光电式数字日照计校准系统研究

随着我国气象部门日照自动化观测业务的发展,光电式数字日照计已逐步替代传统的暗筒式日照计,成为台站日照观测的主要设备。本文提出一种光电式数字日照计室外校准系统的设计方法,并根据其校准方法,提出室外校准系统的硬件搭建和软件设计。实验表明:该系统符合校准业务需求,实现了光电式数字日照计校准的自动化和批量化,为我国日照观测数据的准确与可靠提供了有力保障。

气象计量信息编码及数据格式研究与应用

为进一步规范计量标准设备内部传输的数据格式,使全国各省、市气象计量数据能以统一的编码格式在通信线路和网络上传输,实现有效衔接和共享,提出采用JSON编码格式,设计规定了气象计量信息数据总体编码格式要求及说明数据区,即气象计量数据格式由起始标识、授权标识码、信息大类、信息子类、数据区和结束标识组成,使气象计量信息数据能够以标准化形式采集、存储和传输,实现全国计量信息管理和统计分析,保证气象探测数据的准确、可靠。

云南省丽江地区倾斜面太阳总辐射计算模型对比分析

介绍5种根据水平面太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和太阳天顶角计算南向倾斜面太阳总辐射的数学模型。利用云南省丽江地区太阳辐射观测数据,计算南向纬度倾斜面太阳总辐射值,与同期纬度倾斜面太阳总辐射观测值进行比对,并以观测值为参考,对由5种模型计算的纬度面太阳总辐射值作统计分析。结果显示:5种南向倾斜面太阳总辐射计算模型均能较好地计算出丽江地区南向纬度面上的太阳总辐射值。其中,Hay模型最适合于在不区分天气状况的条件下使用,Ma-Iqbal模型最适合于应用在阴天和多云天气状况下,而晴天条件下则最好选用Muneer模型。

利用总辐射估算日照时数的方法研究

介绍了一种由总辐射估算日照时数的方法,利用云南丽江太阳能资源观测站总辐射表和直接辐射表观测的总辐射和直接辐射资料,以总辐射和地球外总辐射求得晴朗指数,以直接辐射大于120 W/m^2的时间累积作为日照时数参考标准值,分析晴朗指数和日照时数之间的关系,采用分段拟合的方法,得到由总辐射估算日照时数的分段函数关系。通过丽江观测数据验证,由总辐射计算得到的日照时数与直接辐射表观测的日照时数之间的线性相关系数达到0.992 3,具有良好的相关性,两者之间月累计误差0.07 h,月内每日误差的均方根误差为0.5 h,能够较好地由太阳总辐射估算出日照时数。

能见度仪校准系统的不确定度评定分析

能见度仪校准系统作为能见度校准的标准器,其不确定度直接影响到前向散射式能见度仪的校准结果。介绍了国家级能见度仪校准实验室的能见度仪校准系统的组成和校准方法,分析了校准系统不确定度的主要来源,依据国家计量校准规范JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》,利用能见度测量数据,对校准系统A类和B类不确定度进行了评定分析,并对3台前向散射式能见度仪进行了校准试验。结果显示,整个校准系统在能见度3 000 m以下,扩展不确定度为5.8%,校准后的3台前向散射式能见度仪在100、500、1 000、1 500、2 000、3 000 m六个测试点的相对误差,最大为7.8%,最小为1.8%,满足能见度仪校准和实际观测要求。

光电式自动日照计性能比对试验与分析

详细介绍了一种光电式自动日照计的原理和结构,并对基于该原理和结构的3种自动日照计开展了比对试验,试验以直接辐射表为参考标准,在不区分天气条件下分析3种自动日照计的月总量日照时数相对误差都在5%以内,在区分天气条件时,除阴雨天月总量日照时数相对误差较大外,多云天气条件下在5%左右,晴天在2%以内,证实了国产自动日照计能够满足目前日照观测自动化和准确性的要求。

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0. 5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

