DFC1型光電式數(shù)字日照計與人工觀測日照時數(shù)對比分析

馬清山 陳珊珊 王凱 孫文婷

摘要：本文中所使用的數(shù)據(jù)來自溧水（58340）、六合（58235）、浦口 （58237）、南京（58238）、高淳（58339）五個國家站2019年1月1日至2020年 3月31日的人工和自動日照觀測數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各臺站自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好。六合與浦口自動與人工觀測日照時數(shù)總體上較為接近。南京、溧水、高淳自動觀測與人工觀測日照時數(shù)總體相差較大，且偏小。 夏季各臺站自動觀測日照均偏小，冬季各臺站自動與人工觀測日照時數(shù)總體上更為接近。當云量較少時自動觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動觀測日照時數(shù)逐漸偏小。另外通過橫向?qū)Ρ?個臺站可以發(fā)現(xiàn)各臺站自動觀測日照時數(shù)之間差值相對于人工觀測要小的多且自動觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對較好。

關(guān)鍵詞：自動觀測日照;人工觀測日照;對比分析

日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。在一給定的時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120瓦·米-2（W·m-2）的那段時間總和，以小時 （h）為單位，取一位小數(shù)。南京市各氣象站于2018年10月份安裝了DFC1型光電式數(shù)字日照計（以下稱自動日照及），并開始了與人工日照觀測進行平行觀測對比。目前多數(shù)臺站人工日照時數(shù)觀測設(shè)備主要以暗筒式日照計為主。因此本文所涉及的人工和自動觀測日照數(shù)據(jù)分別由暗筒式日照計和DFC1型光電式數(shù)字日照計所測的。

1 觀測原理

1.1 暗筒式日照計

暗筒式日照計又稱喬唐式日照計，主要由金屬圓筒（地段密閉，筒口帶蓋，兩側(cè)各有一進光小孔，筒內(nèi)附有壓紙夾）、隔光板、緯度盤和支架底座等構(gòu)成。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，感光跡線的長短反映了日照時間的長短，所以通過感光跡線的長度來統(tǒng)計日照時數(shù)的。通常日照紙上涂的感光藥劑為枸櫞酸鐵銨和赤血鹽，通過光化學反應(yīng)，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，并與赤血鹽發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而呈現(xiàn)藍色。其誤差主要來自日照紙涂藥質(zhì)量、人工描畫跡線主觀誤差。

1.2? DFC1型光電式數(shù)字日照計

DFC1型光電式數(shù)字日照計由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括FS-RZ1日照傳感器（數(shù)字式）、日照計機箱、外圍組件等部分構(gòu)成;軟件包括傳感器中的嵌入式軟件和計算機上的業(yè)務(wù)軟件。

FS-RZ1日照傳感器（數(shù)字式）是DFC1型光電式數(shù)字日照計的主要組成部件。它集日照測量、信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存和通信為一體。它的感應(yīng)部分由1個光學鏡筒、1個遮光筒和3個光電探測器組成。3個光電探測器分上中下三級排布，第一級光電探測器始終暴露在太陽輻射中，測量太陽總輻射;第二、三級光電探測器在任何時候都有一個被遮光筒遮蔽，測量太陽的散射輻射。通過計算得到當前的太陽直接輻射輻照度，在與120W/m2的閾值進行比較，經(jīng)處理后得到分鐘日照、小時累計日照以及日累積時數(shù)。其誤差主要來自設(shè)備的觀測誤差。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文中所使用的數(shù)據(jù)來自溧水（58340）、六合（58235）、浦口（58237）、南京（58238）、高淳（58339）五個國家站2019年1月1日至2020年3月31日的人工和自動日照觀測數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均經(jīng)過人工質(zhì)控。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于目前沒有標準的日照觀測設(shè)備作參考，無法確定暗筒式日照計和DFC1 型光電式數(shù)字日照計的觀測誤差。因此，本文僅討論自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對差值和相對差值。

我們定義自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對差值Y絕對=X自動-X人工， 自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的相對差值Y相對=（X自動-X人工）/ X人工×100%。

