基于江西省人工與自動觀測日照平行觀測數(shù)據(jù)分析評估

戴華玲，黃少平，王 迎，賴 亮

(江西省氣象信息中心，330096，南昌)

0 引言

氣象學(xué)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/m2的時間總和，以小時(h)為單位，取1位小數(shù)[1-2]。日照是地面氣象觀測的重要觀測項目之一，也是地球獲取太陽輻射最直接的方式，是表征當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r和氣候特點的重要氣象要素[3]，對監(jiān)測氣候變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的意義[4]。

目前人工觀測日照均采用暗筒式日照計作為觀測儀器，離不開人工操作，受人為因素影響，觀測數(shù)據(jù)主觀性強，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性難以保證[2]。隨著氣象現(xiàn)代化工作的發(fā)展，人工觀測日照已無法滿足現(xiàn)代化需求，采用測量精度高、靈敏度好的自動觀測日照儀器可以有效提高日照觀測準(zhǔn)確性和可比性。2018年12月，江西省93個國家級地面氣象觀測站全部完成光電式數(shù)字日照計的安裝并通過業(yè)務(wù)驗收。江西省經(jīng)綜合觀測司同意，全省所有國家級地面氣象觀測站自2019年1月1日起正式開展日照平行觀測。

1 基本情況

1.1 平行觀測開展時間

江西93個國家級地面氣象觀測站自2019年1月1日至2019年4月30日開展日照平行觀測第一階段工作，以人工觀測記錄為正式記錄; 自2019年5月1日(實際時間為2019年4月30日地方平均太陽時24時)起正式開展日照平行觀測第二階段，以自動觀測記錄為正式記錄。

1.2 日照平行觀測儀器設(shè)備

江西省國家級氣象觀測站日照人工觀測設(shè)備為暗筒式日照計(簡稱“人工觀測”，下同)。

江西省國家級氣象觀測站裝備的光電式數(shù)字日照計有DFC1、DFC3 2種型號(簡稱“自動觀測”，下同)。其中， DFC1型日照儀為江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)(簡稱“江蘇無錫”)，裝備南昌、九江、上饒、吉安、萍鄉(xiāng)、新余等6個設(shè)區(qū)市所轄共計49個臺站；DFC3型日照儀為中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)(簡稱“中環(huán)天儀”)，裝備宜春、贛州、景德鎮(zhèn)、鷹潭、撫州等5個設(shè)區(qū)市所轄共計44臺站。

光電式數(shù)字日照計能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動連續(xù)觀測，通過置于光學(xué)鏡筒中的3個同軸光電感應(yīng)器對總輻射和散射輻照進(jìn)行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度判斷有無日照，并按照規(guī)定數(shù)據(jù)格式輸出。日照閾值為直接輻射輻照度120 W/m2，閾值的最大允許誤差為±20%；年穩(wěn)定性為±5%。

2 數(shù)據(jù)來源與分析評估

選取2019年1—3月江西93個國家地面觀測站平行觀測資料進(jìn)行對比評估分析(簡稱“評估期”，下同)，以月為單位統(tǒng)計評估統(tǒng)計量，對比期3個月平均值作為評估分析指標(biāo)。在滿足資料完整性的基本條件下，按照平行觀測技術(shù)規(guī)定中的統(tǒng)計方法，分別從數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)一致性兩方面對人工觀測與自動觀測2種觀測方式獲取的日照時數(shù)資料序列進(jìn)行統(tǒng)計。

2.1 數(shù)據(jù)完整性評估

觀測數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，對各廠家儀器的數(shù)據(jù)完整性作月缺測率統(tǒng)計，對比期3個月平均值作為評估指標(biāo)。剔除非儀器原因與維護(hù)造成的缺測記錄，計算缺測率。

缺測率=(觀測缺測次數(shù)/應(yīng)觀測總次數(shù))×100%

全省平均缺測率為0.31%，最高的是共青城站14.71%。缺測率高于平均值的只有6站，其中，雷擊2站，電源故障1站，兼容性及穩(wěn)定性問題3站，具體見表1。

表1 評估期缺測率較高臺站情況統(tǒng)計表

DFC1型的平均缺測率0.34%，DFC3型為0.27%，總體上沒有明顯差異；但缺測率較高臺站中，DFC1型占2站(均為雷擊外因)，DFC3型占4站(主要為性能和兼容性)。江西93個臺站的光電日照計評估期設(shè)備運行總體穩(wěn)定，較大的故障主要集中在少部分站點，數(shù)據(jù)的完整較好。

2.2 數(shù)據(jù)一致性分析

2.2.1 小時日照時數(shù)一致性分析 當(dāng)光電式數(shù)字日照計小時內(nèi)日照時數(shù)連續(xù)累計時間達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內(nèi)日照時數(shù)累計達(dá)到0.1 h(即人工或自動有一方以上小時觀測到有0.1 h日照)，需進(jìn)行小時內(nèi)日照時數(shù)一致性分析。

時對比差=人工觀測日照小時數(shù)-自動觀測日照小時數(shù)

從對比差為-1.0、-0.9、-0,8…0.0…+0.8、+0.9、+1.0小時的21個對比差值的出現(xiàn)次數(shù)占進(jìn)行對比觀測小時數(shù)的百分比統(tǒng)計結(jié)果如圖1。對比差為0.0占總對比記錄的42.86%，對比差<0.0的占34.58%，對比差>0.0的占22.57%，基本呈現(xiàn)以對比差=“0”為中心略偏向負(fù)值的對稱分布，人工與自動觀測差異的分布屬于正常。

