周英 袁久坤

（重慶市萬州區(qū)氣象局，萬州 404000）

0 引言

日照是是指太陽實(shí)際照射的時(shí)數(shù)，表征了氣象狀況與氣候特點(diǎn)的重要?dú)庀笠?，世界氣象組織將日照時(shí)數(shù)定義為在一給定的時(shí)間，太陽直接輻射的輻照度達(dá)到或超過120 W/m的時(shí)間總和，以小時(shí)（h）為單位，取一位小數(shù)。獲取具有代表性和準(zhǔn)確性的日照觀測(cè)資料是認(rèn)識(shí)氣候資源的變化規(guī)律、合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。2019年1月1日開始，日照采用自動(dòng)和人工兩種方式進(jìn)行平行觀測(cè)，同時(shí)要求開展對(duì)日照平行觀測(cè)資料進(jìn)行分析，評(píng)估使用自動(dòng)觀測(cè)代替人工觀測(cè)對(duì)資料序列的影響程度。近年來很多學(xué)者對(duì)日照人工觀測(cè)設(shè)備（暗筒式日照計(jì)）的結(jié)構(gòu)、觀測(cè)資料及誤差來源進(jìn)行了分析研究，同時(shí)對(duì)暗筒式日照計(jì)、直接輻射表、荷蘭Milos500雙金屬片日照傳感器等設(shè)備獲取的日照數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。但針對(duì)光電式數(shù)字日照計(jì)與人工暗筒式日照計(jì)的對(duì)比分析尚不多見。

本文利用萬州國(guó)家基本氣象站2019年1—12月自動(dòng)和人工日照觀測(cè)資料，分別對(duì)2種觀測(cè)方式獲取的數(shù)據(jù)的完整性、一致性等方面進(jìn)行分析評(píng)估。

1 資料來源及分析方法

萬州國(guó)家基本氣象站于2019年1月1日始新增日照自動(dòng)觀測(cè)項(xiàng)目（光電式數(shù)字日照計(jì)），并開始進(jìn)行自動(dòng)和人工日照平行觀測(cè)。2019年1—3月以人工觀測(cè)記錄為正式觀測(cè)記錄，4—12月以自動(dòng)觀測(cè)記錄為正式觀測(cè)記錄。本文采用的是萬州站2019年自動(dòng)和人工日照數(shù)據(jù)資料來分析評(píng)估自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)兩種觀測(cè)方式獲取的資料序列差異。

利用自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差值、相對(duì)差值、絕對(duì)誤差及相關(guān)系數(shù)來評(píng)估日照自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。若差值、相對(duì)差值及絕對(duì)誤差越小，相關(guān)系數(shù)越接近于1，則表明數(shù)據(jù)一致性越高。將自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差值定義為：

式中，

S

為差值，

S

為相對(duì)差值，

A

為絕對(duì)誤差，

X

為自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，

Y

為人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，

r

為相關(guān)系數(shù)。

2 分析評(píng)估

2.1 數(shù)據(jù)完整性評(píng)估

日照數(shù)據(jù)完整性評(píng)估主要是針對(duì)日照自動(dòng)觀測(cè)的缺測(cè)率進(jìn)行評(píng)估。萬州國(guó)家基本氣象站嚴(yán)格按照《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范（試行）》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行光電式數(shù)字日照計(jì)的安裝調(diào)試、巡視維護(hù)及數(shù)據(jù)監(jiān)控，2019年全年未出現(xiàn)日照分鐘數(shù)據(jù)缺測(cè)現(xiàn)象。2019年日照自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的缺測(cè)率均為0%，數(shù)據(jù)完整性良好。

2.2 小時(shí)日照時(shí)數(shù)一致性分析

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)6 min有日照則記錄為0.1 h，剩余有日照的分鐘數(shù)達(dá)到或超過3 min也記錄為0.1 h。而暗筒式日照計(jì)則是根據(jù)日照紙上感光跡線的長(zhǎng)度來計(jì)算日照時(shí)數(shù)，每6 min記為0.1 h。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3 min，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)0.1 h，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。按照上述條件，萬州站2019年共有1605個(gè)有效樣本值參與統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)和人工小時(shí)日照的絕對(duì)誤差為0.1 h，相關(guān)系數(shù)為0.88，通過了

