浅析DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计对比分析

李彦平，徐泽东，马亚运，向亚飞，安力珺

（青海省大气探测技术保障中心,青海 西宁 810000）

日照是指某地接受太阳辐射的时数，是表征当地气象状况和气候特点的重要气象要素[1]。气象台站通过观测日照时数来记录日照时长，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 瓦×m-2（W×m-2）时长的总和[2]。文章通过对比DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测量原理及测量精度的不同，寻求两种测量方式产生差异的原因及其在气象台站日常观测中的实用性。

1 DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计结构及工作原理

1.1 DFC1 型光电式数字日照计

1.1.1 结构

DFC1 型光电式数字日照计采用FS-RZ1 日照传感器，由光电探测器、光学镜筒、遮光筒、数字处理电路、加热器、航空插头、倾角调整装置、干燥剂仓、水准器、防鸟装置等组成如图1 所示。

图1 DFC1 型光电式数字日照计

1.1.2 工作原理

光电式日照传感器是基于光电效应的传感器，在感受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。FS-RZ1 日照传感器光学镜筒内的3 个光电探测器由上到下依次排列，第一个光电探测器无遮挡，可以接收全天的太阳总辐射，第二、三个光电探测器放置于遮光筒内，任何时候都有一个被遮光筒遮蔽，不能接收太阳辐射，被遮蔽的光电探测器测量信号经过计算处理可以得到散射辐射，通过总辐射与散射辐射计算出水平面直接辐射，再通过当时的太阳高度角计算出直接辐射[3]：

其中，S 表示直接辐射；HA表示当时的太阳高度角；SL表示水平面直接辐射；Eg表示总辐射；Ed表示散射辐射。再根据计算得出的直接辐射S≥120W×m-2的时间，累加计算出日照时数[4]。

1.2 暗筒式日照计

1.2.1 结构

暗筒式日照计由金属圆筒（底端密闭，筒口带盖，筒内附有压纸夹）、隔光板、纬度刻度盘和支架底座组成如图2 所示。

图2 暗筒式日照计

1.2.2 工作原理

暗筒式日照计利用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即可计算日照时数。圆筒两侧各有一圆锥形进光小孔，能分别让上、下午日光射入筒内。两孔位置前后错开，避免上、下午感光迹线相互重合。两孔间距离对圆筒中心的张角为120°，筒上有一个隔光板，其边缘与小孔在同一垂直面上，主要作用是将上、下午日光分开[5]。

感光药液：将感光药剂柠檬酸铁铵与水，按照3:10 的比例配置成溶液后用褐色瓶装好放置在暗处

显影药液：将显影药剂赤血盐与水，按1:10 的比例配成溶液用瓶装好放置在暗处[6]。

使用时，在暗处将感光药液用棉花均匀地涂在日照纸上，感光药液接触太阳光会发生变色反应，太阳光照射过的地方就会留下一条深色的痕迹，再用显影药液浸泡使日照纸上的太阳光痕迹显现出来以便于测量。

2 数据分析

2019 年2～4 月台站根据平行观测，利用DFC1型光电式数字日照计和暗筒式日照计同时观测日照数据。本文采用循化（52972）和天峻（52745）两个台站2019 年2～4 月的日照平行观测数据进行数据分析，从不同角度探究两种观测方法的差异性和一致性。

2.1 循化站（52972）2019 年2～4 月两种日照计观测数据对比如图3～5 所示

图3 2019 年2 月循化站（52972）两种日照计观测数据对比

图4 2019 年3 月循化站（52972）两种日照计观测数据对比

图5 2019 年4 月循化站（52972）两种日照计观测数据对比

根据2019 年2～4 月循化站（52972）89 天日照观测数据分析：

1）2019 年2～4 月循化站（52972）DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计均无缺测数据。DFC1型光电式数字日照计测得81d 日照数据，其中日照时数大于等于8.0h 有40d；暗筒式日照计测得85d日照数据，其中日照时数大于等于8.0h 有39d。

2）从图（3）到图（5）DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得数据的差值可以看出，随着观测时间的推移，两种观测方法的测量差值越来越小。在长期观测中DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得数据一致性较高，但也存在一定的差异。

（1）根据2019 年2～4 月循化站天气情况，DFC1型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得日照时数差值大于等于1.0h 的有11d，其中10d 的天气情况是阴天或多云，相较于晴天，阴天或多云天气DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差值较大。

（2）当天气情况为连续的晴天，DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差异较小，当天气情况出现突变，则转变前后两者测得的日照时数差异较大。

3）2019 年2 月15 日、17 日、26 日和2019 年3月6 日，DFC1 型光电式数字日照计测得日照时数均为0.0h，但暗筒式日照计测得日照数据大于0.0h，在长期观测中，暗筒式日照计测得日照数据普遍大于DFC1 型光电式数字日照计。

