DFC2型光電式日照計與暗筒式日照計平行觀測分析

周英 袁久坤

（重慶市萬州區(qū)氣象局，萬州 404000）

0 引言

日照是是指太陽實際照射的時數(shù)，表征了氣象狀況與氣候特點的重要氣象要素，世界氣象組織將日照時數(shù)定義為在一給定的時間，太陽直接輻射的輻照度達到或超過120 W/m的時間總和，以小時（h）為單位，取一位小數(shù)。獲取具有代表性和準確性的日照觀測資料是認識氣候資源的變化規(guī)律、合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。2019年1月1日開始，日照采用自動和人工兩種方式進行平行觀測，同時要求開展對日照平行觀測資料進行分析，評估使用自動觀測代替人工觀測對資料序列的影響程度。近年來很多學者對日照人工觀測設備（暗筒式日照計）的結(jié)構(gòu)、觀測資料及誤差來源進行了分析研究，同時對暗筒式日照計、直接輻射表、荷蘭Milos500雙金屬片日照傳感器等設備獲取的日照數(shù)據(jù)進行了對比分析。但針對光電式數(shù)字日照計與人工暗筒式日照計的對比分析尚不多見。

本文利用萬州國家基本氣象站2019年1—12月自動和人工日照觀測資料，分別對2種觀測方式獲取的數(shù)據(jù)的完整性、一致性等方面進行分析評估。

1 資料來源及分析方法

萬州國家基本氣象站于2019年1月1日始新增日照自動觀測項目（光電式數(shù)字日照計），并開始進行自動和人工日照平行觀測。2019年1—3月以人工觀測記錄為正式觀測記錄，4—12月以自動觀測記錄為正式觀測記錄。本文采用的是萬州站2019年自動和人工日照數(shù)據(jù)資料來分析評估自動觀測與人工觀測兩種觀測方式獲取的資料序列差異。

利用自動觀測與人工觀測日照時數(shù)的差值、相對差值、絕對誤差及相關系數(shù)來評估日照自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)的準確性。若差值、相對差值及絕對誤差越小，相關系數(shù)越接近于1，則表明數(shù)據(jù)一致性越高。將自動觀測與人工觀測日照時數(shù)的差值定義為：

式中，

S

為差值，

S

為相對差值，

A

為絕對誤差，

X

為自動觀測日照時數(shù)，

Y

為人工觀測日照時數(shù)，

r

為相關系數(shù)。

2 分析評估

2.1 數(shù)據(jù)完整性評估

日照數(shù)據(jù)完整性評估主要是針對日照自動觀測的缺測率進行評估。萬州國家基本氣象站嚴格按照《光電式數(shù)字日照計觀測規(guī)范（試行）》的相關規(guī)定進行光電式數(shù)字日照計的安裝調(diào)試、巡視維護及數(shù)據(jù)監(jiān)控，2019年全年未出現(xiàn)日照分鐘數(shù)據(jù)缺測現(xiàn)象。2019年日照自動觀測和人工觀測的缺測率均為0%，數(shù)據(jù)完整性良好。

2.2 小時日照時數(shù)一致性分析

光電式數(shù)字日照計小時累計日照時數(shù)以分鐘為單位，按照小時內(nèi)每累計6 min有日照則記錄為0.1 h，剩余有日照的分鐘數(shù)達到或超過3 min也記錄為0.1 h。而暗筒式日照計則是根據(jù)日照紙上感光跡線的長度來計算日照時數(shù)，每6 min記為0.1 h。根據(jù)中國氣象局綜合觀測司下發(fā)的《日照平行觀測業(yè)務技術規(guī)定》，當光電式數(shù)字日照計小時內(nèi)的日照時數(shù)連續(xù)累計達到或超過3 min，或者暗筒式日照計小時內(nèi)的日照時數(shù)累計達0.1 h，則需進行小時內(nèi)日照時數(shù)的一致性分析，以便了解光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計觀測的差異。故樣本中剔除了自動和人工小時日照時數(shù)均為0.0的樣本。按照上述條件，萬州站2019年共有1605個有效樣本值參與統(tǒng)計，自動和人工小時日照的絕對誤差為0.1 h，相關系數(shù)為0.88，通過了

