臺站遮擋對日照觀測數(shù)據(jù)的一致性影響與訂正方法研究*

葉 冬 申彥波 王傳輝 陳 鵬

1 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081 2 安徽省公共氣象服務中心，合肥 230031 3 巫山縣氣象局，重慶巫山 401147

提 要：利用臺站觀測場周圍360°遮擋仰角和云量觀測數(shù)據(jù)，分析了臺站遮擋對日照觀測數(shù)據(jù)的一致性影響，從太陽高度角和遮擋物仰角的相對關系、云對遮擋比例的修正兩個方面，建立了云天氣象條件下臺站遮擋日照時數(shù)的訂正方法。以重慶巫山站為例，對2004—2013年期間有嚴重遮擋情況下的日照時數(shù)進行了遮擋計算和訂正，通過遮擋期間及前、后兩個未遮擋時段的縱向對比，以及與地形和氣候條件相近的湖北建始站的同期橫向對比，對訂正效果進行了檢驗，結果表明：巫山站觀測場周圍遮擋物影響了日照時數(shù)觀測，使觀測數(shù)據(jù)前后產(chǎn)生明顯的不一致；2004—2013年期間平均被遮擋的日照時數(shù)為218.0 h·a-1，遮擋比例達13.1%，受天氣條件的對沖影響，夏半年遮擋影響可能高于冬半年；從縱向和橫向兩個方面的間接對比檢驗看，本文所建立的訂正方法既計算了遮擋物自身的影響，又考慮了云天條件下對遮擋比例的修正，訂正結果基本合理，可以相對準確地還原被遮擋的日照時數(shù)。

引 言

近年來，隨著城市化進程等因素的影響，氣象臺站周圍人造建筑對氣象臺站觀測的風、氣溫、濕度、日照時數(shù)等產(chǎn)生不同程度的影響(司鵬等，2018；溫康民等，2019；王楠等，2019)，建筑物遮擋成為中國及世界各國氣象觀測和氣候變化研究中遇到的普遍問題。日照時數(shù)作為國家級氣象臺站基本觀測要素，其變化在農(nóng)作物生長、太陽能資源評估、氣候變化研究等方面都具有廣泛的應用(梁玉蓮等，2017；信志紅等，2019)。

為消除城市化進程對氣象觀測帶來的影響，中國多數(shù)國家級氣象臺站均進行過遷站，在過去的60年里，有近80%的氣象臺站遷過站(周建平等，2013；房一禾等，2016)，同時遷站又會引起數(shù)據(jù)的非均一性(魏娜等，2012；崔妍等，2019；Squintu et al, 2020)。太陽輻射和日照時數(shù)隨地形、氣候等因素存在明顯的區(qū)域差異(李傳華和趙軍，2012；閔敏和吳曉，2020；Lukose and Dutta,2020)，一旦受到建筑物遮擋很難利用周圍站點進行準確插值。近年來我國學者對日照時數(shù)的變化及影響因素進行了大量研究(趙娜等，2012；楊春宇等，2017；符傳博和丹利，2018)，其中一些學者意識到很多臺站的日照時數(shù)不同程度受到建筑物遮擋(楊志彪和陳永清，2010；葉冬等，2014；孫朋杰等，2017)。葉冬等(2014)利用吐魯番氣象站周邊6座典型建筑物的方位角、高度及其與觀測場的距離，建立了氣象站周邊建筑對日照時數(shù)影響的定量計算方法，認為冬季太陽高度角低，日照被遮擋最嚴重，秋季次之，春、夏季較輕。孫朋杰等(2017)在此基礎上，利用武漢氣象觀測站遷站前、后周邊觀測仰角記錄，定量分析實際狀況下周邊環(huán)境對日照觀測的影響，為建筑物遮擋訂正提供了新的思路。