直接辐射表性能测试研究

根据WMO关于直接辐射表性能指标的要求,提出了针对响应时间、零点偏置、温度响应、倾斜响应和非线性误差的测试方法。首先介绍了测试条件,然后利用测试设备,结合上述性能指标定义,详细分析了对应的测试方法过程,最后,对四种不同型号的直接辐射表的性能测试数据进行分析研究,结果显示,上述测试方法科学可行,被测直接辐射表均达到了ISO一级表的要求,研究成果对直接辐射表性能测试,了解仪器特性,改进产品质量和提高太阳辐射测量具有重要意义。

电源及负载电阻对PTB220型气压传感器检定结果的影响

为保证检定结果的准确可靠,对多台自动气象站用PTB220型气压传感器进行了供电电压及负载电阻的试验.试验结果表明：在12～30 V的范围内,随着供电电压的提高,PTB220型气压传感器模拟量输出测量误差存在着逐渐变大的现象,这种变化最大达到了-0.28 hPa;而数字量输出则不存在这一问题;当负载电阻在10～500 kΩ之间变化时,PTB220型气压传感器的模拟量输出测量误差在测量范围下限附近呈现出随着负载电阻的增加而逐渐增大的现象.基于这一发现,对PTB220型气压传感器检定方法的完善提出了针对性建议.

我国省级太阳总辐射测量标准量值传递的不确定度分析和评估

通过对世界辐射基准传递到我国省级工作级标准总辐射表的不确定度进行分析和评估,确定了量值传递过程中不确定度来源主要包括测量重复性、输出电压值、太阳入射角变化、热偏移以及标准器等引入的不确定度,得出我国省级工作级标准总辐射表校准结果的不确定度为0.6%。我国采用"成分和"法对省级太阳总辐射标准量值进行传递,其标准器引入的不确定度系标准直接辐射表(0.3%)和标准散射辐射表(1.0%)的合成,标准器引入的不确定度所占比例达90%以上,因此提高标准直接辐射和标准散射辐射的测量确定度是减小量值传递不确定度的关键。此外太阳辐射量值传递的准确性受天气条件的影响较大,选择天气稳定,大气透明度高的天气以及太阳高度角大于30°的时段;增加测量次数以减小测量数据的分散性,降低重复性测量引入的不确定度;对被校准总辐射表进行通风,以减小热偏移的影响;保证仪器安装水平以及准确跟踪遮光,可以进一步减小量值传递的不确定度,提高我国短波辐射的测量水平。

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

校准能见度仪用2700K黑体色温光谱模拟方法研究

针对目前缺乏符合世界气象组织对能见度定义的能见度测量仪器校准技术手段的情况,文章提出了一种基于高斯光谱模型的2 700K色温光谱模拟方法。根据2 700K色温光谱模拟模型,分析了工程上可行的高斯型光谱拟合单元半值全宽与峰值波长组合;利用全宽为20nm,峰值波长380~780nm,峰值间隔为20nm高斯型光谱拟合单元组合模拟了2 700K黑体色温光谱,模拟结果为建立符合世界气象组织对能见度定义的能见度测量仪器校准方法提供技术支撑。

基于Fiery流程的专色印刷技巧

Fiery工作流程印刷软件套件基于ICC的色彩管理技术集成在每台Fiery服务器中,并且直接与Fiery Command WorkStation中的高级控件协作,提供了一套全面的色彩特性档创建工具和实用程序。本文探讨了基于Fiery流程的专色印刷技巧。

