光電式數(shù)字日照計在氣象觀測中的應(yīng)用評估

楊炳玉，舒康寧，陳 燾，徐 非，周 群

(1.云南省氣象信息中心，昆明 520034；2.大理州氣象局，大理 671000)

0 引言

日照觀測是地面氣象觀測的重要項目。日照時數(shù)是指在一個給定時間內(nèi)太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的時間段的總和[1]。日照資料對于氣候變化研究、太陽能利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃與設(shè)計等具有重要指導意義[2]。云南省國家地面氣象站建站以來一直使用暗筒式日照計進行日照觀測，其測量結(jié)果是通過人工記錄日照紙上的感光跡線計算日照時數(shù)，因此存在響應(yīng)速度慢、主觀性強和自動化程度低等缺陷。2018年12月，云南省在全省125個國家級自動氣象站完成了DFC2型光電式數(shù)字日照計的安裝，并于2019-01-01開始為期6個月的平行觀測。2019-07-01，正式切換為DFC2型光電式數(shù)字日照計作為正式觀測記錄，實現(xiàn)了全省日照自動觀測。為了獲取兩種設(shè)備觀測數(shù)據(jù)的差異性以及掌握光電式數(shù)字日照計在云南省地面觀測中的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，文章開展了對云南省125個國家級氣象觀測站光電式數(shù)字日照計的數(shù)據(jù)評估工作，以期為氣候分析、資源開發(fā)等提供準確的日照數(shù)據(jù)，同時更好地推進氣象現(xiàn)代化。

1 資料與方法

1.1 資料和來源

觀測資料為云南省125個國家級地面觀測站暗筒式日照計和DFC2型光電式數(shù)字日照計平行觀測期間(2019年4—6月)小時日照數(shù)據(jù)；2020年光電式數(shù)字日照計小時數(shù)據(jù)及自動綜合判識總云量數(shù)據(jù)；1991—2020年年日照資料；1961—2018年月、年極值(極大值和極小值)資料等。所有資料由云南省氣象信息中心提供。

1.2 觀測原理

暗筒式日照計由金屬圓筒、隔光板、緯度盤和支架底座組成，太陽光通過日照計圓筒兩側(cè)光孔進入筒內(nèi)，在筒內(nèi)涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，經(jīng)過人工處理感光跡線后，讀取日照數(shù)據(jù)。光電式數(shù)字日照計由光筒和緯度調(diào)節(jié)裝置組成，光筒內(nèi)有3個核心光電感應(yīng)器，將太陽光照強度轉(zhuǎn)化為電壓信號，其中2個用于觀測散射輻射輻照度對應(yīng)電壓，另外1個用于觀測總輻射輻照度對應(yīng)電壓?？傒椛漭椪斩葴p掉散射輻射輻照度就是直接輻射輻照度，由此可以獲取直接輻射輻照度對應(yīng)電壓，單位為mV；根據(jù)光電二極管本身參數(shù)，可以由電壓推導出光照強度，單位為Lx。最后通過線性擬合，由光照強度得出直接輻射輻照度，單位為W/m2，根據(jù)日照時數(shù)的定義，當日照計測得的直接輻射輻照度達到或超過120 W/m2時，日照計開始記錄日照[3-5]。

1.3 評估指標

文章對125個國家級地面站的暗筒式日照計和DFC2型光電式數(shù)字日照計平行觀測期間進行對比評估的指標采用相關(guān)系數(shù)和偏差。計算公式分別為：

偏差(SE)：

SE=SA-SM

(1)

相關(guān)系數(shù)(COR)：

(2)

式中，SAi為自動觀測值；SMi為人工觀測值；N觀測總次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 平行觀測對比評估

2.1.1 小時日照時數(shù)一致性分析

文章對全省125個臺站2019年4—6月光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計測量小時數(shù)據(jù)偏差進行統(tǒng)計分析(圖1)。從總體統(tǒng)計結(jié)果來看，其中，近60.4%的臺站小時數(shù)據(jù)偏差在±0.05 h以內(nèi)，有95.2%的臺站小時數(shù)據(jù)偏差在±0.1 h以內(nèi)，基本滿足業(yè)務(wù)需求。據(jù)統(tǒng)計得出，小時差值(自動觀測-人工觀測)為負值的臺站數(shù)占78%(97個站)，說明對于大部分臺站而言，光電式數(shù)字日照計觀測得到的小時數(shù)據(jù)比暗筒式日照計測量小時數(shù)據(jù)小。這與杜傳耀等人對北京地區(qū)光電式數(shù)字日照計的應(yīng)用評估結(jié)論是一致的[6]。