巫山站地處中國西南地區(qū)，位于重慶市的東北部，1961—2002年氣象站周邊沒有大型人為建設活動，探測環(huán)境基本沒有受到影響。2003年開始，隨著國家三峽工程建設不斷推進，巫山縣城整體遷移，很多單位和大量移民隨之搬遷，安置房大規(guī)模建設。2003—2004年氣象站周圍先后建起了安置房，致使觀測場四周均被嚴重遮擋。巫山站作為城市化發(fā)展和城市建設需要而產(chǎn)生日照觀測被建筑物遮擋的典型，具有以下三方面特點：其一，在受建筑物遮擋前探測環(huán)境未受影響；其二，站點周圍建筑物出現(xiàn)時間非常集中，為計算建筑物遮擋日照時數(shù)提供理想條件；其三，2015年開始啟用的新站與搬遷前的氣候、地形等特點相似，且不受遮擋影響。有鑒于此，巫山站是日照觀測被建筑物遮擋的典型站點，本文以巫山站為例，研究臺站遮擋對日照觀測數(shù)據(jù)的一致性影響，建立訂正方法，對城市化進程中的建筑物對日照時數(shù)的影響進行訂正，以期還原實際的日照時數(shù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文使用的資料包括重慶巫山站和湖北建始站1993—2019年逐日日照時數(shù)及巫山站逐日總云量數(shù)據(jù)，均來自于國家氣象信息中心。巫山站遷站前的探測環(huán)境和臺站遮蔽角數(shù)據(jù)來自該站2007年的《氣象臺站觀測環(huán)境綜合調查評估報告書》(劉建平等，2007)，巫山站遷站后探測環(huán)境和臺站遮蔽角數(shù)據(jù)來自該站2013—2014年編制的《站址勘測報告書》(吳曉梅等，2014)；建始站的探測環(huán)境和臺站遮蔽角數(shù)據(jù)來自該站2013年的《地面氣象觀測站探測環(huán)境調查評估報告書》(謝允等，2013)。

在1993—2019年，巫山站于2003年之前探測環(huán)境基本未受影響，2003—2004年氣象站四周先后建起了安置房，致使觀測場四周均被嚴重遮擋(圖1a)，最大仰角達到34.5°(圖2a)，2013年探測環(huán)境評分僅為54.8(表1)，2015年1月1日開始啟用新站址(距離原站址1.36 km)，觀測場四周無人為遮擋物(圖1b)，僅受地形影響，最大仰角為9.8°(圖2b)，2015年對新站的探測環(huán)境評分為91.3(表1)。在巫山站附近的國家級氣象臺站中，建始站與巫山站處于同一氣候區(qū)，海拔高度相近，直線距離相差54.6 km，在1993—2019年未進行過遷站，周圍環(huán)境變化不大，探測環(huán)境良好，2013年探測環(huán)境評分高達92.2分(表1)，從觀測站周圍具體遮擋情況(圖略)可以看出，站點周圍的仰角均較低，且遮擋主要來自山體，近年來未發(fā)生變化，是探測環(huán)境保護較好的氣象觀測站點，可作為巫山站日照時數(shù)變化橫向對比的參證氣象站。

圖1 巫山站遷站前(a)、遷站后(b)16方位觀測環(huán)境對比

圖2 巫山站遷站前(a)、遷站后(b)仰角對比

表1 巫山站與建始站基本信息和探測環(huán)境評分

1.2 日照時數(shù)訂正方法

葉冬等(2014)給出了臺站周邊若干個典型建筑物遮擋日照時數(shù)的計算方法，在此基礎上，進一步改進得到一般遮擋物定量計算方法，主要包括兩個方面：一是由周邊若干個典型建筑物擴展到環(huán)360°方位角，計算所有遮擋物(包括人為建筑和地形等)的影響；二是定量考慮云對遮擋比例的影響。

