徐信，張應(yīng)超，向恭，龔德鑫，徐浩

（1.城口縣氣象局重慶405900；2.重慶市氣象局 重慶401147）

日照是指太陽(yáng)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(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò)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)。城口縣國(guó)家一般氣象站于2018 年10 月份安裝了光電式數(shù)字日照計(jì)（以下稱(chēng)自動(dòng)日照計(jì)），并開(kāi)始了與人工日照觀測(cè)進(jìn)行平行觀測(cè)對(duì)比。

1 觀測(cè)原理

1.1 暗筒式日照計(jì)

暗筒式日照計(jì)又稱(chēng)喬唐式日照計(jì)，它是利用太陽(yáng)光通過(guò)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(zhǎng)短反映了日照時(shí)間的長(zhǎng)短，所以通過(guò)感光跡線的長(zhǎng)度來(lái)統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)的。

1.2 光電式數(shù)字日照計(jì)

光電式數(shù)字日照計(jì)由硬件和軟件兩部分組成，日照傳感器（數(shù)字式）是光電式數(shù)字日照計(jì)的主要組成部件（圖3）。它集日照測(cè)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。通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前的太陽(yáng)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)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

城口縣國(guó)家一般氣象站于2018 年10 月始新增自動(dòng)日照觀測(cè)項(xiàng)目（光電式數(shù)字日照計(jì)），并開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)和人工日照平行觀測(cè)。本文將對(duì)比不同季節(jié)，自動(dòng)日照計(jì)和人工日照計(jì)的差異性，故選擇2019 年3 月至2020 年2月共12月的日照數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，涵蓋了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)。故本文采用上述時(shí)間段城口縣國(guó)家一般氣象站的人工和自動(dòng)日照觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的日照觀測(cè)設(shè)備作參考，無(wú)法確定暗筒式日照計(jì)和光電式數(shù)字日照計(jì)的觀測(cè)誤差。因此，本文僅討論自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)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(cè)與人工觀測(cè)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(cè)與人工觀測(cè)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 小時(shí)日照時(shí)數(shù)分析

光電式數(shù)字日照計(jì)小時(shí)累計(jì)日照時(shí)數(shù)以分鐘為單位，按照小時(shí)內(nèi)每累計(jì)6min有日照則記錄為0.lh，剩余有日照的分鐘數(shù)達(dá)到或超過(guò)3min也記錄為0.1h。而暗筒式日照計(jì)則是根據(jù)日照紙上感光跡線的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算日照時(shí)數(shù)，每6min 記為0.1h。根據(jù)中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司下發(fā)的《日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》，當(dāng)光電式數(shù)字日照計(jì)小時(shí)內(nèi)的日照時(shí)數(shù)連續(xù)累計(jì)達(dá)到或超過(guò)3min，或者暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)的日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)0.1h,則需進(jìn)行小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)的一致性分析，以便了解光電式數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)觀測(cè)的差異。故樣本中剔除了自動(dòng)和人工小時(shí)日照時(shí)數(shù)均為0.0的樣本。

依據(jù)上述條件，城口站從2019年3月到2020年2月共有1812 組樣本參與統(tǒng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算其絕對(duì)誤差為0.17h，相對(duì)誤差為0.07h，相關(guān)系數(shù)0.74，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9015，說(shuō)明自動(dòng)日照小時(shí)數(shù)據(jù)總體大于人工日照小時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)兩組數(shù)據(jù)單因素方差分析，得知F（檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量）＞F crit（0.01）（臨界值），兩組數(shù)據(jù)通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，體現(xiàn)兩者較好的一致性。

3.2 逐日日照時(shí)數(shù)分析

同逐小時(shí)時(shí)數(shù)分析，剔除全天自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)均為 0.0 的天數(shù)，2019 年 3 月到 2020 年 2 月共有 243 組樣本參與統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差為0.47h，絕對(duì)誤差為0.77h，相關(guān)系數(shù)0.94，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9343，說(shuō)明自動(dòng)日照小時(shí)數(shù)據(jù)總體大于人工日照小時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)上述方法計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，體現(xiàn)兩者較好的一致性。

為了進(jìn)一步了解自動(dòng)與人工觀測(cè)逐日日照時(shí)數(shù)的差異，我們將自動(dòng)與人工觀測(cè)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1所示，橫坐標(biāo)表示自動(dòng)與人工觀測(cè)逐日日照時(shí)數(shù)的差值所在區(qū)間，縱坐標(biāo)表示差值對(duì)應(yīng)的日數(shù)所占的比例。

