莆田市日照自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

楊明燦 何 捷 張響亮

(仙游縣氣象局，福建 莆田 351200)

1 概述

隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，我國(guó)地面氣象觀測(cè)已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為進(jìn)一步推進(jìn)自動(dòng)化觀測(cè)業(yè)務(wù)，根據(jù)中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司《關(guān)于印發(fā)<日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定>的函》(氣測(cè)函〔2018〕153號(hào))，福建省氣象局觀測(cè)與網(wǎng)絡(luò)處決定2019年1月1日起在全省地面氣象觀測(cè)站開展日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)，為期6個(gè)月，分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段(1月1日至3月31日)以人工觀測(cè)為主，第二階段(4月1日至6月30日)以自動(dòng)觀測(cè)為主。自動(dòng)日照采用光電式數(shù)字日照計(jì)(中環(huán)天儀-DFC3)觀測(cè)，人工采用暗筒式日照計(jì)。

近年來，許多學(xué)者就日照自動(dòng)與人工觀測(cè)做了大量研究，取得了許多有價(jià)值的成果。例如，楊召瓊[1]利用人工觀測(cè)與CSD1日照儀遙測(cè)的日照時(shí)數(shù)，對(duì)比分析逐日、旬、月及不同天氣條件下兩者的差異及其形成的原因；楊煥強(qiáng)[2]基于杭州地區(qū)日照時(shí)數(shù)自動(dòng)與人工平行觀測(cè),對(duì)比了6個(gè)臺(tái)站DFC1型光電式日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并分析誤差原因；呂文華[3]利用三種不同型號(hào)的自動(dòng)日照計(jì)開展對(duì)比試驗(yàn)，分析不同天氣條件下各日照計(jì)的差異；杜傳耀[4]根據(jù)三種不同觀測(cè)儀器，從儀器數(shù)據(jù)偏差、影響測(cè)量因素方面分析了各種日照觀測(cè)設(shè)備測(cè)量性能。

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，地面氣象要素以自動(dòng)化觀測(cè)代替人工觀測(cè)是觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，而暗筒式日照計(jì)已經(jīng)不符合氣象現(xiàn)代化的要求，日照觀測(cè)自動(dòng)化成為必然。為客觀、全面地分析日照觀測(cè)手段替換的科學(xué)性、合理性、可行性，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性，通過對(duì)日照自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以為日照觀測(cè)業(yè)務(wù)自動(dòng)化和地面氣象觀測(cè)現(xiàn)代化、無人化提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

本文分析資料來自莆田地區(qū)三個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(莆田58946，仙游58936，秀嶼58938)在日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)期間(2019年1月1日～6月30日)的日照數(shù)據(jù)和云量觀測(cè)數(shù)據(jù)(云量?jī)H仙游站有觀測(cè))。期間，3個(gè)站點(diǎn)的光電式數(shù)字日照計(jì)在符合業(yè)務(wù)規(guī)定條件的環(huán)境下運(yùn)行正常，設(shè)備均未出現(xiàn)故障，各站應(yīng)觀測(cè)次數(shù)260640次，實(shí)際觀測(cè)次數(shù)260640次，觀測(cè)成功率100%，即各站日照自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄均完整，未缺漏。

本研究以差值和相對(duì)差值作為分析指標(biāo)，用來分析光電式數(shù)字日照計(jì)與人工日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差異，分析中涉及的公式有：

Di=Ai-Mi

(1)

(2)

其中，Di為第i次日照觀測(cè)的差值，Ai為第i次光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)值，Mi為第i次人工觀測(cè)日照值，Ri為第i次日照觀測(cè)的相對(duì)差值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 日照小時(shí)數(shù)據(jù)分析

對(duì)3個(gè)臺(tái)站的日照小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析得出各時(shí)次Di的大小，統(tǒng)計(jì)不同Di值出現(xiàn)的頻率(樣本總數(shù)181天)，三個(gè)臺(tái)站各時(shí)次Di在正值、負(fù)值和0時(shí)均存在不同的頻率分布，即各時(shí)次日照觀測(cè)存在自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值高、低或相等的現(xiàn)象。

