陜西省日照平行觀測資料評估

張紅娟，曾 英，妙娟利，鄧芳蓮

(陜西省氣象信息中心，西安 710014)

日照是指太陽在某地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)，是地面氣象臺(tái)站觀測的基本項(xiàng)目。日照時(shí)數(shù)[1]定義為在一給定時(shí)間，太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的各段時(shí)間總和。陜西省99個(gè)氣象臺(tái)站一直使用暗筒式日照計(jì)進(jìn)行日照人工觀測。為了盡快實(shí)現(xiàn)日照數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，華云升達(dá)氣象科技有限責(zé)任公司根據(jù)中國氣象局頒布的《QX/T56—2007地面氣象觀測規(guī)范第12部分：日照觀測》的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了HYSD-1型光電式數(shù)字日照傳感器。根據(jù)中國氣象局頒布的《光電式數(shù)字日照計(jì)功能規(guī)格需求書》要求，集成電源、通信、結(jié)構(gòu)安裝組件等部分，組成了DFC2光電式數(shù)字日照計(jì)，并于2017年底通過裝備許可考核。陜西省99個(gè)站安裝了DFC2 光電式數(shù)字日照計(jì)，自2019年1月起開始日照自動(dòng)與人工平行觀測。平行觀測分為兩個(gè)階段：第一階段(2019年1月1日至4月30日)以人工觀測記錄為正式觀測記錄，人工觀測及記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》和業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行。第二階段(2019年5月1日至6月30日)以自動(dòng)觀測記錄為正式觀測記錄，按相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行。自6月平行觀測結(jié)束后，光電式數(shù)字日照計(jì)自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)作為正式觀測記錄。國內(nèi)有關(guān)專家和學(xué)者對自動(dòng)與人工觀測的氣溫、氣壓、降水、霧、霾等數(shù)據(jù)的差異分析[2-5]較多，但對日照數(shù)據(jù)的對比分析較少。為了評估DFC2 光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)日照數(shù)據(jù)的差異，利用平行觀測第一階段的自動(dòng)和人工觀測資料進(jìn)行對比分析。

1 日照的兩種觀測方法

1.1 人工觀測

陜西省日照人工觀測使用暗筒式日照計(jì)。它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。

1.2 自動(dòng)觀測

自動(dòng)觀測利用DFC2 光電式數(shù)字日照計(jì)。日照傳感器采用三個(gè)光電感應(yīng)器件測量太陽總輻射和散射輻射，計(jì)算出太陽直接輻射，并判斷累計(jì)日照時(shí)數(shù)，以 RS-232通信方式輸出。

2 資料和方法

選取2019年1—4月99個(gè)站的自動(dòng)日照記錄及人工記錄中資料較完整的3個(gè)月(一部分是1—3月，一部分是2—4月)平行資料進(jìn)行對比。分別從數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)差異性等方面進(jìn)行分析評估。數(shù)據(jù)完整性用缺測率考量，觀測數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，對廠家儀器的數(shù)據(jù)完整性作月缺測率評估。剔除非儀器原因與維護(hù)造成的缺測記錄，計(jì)算缺測率，月缺測率=(月觀測缺測次數(shù)/月應(yīng)觀測總次數(shù))×100%，分別對兩種觀測方式的小時(shí)日照時(shí)數(shù)和日合計(jì)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用差值分析法分析兩種序列的差異，差值為自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)減去人工觀測數(shù)據(jù)；日照差值百分率=((自動(dòng)日照月合計(jì)值-人工日照月合計(jì)值)/人工日照月合計(jì)值)×100%。將陜西省臺(tái)站按地域分為陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)區(qū)域。陜北包含榆林、延安、銅川，關(guān)中包含寶雞、咸陽、渭南、楊凌，陜南包含漢中、商洛、安康，分析光電式日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)數(shù)據(jù)的地域性差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)完整性

陜西省99個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)完整性較好。除53854、53938、57126、57211等臺(tái)站因儀器故障自動(dòng)采集的日照數(shù)據(jù)分別缺測6 d、3 d、1 d、1 d外，其余臺(tái)站數(shù)據(jù)無缺測，數(shù)據(jù)采集成功率為100%，數(shù)據(jù)完整性優(yōu)；人工觀測數(shù)據(jù)無缺測。

3.2 數(shù)據(jù)差異

3.2.1 小時(shí)日照數(shù)據(jù) 陜西省99個(gè)氣象站2019年1—4月最早日出時(shí)間為05時(shí)，最晚日落時(shí)間為19時(shí)。小時(shí)數(shù)據(jù)差值波動(dòng)范圍±1 h。小時(shí)數(shù)據(jù)差值有明顯日變化規(guī)律(圖1)，日出開始差值很小(06時(shí)1、2月平均差值為0 h,3月為0.004 h)，隨著太陽高度角升高，絕對差值越來越大(11時(shí)1、2、3月平均差值-0.039、-0.046、-0.068 h)，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)小于人工數(shù)據(jù)趨勢明顯。