3 資料分析

3.1 各站逐日日照時數(shù)分析

由表1可知：自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好。除了高淳自動與人工觀測日照數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9586，其余臺站均在0.97以上。 通過散點分布可以看出，南京、高淳、溧水自動觀測日照數(shù)據(jù)低于人工觀測。 當人工觀測日照時數(shù)為0時，有臺站出現(xiàn)自動觀測日照時數(shù)不為0，甚至有高達 4h以上的日照時數(shù)。這主要由于在太陽光較弱的情況下，日照紙和光電探測器的感光靈敏度的差異所導致的。

為了進一步了解各站自動與人工觀測逐日日照時數(shù)的差異，我們將自動與人工觀測日照時數(shù)逐日做差值，并進行了分段統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，橫坐標表示自動與人工觀測逐日日照時數(shù)的差值，縱坐標表示差值對應(yīng)的日數(shù)所占的比例。

數(shù)據(jù)資料顯示：各站自動與人工觀測日照時數(shù)差值為0的日數(shù)所占比例均在30%左右，其中包含了陰天條件下，自動與人工觀測日照時數(shù)均為0的日數(shù)。六合與浦口日照時數(shù)差值正負兩端分布比較均勻，可以看出六合與浦口自動與人工觀測日照時數(shù)總體上較為接近。而南京、溧水、高淳明顯差值的負端所占比例較大，因此這三個臺站自動觀測與人工觀測日照時數(shù)總體相差較大，且自動觀測比人工觀測日照時數(shù)偏低。另外經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在差值分布的兩端出現(xiàn)了個別極端偏大或偏小的情況，如六合（-3.5，4.3）、浦口（-4.2，4.2）、南京（-5.0，0.8）、溧水（-7.1，1.8）、高淳（-5.6，7.3）。這些極端情況主要是由于兩種觀測方式感光靈敏度的差異和人工觀測人為主觀因素等造成的偏差。

3.2各站逐月日照時數(shù)分析

通過對各臺站2019年1月至2020年3月的人工和自動日照觀測數(shù)據(jù)做月統(tǒng)計，并計算逐月自動和人工觀測日照時數(shù)相對差值。結(jié)果如下圖1所示。

從圖1可以看出，各臺站自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值變化具有明顯規(guī)律。六合與浦口2019年1月至3月相對差值下降，3月至4月上升，4月至8月下降，8月至12月上升，12月至2020年3月下降。南京、溧水和高淳時間節(jié)點有些許不同，2019年1月至2月相對差值下降，2月至5月上升，5月至7月下降，7月至12月上升，12月至2020年3月下降。從總體上看，2019年1月至2019年10月各臺站自動觀測比人工觀測月日照時數(shù)普遍偏低，2019年10月至2020年2月自動觀測比人工觀測月日照時數(shù)多數(shù)偏高，并且我們可以發(fā)現(xiàn)在2019年1月份、 2019年10月至12月以及2020年2月至3月大部分臺站自動觀測與人工觀測月日照時數(shù)較為接近。

根據(jù)以上分析，我們按照春季（2019年3月至5月）、夏季（2019年6月至 8月）、 秋季（2019年9月至10月）、冬季（2019年11月至2020年1月）的劃分統(tǒng)計各臺站四季的自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值。

如圖2所示，春季到夏季，各站自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值減小，而夏季到冬季相對差值逐漸增大。夏季五個臺站自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值均為負值，在冬季各臺站自動觀測與人工觀測日照時數(shù)相對差值均低于±10%。由此表明夏季跟各臺站自動觀測日照均偏小，冬季各臺站自動觀測與人工觀測日照時數(shù)總體上更為接近。當然，由于目前觀測資料時間跨度較短，還需后續(xù)繼續(xù)驗證。

3.3各站年日照時數(shù)分析

將2019年各臺站自動與人工觀測日照數(shù)據(jù)作全年統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

