹤裝置, 可以進一步提高日照時數探測的準確度。基於該原理的儀器主要有錦州陽光科技公司的TBS-2-2 型太陽自動跟蹤直接輻射表(日照計), 如圖5 所示。該設備由光筒和自動跟蹤裝置組成, 光筒包括光欄、內筒、熱電堆(感應面)、乾燥劑筒等, 感應部件是採用繞線電鍍式多接點熱電堆, 其表面塗有高吸收率的黑色塗層。熱接點在感應面上, 冷結點在機體內, 線上性範圍內產生的溫差電勢與太陽直接輻照度成正比。當太陽直接輻射量超過120 W/m2 時和日照時數記錄儀連線, 從而實現日照時數的確定。該日照計的光譜範圍為0 .3 ～ 3 μm , 精度小於0 .1 h ,分辨力0 .1 h , 回響時間≤30 s , 跟蹤精度24 h 小於±1°。由於該型日照計採用了二維伺服機構對太陽進行跟蹤, 結構相對複雜, 在環境適應性較差, 往往需要人工值守, 還需要進一步改進。

總輻射式日照計

總輻射測量法是通過對總的太陽輻照度和散射太陽輻照度的總輻射測量, 得出WMO 推薦的直接太陽輻照度閾值, 當太陽直接輻射量超過120 W/m² 時, 日照時數記錄儀記錄持續時間, 從而實現日照時數的確定。基於該方法的儀器主要由2 台相同的總輻射表和1 個遮光裝置、與電的或計算機處理的閾值鑑別器和時間記錄設備組成的整套輻射表系統。

基於該原理的儀器有荷蘭Kipp & Zonen 公司的CSD 系列太陽日照時數計。CSD 系列的核心部件為3 個光譜特性和角度特性一致的矽光電二極體, 放置於一透明的玻璃罩內, 1 個矽光電二極體檢測全天空總輻射度, 另2 個分別檢測東、西半天空散射輻射度, 採用一種特殊排列, 二者不能夠同時檢測到太陽直接輻射。總輻照度與散射輻照度之差即為太陽直接輻照度, 這可以通過輸出和太陽輻射強度成線性關係的3 個電壓信號, 來判斷太陽輻射是否超過120 W/m2 。當超過則輸出高電平信號, 否則輸出低電平信號, 高電平信號的累計時間就是日照時數。儀器本身沒有轉動部件、耗電量低, 內置有加熱器可以防止雨雪、霜降等對觀測產生的不利影響, 也可以根據實際需要選擇內部溫度調節裝置, 能夠勝任野外的長期觀測使用。CSD3 型的測量譜寬範圍為0 .4 ～ 1 .1 μm , 回響時間小於1 ms , 日照時數測量精度大於90 %,誤差小於2 %/年, 加熱時功耗為1 W(防露)或10 W(防雪), 質量約930g。

該系列日照計所採用的技術成熟, 測量精度高, 已經廣泛套用於業務日照時數觀測中。芬蘭Vaisala 公司的Milos 系列自動氣象站就配備了CSD 系列日照感測器。國內有研究者對CSD 1型和暗筒式日照計進行了對比觀測, 實測結果表明 , 自動觀測比人工觀測有更高的靈敏度和解析度, 觀測數據更客觀, 自動觀測的日照時數總值明顯高於人工觀測值, 二者有很好的相關性。

日照觀測技術展望

通過對現有的燒痕法、雙金屬片測量法、直接輻射測量法等日照時數測量技術和系統的發展現狀和存在問題進行分析, 認為當前迫切需研製可業務化的國產日照自動觀測儀器, 並對未來日照觀測技術的發展展望如下:

(1)基於燒痕法的暗筒式日照計和聚焦式日照計無法實現無人值守, 自動化水平低, 已逐步被淘汰。直接輻射式或總輻射式測量原理進行日照時數的測量是目前最貼近WMO 對日照時數定義的, 其測量準確度最高, 將是未來的主要發展趨勢。

(2)對於基於直接輻射式測量法的自動日照計,重點需解決感測器的輻射相應問題、太陽的自動跟蹤、日照計的結構最佳化以及運行中的長期穩定性、可靠性等問題, 以切實推動自動日照計的業務化。

(3)在全自動太陽跟蹤裝置上安裝不同輻射儀器, 也可有效解決日照觀測的問題。利用直接輻射表測量的太陽直接輻射和總輻射表所測量的太陽總輻射和散射輻射, 可以作為日照測量的標準儀器, 用於日照計的定標和校準。

測量誤差分析

閾值的測定

晴天聚焦式日照計閾值(開始燒灼)從120-16ow·m^-2範圍變化。暗筒式日照計閡值為270-300W·m^-2範圍才有感光跡線。日照記錄比聚焦式偏少0. 2-0.3時。地平線混濁時聚焦式閾值(開始就明顯燒灼)為120W·m^-2左右。暗筒日照紙要到130-145W·m^-2左右才出現感光跡線，即日照也比聚焦式少0. 2時。試驗證明聚焦式日照計閡值120W·m^-2左右定為IRSR是恰當的。