由圖1可知，自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差值小于0的日數(shù)所占比例均為26%，等于0的日數(shù)占比為14%，大于0的日數(shù)占比為60%，差值在[-0.5，1)之間的日數(shù)占比為72%，說(shuō)明自動(dòng)日照日時(shí)數(shù)總體大于人工日照時(shí)數(shù)，自動(dòng)日照日時(shí)數(shù)和人工日照日時(shí)數(shù)相等的日數(shù)占比為14%，相對(duì)較低，說(shuō)明自動(dòng)日照計(jì)和人工日照計(jì)所觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)差異率較高，但日數(shù)據(jù)差異多數(shù)分布在[-0.5，1)之間，說(shuō)明自動(dòng)和人工日照觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)總體偏差不大。

3.3 逐月日照時(shí)數(shù)分析

對(duì)2019年3月到2020年2月自動(dòng)和人工逐月日照時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，兩組數(shù)據(jù)未能通過(guò)α=0.01 顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)對(duì)比分析，所有月份的自動(dòng)日照時(shí)數(shù)均大于人工日照時(shí)數(shù)，其中10 月和11 月日照時(shí)數(shù)偏差較大，分別偏大25.7%和31.4%，超過(guò)最大允許誤差±10%的允許誤差標(biāo)準(zhǔn)，這也是兩組數(shù)據(jù)未能通過(guò)一致性檢驗(yàn)的重要原因。

3.4 逐季日照時(shí)數(shù)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11月）、冬季（2019年12月至2020 年2 月）的劃分統(tǒng)計(jì)各臺(tái)站四季的自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，春夏冬三季，自動(dòng)日照時(shí)數(shù)和人工日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值較小，秋季相對(duì)誤差值明顯高于其余三個(gè)季節(jié)，達(dá)到了81.26%。

3.5 云量對(duì)自動(dòng)與人工觀測(cè)日照的影響

圖2 自動(dòng)和人工觀測(cè)逐季日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值

為了分析不同天空狀況條件對(duì)自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差值影響，我們用每日08:00～20:00 12 個(gè)小時(shí)平均總云量來(lái)反映每天日出期間天空云量的情況，剔除全天自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)均為0.0的天數(shù)，同時(shí)不考慮降雨帶來(lái)的影響，2019年3月到2020年2月共有243組樣本參與統(tǒng)計(jì)。將天空狀況分為晴（總云量小于3成）、多云（總云量為3到7成）、陰天（總云量大于7成）三種情況，分別對(duì)這三種天空狀況做相關(guān)性分析并計(jì)算相對(duì)差值率。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.97、0.92、0.69，相對(duì)差值率分別為5.62%、18.07%、5.5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)云量越多自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)相關(guān)性越差，自動(dòng)日照時(shí)數(shù)和人工日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值越大。

圖3 不同天空狀態(tài)下自動(dòng)和人工觀測(cè)逐日日照時(shí)數(shù)散點(diǎn)圖

4 小結(jié)與討論

（1）自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照數(shù)據(jù)一致性總體較好，逐小時(shí)、逐日日照時(shí)數(shù)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。但由于秋季兩者相對(duì)差值過(guò)大，導(dǎo)致逐月數(shù)據(jù)未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該季度的藥物存在質(zhì)量問(wèn)題，多次出現(xiàn)觀測(cè)有日照但實(shí)際未能正常顯影的情況，排除秋季異常數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從春季開(kāi)始，隨著季節(jié)推移，自動(dòng)及人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值逐漸增大。

（2）通過(guò)對(duì)自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)進(jìn)行線性分析，計(jì)算得出逐小時(shí)及逐日日照時(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.9 和0.93。將天空狀況分為晴（總云量小于3 成）、多云（總云量為3到7成）、陰天（總云量大于7成）三種情況，這三種情況下計(jì)算的出逐日日照時(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.97、0.92、0.69。

（3）自動(dòng)日照時(shí)數(shù)總體高于人工觀測(cè)時(shí)數(shù)，說(shuō)明光電式日照計(jì)較暗筒式日照計(jì)靈敏性高，能夠?qū)崿F(xiàn)日照的連續(xù)性觀測(cè)，有效排除各種因素影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)更具代表性和準(zhǔn)確性。