一种基于支持向量机回归的旋转遮光带日射表散射辐照度修正新算法

通过比较旋转遮光带日射表(RSP)和参考标准表所测散射辐照度之间的数值差异,分析了太阳总辐照度、环境温度、相对湿度和太阳光谱等气象要素对RSP散射辐照度测量误差的影响关系,提出了一种修正RSP散射辐照度测量值的新算法。该算法从支持向量机回归预测角度,建立了对RSP散射误差修正值的一次预测模型,然后根据误差修正值最优预测模型推导出RSP散射辐照度修正算法模型。利用该算法对美国国家太阳辐射研究实验室和劳里观测站采集的RSP散射辐照度数据进行修正,修正后两观测站数据的平均偏差和均方根误差分别降低到-0.2W/m2,3.3W/m2和1.9W/m2,8.5W/m2,显示算法具有良好的修正性能和适用性。该算法能够有效避免Vignola算法中存在的欠修正和Vignola and Augustyn(VA)算法中存在的过修正现象。

太阳辐射散射分数Sigmoid函数建模与验证分析

为研究太阳辐射散射分布对日照时数测量的影响,基于大气辐射传输理论,利用泰勒级数展开,建立了散射分数、晴空指数和大气光学质量的Sigmoid函数模型。利用不同时间尺度的辐射数据训练集,通过非线性拟合得到了散射分数与晴空指数和大气光学质量的变化关系的数学模型,给出了一维模型S0和二维模型S1。利用不同地域观测站点的太阳辐射数据建立验证数据集,利用Sigmoid模型计算了散射分数,分析了实测值与计算值之间的相关系数、平均偏差、均方根误差和t-统计量等。结果表明,采用Sigmoid模型计算的散射分数值与实测值相关系数在0.8以上,平均偏差在±0.2以内,均方根误差在0.25以内,t-统计量最小低至0.0172。本研究为散射辐射分布模型的构建提供了新的方向,下一步需引入更为广泛的辐射数据进行模型跨地域的适用性研究。

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。

用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜优化设计方法

为解决太阳直接辐射测量过程中跟踪装置导致的全年测量均匀性难以保证的关键问题、实现无需跟踪的太阳直接辐射全季全纬度均匀测量,提出了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜优化设计方法。分析了全球太阳直接辐射角度变化规律,建立了自由曲面反射镜初始结构模型;构建了时空尺度下辐照度均匀性(RFUS)评价函数,建立了二分进化与无余变长机制,提出了基于进化策略的自由曲面反射镜优化方法;以地球全纬度地区太阳直接辐射均匀测量为目标,迭代优化并仿真分析了染色体细分参量分别为3°,1°,0.5°,0.25°的4种代表性自由曲面反射镜面型。结果表明:染色体细分参量为0.25°时RFUS最优,为92.36%;搭建反射光斑中心位置及RFUS验证实验,所提方法得到的光斑中心最大直线距离约为1.5 mm,RFUS为90.34%,该方法可实现全时空太阳直接辐射均匀测量,为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。

润物细无声

记得很小的时候,我身体素质较差,经常生病。每到这时,我的班主任白雾生老师就经常到我家给我补课。后来得知,白雾生老师的母亲当时已经身患重病。在这样的困境下,她还不忘记给一个生病的学生补课,这件事在我的记忆中深深地扎下了根。

澳洲剌角蜥的生存之道

澳大利亚中部的沙漠地带四季炎热、干旱少雨,人类无法在此生存。然而,澳洲刺角蜥却在这里活得好好的。要活下去,首先得有水。茫茫的沙漠最缺的就是水,但澳洲刺角蜥并不担心这个。每天清晨,由水蒸气凝结在植物叶片上的水滴,便成了它们的生命之源。虽然身长仅15厘米的它们无法到高大植物的叶片上吹水,但是它们有一项绝技——用它们布满棘状刺的身体,缓慢地爬到沙漠植物的根部。

丈量气象风云 预测寰球冷暖——中国气象计量产业的改革开放40年

'科技要发展,计量须先行'。早在20世纪50年代,我国已经开展气象仪器计量工作。从1954年中央气象局成立仪器技术科至今,气象计量已走过了六十四个年头。我国气象计量事业经历了从无到有、从弱到强、从简单计量校准到科技创新,从国内到参与国际计量合作并在国际气象计量领域产生一定影响的历程。为确保探测数据统一、精准,一代又一代气象计量人付出了自己的努力和心血。