α

=0.01的顯著性檢驗(yàn)，體現(xiàn)了兩者較好的一致性。

2.3 逐日日照時(shí)數(shù)一致性分析

同樣按照業(yè)務(wù)規(guī)定，當(dāng)光電式數(shù)字日照計(jì)全天的日照時(shí)數(shù)連續(xù)累計(jì)達(dá)到或超過3 min，或者暗筒式日照計(jì)全天的日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)0.1 h，則需進(jìn)行全天日照時(shí)數(shù)的一致性分析，同樣剔除全天自動(dòng)和人工日照時(shí)數(shù)均為0.0的天數(shù)，2019年共參與統(tǒng)計(jì)的有效樣本數(shù)為220 d。自動(dòng)和人工逐日日照時(shí)數(shù)散點(diǎn)圖如圖1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其絕對(duì)誤差為0.46，相關(guān)系數(shù)為0.99，通過

α

=0.01的顯著性檢驗(yàn)。體現(xiàn)了兩者具有較好的一致性。

自動(dòng)和人工逐日日照時(shí)數(shù)的差值分布情況如圖2。就兩者日照時(shí)數(shù)差值而言，相同的天數(shù)占7%，自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)大于人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的天數(shù)占72%，自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)小于人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的天數(shù)占21%。相對(duì)差值方面，相對(duì)差值在±10%內(nèi)占57%，大于100%的占19%，其中日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值大于100%的情況是屬于自動(dòng)觀測(cè)有日照，而人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)為0.0 h?？傮w而言，自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)大于人工觀測(cè)，兩者一致性較好。

圖1 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)逐日日照時(shí)數(shù)散點(diǎn)圖Fig. 1 Scatter diagram of daily of sunshine observed automatically and manually

圖2 逐日日照時(shí)數(shù)差值（a）及相對(duì)差值（b）分布Fig.2 Distribution of difference (a) and relative difference (b)of daily sunshine hours

2.4 逐月日照時(shí)數(shù)一致性分析

利用2019年1—12月逐月日照時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)和人工逐月日照時(shí)數(shù)絕對(duì)誤差為4.98 h，相關(guān)系數(shù)為0.99，通過

α

=0.01的顯著性檢驗(yàn)。從自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)逐月日照時(shí)數(shù)對(duì)比來看，除2、12月自動(dòng)日照時(shí)數(shù)較人工略偏少外，其余月份自動(dòng)日照時(shí)數(shù)均大于人工日照時(shí)數(shù)。從相對(duì)差值來看（表1），除1月外，其余月份的自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照均比較接近，相對(duì)差值絕大部分在-1%～10%（光電式日照計(jì)測(cè)量性能的最大允許誤差為月觀測(cè)數(shù)據(jù)±10%），較逐日日照時(shí)數(shù)的相對(duì)差值分布更集中。

3 自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差異原因

3.1 觀測(cè)方法影響

自動(dòng)日照觀測(cè)采用的是DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)，它是采用置于光學(xué)鏡筒內(nèi)的3個(gè)同軸光電感應(yīng)器同時(shí)對(duì)總輻射和散射輻射進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，然后根據(jù)計(jì)算出的直接輻照度來判斷有無日照，如直接輻照度≥120 W/m則作為有日照，將時(shí)間累計(jì)，即可得到每小時(shí)與每天的日照時(shí)數(shù)，其分辨率為1 min。

表1 2019年自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)逐月日照時(shí)數(shù)差值Table 1 Monthly sunshine hours difference between automatic observation and manual observation in 2019

人工日照采用暗筒式日照計(jì)，它是利用太陽光通過儀器兩側(cè)的小孔射入筒內(nèi)，在涂有感光藥劑的日照紙上呈現(xiàn)出感光跡線，根據(jù)跡線長(zhǎng)度來計(jì)算日照時(shí)數(shù)，其分辨率為6 min，6 min計(jì)算為0.1 h。而日照紙感光是否正確與多方面因素有關(guān)，如日照紙的質(zhì)量、感光劑（枸櫞酸鐵銨）及顯影藥（赤血鹽）的質(zhì)量、配制比例、涂藥方法、浸泡時(shí)間等都是造成測(cè)量誤差的主要原因，同時(shí)日照紙上的感光劑對(duì)于太陽直接輻照度缺乏固定準(zhǔn)確的感應(yīng)閾值，從而使獲得的日照時(shí)數(shù)的客觀準(zhǔn)確性難以得到有效保證。相比較而言，光電式日照計(jì)能夠排除各類人為因素影響，所獲取的日照時(shí)數(shù)更加具有客觀性和準(zhǔn)確性。

