DFC1型光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計日照時數(shù)的對比分析

馬天光 郭鳳娟

摘??要：為了能夠清楚理解日照自動觀測與人工觀測的差異，文章對克拉瑪依國家基本氣象站2019年1-6月（平行觀測期）DFC1型光電式數(shù)字日照計（以下稱自動觀測）和暗筒式日照計（以下稱人工觀測）的日照時數(shù)數(shù)據(jù)進行對比分析。結果表明：（1）DFC1型光電式數(shù)字日照計在克拉瑪依國家基本氣象站運行中無分鐘觀測數(shù)據(jù)缺測，設備運行穩(wěn)定可靠。（2）自動觀測的日照值總體趨勢要高于人工觀測日照值，但不同季節(jié)的差值有所不同。春季日照時數(shù)的自動觀值與人工觀測值平均差值最小，一致性最好;夏季次之，冬季差異明顯;而且冬季自動觀測比夏季更突顯其優(yōu)勢。（3）自動觀測的感光明敏度要比人工觀測高，明顯體現(xiàn)在日出和日落時段以及無光照和弱光照天氣時刻?？偠灾?，DFC1型光電式數(shù)字日照計在克拉瑪依國家基本氣象站運行過程中和傳統(tǒng)的人工觀測日照具有非常好的相關性和良好的數(shù)據(jù)可比性，并且運行相當穩(wěn)定，使得克拉瑪依的日照時數(shù)的觀測精度更精確，數(shù)據(jù)可靠性更好，主要顯著改善了克拉瑪依冬季的日照時數(shù)的觀測精度。

關鍵詞：日照時數(shù);光電式數(shù)字日照計;暗筒式日照計;對比分析

日照時數(shù)是非常重要的氣象觀測要素之一，對天氣和氣候的形成和發(fā)展有重要影響，也是植物光合作用必不可少的條件，因此，日照時數(shù)的觀測在農業(yè)和氣象應用研究方面有著尤為重要的地位[1-2]。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范定義，日照時數(shù)是指在給定的時間，太陽直接輻照度達到或超過120?瓦/平方米?的時間總和[3]。所以，氣象觀測臺站使用的觀測手段和儀器不同會對日照時數(shù)的觀測結果有很大的影響。目前，中國氣象局對于日照的的觀測手段主要分為人工觀測和自動觀測。克拉瑪依國家基本氣象站在2019年之前，一直采用暗筒式日照計進行日照時數(shù)的人工觀測。杜傳耀、高青芳等研究表明，人工觀測過程中需要配置感光劑、涂制感光紙、換紙、劃線和讀數(shù)等，環(huán)節(jié)多，易產生誤差，觀測準確度受人為影響較大，與氣象現(xiàn)代化發(fā)展需求不匹配[4-5]。所以，日照時數(shù)的觀測實現(xiàn)自動化既是提高觀測準確度的保障，也是實現(xiàn)地面氣象觀測自動化的重要內容之一。

克拉瑪依國家基本氣象站根據(jù)中國氣象局的建設規(guī)劃于2018年11月20號完成了DFC1型光電式數(shù)字日照計的安裝建設和調試。并于2019年1月1日—2019年6月30日開展平行對比觀測，以獲取人工與自動觀測數(shù)據(jù)的差異。

克拉瑪依市地形特殊，天氣滯后于周邊的地區(qū)，導致氣候特征也不同于周邊地區(qū)[6]。杜冰等2020年相關研究表明，不同的地形和氣候對人工和自動觀測的影響不同[7]。所以本文對克拉瑪依國家基本氣象站日照平行觀測期間的數(shù)據(jù)資料進行分析，評估日照自動觀測與人工觀測的差異規(guī)律，一方面可為克拉瑪依國家基本氣象站今后日照時數(shù)資料的序列銜接應用提供重要參考依據(jù)，另一方面為日照自動化觀測進一步改進的研究提供重要參考資料。

1?資料與方法

1.1?數(shù)據(jù)資料來源

資料來源于新疆克拉瑪依國家基本氣象站，位于克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)氣象局內。日照觀測儀器有兩種。一種為暗筒式日照計（以下其觀測手段稱為“人工觀測”，觀測數(shù)據(jù)稱為“人工日照”），另一種為DFC1型光電式數(shù)字日照計（以下其觀測手段稱為“自動觀測”，觀測數(shù)據(jù)稱為“自動日照”）。兩種日照觀測儀器安裝在同一觀測場內，相距1?m，測量環(huán)境一致。數(shù)據(jù)資料選取2019年1—6月（平行觀測期間，人工和自動觀測資料完整）。

1.2?觀測儀器資料

暗筒式日照計工作原理是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內，使日照紙上涂抹的感光物質發(fā)生化學反應，從而在日照紙上留下感光跡線，人工讀取跡線長度就得到了一天的日照時長。人工觀測值精度為0.1?h（6?min）。

DFC1型光電式數(shù)字日照計工作原理是采用置于光學鏡筒中的三個同軸光電感應器對總輻射和散射輻射進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度來判斷當前分鐘有無日照（若直接輻照度≥120?W*m-2?則判當前分鐘有日照）。然后根據(jù)分鐘日照時數(shù)累計來計算小時和日累計日照時數(shù)。自動觀測值精度為1?min。

1.3?對比分析內容和方法

本文使用克拉瑪依國家基本氣象站2019年1—6月共6個月的自動和人工觀測日照時數(shù)資料，首先進行數(shù)據(jù)完整性檢查，其次進行月、日和小時的日照時數(shù)一致性和靈敏度對比分析。

完整性檢查方法為：采用日照分鐘缺測率指標。

計算公式為：日照分鐘缺測率=（觀測缺測分鐘數(shù)/應觀測總分鐘數(shù)）×100%

一致性評估方法為：采用日照時數(shù)的差異趨勢和相關系數(shù)指標。

2?結果與分析

2.1?數(shù)據(jù)完整性對比分析

以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，在數(shù)據(jù)篩選檢查階段對1—6月自動和人工日照時數(shù)的缺測率進行了統(tǒng)計檢查。統(tǒng)計檢查結果顯示均無數(shù)據(jù)缺測。結果表明，DFC1型光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計一樣運行穩(wěn)定。

2.2?數(shù)據(jù)一致性對比分析

2.2.1?日照時數(shù)逐月趨勢對比

圖1為2019年1月至6月自動觀測與人工觀測逐月總日照時數(shù)的趨勢對比圖。從圖1中可以看出，自動觀測的日照值總體趨勢要高于人工觀測日照值，1至6月自動觀測日照值的累計值比人工觀測累計值多39.9?h。其中，1月和2月的差值最大，自動觀測日照值要比人工觀測日照值最大多28.6?h;3至5月的差值最小，自動觀測日照值要比人工觀測日照值最小多0.9?h;6月人工觀測日照值比自動觀測值多12.4?h。由此可見，自動觀測與人工觀測的差值冬季最大，夏季次之，春季最小;冬季自動觀測明顯高于人工觀測日照值，夏季人工觀測稍高于自動觀測，春季自動觀測和人工觀測一致度比較高。