2.2 天峻站（52745）2019 年2～4 月两种日照计观测数据对比如图6～8 所示

图6 2019 年2 月天峻站（52745）两种日照计观测数据对比

图7 2019 年3 月天峻站（52745）两种日照计观测数据对比

图8 2019 年4 月天峻站（52745）两种日照计观测数据对比

根据2019 年2～4 月天峻站（52745）89 天日照观测数据分析：

1）2019 年2～4 月天峻站（52745）DFC1 型光电式数字日照计无缺测数据，暗筒式日照计有4d 日照数据缺测，所以天峻站（52745）只采用85d 的日照观测数据。DFC1 型光电式数字日照计测得84d日照数据，其中日照时数大于等于8.0h 有49d；暗筒式日照计测得85d 日照数据，其中日照时数大于等于8.0h 有44d。

2）从图（6）到图（8）DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得数据的差值可以看出，2019 年2～4 月两种观测方法的测量差值波动变化。

（1）根据2019 年2～4 月天峻站（52745）天气情况，DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得日照时数差值大于等于1.0h 的有18d，其中16d为阴天或多云，相较于晴天，阴天或多云天气DFC1型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差值较大。

（2）当天气情况为连续的晴天，DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差异较小。2019 年2 月10～14 日天峻为晴天，2 月15～22日天峻为多云和阴天，2 月15 日DFC1 型光电式数字日照计测得日照数据为0.0h，暗筒式日照计测得日照数据为9.3h，天气情况不连续时，相较于暗筒式日照计，DFC1 型光电式数字日照计有更高的灵敏度，能对天气变化做出快速反应。

3 差值来源

3.1 DFC1 型光电式数字日照计差值来源

3.1.1 干燥剂失效

DFC1 型光电式数字日照计顶部和底部分别有大小两个干燥剂仓，小干燥剂底部有湿度指示卡，若指示卡由蓝色变为粉色，应及时更换传感器两端的干燥剂。在日常测量工作中，如果干燥剂失效且没有及时更换，则DFC1 型光电式数字日照传感器内部湿度增加，光学镜筒内侧出现水汽凝结，光电探测器无法准确探测到太阳光，导致测得的日照时数偏低；同时，传感器内部的水汽还会导致电路损

3.1.2 加热器失效

DFC1 型光电式数字日照传感器有两档加热器，当光学镜筒结露或结霜时，加热器启动释放热量除露除霜，以降低结露结霜现象对DFC1 型光电式数字日照计的影响。如果加热器失效，光电探测器被光学镜筒上的露或霜遮挡，无法有效探测到太阳光，则DFC1 型光电式数字日照计测得的日照时数偏低。

3.1.3 外物遮挡光学镜筒

DFC1 型光电式数字日照计顶部装有防鸟装置，为了防止鸟类停留在传感器上阻挡光学镜筒中的光电探测器接收光信号；同理，如果有树叶等其他外物遮挡住光学镜筒，光电探测器无法接收光信号，则会导致DFC1 型光电式数字日照计无法测得被遮挡期间的日照时数，当日日照时数相较于真实值偏低。

3.2 暗筒式日照计差值来源

3.2.1 人工测量

根据暗筒式日照计测量原理，太阳光通过进光控照射到涂有感光药液的日照纸上，经过太阳光照射角度的变化，在日照纸上留下一条连续的痕迹，日落后取出日照纸，通过人工测量日照纸上痕迹的长度，经过换算得到当日的日照时数。由于人工测量主观性大，台站观测人员无法做到严格统一，导致暗筒式日照计测得的日照时数相较于精确值存在一定的偏差。

3.2.2 感光药液

如果感光药液配比不正确或者没有存放到暗处，则太阳光照射到日照纸上不会发生变色反应，最终测得的日照时数相较于准确值偏低；同理，如果感光药液涂抹不均匀，日照纸上未涂到感光药液的地方也不会发生变色反应，测得的日照时数同样偏低。

4 结论

（1）在长期观测中DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得数据一致性较高，但也存在一定的差异。

（2）阴天或多云天气DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差值较大；当天气情况为连续的晴天，DFC1 型光电式数字日照计与暗筒式日照计测得的日照时数差异较小；当天气情况出现突变，则转变前后两者测得的日照时数差异较大。

（3）天气情况不连续时，相较于暗筒式日照计，DFC1 型光电式数字日照计有更高的灵敏度，能对天气变化做出快速反应。

（4）DFC1 型光电式数字日照计差值主要来自于干燥剂、加热器失效导致光学镜筒内外侧出现水汽凝结、结露结霜或鸟类等外物遮挡光电探测器，测得日照时数相较于精确值偏低。

（5）暗筒式日照计差值主要来自于人工测量误差和感光药液配比不正确、涂抹不均匀或感光药液失效导致测得日照时数偏低。

（6）DFC1 型光电式数字日照计无需更换日照纸，无需人工读数，实现日照时数的自动化观测，提高了测量准确性。为保证设备的观测精度，应该定期对传感器进行检查维护，及时更换干燥剂，定期清洁光学镜筒。