光电式数字日照计安装不规范引起的测量误差分析

赵振东

(河北省信息工程学校，保定 071000)

0 引言

日照是表征当地气象状况和气候特点的重要气象要素，是中国气象局统一布局的观测项目之一。用来描述日照的概念有两个，一是可照时数(天文可照时数)，是指在无任何遮蔽条件下，太阳中心从某地东方地平线到进入西方地平线，其光线照射到地面所经历的时间。可照时数可由公式计算得出，也可从天文年历或气象常用表查出。二是日照时数，日照是指太阳在一地实际照射的时数。在给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的时间总和[1]，以小时(h)为单位，取1位小数。日照时数也称实照时数。

2018年全国各气象台站开始安装使用光电式数字日照计，光电式数字日照计能够实现日照的自动连续观测，提高日照测量准确度。光电式数字日照计的安装有特殊的要求，安装不规范将引起测量误差。文章针对光电式数字日照计安装不规范引起的测量误差进行探讨。

1 测量原理

1.1 安装要求

光电式数字日照计的安装过程严格按照相关规范要求执行，同时日照传感器的固定底座要水平，按照当地纬度调节日照计仰角(误差范围±0.5°)。光学镜筒筒口对准正北(误差范围±5°)，北半球，光筒顶端朝向正北；南半球，光筒顶端朝向正南[2]。

若日照传感器安装正确，则其光学镜筒的轴线与地球轴线平行，如图1所示。在春分、秋分日，太阳直射赤道(图1中3线)，太阳直接辐射入射光与光学镜筒垂直；在北半球的夏季，太阳直射北半球(图1中1线)，太阳直接辐射入射光与图1中3线有夹角δ，为太阳倾角，δ在1 d中基本不变；在北半球的冬季，太阳直射南半球(图1中2线)，太阳直接辐射入射光与图1中3线有夹角δ，为太阳倾角，δ在1 d中基本不变[3]。

图1 光电式数字日照计接受不同方向太阳光示意图

1.2 测量原理

日照传感器采用置于光学镜筒中的3个同轴光电感应器对总辐射和散射辐射进行自动连续观测，根据计算出的直接辐照度判断有无日照。测量原理如图2所示，3个带有圆柱形漫射器的光电管D1、D2、D3安装在同一轴线上，并通过遮光罩及其入射窗W1、W2对入射到D2、D3上的辐射进行约束。

图2 光电式数字日照计测量原理

光电管D1在360°的环形范围内接收总辐射。D2和D3用于测量散射辐射，其遮光罩采用特殊的全分天空方式，使二者不能同时暴露于阳光下，太阳直接辐射只能照射到D2、D3中的1只，其中较小的输出值即为散射辐射[4]，且D2、D3只能接收二分之一天空的散射辐射。

设传感器测得直接辐射为S，总辐射为Eg，D2、D3其中之一测得的散射辐射为Ed，则

S=Eg-2Ed

(1)

直接辐射是指日面及其周围一个小立体角(从太阳中心向外扩展的半开敞角，约2.5°，相当于5×10-3sr)内发出并入射到与该立体角轴线相垂直平面上的辐射。因此传感器测得直接辐射需换算成垂直于太阳入射光的值S0。如图1所示，则

S0=S/cosδ

(2)

其中：

dn是按天数排列的序号，1月1日为0，2日为1，…，12月31日为364(平年)，闰年12月31日为365。

若计算出的太阳直接辐照度S0≥120 W/m2，则算作有日照，将日照时间进行累计，得到每小时和每天的日照时数。

2 误差分析

2.1 传感器方位安装错误引起的误差

若光电式数字日照计的光学镜筒筒口未对准正北，则光学镜筒的轴线不与地球轴线平行，导致太阳直射光和图1中3线的夹角与太阳倾角δ存在偏差，且其夹角从日出至日落随时间的变化而变化，并非基本不变。因此，应用公式(2)计算出的S0存在误差。

2.2 传感器底座安装不水平引起的误差

2.2.1 传感器底座东西向不水平引起的误差

光电式数字日照计的底座东西向不水平，不影响光学镜筒的轴线与地球轴线平行，因此，应用公式(2)计算S0时，使用的太阳倾角δ正确。由于D2和D3的遮光罩采用特殊的全分天空方式，只能接收二分之一天空的散射辐射。因东西向不水平，D2和D3接收的并不是二分之一天空的散射辐射，而是一个大于二分之一，另一个小于二分之一，因此测得的Ed不是二分之一天空的散射辐射，应用公式(1)计算出的S存在误差，从而影响S0的计算。

2.2.2 传感器底座南北向不水平引起的误差

光电式数字日照计的底座南北向不水平，不影响D2和D3接收二分之一天空的散射辐射。但是，会使光学镜筒的轴线不与地球轴线平行，导致太阳直射光和图1中3线的夹角与太阳倾角δ存在偏差，但1 d中其夹角基本不变。因此，应用公式(2)计算出的S0存在误差。

2.3 传感器未对准当地纬度引起的误差

光电式数字日照计未对准当地纬度，与传感器底座南北向不水平产生的影响类似。无论是纬度偏小还是偏大，均使太阳直射光和图1中3线的夹角与太阳倾角δ存在偏差，S0的计算误差与光电式数字日照计的底座南北向不水平产生的误差一致。

2.4 对计算日照时数的影响

日照时数的计算是以太阳直接辐照度S0≥120 W/m2作为标准的，当S0≫120 W/m2或S0≪120 W/m2时，因日照计安装不规范引起的测量误差，不影响S0≥120 W/m2的判别，所以不影响日照时数的计算。当S0值接近120 W/m2时，因日照计安装不规范引起的测量误差可能影响S0≥120 W/m2的判别，从而影响日照时数的计算。

因此，在日出后或日落前，以及因天气状况使太阳直接辐射值接近120 W/m2时，光电式数字日照计安装不规范会引起日照时数计算的准确性。

3 结束语

文章根据光电式数字日照计在正确的安装情况下测量日照时数的原理，分析了日照计在安装不水平及未对准南北线、纬度的情况下引起日照时数测量误差的原因，为日照的自动连续观测工作提供参考。