光电式数字日照计观测员培训课件开发

窦苗苗 郭叶萍 王蒙

摘 要：日照时数是是地面气象台站观测的基本项目。目前，我国气象部门在日照时数观测业务中使用的是暗筒式和聚焦式日照计，需人工制作、安装和更换日照纸，人工判断感光迹线，自动化程度较低。随着地面综合气象观测自动化的发展，截至2018年底，我国2300余个国家地面气象观测站全部列装光电式数字日照计并开展平行观测业务。为保障人工观测和自动观测的平稳切换，有必要对观测人员进行相关的装备技术培训。本文提出观测员培训课件开发方案，内容包涵观测环境、仪器结构、测量原理、调试维护、校准方法等内容，开发主要由标准直接辐射表、全自动太阳跟踪器、六位半数字多用表、数据采集器及处理程序、设备安装机械结构件等部分组成的教学实验装置。

关键词：光电式数字日照计;观测员培训;调试维护;校准方法

中图分类号：TN06;TH765 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0214-03

1 国内外日照观测设备现状

日照时数是我国气象部门各国家地面气象观测站的基本观测要素，在农林业生产研究和太阳能利用方面有着重要的参考作用。常用的仪器有暗筒式日照计、聚焦式日照计、太阳直接辐射表和双金属片日照传感器。目前，我国气象部门制式化观测仪器为低纬度地区使用暗筒式日照计，高纬度地区（≥60°）使用聚焦式日照计。这两种仪器均采用人工干预的试纸曝光法观测。

（1）國内对日照自动化观测装置的探索。七十年代中期，河北、江苏、四川省气象局曾经开展过光电池法、机械跟踪法、湿度表改装法进行日照时数自动化观测的探索工作。九十年代初期，天津气象仪器厂王大旺等人利用热电堆传感器结合水平及赤纬跟踪装置拖动自记笔运动记录日照时间，研制成功有线遥测日照计。2011年中国局行业专项支持中国华云技术开发公司刘钧等人开展通过使用直接辐射传感器和数学建模等方式实现对日照时数自动观测的研究工作。

（2）国外日照观测仪器。澳大利亚和英国产技术成熟的产品包括BF3型、SD4型、SPN1型日照时数传感器，用硅光二极管、阵列光电二极管或复合热电堆技术配合一定的日照模型解算方法实现自动化光电测量。

（3）我国气象部门制式化观测仪器为低纬度地区使用暗筒式日照计又称乔唐式日照计，高纬度地区（≥60°）使用聚焦式日照计又称康培司托克式日照计。这两种仪器均利用太阳光烧蚀涂有感光制剂的感光纸，根据感光迹线计算日照时数。

2000年，中国气象科学研究院张纬敏等人对历史资料的对比分析表明，从日照时数观测定义的阈值要求出发，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误差，聚焦式日照计较准，暗筒式次之，直射表较差。实践证明，直射表成年累月在露天条件下转动很难精确跟踪太阳运行轨迹。美国较精确的NIP型直射表观测的日照还不如暗筒式日照计准确。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。不过聚焦式与暗筒式日照计均无法成自动气象站遥测仪器的日照传感器。世界气象组织在1983年出版的《气象仪器和观测方法指南》（第五版）也没有把暗筒式日照计列入日照测量仪器。但是，暗筒式日照计结构简单，几何位置精准，观测值可靠，仪器成本低，便于大范围推广，自1825年诞生以来，一直在广泛使用。

2 光电式数字日照计在我国气象部门的应用

世界气象组织定义日照指太阳在一地实际照射的时数。在一给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120瓦·米-2（W·m-2）的那段时间总和，以小时（h）为单位，取1位小数。光电式数字日照计能够实现日照的自动连续观测，提高日照测量精度，为天气预报、气象情报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要依据，并能在农业生产、太阳能开发利用、环境监测等方面发挥重要作用。

按照中国气象局《观测司关于调整日照自动观测设备采购数量的函》（气测函〔2018〕69号）的工作安排，截至2018年底，我国2300余个国家地面气象观测站全部完成光电式数字日照计列装。根据观测司《日照平行观测业务技术规定》（气测函〔2018〕153号）相关要求，各观测站自2019年1月1日起，开展为期6个月的日照平行观测。其中，第一阶段（前3个月）以人工观测记录为正式观测记录，人工观测及记录方法按现行《地面气象观测规范》和业务规定执行;第二阶段（后3个月）以自动观测记录为正式观测记录。平行观测结束后，光电式数字日照计自动观测数据作为正式观测记录。观测技术人员须按规定做好光电式数字日照计的日常维护，保证其正常运行;光电式数字日照计发生故障时，应及时排除，并按要求做好相关记录和填报工作。

《光电式数字日照计观测规范（试行）》（气测函〔2018〕109号）和《光电式数字日照计出厂测试验收大纲》（气测函〔2018〕142号）均要求定期对光电式数字日照计的阈值测量误差进行校准，每两年至少校准一次，分为实验室校准和室外校准两种方法。观测站通常使用室外校准方法。

光电式数字日照计是我国气象部门第三种大规模业务化列装的气象光学仪器。目前，气象培训部门在装备保障技术培训方面还未设立专项教学模块。开发培训课件和教学辅助装置，直观讲解测量原理，演示日照辐射光电信号变化特征，开展校准方法实地操作练习，有助于观测技术人员熟悉新型设备，深入理解观测规范中的相关业务技术要求，高质量完成自动化日照观测业务。

