馬清山 陳珊珊 王凱 孫文婷

摘要：本文中所使用的數(shù)據(jù)來自溧水（58340）、六合（58235）、浦口 （58237）、南京（58238）、高淳（58339）五個(gè)國家站2019年1月1日至2020年 3月31日的人工和自動(dòng)日照觀測數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好。六合與浦口自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上較為接近。南京、溧水、高淳自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體相差較大，且偏小。 夏季各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照均偏小，冬季各臺(tái)站自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上更為接近。當(dāng)云量較少時(shí)自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)逐漸偏小。另外通過橫向?qū)Ρ?個(gè)臺(tái)站可以發(fā)現(xiàn)各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)之間差值相對(duì)于人工觀測要小的多且自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對(duì)較好。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)觀測日照;人工觀測日照;對(duì)比分析

日照是指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在一給定的時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽直接輻照度達(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)。南京市各氣象站于2018年10月份安裝了DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)（以下稱自動(dòng)日照及），并開始了與人工日照觀測進(jìn)行平行觀測對(duì)比。目前多數(shù)臺(tái)站人工日照時(shí)數(shù)觀測設(shè)備主要以暗筒式日照計(jì)為主。因此本文所涉及的人工和自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)分別由暗筒式日照計(jì)和DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)所測的。

1 觀測原理

1.1 暗筒式日照計(jì)

暗筒式日照計(jì)又稱喬唐式日照計(jì)，主要由金屬圓筒（地段密閉，筒口帶蓋，兩側(cè)各有一進(jìn)光小孔，筒內(nèi)附有壓紙夾）、隔光板、緯度盤和支架底座等構(gòu)成。它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，感光跡線的長短反映了日照時(shí)間的長短，所以通過感光跡線的長度來統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)的。通常日照紙上涂的感光藥劑為枸櫞酸鐵銨和赤血鹽，通過光化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，并與赤血鹽發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而呈現(xiàn)藍(lán)色。其誤差主要來自日照紙涂藥質(zhì)量、人工描畫跡線主觀誤差。

1.2? DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)

DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括FS-RZ1日照傳感器（數(shù)字式）、日照計(jì)機(jī)箱、外圍組件等部分構(gòu)成;軟件包括傳感器中的嵌入式軟件和計(jì)算機(jī)上的業(yè)務(wù)軟件。

FS-RZ1日照傳感器（數(shù)字式）是DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)的主要組成部件。它集日照測量、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和通信為一體。它的感應(yīng)部分由1個(gè)光學(xué)鏡筒、1個(gè)遮光筒和3個(gè)光電探測器組成。3個(gè)光電探測器分上中下三級(jí)排布，第一級(jí)光電探測器始終暴露在太陽輻射中，測量太陽總輻射;第二、三級(jí)光電探測器在任何時(shí)候都有一個(gè)被遮光筒遮蔽，測量太陽的散射輻射。通過計(jì)算得到當(dāng)前的太陽直接輻射輻照度，在與120W/m2的閾值進(jìn)行比較，經(jīng)處理后得到分鐘日照、小時(shí)累計(jì)日照以及日累積時(shí)數(shù)。其誤差主要來自設(shè)備的觀測誤差。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文中所使用的數(shù)據(jù)來自溧水（58340）、六合（58235）、浦口（58237）、南京（58238）、高淳（58339）五個(gè)國家站2019年1月1日至2020年3月31日的人工和自動(dòng)日照觀測數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均經(jīng)過人工質(zhì)控。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的日照觀測設(shè)備作參考，無法確定暗筒式日照計(jì)和DFC1 型光電式數(shù)字日照計(jì)的觀測誤差。因此，本文僅討論自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對(duì)差值和相對(duì)差值。

我們定義自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對(duì)差值Y絕對(duì)=X自動(dòng)-X人工， 自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的相對(duì)差值Y相對(duì)=（X自動(dòng)-X人工）/ X人工×100%。

