別致宜

(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市氣象局，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

1 引言

自日照自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備逐步在全國(guó)各氣象臺(tái)站安裝、試運(yùn)行以來(lái)，很多的科研學(xué)者以及氣象工作者對(duì)日照自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)進(jìn)行了分析，例如，吳雙桂等[1]對(duì)格爾木日照的人工和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析；邱杰等人[2]對(duì)湖州地區(qū)FS-RZ1日照傳感器試運(yùn)行期間的狀況進(jìn)行了分析研究；丁麗、劉雙喜等人[3]對(duì)3種不同類(lèi)型日照儀器，進(jìn)行了相關(guān)性以及影響相對(duì)差值的因素等方面的分析研究。觀測(cè)日照對(duì)于了解太陽(yáng)直射輻射變化、監(jiān)測(cè)天氣氣候狀況、分析和預(yù)報(bào)未來(lái)天氣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都有著重要意義[4]。

當(dāng)前，隨著時(shí)代的進(jìn)步，技術(shù)的革新，為進(jìn)一步滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展需求，地面氣象觀測(cè)全面進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代，取消人工定時(shí)觀測(cè)及日常值守班的工作，觀測(cè)設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其中，日照觀測(cè)要素已由傳統(tǒng)的暗筒式日照計(jì)變更為自動(dòng)觀測(cè)的DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)。按照《日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》(氣測(cè)函〔2018〕153號(hào))通知要求，完成日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)。為進(jìn)一步分析兩者之間的相關(guān)性以及一致性，判斷儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性，以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)烏海市氣象局烏海國(guó)家氣象觀測(cè)站為例，通過(guò)對(duì)建站以來(lái)一直使用的暗筒式日照計(jì)(為人工觀測(cè)儀器)觀測(cè)數(shù)據(jù)和2018年9月安裝的DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)(為自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析[5]。為當(dāng)?shù)毓夥l(fā)展、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用、日照觀測(cè)業(yè)務(wù)、地面氣象觀測(cè)無(wú)人化等相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考[6]。

2 資料來(lái)源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文分析所使用的資料來(lái)自烏海國(guó)家氣象觀測(cè)站53512站在日照平行觀測(cè)業(yè)務(wù)期間(2019年1～6月)的日照觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中6月觀測(cè)日數(shù)為13 d。數(shù)據(jù)來(lái)源設(shè)備位于國(guó)家站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，南北間距1 m，符合平行觀測(cè)要求；同時(shí)，平行觀測(cè)期間，國(guó)家站設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、未曾出現(xiàn)故障，觀測(cè)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境未曾發(fā)生變化，日照觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可用、無(wú)野值，期間應(yīng)觀測(cè)次數(shù)236160次，實(shí)際觀測(cè)次數(shù)236160次，觀測(cè)成功率100%。

2.2 處理方法

本文對(duì)3936 h的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。本次分析旨在處理研究?jī)煞N觀測(cè)儀器所得數(shù)據(jù)的相關(guān)性和可用性等情況。因現(xiàn)下沒(méi)有日照的標(biāo)準(zhǔn)控制器，故不對(duì)設(shè)備進(jìn)行誤差的判定和使用。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 日照逐小時(shí)數(shù)據(jù)差異

烏海地區(qū)2019年1～6月的日出和日落時(shí)間段分別為05：24～08：13；17：38～20：21，故挑選05：00～21：00的日照觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

從圖1和圖2可以看出各時(shí)次兩種觀測(cè)手段存在的差異。得出各時(shí)次差值在正值、負(fù)值和0存在不同頻率的分布，也就是說(shuō)日照自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)數(shù)值有多有少，也有相等的時(shí)候。兩種儀器在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)值相同時(shí)次占比80.8%，在 6 時(shí)、17 時(shí)、18 時(shí) 和 19 時(shí)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)值大于人工觀測(cè)值的次數(shù)偏多，7 時(shí)至15 時(shí)自動(dòng)觀測(cè)值小于人工觀測(cè)值的次數(shù)相對(duì)較多。

圖1 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各時(shí)次差值頻率

3.2 日照逐日數(shù)據(jù)差異

通過(guò)對(duì)日照逐日數(shù)據(jù)的處理和分析，得出樣本總數(shù)164 d的差值大小，并統(tǒng)計(jì)不同差值出現(xiàn)的頻率，制作得圖2。

