李亞軍,葛黎黎

（山西省氣象信息中心, 山西 太原030006)

1 引言

日照是指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。 日照時(shí)數(shù)也稱實(shí)照時(shí)數(shù)[1]；其定義為，在一給定時(shí)間，太陽直接輻照度達(dá)到或超過 120 瓦·米-2（W·m-2）的那段時(shí)間總和，以小時(shí)（h）為單位，取一位小數(shù)。 日照時(shí)數(shù)表示一個(gè)地區(qū)接受太陽光照射的時(shí)間長短， 直觀反映太陽輻射，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的環(huán)境因素，對人民的日常生活影響重大。 日照時(shí)間的長短決定了對太陽能的利用程度， 也對當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源具有較高的分析利用價(jià)值，因此對日照觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高[2]。

目前， 我國氣象部門普遍使用的日照觀測儀器有暗筒式日照計(jì)、 聚焦式日照計(jì)， 該類儀器人工制作、安裝和更換日照紙，需要根據(jù)感光跡線進(jìn)行人工計(jì)算日照時(shí)數(shù)，觀測精度較低，資料可比性和一致性難以保證[3]。 隨著日照觀測數(shù)據(jù)在天氣、氣候、預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 業(yè)務(wù)觀測需求更加精細(xì)化，傳統(tǒng)的日照觀測儀器已無法滿足，自動日照計(jì)觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便，取代傳統(tǒng)日照觀測儀器勢在必行。 光電式數(shù)字日照計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)思路，無需掛接采集器，直接輸出日照時(shí)數(shù)。 由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要由數(shù)字式日照傳感器和外圍組件組成， 軟件為傳感器嵌入式軟件，具有數(shù)據(jù)存儲、補(bǔ)傳等功能，還自帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，易于擴(kuò)展，便于維修。

本文通過對暗筒式日照計(jì)和光電式數(shù)字日照計(jì)2019 年1-6 月山西109 個(gè)臺站平行觀測的同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在設(shè)備正常、安置維護(hù)良好的情況下，兩種觀測設(shè)備的一致率達(dá)到90%以上。

2 資料來源

根據(jù)氣測函 （2018）153 號中國氣象局綜合觀測司關(guān)于印發(fā)《日照平行觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》的函和山西省觀測與網(wǎng)絡(luò)處發(fā)布的氣測函 【2018】34 號文件《觀測與網(wǎng)絡(luò)處關(guān)于開展自動日照計(jì)試運(yùn)行及平行觀測的通知》， 山西省在2018 年12 月16 日開始光電式數(shù)據(jù)日照計(jì)的試運(yùn)行， 發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行了整改，并于2019 年1 月1 日起正式運(yùn)行。

平行觀測從2019 年1 月1 日（實(shí)際時(shí)間是2018年12 月31 日地方平均太陽時(shí)24 時(shí)）起開始，為期6個(gè)月，分兩個(gè)階段進(jìn)行。

前三個(gè)月為第一階段， 以人工觀測記錄為正式觀測記錄，其記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》和業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行。 后三個(gè)月為第二階段，以自動觀測記錄為正式觀測記錄， 其記錄方法按相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行。

本文采用山西省109 個(gè)國家級地面觀測站2019年1-6 月的暗筒式日照計(jì)和光電式數(shù)字日照計(jì)的觀測資料進(jìn)行對比分析， 希望了解不同觀測方式下自動與人工數(shù)據(jù)的差異。

3 評估方法和內(nèi)容

利用山西省109 個(gè)開展平行觀測的臺站獲取的日照資料，從數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行分析評估。

3.1 數(shù)據(jù)完整性評估

以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位， 剔除儀器原因與維護(hù)造成的缺測記錄， 對光電式數(shù)字日照計(jì)的觀測數(shù)據(jù)完整性做月缺測率評估。

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

3.2 數(shù)據(jù)一致性分析

分別對兩種觀測方式的小時(shí)日照時(shí)數(shù)和日合計(jì)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(1)小時(shí)日照時(shí)數(shù)一致性分析：若光電式數(shù)字日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照連續(xù)時(shí)間累計(jì)達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)到0.1 h， 需進(jìn)行小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)一致性分析， 分析兩種觀測方式日照時(shí)數(shù)相等情況，相差情況的數(shù)據(jù)占比，以了解光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)觀測的差異。

(2)全天日照時(shí)數(shù)一致性分析：若光電式數(shù)字日照計(jì)全天日照連續(xù)時(shí)間累計(jì)達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)到0.1 h， 需進(jìn)行全天日照時(shí)數(shù)一致性分析， 分析自動觀測數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

