DFC1型光電式數(shù)字日照計與暗筒式日照計觀測日照時數(shù)的對比分析

郎貴英，安承德，袁 慶

(1.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100；2.貴州省石阡縣氣象局,貴州 石阡 555100)

0 引言

日照是地面氣象觀測的一項重要觀測項目，也是表征氣候變化的主要氣象因素之一。根據(jù)氣象學上對日照時數(shù)的定義，指在一給定時段內(nèi)太陽直接輻照度大于或等于120 W·m-2的時間總和[1-2]。近幾十年來，石阡國家氣象觀測站采用暗筒式日照計對日照時數(shù)進行觀測，隨著氣象現(xiàn)代化進程的推進，人工觀測日照已與氣象現(xiàn)代化發(fā)展要求不相匹配，采用時間分辨率更高、靈敏度更好的日照自動觀測設備替代暗筒式日照計觀測日照可以有效減輕地面氣象觀測員工作量，提高地面氣象觀測效率。廖桉樺等[3]對暗筒式日照計與CSD3型自動日照儀日照時數(shù)對比分析，發(fā)現(xiàn)自動觀測日照時數(shù)更加接近世界氣象組織(WMO)所要求的測量標準。益西卓瑪?shù)萚4]對CHP1型太陽直接輻射傳感器、DFC2型光電式數(shù)字日照計、暗筒式日照計3種日照測量儀器在冬季不同天空狀況下比較分析，發(fā)現(xiàn)3種儀器的測量值比較差異小，可以相互替代，取消人工觀測儀器后，日照資料可以合并使用。石振文[5]和楊召瓊[6]對人工觀測和CSD1型自動觀測的日照時數(shù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)人工與自動觀測日照時數(shù)之間有非常好的相關性，有良好的可比較性。張紅娟等[7]、陸忠濤等[8]和刑麗元等[9]對人工和DFC2型自動觀測日照時數(shù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者完整性較好，一致性均值較高，自動觀測靈敏度更高。王祥等[10]對福泉市1961—2018年日照時數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)福泉年日照時數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢，突變出現(xiàn)在2000年，月分布上只有2月是增加的趨勢，其余月份日照時數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢。2018年年底，石阡國家氣象觀測站安裝了江蘇省無線電科學研究所有限公司生產(chǎn)的DFC1型光電式數(shù)字日照計，2019年1月1日起開展日照平行觀測，2019年6月1日正式投入業(yè)務使用。本文通過對比分析該站2019年1—12月自動和人工觀測日照時數(shù)的差異，為以后使用該要素進行相關研究和業(yè)務應用提供一定的參考依據(jù)。

1 資料來源和說明

本文使用的日照資料來源于石阡國家氣象觀測站2019年1月1日—2019年12月31日DFC1型光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計采集的逐日逐時日照時數(shù)，僅對自動或人工觀測至少有一種儀器有日照時數(shù)的數(shù)據(jù)進行分析研究，即人工和自動觀測均無日照時數(shù)不進行統(tǒng)計分析。上述兩種儀器嚴格按照《地面氣象觀測規(guī)范》安裝在相同的環(huán)境中，南北相差1 m。

定義自動與人工觀測日照時數(shù)差值：

S差值=S自動-S人工

(1)

自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值：

S相對差值=(S自動-S人工)/S人工×100

(2)

2 日照時數(shù)對比分析

2.1 年日照時數(shù)對比

通過統(tǒng)計，2019年自動觀測年日照時數(shù)為1 057.8 h,人工觀測年日照時數(shù)為1070.7 h,年日照總時數(shù)相差10.9 h，日照時數(shù)相對差值為-1.02%；自動觀測有日照天數(shù)為211 d,人工觀測有日照天數(shù)為195 d,兩者有日照天數(shù)相差16 d，自動觀測日照時數(shù)大于人工觀測日照時數(shù)天數(shù)96 d，自動觀測與人工觀測日照時數(shù)相同天數(shù)39 d，自動觀測日照時數(shù)小于人工觀測日照時數(shù)天數(shù)76 d。