從圖1～圖2可以看出，Di為正值時(shí)的頻率在7時(shí)、8時(shí)、17時(shí)和18時(shí)相對(duì)較高，即在7時(shí)、8時(shí)、17時(shí)和18時(shí)出現(xiàn)日照自動(dòng)觀測(cè)值大于人工觀測(cè)值的次數(shù)相對(duì)較多；Di為負(fù)值時(shí)的頻率在11時(shí)～14時(shí)相對(duì)較高，即11時(shí)～14時(shí)出現(xiàn)日照自動(dòng)觀測(cè)值小于人工觀測(cè)值的次數(shù)相對(duì)較多，且3個(gè)臺(tái)站的變化趨勢(shì)相對(duì)較為一致。

圖1 1～6月各時(shí)次Di為正值的頻率

圖2 1～6月各時(shí)次Di為負(fù)值的頻率

3.2 日照日數(shù)據(jù)分析

對(duì)3個(gè)臺(tái)站的日照日數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析得出各日Di的大小，根據(jù)《光電式數(shù)字日照計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范(試行)》中日照時(shí)數(shù)的測(cè)量誤差要求，統(tǒng)計(jì)不同Di值出現(xiàn)的頻率(樣本總數(shù)181天)，繪圖得圖3。

圖3 各日不同Di的頻率分布

從圖3可以看出，3個(gè)臺(tái)站的各日Di呈偏態(tài)分布，Di處于±1h/d之間的出現(xiàn)頻率莆田最高(96.6%)，秀嶼次之(91.7%)，仙游最低(91.2%)，3個(gè)臺(tái)站日照時(shí)數(shù)在測(cè)量誤差范圍內(nèi)的頻率為91.2%～96.6%，有4.4%～8.8%的天數(shù)光電式數(shù)字日照計(jì)測(cè)量超過誤差范圍。

根據(jù)3個(gè)臺(tái)站的日照日數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，如圖4所示。分析結(jié)果顯示，3個(gè)臺(tái)站對(duì)比數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在0.989～0.995之間，由此可見，日照自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。

(a)莆田58946

(b)仙游58936

(c)秀嶼58938圖4 三個(gè)臺(tái)站日照自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

3.3 日照月數(shù)據(jù)分析

對(duì)三個(gè)臺(tái)站的日照數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析1～6月的Ri，結(jié)果見表1。

表1 1～6月日照時(shí)數(shù)的DRi

根據(jù)《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范(試行)》規(guī)定，光電式數(shù)字日照計(jì)的最大允許誤差為±10%(月觀測(cè)數(shù)據(jù))。從表1可以看出，除了秀嶼6月份Ri(-14.5%)小于-10%，其余月份各臺(tái)站Ri在-7.1%～8.7%之間，均在最大允許誤差范圍內(nèi)。

3.4 不同天空狀況下的日照數(shù)據(jù)分析

根據(jù)4月4日～6月30日期間08時(shí)-18時(shí)仙游站總云量加密觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，分析對(duì)應(yīng)時(shí)次不同Di出現(xiàn)的頻率，結(jié)果見表2。

表2 四種天空狀況下各時(shí)次不同Di出現(xiàn)的頻率

從表2可以看出，四種天空狀況下Di=0占主要比例，在晴天、少云和陰天條件下，正Di和負(fù)Di出現(xiàn)頻率相近，多云條件下，負(fù)Di的出現(xiàn)頻率明顯高于正Di，且二者頻率總和占比也將近一半。由此可見，四種天空狀況下大部分時(shí)次日照自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值相一致，且觀測(cè)值相一致出現(xiàn)時(shí)次由多到少的天空狀況分別為晴天、陰天、少云、多云；在多云條件下，自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值小出現(xiàn)的時(shí)次較多。

4 誤差分析

4.1 儀器工作原理不同

暗筒式日照計(jì)利用太陽(yáng)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，通過人工在其下面描劃鉛筆線，統(tǒng)計(jì)跡線所占格數(shù)，由此計(jì)算日照時(shí)數(shù)[5]。