α

=0.01的顯著性檢驗，體現(xiàn)了兩者較好的一致性。

2.3 逐日日照時數(shù)一致性分析

同樣按照業(yè)務規(guī)定，當光電式數(shù)字日照計全天的日照時數(shù)連續(xù)累計達到或超過3 min，或者暗筒式日照計全天的日照時數(shù)累計達0.1 h，則需進行全天日照時數(shù)的一致性分析，同樣剔除全天自動和人工日照時數(shù)均為0.0的天數(shù)，2019年共參與統(tǒng)計的有效樣本數(shù)為220 d。自動和人工逐日日照時數(shù)散點圖如圖1。經(jīng)統(tǒng)計，其絕對誤差為0.46，相關系數(shù)為0.99，通過

α

=0.01的顯著性檢驗。體現(xiàn)了兩者具有較好的一致性。

自動和人工逐日日照時數(shù)的差值分布情況如圖2。就兩者日照時數(shù)差值而言，相同的天數(shù)占7%，自動觀測日照時數(shù)大于人工觀測日照時數(shù)的天數(shù)占72%，自動觀測日照時數(shù)小于人工觀測日照時數(shù)的天數(shù)占21%。相對差值方面，相對差值在±10%內(nèi)占57%，大于100%的占19%，其中日照時數(shù)相對差值大于100%的情況是屬于自動觀測有日照，而人工觀測日照時數(shù)為0.0 h。總體而言，自動觀測日照時數(shù)大于人工觀測，兩者一致性較好。

圖1 自動觀測與人工觀測逐日日照時數(shù)散點圖Fig. 1 Scatter diagram of daily of sunshine observed automatically and manually

圖2 逐日日照時數(shù)差值（a）及相對差值（b）分布Fig.2 Distribution of difference (a) and relative difference (b)of daily sunshine hours

2.4 逐月日照時數(shù)一致性分析

利用2019年1—12月逐月日照時數(shù)進行統(tǒng)計分析，自動和人工逐月日照時數(shù)絕對誤差為4.98 h，相關系數(shù)為0.99，通過

α

=0.01的顯著性檢驗。從自動觀測與人工觀測逐月日照時數(shù)對比來看，除2、12月自動日照時數(shù)較人工略偏少外，其余月份自動日照時數(shù)均大于人工日照時數(shù)。從相對差值來看（表1），除1月外，其余月份的自動觀測和人工觀測日照均比較接近，相對差值絕大部分在-1%～10%（光電式日照計測量性能的最大允許誤差為月觀測數(shù)據(jù)±10%），較逐日日照時數(shù)的相對差值分布更集中。

3 自動與人工觀測日照時數(shù)差異原因

3.1 觀測方法影響

自動日照觀測采用的是DFC2型光電式數(shù)字日照計，它是采用置于光學鏡筒內(nèi)的3個同軸光電感應器同時對總輻射和散射輻射進行自動連續(xù)觀測，然后根據(jù)計算出的直接輻照度來判斷有無日照，如直接輻照度≥120 W/m則作為有日照，將時間累計，即可得到每小時與每天的日照時數(shù)，其分辨率為1 min。

表1 2019年自動觀測與人工觀測逐月日照時數(shù)差值Table 1 Monthly sunshine hours difference between automatic observation and manual observation in 2019