3 資料分析

3.1 各站逐日日照時(shí)數(shù)分析

由表1可知：自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好。除了高淳自動(dòng)與人工觀測日照數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9586，其余臺(tái)站均在0.97以上。 通過散點(diǎn)分布可以看出，南京、高淳、溧水自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)低于人工觀測。 當(dāng)人工觀測日照時(shí)數(shù)為0時(shí)，有臺(tái)站出現(xiàn)自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)不為0，甚至有高達(dá) 4h以上的日照時(shí)數(shù)。這主要由于在太陽光較弱的情況下，日照紙和光電探測器的感光靈敏度的差異所導(dǎo)致的。

為了進(jìn)一步了解各站自動(dòng)與人工觀測逐日日照時(shí)數(shù)的差異，我們將自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)逐日做差值，并進(jìn)行了分段統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，橫坐標(biāo)表示自動(dòng)與人工觀測逐日日照時(shí)數(shù)的差值，縱坐標(biāo)表示差值對(duì)應(yīng)的日數(shù)所占的比例。

數(shù)據(jù)資料顯示：各站自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)差值為0的日數(shù)所占比例均在30%左右，其中包含了陰天條件下，自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)均為0的日數(shù)。六合與浦口日照時(shí)數(shù)差值正負(fù)兩端分布比較均勻，可以看出六合與浦口自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上較為接近。而南京、溧水、高淳明顯差值的負(fù)端所占比例較大，因此這三個(gè)臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體相差較大，且自動(dòng)觀測比人工觀測日照時(shí)數(shù)偏低。另外經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在差值分布的兩端出現(xiàn)了個(gè)別極端偏大或偏小的情況，如六合（-3.5，4.3）、浦口（-4.2，4.2）、南京（-5.0，0.8）、溧水（-7.1，1.8）、高淳（-5.6，7.3）。這些極端情況主要是由于兩種觀測方式感光靈敏度的差異和人工觀測人為主觀因素等造成的偏差。

3.2各站逐月日照時(shí)數(shù)分析

通過對(duì)各臺(tái)站2019年1月至2020年3月的人工和自動(dòng)日照觀測數(shù)據(jù)做月統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算逐月自動(dòng)和人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值。結(jié)果如下圖1所示。

從圖1可以看出，各臺(tái)站自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值變化具有明顯規(guī)律。六合與浦口2019年1月至3月相對(duì)差值下降，3月至4月上升，4月至8月下降，8月至12月上升，12月至2020年3月下降。南京、溧水和高淳時(shí)間節(jié)點(diǎn)有些許不同，2019年1月至2月相對(duì)差值下降，2月至5月上升，5月至7月下降，7月至12月上升，12月至2020年3月下降。從總體上看，2019年1月至2019年10月各臺(tái)站自動(dòng)觀測比人工觀測月日照時(shí)數(shù)普遍偏低，2019年10月至2020年2月自動(dòng)觀測比人工觀測月日照時(shí)數(shù)多數(shù)偏高，并且我們可以發(fā)現(xiàn)在2019年1月份、 2019年10月至12月以及2020年2月至3月大部分臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測月日照時(shí)數(shù)較為接近。

根據(jù)以上分析，我們按照春季（2019年3月至5月）、夏季（2019年6月至 8月）、 秋季（2019年9月至10月）、冬季（2019年11月至2020年1月）的劃分統(tǒng)計(jì)各臺(tái)站四季的自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值。

如圖2所示，春季到夏季，各站自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值減小，而夏季到冬季相對(duì)差值逐漸增大。夏季五個(gè)臺(tái)站自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值均為負(fù)值，在冬季各臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值均低于±10%。由此表明夏季跟各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照均偏小，冬季各臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上更為接近。當(dāng)然，由于目前觀測資料時(shí)間跨度較短，還需后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

3.3各站年日照時(shí)數(shù)分析

將2019年各臺(tái)站自動(dòng)與人工觀測日照數(shù)據(jù)作全年統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