按照國家級氣象臺站的管理規(guī)范(中國氣象局，2003)，各臺站均會定期測量地平圈遮蔽和人為障礙物仰角情況，測量時以觀測場中心距地1.5 m高度處為基準，獲得環(huán)360°方位角的間隔2°的遮蔽物仰角α0(結果見圖2)。利用站點所在位置經(jīng)緯度及時間可計算出太陽高度角α和方位角β，比較該方位角處對應的遮擋物仰角α0，如果α<α0，則此刻太陽被遮擋，日照時數(shù)無觀測。在計算時，時間步長取1 min，計算逐分鐘的遮擋情況。每日的日照遮擋比例系數(shù)rt計算方法如下：

(1)

式中：h0為不考慮遮擋時的日天文可照時數(shù)，可根據(jù)天文方程計算得到；h0a為考慮遮擋后的日可照時數(shù)，可在h0基礎上結合各方位遮擋物仰角計算得到；ht為遮擋物的日理論遮擋時數(shù)。

為還原無遮擋時的逐日日照時數(shù)hrc，可利用氣象臺站觀測到的逐日日照時數(shù)hr，采用式(1)逐日日照遮擋比例系數(shù)rt進行反推得到，計算方法如下：

(2)

上述方法可得到理想情況下無遮擋時的日照時數(shù)，但該方法未考慮云的影響，在實際應用中得到的結果較真實情況偏大(葉冬等，2014)。究其原因，是因為日照不僅受地面遮擋物的影響，還會受到云的遮擋。晴天無云情況下，日照主要受地面遮擋物的影響，式(1)可以基本反映遮擋物的影響比例；而云天情況下，日照首先會受到云的遮擋，地面難以記錄到有日照時數(shù)，此時地面遮擋物的影響將趨近于無，不應再被記入遮擋比例。而巫山站地處西南盆地，全年多云和陰雨日數(shù)較多，晴天比例較少(汪衛(wèi)平等，2017)，這種情況更為突出。為此，根據(jù)云量與日照時數(shù)的反相關關系，本研究引入總云量修正因子，調整計算方法如下

(3)

式中：cl為日平均總云量(單位：%)，cl=0為無云情況，等同式(2)，cl=100為100%云覆蓋，地面遮擋物對日照時數(shù)無影響。

表2給出了巫山站3種典型天氣條件下日照時數(shù)的試驗訂正結果，從表中可以看出，5月中旬前后，僅考慮遮擋物影響的日照時數(shù)訂正比例均在28%左右。晴天情況下，總云量為0，對訂正比例無影響；多云情況下，考慮總云量修正后，日照時數(shù)的訂正比例由28%降低為12%；陰天情況下，考慮總云量修正后，則認為地面遮擋物對日照時數(shù)沒有影響。

表2 2010年5月巫山站典型天氣狀況下訂正前后日照時數(shù)對比

由此可見，上述方法既考慮了地面遮擋物對日照時數(shù)的理論影響，又對云天條件下的實際遮擋比例進行了修正，可在較大程度上還原臺站未遮擋時的日照時數(shù)。本文采用該方法，對巫山站周圍出現(xiàn)大量遮擋物時段(2004—2013年)的日照時數(shù)進行逐日訂正，由于該站周邊的建筑物是在2003年前后集中建設，建成后基本穩(wěn)定，臺站周邊環(huán)境在遷站前基本未再發(fā)生變化，因此，在訂正過程中對每年的360°仰角均按圖2a取值，對總云量則按實際觀測數(shù)據(jù)取值。

1.3 對比檢驗方法

對于遮擋時段的日照時數(shù)訂正結果，現(xiàn)實中并無同一時間、同一地點的未遮擋日照時數(shù)“真值”可用于直接檢驗，也無法人為設定一段遮擋時間進行模擬檢驗，因此，本文擬從縱向對比和橫向對比兩個角度對訂正結果進行間接檢驗。

縱向對比是從時間變化上對訂正結果進行間接檢驗，即對同一臺站不同時段內的日照時數(shù)及其變化進行前后對比。根據(jù)巫山站周圍出現(xiàn)建筑物遮擋及遷站的時間節(jié)點，將研究時段分為3個階段：第一階段,巫山站周圍出現(xiàn)大量遮擋物之前10 a，即1993—2002年；第二階段,周圍出現(xiàn)大量遮擋物期間的10 a，即2004—2013年；第三階段,遷移到新站址后的5 a，即2015—2019年。