圖2 各日不同差值頻率分布

由圖2可知，差值處于±1 h/d之間的頻率為87.2%，在12.8%的頻率中，光電式數(shù)字日照計(jì)的測(cè)量范圍在±1之外。通過(guò)此分布范圍分析得出，日照觀測(cè)的自動(dòng)設(shè)備和人工設(shè)備之間表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。日照自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備可以替代傳統(tǒng)的人工觀測(cè)設(shè)備。

3.3 日照逐月數(shù)據(jù)差異

通過(guò)對(duì)2019年1～6月的日照月累計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(其中自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)由日照平行觀測(cè)軟件統(tǒng)計(jì)的日照時(shí)數(shù)合計(jì)所得)，如圖3所示，日照時(shí)數(shù)差值在-16.7～2.8 h之間，自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)小于人工觀測(cè)時(shí)數(shù)。其中，2019年4月、2019年5月的觀測(cè)數(shù)據(jù)差值較大，平均值為-14.9 h。而2019年1月觀測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)差值在-2%以?xún)?nèi)，其余月份的相對(duì)差值的絕對(duì)值處在3.0%以?xún)?nèi)。

圖3 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)各月日照時(shí)數(shù)

4 結(jié)果分析

通過(guò)分析總結(jié)，造成兩種觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)存在差異的主要原因是兩者的工作原理有著本質(zhì)性的不同。暗筒式日照計(jì)的觀測(cè)方法是利用太陽(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的原理計(jì)算日照時(shí)數(shù)[7]。

而光電式數(shù)字日照計(jì)主要由光筒和緯度調(diào)節(jié)裝置組成。光筒內(nèi)部核心感應(yīng)部件是3個(gè)光電感應(yīng)器件，1個(gè)光電感應(yīng)器件用于測(cè)量總輻射，另外2個(gè)用于測(cè)量散射輻射，在給定時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò) 120 W/m2時(shí)，判斷為有日照，并將各個(gè)時(shí)段的數(shù)值累計(jì)求和[8]。得到日照時(shí)數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，光電式數(shù)字日照計(jì)的判別依據(jù)更加準(zhǔn)確、更為細(xì)致。

與此同時(shí)，在相同的規(guī)范安裝條件下，暗筒式日照計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)受人為因素影響的情況比較多[9]，例如，存在畫(huà)線計(jì)算時(shí)將計(jì)算值四舍五入的情況、感光藥水的配置比例以及感光藥水涂抹均勻程度等情況[10]。光電式數(shù)字日照計(jì)的日照時(shí)數(shù)則表現(xiàn)得更加客觀，不被主觀因素所左右。

根據(jù)張緯敏等人的研究，暗筒式日照計(jì)的日照紙晴天時(shí)的感光閾值為270～300 W/m2，地平線渾濁時(shí)感光閾值在130～145 W/m2[11]。而光電式日照計(jì)的主要影響因素是太陽(yáng)直接輻照度，根據(jù)《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范(試行)》的要求，日照自動(dòng)觀測(cè)閾值的最大允許誤差為±20%[12]，也就是說(shuō)，太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到96～144 W/m2時(shí)可能被判斷為有日照發(fā)生。因此，當(dāng)太陽(yáng)的直接輻射較弱的時(shí)候，自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)比人工觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)大的概率較多，主要表現(xiàn)在日出后和日落前(即6時(shí)、17～19時(shí))的時(shí)間段比較明顯。

5 結(jié)論

DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)在日出和日落之外的時(shí)段內(nèi)，表現(xiàn)出較高的一致性。在日照的逐日數(shù)據(jù)中，兩者間差值有87.2%的概率處于±1 h之內(nèi)，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，自動(dòng)日照觀測(cè)能夠良好地替代人工日照觀測(cè)。而自動(dòng)觀測(cè)儀器也表現(xiàn)出觀測(cè)結(jié)果更加客觀、判別依據(jù)更加準(zhǔn)確且時(shí)間分辨力更為細(xì)致等特點(diǎn)，在太陽(yáng)直接輻射偏弱時(shí)，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)值明顯高于人工觀測(cè)值，整體觀測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、詳細(xì)?？蓮臉O大程度上為太陽(yáng)能發(fā)展、光伏發(fā)電工程、作物生長(zhǎng)等多方面研究提供準(zhǔn)確、可靠的助力。