人工日照采用暗筒式日照計，它是利用太陽光通過儀器兩側(cè)的小孔射入筒內(nèi)，在涂有感光藥劑的日照紙上呈現(xiàn)出感光跡線，根據(jù)跡線長度來計算日照時數(shù)，其分辨率為6 min，6 min計算為0.1 h。而日照紙感光是否正確與多方面因素有關，如日照紙的質(zhì)量、感光劑（枸櫞酸鐵銨）及顯影藥（赤血鹽）的質(zhì)量、配制比例、涂藥方法、浸泡時間等都是造成測量誤差的主要原因，同時日照紙上的感光劑對于太陽直接輻照度缺乏固定準確的感應閾值，從而使獲得的日照時數(shù)的客觀準確性難以得到有效保證。相比較而言，光電式日照計能夠排除各類人為因素影響，所獲取的日照時數(shù)更加具有客觀性和準確性。

3.2 時差影響

由于日照自動觀測和人工觀測采用的觀測時制不同，故兩者存在一定的時差。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的規(guī)定，自動觀測日照采用的是地方平均太陽時，人工觀測日照采用的是真太陽時。真太陽時等于地方平均太陽時加上時差，根據(jù)2019年天文年歷可查詢每天的時差，時差在－14～16 min。而在有日照的情況下時差可能會導致兩種觀測方式的小時日照時數(shù)具有一定的差異，若3 min≤時差＜9 min，小時日照時數(shù)可能會出現(xiàn)0.1 h的差異；9 min≤時差＜15 min，小時日照時數(shù)可能會出現(xiàn)0.2 h的差異等。但此種情況主要發(fā)生在跨正點有日照且不是連續(xù)2 h全日照情況下出現(xiàn)，對全天總的日照時數(shù)無影響。

3.3 天氣狀況影響

日照時數(shù)多少受天氣現(xiàn)象、能見度、云量、云狀、云高及大氣透明度等的影響，不同的天氣狀況對日照的影響程度不同。據(jù)張緯敏等研究，人工暗筒式日照計的日照紙在晴天時的感光閾值為270～300 W/m，而在地平線渾濁時的感光閾值為130～145 W/m，光電式數(shù)字日照計的感光閾值為96～144 W/m。由于感光閾值不同，在霧霾天氣、天空較為渾濁垂直能見度較低或太陽光透過較薄云層時，太陽光照強度一般較弱，光電式數(shù)字日照計比暗筒式日照計更精確地感光，此時自動日照時數(shù)一般大于人工日照時數(shù)，同理，在日出后或日落前也會出現(xiàn)同種情況。但是在多云天氣且云量變化較快或云的移速較快的情況下，地面接收到的直接輻射強度變化也較快，光電式數(shù)字日照計分辨率高能準確識別輻射強度變化，而人工日照紙上的感光跡線多呈點狀，此時人工劃線大多直接將點狀描劃成連續(xù)直線而造成人為誤差，導致自動日照時數(shù)小于人工日照時數(shù)。

4 結(jié)論

1）2019年全年自動觀測和人工觀測日照時數(shù)均無缺測，完整性良好。自動觀測和人工觀測日照時數(shù)在逐小時、逐日、逐月方面相關一致性均較好，自動觀測日照總時數(shù)總體上大于人工觀測日照總時數(shù)，但在多云天氣且云量變化較快或云的移速較快的情況下，自動日照時數(shù)小于人工日照時數(shù)。

2）自動觀測與人工觀測日照時數(shù)差異產(chǎn)生的原因主要有3個方面：一是自動觀測和人工觀測日照采用的儀器和觀測方法不同；二是自動觀測和人工觀測日照采用的觀測時制不同；三是不同的天氣狀況對日照的影響程度不同。

3）光電式數(shù)字日照計較暗筒式日照計靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動連續(xù)觀測，提高日照測量精度，能有效地排除人為因素影響，觀測數(shù)據(jù)更具有客觀性和準確性。當然，為更好地了解2種觀測方式所獲取的資料序列差異，還可進行更長時間的平行觀測，積累更多的資料予以分析，為氣候分析、科學研究和氣象服務提供重要依據(jù)，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。