2.2 月日照時數(shù)對比

分析2019年各月自動和人工觀測日照時數(shù)，相關系數(shù)為0.996 5，兩種儀器觀測的月日照時數(shù)平均相差3.3 h，差值有明顯的月變化。圖1所示，其中，3、4、6、8、12月差異較大，均相差4 h以上，6月相差最大，達10.8 h，1—2月、5月、7月、9—11月日差異較小，均在3 h以下。從各月日照時數(shù)相對差值來看，除1月為70%、4月為-7.11%、6月為-10.6%、12月為9.96%外，其余月份均在±5%以內(nèi)。由于2019年1月自動和人工觀測出現(xiàn)日照時數(shù)的天數(shù)與近30 a同期平均值相比都異常偏少，自動觀測有日照天數(shù)為3 d，日照時數(shù)僅有1.7 h，而人工觀測有日照天僅1 d，日照時數(shù)為1 h，故得到該月兩者日照時數(shù)相對差值為70%。

圖1 自動觀測與人工觀測各月日照時數(shù)及差值Fig.1 The difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation in each month

2.3 日日照時數(shù)對比

將自動與人工觀測的日日照時數(shù)差值和日日照時數(shù)相對差值分別以0.1和5%為間隔進行分段統(tǒng)計。從圖2可以看出，自動與人工觀測的日日照時數(shù)差值大部分為正值，負值占36.02%，平均相差0.35 h，差值在±0.1 h內(nèi)的記錄為46.45%，差值在±1.5 h以外的記錄僅占5.21%。相對差值在±10%內(nèi)的記錄占68.21%，相對差值在±50%以外的記錄僅占3.59%，與差值在±1.5 h以外的記錄所占比例代表的含義略有不同，此類數(shù)據(jù)多出現(xiàn)在自動和人工觀測日日照時數(shù)都較少的情況下?？傮w來看，自動與人工觀測的數(shù)據(jù)一致性較好，相關系數(shù)為0.986 3。

圖2 自動觀測與人工觀測日日照時數(shù)差值的分布Fig.2 Distribution diagram of the difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation

2.4 小時日照時數(shù)對比

從圖3可知，2019年自動和人工觀測逐小時總日照時數(shù)平均相差3.6 h,有明顯的小時變化。自動和人工觀測主要日照時段都在10—16時，分別占全天日照的73.7%和75.69%，各時次累計日照均超過100 h，12時為所有時次日照最大值，自動觀測為118.3 h，人工觀測為121.7 h；07—08時、18時自動和人工觀測日照時數(shù)相對差值較大，分別為31.08%、10.74%、34.29%，09—17時日照時數(shù)相對差值較小，在-6.27%～2.35%之間。

圖3 自動觀測與人工觀測各時次日照時數(shù)及差值Fig.3 Sunshine duration and difference between automatic observation and manual observation

同時發(fā)現(xiàn)，主要日照時段(10—16時)各時次人工觀測均大于自動觀測日照時數(shù)。分析此現(xiàn)象，多出現(xiàn)在多云天氣時段，是兩種儀器采樣方式不同產(chǎn)生的誤差。太陽輻照度隨天空中云的變化和移動而快速變化，自動觀測能更客觀記錄到1 min的日照變化，而人工觀測每6 min記錄0.1 h日照,但是只要日照中斷時間小于3 min，其日照低上的感光跡線仍是連續(xù)的，則可能會連續(xù)記錄[5]，這種誤差導致人工觀測比自動觀測的數(shù)值偏高。此外，觀測人員在整理日照紙感光痕跡線描劃鉛筆線過程中也可能產(chǎn)生偏多的誤差，即當日照紙感光痕跡線呈現(xiàn)不連續(xù)的緊密點狀時，常被觀測員描劃成連續(xù)直線，造成日照時數(shù)偏多，導致人工觀測比自動觀測的數(shù)值偏高。