4 評估結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)完整性

山西省共109 個(gè)國家地面觀測站參與數(shù)據(jù)評估，以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，剔除儀器原因與維護(hù)造成的缺測記錄來計(jì)算缺測率。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)1-6 月日照自動觀測數(shù)據(jù)缺報(bào)情況（表1），發(fā)現(xiàn)僅有10 站出現(xiàn)缺報(bào)，其中53666 靜樂站缺報(bào)最多，共26 d；經(jīng)核實(shí)缺報(bào)為設(shè)備故障，故剔除這些缺報(bào)天數(shù)來計(jì)算缺測率。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了除缺報(bào)外的缺測分鐘數(shù)（圖1），統(tǒng)計(jì)各站1-6 月缺測率后發(fā)現(xiàn)，有90 站缺測率均為0.00%，占82.6%；有 16 站缺測率為 0.01%，占 14.7%；有 1 站57061 平陸，缺測率為0.02%，占0.9%；有2 站53777交城、53965 絳縣，缺測率均為0.03%，占1.8%。

表1 自動日照數(shù)據(jù)1-6 月缺報(bào)情況

4.2 數(shù)據(jù)一致性

4.2.1 小時(shí)日照數(shù)據(jù)一致性

根據(jù)評估要求， 若光電式數(shù)字日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)連續(xù)時(shí)間累計(jì)達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)到0.1 h， 需進(jìn)行小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)一致性分析， 故先統(tǒng)計(jì)出各站1-6 月符合樣本的個(gè)數(shù)， 然后用自動日照時(shí)數(shù)減去人工日照時(shí)數(shù)， 發(fā)現(xiàn)兩者小時(shí)觀測數(shù)據(jù)完全相等的個(gè)數(shù)比例各站均在46%以上， 自動時(shí)數(shù)小于人工時(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)在30%以上的僅37 站， 自動時(shí)數(shù)大于人時(shí)數(shù)工的個(gè)數(shù)在30%以上的僅5 站。 綜合統(tǒng)計(jì)，全省109 個(gè)國家站1-6 月自動和人工小時(shí)數(shù)據(jù)完全相等的個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的56%， 而自動時(shí)數(shù)小于人工時(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的26%、 自動時(shí)數(shù)大于人工時(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的18%。

4.2.2 全天日照數(shù)據(jù)一致性

根據(jù)評估要求， 若光電式數(shù)字日照計(jì)全天日照時(shí)數(shù)連續(xù)累計(jì)時(shí)間達(dá)到或超過3 min，或暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)到0.1 h， 需進(jìn)行全天日照時(shí)數(shù)一致性分析。 統(tǒng)計(jì)各站1-6 月自動與人工全天日照時(shí)數(shù)后， 計(jì)算各站自動與人工觀測時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越接近1，說明相關(guān)性越大。 統(tǒng)計(jì)顯示，相關(guān)系數(shù)>0.9 以上的臺站為104 站， 占比為95.4%。具體情況見圖2。

圖2 109 站全天日照數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)

5 評估結(jié)論

（1）按照評估內(nèi)容和要求，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析全省109個(gè)國家站1-6 月日照自動觀測數(shù)據(jù)完整性情況，排除設(shè)備故障原因造成的缺報(bào)外，有90 站缺測率均為0.00%， 有16 站缺測率為0.01%， 有 1 站缺測率為0.02%；有2 站缺測率為0.03%,造成缺測的原因均為設(shè)備故障。

（2）在符合條件的樣本中統(tǒng)計(jì)分析小時(shí)日照數(shù)據(jù)后， 發(fā)現(xiàn)全省109 個(gè)國家站1-6 月自動和人工小時(shí)數(shù)據(jù)完全相等的個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的56%， 而自動小于人工個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的26%， 自動大于人工的個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的18%。

（3）在符合條件的樣本中統(tǒng)計(jì)各站1-6 月自動與人工全天日照時(shí)數(shù)并計(jì)算各月相關(guān)系數(shù)， 得出相關(guān)系數(shù)>0.9 的臺站占比為95.4%，兩者相關(guān)性良好。

（4）綜上，光電式數(shù)字日照計(jì)自動觀測數(shù)據(jù)與暗筒式日照計(jì)人工觀測數(shù)據(jù)一致性良好， 滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行需求。 建議各站在使用光電式數(shù)字日照計(jì)過程中應(yīng)按業(yè)務(wù)要求做好設(shè)備的日常維護(hù)， 做好每天日出前、日落后的檢查和設(shè)備的定期查看，保證設(shè)備正常運(yùn)行，即可保證數(shù)據(jù)完整無誤。