数字式日照传感器维护及数据质量控制方法探讨

汪清梅，蒋文轩，徐重晔，谢韶青

(浙江省嘉善县气象局，嘉善 314100)

0 引言

目前，测量日照的仪器有辐射表和日照计等。辐射表有直接辐射表、总辐射表和散射辐射表；日照计有暗筒式日照计、聚焦式日照计、双金属片式日照计和光电式数字日照计等[1，2]。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。根据世界气象组织对日照时数准确度和仪器性能的要求[3]，日照时数的测量范围为0～24 h，分辨力为0.1 h，最大允许误差为±0.1 h。DFC2型和DFC3型光电式数字日照计按照《光电式数字日照计功能规格需求书》的要求设计和生产，经中国气象局综合观测司定型后在全国气象台站专用的日照自动观测仪器，目前已逐步代替人工日照观测仪器。其中DFC2型日照计由江苏无锡无线电科学研究所有限公司生产，DFC3型日照计由中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产，两者测量原理和维护维修方法接近[4-6]。两款日照计均可接入气象台站地面观测业务软件(简称ISOS软件)进行业务使用并做到数据自动上传，台站可通过气象资料业务系统(简称MDOS操作平台)进行数据入库和质量控制。

文章以DFC2型光电式数字日照计为例，探讨台站级日照计维护维修和数据质量控制方法。安装环境为观测场，应遵循《地面气象观测规范》中关于观测场仪器布局的原则，按照《地面气象观测场规范化建设图册》的要求，将日照自动观测仪器布设在观测场原暗筒式日照计位置。安装地带应选择开阔，终年从日出到日落都能接收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的物体。DFC2型光电式数字日照计由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括日照传感器(数字式)、日照计机箱和外围组件等；软件部分包括传感器中嵌入式软件和上位机业务软件。通过光纤和室内光纤通信盒与计算机串口直连，也可通过光纤接入观测场内综合集成硬件控制器，由综合集成硬件控制器连接终端计算机。

1 仪器测量原理

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。直接辐射为总辐射和散射辐射的差值，若直接辐照度≥120 W·m-2，则判断有日照。按采样时间累计，得到每小时和每天的日照时数。

2 日照计维修维护

2.1 定期维护

每周定期检查日照计光学镜筒的污染情况，并做适当清洁，清洁工作应在日出前或日落后进行。每周定期检查日照计内干燥剂状态，若指示卡由蓝变粉，需及时更换传感器上下两端的干燥剂。若发生雨、雪、露、霜、雾等天气，应及时擦除光学镜筒上的雨雪和凝结物，并定期检查日照观测系统供电情况。

2.2 故障举例及分析

玻璃罩长时间结霜或起雾的原因可能是：日照传感器加热功能失效；供电系统发生故障；传感器内部控制继电器出现故障等。需检查自动加热功能是否开启；交直流供电是否正常；保险丝是否熔断。检查日照计内部加热控制电路，若故障仍存在，则更换传感器，或联系厂家维修。另外，日照传感器与ISOS时差不一致，需微调传感器经度。因日照计自带实时时钟，当日照计独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟；当接入业务软件时，由业务终端软件校时，要求时差≤1 s/d。

3 日照数据采集和观测

3.1 数据采样和存储

至少每10 s对光电感应器进行1次采样，1 min采集6次。对采样得到的电压信号进行判断，若判断为有日照，则将采样时间间隔计入日照时间。对小时内分钟日照时数进行累加，得到日照时数小时累计；对小时日照时数进行累加，得到日照时数日累计。日照计具有数据存储功能，数据存储采用滚动循环存储方式，每分钟存储1条记录，存储至少1个月的数据量。

3.2 日照数据观测

日照计安装完成后，使用地面综合观测业务软件(ISOS)采集器监控操作命令或串口调试工具，设置台站经纬度、日期和时间等必要参数。通过READDATA实时读取观测设备数据和状态命令，输出日照实时观测要素和设备状态要素。

4 日照数据质量控制

根据QX/T 66-2007第22部分内容和QX/T 118-2010两项行业标准中对日照数据的质量控制要求，结合台站数据质量控制职责，开展台站级日照观测记录的质量控制。

4.1 质控码及含义

对质量控制后的数据进行质量标识。表示资料质量的数字标识为：0表示正确；1表示可疑；2表示错误；3表示订正数据；4表示修改数据；8表示缺测；9表示未做质量控制。日照数据质控码与气象行业标准QX/T 118-2010一致。

4.2 传感器质量控制

对采样信号转换为气象要素的过程进行质量控制，其控制对象是气象要素的采样值，质量方法主要包括两个方面：一是对采样值变化速率进行检查，将当前的采样值与前一个采样值作比较，若两个采样值的差异大于给定的界限，则当前采样值被标记为不可信，不能参与进一步计算，但仍可用于采样值变化速率检查；二是对采样值极限范围进行检查，检查采样值是否在传感器测量范围内，如果未通过检查，则该值被丢弃，不能参与进一步计算。

4.3 台站级质量控制

对日照数据进行台站级质量控制时，通过人机交互方式，按下列顺序进行：格式检查；缺测检查；主要变化范围检查；质量控制综合分析；数据质量标识。

格式检查时，检查日照观测数据的结构及数据记录的长度；缺测检查时，查验日照数据是否为缺测数据，若为缺测数据则不进行其他检查；主要变化范围检查时，因夏至日日照时数最长，根据当地纬度进行测算，太阳从地平线升起到落下，无任何遮挡情况下的日照时数可作为变化范围检查的参考值。通过设定经度和年、月、日参数，可以计算1 a中最长日照月的可照时数，若某站在夏至日日照为14 h，当超出这个值时，即可判定为错误数据。

4.4 MDOS操作平台疑误数据反馈

通过台站和省级一体化数据处理平台进行日照数据完整性和疑误数据查询反馈。日照数据完整性检查：通过ISOS软件平台在00：00上传前一日的日照数据，于次日08：00前，台站检查MDOS中前一日的日照数据是否入库，并进行小时值和合计值一致性检查。

日照疑误数据查询反馈：通过MDOS平台数据监控信息可以查看日照原始数据完整性和入库详情。在台站编发日照数据更正报时，MDOS入库时可能会出现小时与日合计不一致的情况。对于省级下发的疑误查询，可以通过平台质控信息处理中“省级处理与查询反馈”和“台站处理与反馈”项进行被动式数据处理。选择数据类型为日照数据，要素类别为日照时数，进行质量控制信息处理时，在1 h反馈时效内，按实际情况分别以原始观测无误、数据错误(按缺测处理)、数据修改3种处理方式进行数据处理，但需详细说明处理理由以供备查。同时，台站能及早发现疑误数据，在省级未下发疑误信息时，可以通过快捷通道对入库数据直接进行主动式修改和反馈。

5 结束语

随着中国气象局深入开展气象观测业务的全面自动化工作，光电式数字日照计的应用和普及无疑加快了观测自动化进程，将有更多的气象观测人员转岗到装备保障和气象预报预警工作中，承担更多的综合气象业务职责。文章通过对DFC系列光电式数字日照传感器的选址安装、设备维护、故障检修和疑误数据处理等方面进行总结梳理，形成该仪器全生命周期的操作流程，为台站综合业务人员提供可借鉴的设备维护维修和数据质量控制的操作方法。