圖1 自動觀測與人工觀測小時差值臺站比例分布

2.1.2 日日照時數(shù)一致性分析

經(jīng)統(tǒng)計分析得出，平行觀測期間光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計觀測日數(shù)據(jù)的平均誤差為-0.2 h，相關(guān)系數(shù)為0.93。由兩者日數(shù)據(jù)偏差概率分布(圖2)可知，85.6%的臺站日數(shù)據(jù)偏差在±0.5 h/d，近96%的臺站日數(shù)據(jù)偏差在±1.0 h/d，基本滿足業(yè)務(wù)需求。據(jù)統(tǒng)計得出，日差值為負值的臺站占74%(92個站)，說明對于大部分臺站而言，光電式數(shù)字日照計觀測得到的日數(shù)據(jù)比暗筒式日照計測量日數(shù)據(jù)小[7]。

圖2 自動觀測與人工觀測日總量差值臺站比例分布

2.2 自動觀測數(shù)據(jù)評估

2.2.1 數(shù)據(jù)完整性

月缺測率是月觀測缺測次數(shù)占月應(yīng)觀測總次數(shù)的百分比，是用來評價數(shù)據(jù)完整性的指標之一。利用2020年光電式數(shù)據(jù)日照計小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計月缺測率(圖3)可知，云南省2020年全年平均月缺測率為0.1734%，說明2020年日照數(shù)據(jù)完整性較好。其中以6月份缺測率最高，為1.0459%，所有缺測數(shù)據(jù)均為日照傳感器故障造成。

圖3 2020年逐月缺測率

2.2.2 年際變化

圖4為1991—2020年日照時數(shù)歷年變化情況。由圖4可知，1991—2020年日照時數(shù)呈增加趨勢。2020年云南省全省日照時數(shù)為2，217.0 h，多年平均為2，055.3 h，比歷年平均多161.7 h，偏多7.3%。2020年日照時數(shù)年總量處于近30 a第2位。

圖4 1991—2020年日照時數(shù)年際變化

2.2.3 月、年總量分析

表1為云南省125個國家站3個月及以上月總量超過歷年極值的統(tǒng)計情況。由表1可見，有38個站1 a中至少有3個月超過月極值，其中17個站6個月以上月總量均超過歷史極大值。經(jīng)進一步統(tǒng)計分析得出，云南省125個站中，有30個臺站年總量超過1961—2018年年極大值，占總數(shù)的24%。由此說明，云南省日照自動觀測數(shù)據(jù)存在異常偏高的情況。

2.2.4 個例分析

楚雄站2020年自動觀測日照數(shù)據(jù)中，有9個月(3—11月)日照時數(shù)月總量超過歷史極大值(表2)，其中以6月、7月、8月超過極值較多。其年總量為3，532.0 h，超過歷史極大值2，649.8 h。

表1 云南省125個國家級地面站超過月極值情況統(tǒng)計

表2 楚雄站2020年日照時數(shù)月(年)總量與極值對比 h

總云量是影響日照時數(shù)的主要因素。因近年來云南省地面觀測業(yè)務(wù)調(diào)整，2019年6月以后陸續(xù)取消了低、總云量的觀測。因此，文章利用國家氣象局下發(fā)的自動綜合判識總云量小時數(shù)據(jù)，與日照數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，在陰天(總云量9成及以上)天氣條件下，仍然有日照觀測是造成楚雄站日照時數(shù)偏高甚至超過歷年極大值的主要原因。由表2可見，7月，8月，9月在陰天情況下，光電式數(shù)字日照計觀測到的總?cè)照諘r數(shù)分別為113.2 h，138.3 h，117.3 h；3—11月(除5，6月)在陰天觀測到的日照達547.8 h。綜合以上分析可知，除11月外，若剔除陰天造成的日照時數(shù)，各月日照時數(shù)均低于歷史極大值。

3 結(jié)束語

為了保證自動觀測日照數(shù)據(jù)的質(zhì)量，臺站應(yīng)做數(shù)字日照計的日常巡視和維護工作，如及時處理污染物(如儀器表面灰塵)的遮擋，以及發(fā)生降水(雪)、霧、霜等天氣現(xiàn)象后對光筒的遮擋[8]，儀器故障時及時更換儀器，省級質(zhì)量控制人員也應(yīng)做好日照數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制工作。