由此我們可以看出，2019年除六合外，其他臺(tái)站自動(dòng)觀測年日照時(shí)數(shù)均比人工觀測年日照時(shí)數(shù)偏小。尤其南京、溧水、高淳三個(gè)站2019年自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)與人工觀測日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值均小于-10%，六合與浦口2019年自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)與人工觀測日照時(shí)數(shù)比較接近，相對(duì)差值均在±3%以內(nèi)。另外將各臺(tái)站自動(dòng)和人工觀測年日照時(shí)數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋斯と照諘r(shí)數(shù)各臺(tái)站最大差值 433.2h，最小差值10.4h;自動(dòng)日照時(shí)數(shù)各臺(tái)站最大差值僅183.2h，最小差值4.5h。通過標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)，5個(gè)臺(tái)站人工日照時(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為自動(dòng)觀測時(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的兩倍之多，并且另外最南（高淳）和最北（六合）兩個(gè)臺(tái)站緯度僅相差約1°，故由于緯度不同造成的日照理論時(shí)數(shù)差異較小。因此總體上看， 2019年各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)之間差值相對(duì)于人工觀測要小的多且自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對(duì)較好。

3.4 云量對(duì)自動(dòng)與人工觀測日照的影響

為了分析不同天空狀況條件對(duì)自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)差值影響，我們選取各臺(tái)站2019年總云量小時(shí)數(shù)據(jù)，求出每日8時(shí)到17時(shí)10個(gè)小時(shí)平均總云量來反映每天日出期間天空云量的情況，將總云量分為0-1成、1-2成、2-3成、3-4成、4-5成、5-6成、6-7成、7-8成、8-9成、9-10成（不包含10成）、10成共 11組，再分別求出其對(duì)應(yīng)日數(shù)的自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)平均差值。

由數(shù)據(jù)資料得知：六合云量0-5成時(shí)自動(dòng)與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時(shí)平均差值最大為0.87h·d-1，5-10成（不含10成）自動(dòng)與人工平均差值為負(fù)值，6-7成時(shí)平均差值最大為-0.66h·d-1。浦口云量0-3成時(shí)自動(dòng)與人工日照平均差值為正值，0-1成時(shí)平均差值最大為0.56h·d-1，3-10成（含10 成）自動(dòng)與人工平均差值為負(fù)值，8-9成時(shí)平均差值最大為-0.84h·d-1。、南京云量0-2成時(shí)自動(dòng)與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時(shí)平均差值最大為0.38h·d-1，2-10成（不含10成）自動(dòng)與人工平均差值為負(fù)值，9-10成（不含10 成）時(shí)平均差值最大為-1.54h·d-1。高淳云量0-2成時(shí)自動(dòng)與人工觀測日照平均差值為正值，0-1成時(shí)平均差值最大為0.41h·d-1，2-10成（不含10成）自動(dòng)與人工平均差值為負(fù)值，8-9成時(shí)平均差值最大為-1.91h·d-1。溧水云量0-1成時(shí)自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)與人工觀測平均差值均為0.13h·d-1，1-10成（不含10 成）自動(dòng)與人工平均差值為負(fù)值，8-9成時(shí)平均差值最大為-1.09h·d-1。綜上所述，當(dāng)云量較少時(shí)，如六合（0-4成）、浦口（0-3成）、南京（0-2成）、高淳（0-2成）、溧水（0-1成）自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)逐漸偏小。南京、高淳和溧水在云量較多時(shí)，自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)比人工觀測偏小更為明顯。另外，當(dāng)云量為10成時(shí)，各站自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)較為接近，但自動(dòng)觀測普遍略偏小。表明陰天條件下，微弱的陽光無法達(dá)到120 W·m-2的輻照度，但仍可以在日照紙上留下跡線。

4小結(jié)與討論

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好，相關(guān)系數(shù)普遍在在0.97以上。六合與浦口自動(dòng)與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上較為接近。而南京、溧水、高淳自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體相差較大，且自動(dòng)觀測比人工觀測日照時(shí)數(shù)偏低。

夏季各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照均偏小，冬季各臺(tái)站自動(dòng)觀測與人工觀測日照時(shí)數(shù)總體上更為接近。

當(dāng)云量較少時(shí)自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)偏大。隨著云量增多，各站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)逐漸偏小。南京、高淳和溧水在云量較多時(shí)，自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)比人工觀測偏小更為明顯。

另外通過橫向?qū)Ρ?個(gè)臺(tái)站可以發(fā)現(xiàn)各臺(tái)站自動(dòng)觀測日照時(shí)數(shù)之間差值相對(duì)于人工觀測要小的多且自動(dòng)觀測日照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對(duì)較好。