期間，2003年為遮擋物逐漸出現(xiàn)的時段，2014年為搬遷過渡時間，為簡化問題，對這兩年不進行分析和計算。通過將巫山站第二階段的日照時數(shù)與第一、三兩個階段進行前后比較，間接檢驗第二階段訂正結果的合理性。

橫向對比是從空間分布上對訂正結果進行間接檢驗，即對目標臺站和參證臺站在同一時段內的日照時數(shù)及其變化進行對比。本文中，目標臺站是巫山站，參證臺站是建始站，通過對比兩站同期的日照時數(shù)及其變化特征，間接檢驗巫山站第二階段訂正結果的合理性。

在對比過程中，對平均值差異的顯著性檢驗使用t檢驗，對方差的顯著差異檢驗采用F檢驗(魏鳳英，2007)。

2 結果分析

2.1 日照時數(shù)年際變化

2.1.1 縱向對比

圖3a給出了巫山站觀測到的逐日日照時數(shù)年際變化，由圖可見，巫山站日照時數(shù)存在明顯不連續(xù)性，第一、三兩個階段處于相近的水平，第二階段的日照時數(shù)明顯偏低。同時，訂正前第二階段逐日日照時數(shù)的平均值與訂正后及第一階段的平均值均存在顯著差異，差異性均通過了0.01顯著性水平檢驗，表明訂正前的數(shù)據(jù)與訂正后及第一階段數(shù)據(jù)存在顯著差異。而訂正后的逐日日照時數(shù)的平均值與第一階段的平均值差異不顯著(未通過0.05顯著性水平檢驗)。第二階段訂正前的逐時日照時數(shù)的方差與訂正后及第一階段均呈顯著差異(通過0.05顯著性水平檢驗)，而訂正后的逐日日照時數(shù)的方差與第一階段差異不顯著(未通過0.05顯著性水平檢驗)。可見，訂正后，第二階段的日照時數(shù)顯著提高(圖3b)，與第一階段處于相同水平，時間序列、平均值及方差上的一致性得到明顯改善。

圖3 1993—2019年訂正前(a)、訂正后(b)巫山站逐日日照時數(shù)變化

從訂正前后巫山站年日照時數(shù)變化看(表3)，第一階段的10 a中，存在8 a日照時數(shù)超過1 500 h，年平均日照時數(shù)為1 685.3 h，第三階段的5 a中超過1 500 h 的年份有3 a，年平均日照時數(shù)為1 533.8 h。訂正前，第二階段的10 a僅有3 a在1 500 h 以上，年平均日照時數(shù)為1 444.0 h，訂正后，超過1 500 h的有8 a，年平均日照時數(shù)為1 662.0 h，年平均遮擋小時數(shù)為218.0 h，遮擋比例達13.1%。無論是年平均日照時數(shù)，還是超過1 500 h 的年數(shù)均與第一階段相當，可見，經(jīng)過訂正后的巫山站日照時數(shù)與前后兩個階段無遮擋時段的年際變化趨勢更為一致。

表3 1993—2019年巫山站和建始站逐年日照時數(shù)(單位：h)

2.1.2 橫向對比

將巫山站的日照時數(shù)與選取為參證站的建始站做橫向對比。圖4給出了訂正前后巫山站分別與建始站日照時數(shù)差值的年際變化，結合表3給出的巫山站和建始站逐年日照時數(shù)可以看出，訂正前后，巫山站各年日照時數(shù)均較建始站偏多，偏多最多的年份出現(xiàn)在1999年，為612.5 h。第二階段有遮擋物期間，訂正前兩站的差值異常偏小，最小值出現(xiàn)在2005年，僅為20.1 h；訂正后兩站的差值明顯增大，整體上介于第一、三階段之間，趨于正常。