3.2 時(shí)差影響

由于日照自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)采用的觀測(cè)時(shí)制不同，故兩者存在一定的時(shí)差。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的規(guī)定，自動(dòng)觀測(cè)日照采用的是地方平均太陽時(shí)，人工觀測(cè)日照采用的是真太陽時(shí)。真太陽時(shí)等于地方平均太陽時(shí)加上時(shí)差，根據(jù)2019年天文年歷可查詢每天的時(shí)差，時(shí)差在－14～16 min。而在有日照的情況下時(shí)差可能會(huì)導(dǎo)致兩種觀測(cè)方式的小時(shí)日照時(shí)數(shù)具有一定的差異，若3 min≤時(shí)差＜9 min，小時(shí)日照時(shí)數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)0.1 h的差異；9 min≤時(shí)差＜15 min，小時(shí)日照時(shí)數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)0.2 h的差異等。但此種情況主要發(fā)生在跨正點(diǎn)有日照且不是連續(xù)2 h全日照情況下出現(xiàn)，對(duì)全天總的日照時(shí)數(shù)無影響。

3.3 天氣狀況影響

日照時(shí)數(shù)多少受天氣現(xiàn)象、能見度、云量、云狀、云高及大氣透明度等的影響，不同的天氣狀況對(duì)日照的影響程度不同。據(jù)張緯敏等研究，人工暗筒式日照計(jì)的日照紙?jiān)谇缣鞎r(shí)的感光閾值為270～300 W/m，而在地平線渾濁時(shí)的感光閾值為130～145 W/m，光電式數(shù)字日照計(jì)的感光閾值為96～144 W/m。由于感光閾值不同，在霧霾天氣、天空較為渾濁垂直能見度較低或太陽光透過較薄云層時(shí)，太陽光照強(qiáng)度一般較弱，光電式數(shù)字日照計(jì)比暗筒式日照計(jì)更精確地感光，此時(shí)自動(dòng)日照時(shí)數(shù)一般大于人工日照時(shí)數(shù)，同理，在日出后或日落前也會(huì)出現(xiàn)同種情況。但是在多云天氣且云量變化較快或云的移速較快的情況下，地面接收到的直接輻射強(qiáng)度變化也較快，光電式數(shù)字日照計(jì)分辨率高能準(zhǔn)確識(shí)別輻射強(qiáng)度變化，而人工日照紙上的感光跡線多呈點(diǎn)狀，此時(shí)人工劃線大多直接將點(diǎn)狀描劃成連續(xù)直線而造成人為誤差，導(dǎo)致自動(dòng)日照時(shí)數(shù)小于人工日照時(shí)數(shù)。

4 結(jié)論

1）2019年全年自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)均無缺測(cè)，完整性良好。自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)在逐小時(shí)、逐日、逐月方面相關(guān)一致性均較好，自動(dòng)觀測(cè)日照總時(shí)數(shù)總體上大于人工觀測(cè)日照總時(shí)數(shù)，但在多云天氣且云量變化較快或云的移速較快的情況下，自動(dòng)日照時(shí)數(shù)小于人工日照時(shí)數(shù)。

2）自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差異產(chǎn)生的原因主要有3個(gè)方面：一是自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照采用的儀器和觀測(cè)方法不同；二是自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)日照采用的觀測(cè)時(shí)制不同；三是不同的天氣狀況對(duì)日照的影響程度不同。

3）光電式數(shù)字日照計(jì)較暗筒式日照計(jì)靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，提高日照測(cè)量精度，能有效地排除人為因素影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)更具有客觀性和準(zhǔn)確性。當(dāng)然，為更好地了解2種觀測(cè)方式所獲取的資料序列差異，還可進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的平行觀測(cè)，積累更多的資料予以分析，為氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。