圖1 小時日照時數(shù)對比差分布圖

1)小時日照時數(shù)差值等于0。全省93站小時對比差為0.0的比例分布如圖2，平均值為42.86%，最高的為62.16%，最小的為28.42%。DFC1型的平均值為41.82%，DFC3型為43.80%，2種型號儀器基本一致。

圖2 不同型號儀器對比差為0所占比例分布圖

2)小時日照時數(shù)對比差值的絕對值≤0.2 h。全省93站小時對比差值的絕對值≤0.2 h比例分布如圖3，平均值為76.69%，最高的為93.12%，最小的為48.79%。DFC1型的平均值為75.63%，DFC3型為77.88%，2種型數(shù)字日照計基本一致。

圖3 不同型號儀器對比差值±0.2 h以內(nèi)所占比例分布圖

3)小時日照時數(shù)對比差值的絕對值≥0.3 h。全省93站小時對比差值的絕對值≥0.3小時比例分布如圖4，平均值為23.31%，最高的為51.21%，最小的為6.8%。DFC1型的平均值為24.37%，DFC3型為21.22%，2種型號儀器這個差異段存在一定差異。

圖4 不同型號儀器對比差值≥0.3 h所占比例分布圖

結(jié)果表明，各站人工觀測小時日照時數(shù)與自動觀測小時日照時數(shù)差值絕對值≤0.2 h所占比例77%左右，2種型號的自動觀測儀器性能總體一致。

2.2.2 日日照時數(shù)一致性分析 當(dāng)光電式數(shù)字日照計全天日照時數(shù)連續(xù)累計時間達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內(nèi)日照時數(shù)累計達(dá)到0.1 h(即人工或自動觀測有一方以上日日照時數(shù)達(dá)0.1 h)，需進(jìn)行全天日照時數(shù)一致性分析。

1)對比差的分布分析。日對比差=人工觀測日日照時數(shù)-自動觀測日日時數(shù)。

按日對比差分別為<-3.4 h、-3.4—-2.5 h、-2.4—-1.5 h、-1.4—-0.5 h、-0.4—0.4 h、0.5—1.4 h、1.5—2.4 h、2.5—3.4 h、>3.4 h等9個數(shù)據(jù)段的出現(xiàn)次數(shù)占有效觀測次數(shù)的百分比分別進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5。

對比差在-0.4—0.4 h的占51.92%，-1.4—1.4 h的占88.44%，-2.4—2.4 h的占96.38%，整體分布呈現(xiàn)對稱分布，略偏向?qū)Ρ炔钬?fù)值區(qū)。

對評估期的3 486對日日照時數(shù)對比樣本計算其相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.951 4，通過了相關(guān)性顯著檢驗(α=0.01)；從其點聚圖(圖6)可以看出，2種觀測方式觀測的日日照時數(shù)總體是一致的，但也存在部分樣本有一定差異情況出現(xiàn)。如在人工觀測日日照時數(shù)為“0小時”時，自動觀測出現(xiàn)了629個“非0小時”樣本，主要集中在日總量4.5 h內(nèi)的日子, 說明自動觀測的靈敏度較人工觀測高[5]；自動觀測日日照時數(shù)為“0小時”時，暗筒式日照計僅有8個“非0小時”樣本出現(xiàn)，分析判斷為數(shù)字日照計故障或不穩(wěn)定所致；從線性趨勢方程(Y=0.941 6X+0.314 2)可看出，數(shù)字日照計觀測記錄略多于暗筒式日照計。

圖6 人工觀測、自動觀測日日照時數(shù)點聚圖

2)評估期日照總量對比分析。統(tǒng)計各站評估期人工與自動觀測日照總時數(shù)對比差與人工日照總量的百分比(即較人工觀測的偏差)，站均偏差為-6.2%，最大+15.0%，最小為-87.1%，中位數(shù)為-4.9%；偏差明顯偏離正常值的有5站，分別為57891(-87.1%)、57698(-50.0%)、57694(-33.3%)、57696(-33.3%)、58608(-31.5%)，經(jīng)分析，57891站為自動觀測偏大(5月已更換數(shù)字日照計)，其余4站初步判斷為人工觀測記錄偏小。

統(tǒng)計對比評估期3個月全省的日照總時數(shù)，人工日照計總計觀測到日照13 785.9 h(平均為4.0 h)，自動觀測到日照14 523.9 h(平均為4.2 h)，自動觀測相對偏大5%左右。其中，DFC1型較暗筒式日照計平均偏大1.3%，DFC3型較暗筒式日照計平均偏大10.0%，2種型號數(shù)字日照計存在一定差異。

結(jié)果表明，光電數(shù)字日照計與暗筒式日照計觀測資料相關(guān)性好，總體一致，數(shù)字日照計靈敏度較暗筒式日照計高，觀測記錄較人工觀測偏大5%左右。

3 小結(jié)

通過對比分析江西省93個國家級地面氣象觀測站DFC1與DFC3 2種光電式數(shù)字日照計和暗筒式人工日照計的平行觀測資料發(fā)現(xiàn)，小時日照時數(shù)基本呈現(xiàn)以對比差=“0”為中心略偏向負(fù)值的對稱分布，日日照時數(shù)整體分布呈現(xiàn)對稱分布，略偏向負(fù)對比差負(fù)值區(qū)，人工與自動觀測差異的分布屬于正常。

統(tǒng)計對比評估期3個月全省日照總時數(shù)，自動觀測相對偏大5%左右，光電式數(shù)字日照計與暗筒式日照計觀測資料相關(guān)性好，總體一致，數(shù)字日照計靈敏度較暗筒式日照計更高，很好地避免了暗筒式日照計測量中存在的主觀性問題，有效提高了日照數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。