圖4 1993—2019年訂正前后巫山站與建始站日照時數(shù)差值年際變化

為便于比較，表4給出了訂正前后巫山站與建始站各階段日照時數(shù)平均偏差。在訂正前，1993—2019年兩站平均差值為287.5 h，訂正后該差值為374.7 h；而在第二階段有遮擋物的10 a內，兩站的差值在訂正前降到162.7 h，僅為前后兩個階段的一半，而訂正后則提升至380.7 h，與前后兩個階段較為一致。

表4 1993—2019年各階段巫山站與建始站日照時數(shù)平均偏差(巫山站減去建始站，單位：h)

2.2 日照時數(shù)年變化

2.2.1 縱向對比

圖5是巫山站三個階段多年平均日照時數(shù)的逐月變化曲線，表5給出了三個階段年平均冬、夏半年日照時數(shù)及占全年百分比的統(tǒng)計值，由圖表可見，訂正前，第二階段(2004—2013年)有10個月的日照時數(shù)均明顯低于第一階段，7月偏低最多，達52.0 h，平均每天偏少近2 h，體現(xiàn)出地面遮擋物的顯著影響。從相對值來看，三個階段夏半年日照時數(shù)占全年日照時數(shù)的比例分別為64.4%、64.1%、66.7%，冬半年的比例分別為35.6%、35.9%、33.2%，第二階段有人為建筑物遮擋期間，夏半年的比例略低于前后兩個階段，而冬半年的比例則略高于前后兩個階段，說明夏半年的日照時數(shù)遮擋影響可能要略高于冬半年。究其原因，盡管從理論上而言冬半年的太陽高度角較夏半年低，建筑物遮擋的可能性更大，但由于巫山站地處四川盆地，冬半年多陰雨和大霧天氣(代娟等，2015)，日照稀少，日平均僅有3 h多，且大多出現(xiàn)在正午前后太陽高度角較高時段，地面遮擋物的影響反而較小，而夏半年的日平均日照時數(shù)有6 h左右，日出之后日落之前一段時間內的日照被遮擋的可能性較大，季節(jié)之間的天氣差異對日照的影響抵消了一部分地面遮擋物的影響，因而造成了夏季遮擋反而略高于冬季。

表5 1993—2019年巫山站三個階段年平均冬、夏半年日照時數(shù)及占全年百分比統(tǒng)計

圖5 1993—2019年巫山站三個階段日照時數(shù)逐月變化

訂正后，如前所述，第二階段的日照時數(shù)年總量恢復到了與前后兩個階段相當?shù)乃剑鱾€月份的日照時數(shù)也均有不同程度的提高，訂正后的年變化曲線與第一階段十分接近，說明各月的訂正效果總體較好。但夏半年的比例卻進一步降低到63.7%，冬半年的比例則進一步提升至36.3%，說明本文目前所采用的訂正方法在巫山站這樣陰雨天氣較多的地區(qū)應用時，盡管考慮了云的影響，但可能權重還不夠，使得夏半年的訂正效果略弱于冬半年，下一步還有必要針對不同的氣候區(qū)域發(fā)展更有針對性的訂正方法。

2.2.2 橫向對比

圖6對比了巫山站和建始站三個階段多年平均的日照時數(shù)逐月變化，表6是兩站三個階段夏、冬半年日照時數(shù)差異的統(tǒng)計結果，從圖表中可以看出，第一、三兩個階段，巫山站的日照時數(shù)在各月份均高于建始站，兩站的差異比較明顯，且各月的差異變化不大，近似是兩條平行線，反映出兩地氣候特征上的基本異同點。

表6 1993—2019年三個階段冬夏半年兩站日照時數(shù)之差統(tǒng)計(巫山站減去建始站，單位：h)

圖6 1993—2002年(a)，2004—2013年(b)，2015—2019年(c)巫山站和建始站日照時數(shù)逐月變化曲線

訂正前，第二階段兩站的差異縮小很多，巫山站8月的日照時數(shù)甚至低于建始站。從夏、冬半年的統(tǒng)計值來看，兩站夏半年的差值在第二階段下降非常明顯，由第一階段的214.2 h下降到49.0 h，冬半年雖然也有明顯下降，從178.9 h到113.7 h，但下降的幅度要低于夏半年，進一步說明地面遮擋物對巫山站夏季日照時數(shù)的影響要高于冬季。