聚焦式與暗筒式日照計的誤差

暗筒式日照計只要嚴格按鋇范”操作，其資料的誤差約為5%左右，合乎同類氣象要素如總輻射的準確度要求，可以滿足業務需求。但按WMO對日照任一小時內為0. 1小時的要求，從表2看到:6,9,12三個月分別有38次(7. 7%) ,15次(3. 6%)與31次(10. 3%)大於0. 1小時，達不到此要求。實際上WMO這種規定是不合理的，對於日照要素要求太高，按此標準，較好的日照儀器也難達到。

聚焦式日照計記錄受日照紙好壞與天氣條件影響甚大。有的日照紙在太陽或蔽或露的多雲天氣，使日照紙燒灼的焦痕往往比實際日照時數偏多。陰雨天日照紙受潮使焦痕顯不出來造成記錄偏少。表2顯示:日出後的記錄均比日落前偏少0. 1-0. 2小時，就是由於夜間或早晨雨、露、霜等使日照紙受潮造成的。由於種種原因也經常觀測到，暗筒式日照計比聚焦式日照計記錄偏多現象。

直射表測量日照的誤差

WMO把太陽直射120W·m^-2輻照度定為日照閾值，因此用直射表做為日照檢定儀器是準確的。如把它定為台站日照測量儀器，還決定於直射表自動跟蹤太陽裝置是否精確。實踐證明:直射表成年累月在露天條件下轉動，很難達到跟蹤太陽完全精確這個要求。用直射表觀測日照時數，8個月平均相對誤差大到一7.1%一11.2%，甚至用美國較精確的NIP直射表觀測的日照還不如暗筒式日照計準確(偏少0. 1-0. 2)。這表明直射表跟蹤不準造成的誤差，要比暗筒式日照計閾值不準造成的誤差還來得大。這是直射表日照時數偏少的主要原因。通過統計15個輻射1級站多年用直射表觀漢日照時數的資料，發現直射表均比暗筒式日照計偏少0. 4小時(0. 3-1. 3小時)左右。

影響日照時數準確度的因素是錯綜複雜的。從日照定義的閾值要求，直射表最準，聚焦式次之，暗筒式日照計較差。按實際觀測的日照時數，聚焦式日照計較準，暗筒式次之，直射表較差。我國多數氣象台站使用的暗筒式日照計，只要嚴格按規範”操作，其資料的準確度基本滿足要求。但聚焦式與暗筒式日照計均無法成為今後遙測儀器的日照感測器。如若直射表用做遙測日照計的感測器，必須提高跟蹤太陽裝置的精確度，否則，它觀測的資料還不如暗筒式日照計準確。

製作方法

簡易日照計的製作方法如下：

材料

1．400ml或250ml圓底燒杯一個，蒸餾水或酒精400ml或250ml。

2．長32cm、寬12cm、棗核形鐵片一塊。

3．卡片紙數張。

4．木版一快（長18cm、寬10cm、厚3cm）。

5．軟木塞一個，鉛絲少許。

製作步驟

1.先將燒瓶灌滿蒸餾水（冬季使用酒精）後，蓋緊軟木塞。

2.做木架。正好將燒瓶卡在中間，然後將木架固定在底座上（如北京的緯度是40度，則必須使木架和底座40度角，木架安在底座上也可以做活動的，然後調整緯度）。

3.把一塊棗核形鐵塊彎成弧形，把鐵塊中心和木架釘在一起（避免鐵塊滑落），正好圍在燒瓶後面。鐵塊距燒瓶的遠近要根據燒瓶的焦距決定（聚焦光點越小火力越集中）。

4.日照計安裝好以後，要找出當地12點時，燒瓶在鐵片上的位置。找一根棍子立在地上，看棍字在地面上的影子，當影子最短的時候，再看燒瓶在鐵片上的焦點，並在焦點處劃一條直線作為記號。為了保證12點時的焦點位置更正確，可以多做幾次實驗。

5.日照紙的做法：在不同季節里太陽照射的時間長短不一樣，太陽照射的高度也不一樣，日照紙所放的位置也應隨著變動，因此要做三種日照紙。

6.一種是夏季用紙（長27厘米，寬3厘米）。一種是春秋季用紙（長24厘米，寬3厘米）。一種是冬季用紙（長22厘米，寬3厘米）。在日照紙上畫上格，每格距離1.8厘米年，代表一小時。

安裝和觀測

1.安裝方法。把日照計固定在離地面高1米或2米的平台上，球面對南面，要注意保持水平和南北線的垂直，否則觀測不準確。

2．觀測方法。每天太陽落山後，將日照紙放在鐵片上，第二天太陽落山後取出，看日照紙燒壞了幾格，就可以知道當天的日照幾小時了。取出後注意填寫年月日。如果是陰天也要填好，保存起來。日照紙不要重複使用。