圖1 2019年1—3月陜西自動(dòng)與人工觀測日照數(shù)據(jù)差值的日變化

14時(shí)平均差值為負(fù)極值(1、2、3月差值分別為-0.051、-0.065、-0.092 h)，之后隨著太陽高度角降低，絕對差值減小(15時(shí)1、2、3月差值-0.024、-0.036、-0.071 h)，在日落前的1～2 h差值為正極值(17時(shí)差值最大為0.058 h)。因日落時(shí)間有差異，3月正極值落后于1、2月1 h。差值的日變化無明顯地域差異。

3.2.2 日、月日照數(shù)據(jù) 日合計(jì)差值變化范圍-6.9～6.5 h,-6.9 h出現(xiàn)在寶雞地區(qū)的扶風(fēng)站(站號57026；2019年4月9日)，6.5 h出現(xiàn)在安康地區(qū)的嵐皋站(站號57247；2019年3月26日)。日合計(jì)平均差值全省波動(dòng)范圍不大，1月平均差值-0.17 h,2月平均差值-0.30 h,3月平均差值-0.52 h。從圖2可看出，90 d差值平均值中只有16 d為正值。1月有9 d為正值，最大差值為0.64 h,最小負(fù)值為-1.11 h；2月3 d為正，最大值為0.26 h,最小負(fù)值為-0.93 h；3月4 d為正值，最大差值為0.31 h,最小負(fù)值為-1.25 h。總體來看，日照自動(dòng)觀測值普遍小于人工觀測值，兩個(gè)序列差異不大。

圖2 陜西2019年1—3月日照時(shí)數(shù)自動(dòng)與人工日合計(jì)差值平均值

全省光電式日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)3個(gè)月的平均差值百分率為-6.0%，即光電式日照計(jì)采集的數(shù)據(jù)總體比暗筒式日照計(jì)的數(shù)據(jù)偏小6.0%，自動(dòng)觀測值普遍小于人工觀測值。在99站中，78站的差值百分率為負(fù),20站差值百分率為正，1站自動(dòng)和人工日照無差異。統(tǒng)計(jì)99站差值百分率發(fā)現(xiàn)：54%的臺(tái)站絕對差值百分率≤10%，在此范圍內(nèi)差值百分率為正的站點(diǎn)12個(gè)，為負(fù)的站點(diǎn)41個(gè)；41%的臺(tái)站絕對差值百分率為10%～20%，8站為正，32站為負(fù)；5%的臺(tái)站絕對差值百分率≥20%，有5站(57042、57132、57044、57055、53946)，且差值百分率均為負(fù)值。圖3為全省99個(gè)站平行觀測3個(gè)月各站的差值百分率分布圖，可以明顯看出，大多數(shù)臺(tái)站差值百分率為負(fù)，但負(fù)值中心分散，陜北、關(guān)中、陜南都有。差值百分率為正的臺(tái)站占比較少，陜南站數(shù)相對較多。

圖3 陜西省99站2019年平行觀測3個(gè)月差值百分率/%分布圖

按地域分布情況來看(見表1)，陜北、關(guān)中3個(gè)月的差值百分率均為負(fù)值且2月的絕對差值百分率均最大。而陜南則不同，1月差值百分率為正且絕對差值百分率最大，2、3月為負(fù)值。

表1 2019年1—3月陜西月日照時(shí)數(shù)自動(dòng)與人工差值百分率 %

陜西省所有臺(tái)站都使用DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)，但通過平行觀測3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)即使在同一地域，各個(gè)臺(tái)站兩個(gè)序列數(shù)據(jù)差異也不盡相同。陜北16個(gè)代表站中，只有53756站點(diǎn)差值百分率為正，有6個(gè)站絕對差值百分率3個(gè)月均≤10%。53946站3個(gè)月自動(dòng)日照計(jì)均比暗筒式日照計(jì)數(shù)據(jù)偏小2～3成。陜南1月自動(dòng)觀測記錄比暗筒日照計(jì)數(shù)據(jù)偏大的站點(diǎn)多，2～3月偏小的站點(diǎn)較多，其中57247、57119兩站波動(dòng)較大。

3.3 差異原因

DFC2光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)測量日照時(shí)數(shù)原理不同。光電式數(shù)字日照傳感器采用總輻射-散射輻射測量原理，在吸收國際先進(jìn)的日照傳感器產(chǎn)品特點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制的一款集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信傳輸為一體的數(shù)字化、智能化日照傳感器。暗筒式日照計(jì)利用感光跡線計(jì)算日照時(shí)數(shù)，日照紙的涂藥質(zhì)量，直接關(guān)系到日照記錄的準(zhǔn)確性，人工操作有一定的主觀性。

4 結(jié)論

(1)兩個(gè)序列數(shù)據(jù)完整性較好，數(shù)據(jù)采集成功率高；小時(shí)數(shù)據(jù)差值有明顯日變化規(guī)律，差值的日變化無明顯地域差異。

(2)全省光電式日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)3個(gè)月的平均差值百分率為-6.0%，日照自動(dòng)觀測值普遍小于人工觀測值，除陜南1月差值百分率為正(5.1%)外，關(guān)中、陜北、陜南各月差值百分率均為負(fù)值。