訂正后，第二階段兩站的差異，夏半年由49.0 h 提升至181.3 h，但仍低于第一階段，冬半年由113.7 h 提高到200.4 h，高于第一階段，同樣說明本文的訂正方法在巫山站應用時可能存在著夏半年訂正稍微偏弱，而冬半年則略有偏強的不足之處。

3 結論與討論

本文針對臺站遮擋對日照影響進而引起的觀測資料不一致問題，研究建立了日照時數(shù)訂正方法，以重慶巫山站為例進行了訂正試驗，并采用縱向、橫向兩種方式對訂正結果進行檢驗，主要結論如下：

(1)本文所建立的日照時數(shù)訂正方法,一方面采用臺站周圍360°仰角數(shù)據(jù)，充分考慮所有遮擋物的影響，另一方面引入云的影響修正因子，區(qū)分不同天氣條件下遮擋物的實際影響程度，從而在較大程度有效還原臺站未遮擋時的日照時數(shù)。

(2)就巫山站而言，2003年前后在觀測場周圍密集建設的安置房嚴重影響了日照時數(shù)觀測，使觀測數(shù)據(jù)前后產(chǎn)生明顯的不一致，2004—2013年期間平均被遮擋的日照時數(shù)為218.0 h·a-1，遮擋比例達13.1%。從季節(jié)變化看，由于巫山站冬半年日照時數(shù)遠低于夏半年，季節(jié)之間的天氣差異對日照的影響抵消了一部分地面遮擋物的影響，冬半年受影響程度可能反而略低于夏半年。

盡管獲得以上定性和定量結論，但本文仍存在以下幾個問題需要討論，并值得進一步深入研究：(1)對于已經(jīng)受遮擋的臺站實測資料(不僅是日照)而言，在現(xiàn)實中并無同一時間、同一地點的“真值”存在，可用于一致性修正或訂正效果直接檢驗。盡管本文采用了縱向、橫向兩種方式對訂正結果進行間接檢驗，但在縱向對比時無法避免自然氣候變化帶來的影響，在橫向對比時又不能完全排除兩個臺站在氣候特征上的固有差異，導致結果分析中仍然存在較多不確定因素。(2)在文中日照時數(shù)年變化的分析中發(fā)現(xiàn)，本文所建立的訂正方法，盡管對云的影響進行了修正，但在巫山站的應用中，可能仍存在著冬半年的訂正效果強于夏半年，而總體訂正結果略偏高的問題。究其原因，一方面可能是在式(3)中只考慮了總云量修正，而云狀、云高、云厚等因素對日照時數(shù)的影響則未考慮；另一方面則可能在于巫山地區(qū)除了云對日照時數(shù)有重要影響外，霧、霾等特殊天氣的比例也較高，對日照時數(shù)同樣有影響，也需要進行修正。因此，下一步有必要在本文研究的基礎上，對不同地區(qū)，進一步考慮其天氣氣候特征，建立更適用于本地的日照時數(shù)訂正方程。(3)全國大部分臺站從2014年開始取消人工云量觀測，本方法可應用于2014年以前有同期人工云量觀測情況下的日照時數(shù)訂正，對于2014年之后無人工云量觀測的情況，其訂正方法還有待進一步研究。另外，隨著衛(wèi)星資料的應用及部分觀測站全天空成像儀的布設，也可以得到云量數(shù)據(jù)(鄧松等，2017)，但該數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)一致性如何還有待更多驗證，為此，基于衛(wèi)星反演及自動觀測的云量數(shù)據(jù)，利用本文的方法對日照時數(shù)進行訂正的合理性還有待進一步研究。

致 謝：感謝湖北省氣象局提供建始站2013年探測環(huán)境調查評估情況。