3 光电式数字日照计观测员培训课件的设计方案

培训课件包涵观测环境、仪器结构、测量原理、调试维护、校准方法等教学内容，开发主要由标准直接辐射表、全自动太阳跟踪器、六位半数字多用表、数据采集器及处理程序、设备安装机械结构件等部分组成的专用教学实验装置。

3.1 开发光电式数字日照计观测业务培训课件

光电式数字日照计应安装在开阔地带，终年从日出到日落都能接受到太阳直接辐射的地方。仪器周围或附近地表应避免有高反射比（例如浅色、发亮和反光）的物体。设计影响光电式数字日照计观测的仿真环境，直观展示观测值变化。

日照计主要由传感器、数据处理单元、供电单元、通信单元、安装附件等部分组成。对照功能规格需求书，重点讲解仪器各组成部分的作用和调试方法。

传感器工作原理采用置于光学镜筒中的三个同轴光电感应器对总辐射和散射辐照进行自动连续观测，根据计算出的直接辐照度判断有无日照。在课件中设计光路图示，讲解测量原理。使用过程中，观测站需要对日照计进行室外校準，按照技术要求设计实际操作演练方法。

3.2 开发室外校准方法教学实验装置

教学实验装置主要由标准直接辐射表、全自动太阳跟踪器、六位半数字多用表、数据采集器及处理程序、设备安装机械结构件等部分组成。

直接辐射表用于测量垂直于太阳表面的辐射和太阳周围很窄的环日天空散射辐射。当太阳直接辐射量超过120W/m2时，视为有日照，直接测量日照时数。全自动太阳跟踪器是由底板、纬度架、电机、导电环、蜗轮箱（用于太阳倾角调整）和电机控制器等组成。当倾角与当地太阳倾角相同时，即可实现准确的自动跟踪。直接辐射表主要技术指标如表1所示。

六位半数字多用表具有很宽的测量量程和很高的精度，可无人值守连续自动测量及采集数据，主要技术指标如表2所示。

室外校准操作按下列步骤进行：

将标准直接辐射表安装在太阳跟踪器上，被测日照计安置在室外平台上，两者距离不超过5米。

将标准直接辐射表连接到数字多用表，进行直接辐照度连续测量，测量时间间隔不大于10s。

用计算机连续采集被测日照计的直接辐照度数据，测量时间间隔不大于10s。标准直接辐射表与日照计采样时间应同步。测量时间至少包含1个日出和日落。测量期间禁止人员靠近测量场地，以免遮蔽或反射日光对测量结果造成影响。

按式（1）计算标准直接辐射表的辐照度E0：

E0=U/K                                    （1）

式中：

U—— 标准直接辐射表的输出电压，单位为微伏（uV）;

K—— 直接辐射表的灵敏度，单位为微伏平方米每瓦（uV/（W/m2））。

计算标准直接辐射表输出介于（120±5）W/m2范围内的直接辐照度平均值作为阈值参考值E0，读取相同时间段内被测日照计的直接辐照度数据计算平均值E。按式（2）计算被测日照计测量的本组阈值误差ΔEi：

ΔEi=E-E0                                 （2）

式中：

E—— 被测日照计直接辐照度数据组的平均值，单位为瓦每平方米（W/m2）;

E0—— 标准直接辐射表辐照度数据组的平均值，单位为瓦每平方米（W/m2）。

按式（3）计算阈值误差ΔE：

ΔE=ΔEi                              （3）

式中：

n—— 标准直接辐射表满足（120±5）W/m2条件的数据组数。

当阈值误差在±24W/m2以内时，待测设备视为合格。

4 结语

在2018年的列装过程中，部分生产单位开展了自动日照计设备安装使用现场培训，市气象局的保障人员熟悉了设备安装要求、主要组成部分、数据传输软件调试等内容，但各观测站技术人员尚不熟悉运行原理、故障分析及使用中的校准方法。

近年来，中国气象局气象干部培训学院安徽分院每年均开展气象探测装备保障技术培训，逐步建立了基层综合气象观测培训云平台、综合气象业务情景模拟培训系统。本课件开发方案可补充完善现有教学资源在气象装备保障技术方面的教学内容和培训手段。

自2019年1月1日开始，全国气象部门所属国家地面气象观测站开展为期6个月的日照平行观测。为贯彻落实新型观测仪器的业务技术要求，本课件设计的光电式数字日照计教学内容，直观讲解测量原理，演示日照辐射光电信号变化特征，开展校准方法实地操作练习，有助于观测技术人员熟悉新型设备，深入理解观测规范中的相关业务技术要求，高质量完成自动化日照观测业务。

参考文献

[1] 中国气象局，地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

[2] 中国气象局综合观测司，《光电式数字日照计观测规范（试行）》 [S].北京：2018.

[3] 吕文华，崇伟，丁蕾.光电式自动日照计性能比对试验与分析[J].电子测量与仪器学报，2015（06）：928-933.

[4] 焦爱蕊.影响暗筒式日照计观测日照正确性的原因分析[J].江西农业，2018（04）：55.

[5] 周慧僚，廖家旺，黄丽秋.暗筒式日照计的日照观测解析[J].气象水文海洋仪器，2011（03）：107-109.

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