由此我們可以看出，2019年除六合外，其他臺站自動觀測年日照時數(shù)均比人工觀測年日照時數(shù)偏小。尤其南京、溧水、高淳三個站2019年自動觀測日照時數(shù)與人工觀測日照時數(shù)相對差值均小于-10%，六合與浦口2019年自動觀測日照時數(shù)與人工觀測日照時數(shù)比較接近，相對差值均在±3%以內(nèi)。另外將各臺站自動和人工觀測年日照時數(shù)進行橫向?qū)Ρ?，人工日照時數(shù)各臺站最大差值 433.2h，最小差值10.4h;自動日照時數(shù)各臺站最大差值僅183.2h，最小差值4.5h。通過標準差可以發(fā)現(xiàn)，5個臺站人工日照時數(shù)標準差為自動觀測時數(shù)標準差的兩倍之多，并且另外最南（高淳）和最北（六合）兩個臺站緯度僅相差約1°，故由于緯度不同造成的日照理論時數(shù)差異較小。因此總體上看， 2019年各臺站自動觀測日照時數(shù)之間差值相對于人工觀測要小的多且自動觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對較好。

3.4 云量對自動與人工觀測日照的影響

為了分析不同天空狀況條件對自動與人工觀測日照時數(shù)差值影響，我們選取各臺站2019年總云量小時數(shù)據(jù)，求出每日8時到17時10個小時平均總云量來反映每天日出期間天空云量的情況，將總云量分為0-1成、1-2成、2-3成、3-4成、4-5成、5-6成、6-7成、7-8成、8-9成、9-10成（不包含10成）、10成共 11組，再分別求出其對應(yīng)日數(shù)的自動與人工觀測日照時數(shù)平均差值。

由數(shù)據(jù)資料得知：六合云量0-5成時自動與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時平均差值最大為0.87h·d-1，5-10成（不含10成）自動與人工平均差值為負值，6-7成時平均差值最大為-0.66h·d-1。浦口云量0-3成時自動與人工日照平均差值為正值，0-1成時平均差值最大為0.56h·d-1，3-10成（含10 成）自動與人工平均差值為負值，8-9成時平均差值最大為-0.84h·d-1。、南京云量0-2成時自動與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時平均差值最大為0.38h·d-1，2-10成（不含10成）自動與人工平均差值為負值，9-10成（不含10 成）時平均差值最大為-1.54h·d-1。高淳云量0-2成時自動與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時平均差值最大為0.41h·d-1，2-10成（不含10成）自動與人工平均差值為負值，8-9成時平均差值最大為-1.91h·d-1。溧水云量0-1成時自動觀測日照時數(shù)與人工觀測平均差值均為0.13h·d-1，1-10成（不含10 成）自動與人工平均差值為負值，8-9成時平均差值最大為-1.09h·d-1。綜上所述，當云量較少時，如六合（0-4成）、浦口（0-3成）、南京（0-2成）、高淳（0-2成）、溧水（0-1成）自動觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動觀測日照時數(shù)逐漸偏小。南京、高淳和溧水在云量較多時，自動觀測日照時數(shù)比人工觀測偏小更為明顯。另外，當云量為10成時，各站自動觀測與人工觀測日照時數(shù)較為接近，但自動觀測普遍略偏小。表明陰天條件下，微弱的陽光無法達到120 W·m-2的輻照度，但仍可以在日照紙上留下跡線。

4小結(jié)與討論

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，各臺站自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好，相關(guān)系數(shù)普遍在在0.97以上。六合與浦口自動與人工觀測日照時數(shù)總體上較為接近。而南京、溧水、高淳自動觀測與人工觀測日照時數(shù)總體相差較大，且自動觀測比人工觀測日照時數(shù)偏低。

夏季各臺站自動觀測日照均偏小，冬季各臺站自動觀測與人工觀測日照時數(shù)總體上更為接近。

當云量較少時自動觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動觀測日照時數(shù)逐漸偏小。南京、高淳和溧水在云量較多時，自動觀測日照時數(shù)比人工觀測偏小更為明顯。

另外通過橫向?qū)Ρ?個臺站可以發(fā)現(xiàn)各臺站自動觀測日照時數(shù)之間差值相對于人工觀測要小的多且自動觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對較好。