光電式數(shù)字日照計(jì)采用置于光學(xué)鏡筒中的3個(gè)同軸光電感應(yīng)器對(duì)總輻射和散射輻射進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)計(jì)算出的直接輻照度判斷有無日照，若直接輻照度≥120W·m-2，則算作有日照，把時(shí)間累計(jì)，得到相應(yīng)的日照時(shí)數(shù)[6]。

二者相比，在儀器安裝規(guī)范條件下，暗筒式日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)受觀測(cè)員主觀因素影響較多，光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)客觀，不受主觀因素影響。

暗筒式日照計(jì)日照紙所用藥品質(zhì)量好壞，以及涂藥方法是否得當(dāng)，是造成該儀器測(cè)量誤差的主要原因。受其影響，實(shí)際工作中日照紙的曝光閾值高于理論值(120W·m-2)，感光靈敏度偏低，當(dāng)太陽(yáng)直接輻照度≥120W·m-2時(shí)，日照紙仍無法感應(yīng)并留下跡線，或者留下的感光跡線較為淡時(shí)，容易被觀測(cè)員遺漏，造成人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)減少。

太陽(yáng)直接輻照度的測(cè)量誤差是日照自動(dòng)觀測(cè)的主要影響因素。根據(jù)《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范(試行)》要求，日照自動(dòng)觀測(cè)閾值的最大允許誤差為±20%，故在太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到96W·m-2時(shí)，也可能觀測(cè)得到日照時(shí)數(shù)。

綜合以上影響因素，在太陽(yáng)直接輻射較弱時(shí)，日照自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值高出現(xiàn)的概率較大。主要表現(xiàn)在日出后(7～8時(shí))和日落前(17～18時(shí))的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)更為明顯。

4.2 數(shù)據(jù)記錄方式不同

暗筒式日照計(jì)日照自記紙的采樣分辨率為0.1h，通過統(tǒng)計(jì)跡線的總長(zhǎng)，計(jì)算累計(jì)日照時(shí)數(shù)；而光電式數(shù)字日照計(jì)分辨率為1min，以每分鐘日照有無情況，計(jì)算累計(jì)日照時(shí)數(shù)。

當(dāng)日照自記紙上感光跡線呈緊密的不連續(xù)單點(diǎn)或短線時(shí)，觀測(cè)員習(xí)慣性地描畫成連續(xù)的直線，使人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)增多，特別在自動(dòng)觀測(cè)為0.8h或0.9h時(shí)，人工觀測(cè)出現(xiàn)較多次數(shù)為1.0h。在多云天空狀況下，出現(xiàn)太陽(yáng)或出或入的時(shí)候較多，更容易造成感光跡線呈緊密的不連續(xù)單點(diǎn)或短線，因此在此條件下，日照人工觀測(cè)值往往會(huì)比自動(dòng)觀測(cè)值大。晴天、少云和陰天條件下，云的影響相比多云條件沒那么明顯，出現(xiàn)太陽(yáng)或出或入的時(shí)候較少，感光跡線產(chǎn)生的誤差不明顯。同時(shí)，太陽(yáng)直接輻射較強(qiáng)情況下，跡線或存在蔓延現(xiàn)象，再加上觀測(cè)員主觀因素影響，容易導(dǎo)致描畫的跡線變長(zhǎng)，故正午前后(11～14時(shí))出現(xiàn)日照自動(dòng)觀測(cè)值小于人工觀測(cè)值的次數(shù)相對(duì)較多。

5 結(jié)論

①相比于暗筒式日照計(jì)，光電式數(shù)字日照計(jì)的感光靈敏度更高，在太陽(yáng)直接輻射較弱時(shí)，日照自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值高出現(xiàn)的概率較大。

②太陽(yáng)直接輻射較強(qiáng)情況下，同時(shí)受主觀因素影響，易造成在正午前后日照自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值低的現(xiàn)象。

③三個(gè)臺(tái)站有91.2%～96.6%的日照日時(shí)數(shù)在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，且日照自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。

④除了秀嶼6月份Ri小于-10%，其余月份各臺(tái)站Ri在-7.1%～8.7%之間，均在最大允許誤差范圍內(nèi)。

⑤四種天空狀況下大部分時(shí)次日照自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值相一致，但在多云條件下，易造成自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)值小的現(xiàn)象。