3 產(chǎn)生差異的主要原因分析

3.1 儀器工作原理不同產(chǎn)生的差異

自動觀測的工作原理是通過太陽總輻射和散射輻射的差值進行計算該時太陽直接輻射輻照度，再與120 W/m2的閾值進行比較，經(jīng)過處理后輸出日照信號或通過計算得到分鐘日照、小時累計日照及日累計日照時數(shù)[11]。人工觀測是采用針孔成像原理，太陽光借助暗筒式日照計上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上形成感光跡線，以此來計算日照時數(shù)。人工觀測受不同天氣、儀器性能、日照紙所用感光藥品質量以及觀測人員配置藥品和涂刷日照紙的技能等因素影響，故與自動觀測日照存在差異。

3.2 儀器采樣方式不同產(chǎn)生的差異

自動觀測的時間分辨率為1 min，至少每10 s對光電感應器件采樣1次，1 min采集不少于6次，對采樣得到的電壓信號進行判斷，若判斷有日照，則將采樣時間間隔累計到當前分鐘日照，小時日照計算分鐘累計量；人工觀測記錄的最小單位為0.1 h，即每6 min記錄0.1 h日照，因兩者采樣方式不同會對測量結果產(chǎn)生一定影響。

3.3 不同天氣條件產(chǎn)生的差異

3.3.1 晴天 由于自動與人工測量的感光閾值的差異，造成早晚日照時數(shù)有明顯差異，主要體現(xiàn)為自動觀測記錄比人工觀測記錄開始時間早、結束時間晚。從日小時日照時間可知，自動觀測的靈敏度高于人工觀測。

3.3.2 多云天氣 由于太陽位置和云的移動，地面日照時有時無，自動觀測分辨率高，能很客觀反映此種天氣現(xiàn)象變化，而人工觀測也能較直觀反映，但痕跡線時濃時淡，觀測人員描劃鉛筆線時可能會出現(xiàn)誤差，造成人工觀測到的日照時數(shù)可能偏大或偏小。

3.3.3 陰雨天氣 陰雨天的太陽光照對光電式自動觀測日照計與暗筒式人工日照計均難產(chǎn)生感光，常表現(xiàn)為均無日照時數(shù)。若天空中云層較薄，大陽光照透過云層，其輻照度仍可能達到或超過日照閾值，使DFC1型光電式數(shù)字日照計產(chǎn)生日照記錄，即在這種情況下表現(xiàn)為自動觀測得到的日照時數(shù)大于人工觀測測量值。

4 小結

①自動觀測與人工觀測年日照總時數(shù)相差較??；自動觀測比人工觀測有日照天數(shù)多，產(chǎn)生的差異均為當天自動站觀測有日照，而人工觀測則無日照，此種現(xiàn)象4月份出現(xiàn)最多，達到6 d，表明自動觀測比人工觀測更客觀反映當天是否有日照。

②自動觀測與人工觀測月日照時數(shù)有非常好的相關性，除6月份差值為10.8 h，其余各月差值均低于7 h；相對差值除1月為70%、4月為-7.11%、6月-10.6%、12月為9.96%外，其余月份均在±5%以內(nèi)。

③自動與人工觀測的日日照時數(shù)的相關性非常好，平均相差0.35 h且大部分為正值，差值主要在±0.1 h內(nèi)，相對差值主要在±10%內(nèi)。

④自動和人工觀測日照都有明顯的小時變化且變化走勢總體一致，主要日照時段都出現(xiàn)在10—16時，且人工觀測均大于自動觀測各時次日照時數(shù)，12時為所有時次日照最大值；07—08時、18時自動和人工觀測日照時數(shù)相對差值較大，自動觀測比人工觀測早、晚日照時數(shù)多。

⑤儀器工作原理、采樣方式和不同天氣條件等因素是造成自動觀測與人工觀測日照產(chǎn)生差異的主要原因。