李亞軍,葛黎黎
(山西省氣象信息中心, 山西 太原030006)
日照是指太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。 日照時(shí)數(shù)也稱(chēng)實(shí)照時(shí)數(shù)[1];其定義為,在一給定時(shí)間,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)。 日照時(shí)數(shù)表示一個(gè)地區(qū)接受太陽(yáng)光照射的時(shí)間長(zhǎng)短, 直觀(guān)反映太陽(yáng)輻射,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的環(huán)境因素,對(duì)人民的日常生活影響重大。 日照時(shí)間的長(zhǎng)短決定了對(duì)太陽(yáng)能的利用程度, 也對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源具有較高的分析利用價(jià)值,因此對(duì)日照觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高[2]。
目前, 我國(guó)氣象部門(mén)普遍使用的日照觀(guān)測(cè)儀器有暗筒式日照計(jì)、 聚焦式日照計(jì), 該類(lèi)儀器人工制作、安裝和更換日照紙,需要根據(jù)感光跡線(xiàn)進(jìn)行人工計(jì)算日照時(shí)數(shù),觀(guān)測(cè)精度較低,資料可比性和一致性難以保證[3]。 隨著日照觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)需求更加精細(xì)化,傳統(tǒng)的日照觀(guān)測(cè)儀器已無(wú)法滿(mǎn)足,自動(dòng)日照計(jì)觀(guān)測(cè)精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便,取代傳統(tǒng)日照觀(guān)測(cè)儀器勢(shì)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(wú)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(chǔ)、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(guò)對(duì)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(tái)站平行觀(guān)測(cè)的同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(guān)測(cè)設(shè)備的一致率達(dá)到90%以上。
根據(jù)氣測(cè)函 (2018)153 號(hào)中國(guó)氣象局綜合觀(guān)測(cè)司關(guān)于印發(fā)《日照平行觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》的函和山西省觀(guān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)處發(fā)布的氣測(cè)函 【2018】34 號(hào)文件《觀(guān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)處關(guān)于開(kāi)展自動(dòng)日照計(jì)試運(yùn)行及平行觀(guān)測(cè)的通知》, 山西省在2018 年12 月16 日開(kāi)始光電式數(shù)據(jù)日照計(jì)的試運(yùn)行, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(guān)測(cè)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(yáng)時(shí)24 時(shí))起開(kāi)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(guān)測(cè)記錄為正式觀(guān)測(cè)記錄,其記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀(guān)測(cè)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(dòng)觀(guān)測(cè)記錄為正式觀(guān)測(cè)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(guó)家級(jí)地面觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析, 希望了解不同觀(guān)測(cè)方式下自動(dòng)與人工數(shù)據(jù)的差異。
利用山西省109 個(gè)開(kāi)展平行觀(guān)測(cè)的臺(tái)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(píng)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(cè)記錄, 對(duì)光電式數(shù)字日照計(jì)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性做月缺測(cè)率評(píng)估。
月缺測(cè)率=(月觀(guān)測(cè)缺測(cè)次數(shù)/月應(yīng)觀(guān)測(cè)總次數(shù))×100%
分別對(duì)兩種觀(guān)測(cè)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(guò)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(guān)測(cè)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(guān)測(cè)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(guò)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(dòng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
山西省共109 個(gè)國(guó)家地面觀(guān)測(cè)站參與數(shù)據(jù)評(píng)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(cè)記錄來(lái)計(jì)算缺測(cè)率。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)1-6 月日照自動(dòng)觀(guān)測(cè)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(lè)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(lái)計(jì)算缺測(cè)率。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了除缺報(bào)外的缺測(cè)分鐘數(shù)(圖1),統(tǒng)計(jì)各站1-6 月缺測(cè)率后發(fā)現(xiàn),有90 站缺測(cè)率均為0.00%,占82.6%;有 16 站缺測(cè)率為 0.01%,占 14.7%;有 1 站57061 平陸,缺測(cè)率為0.02%,占0.9%;有2 站53777交城、53965 絳縣,缺測(cè)率均為0.03%,占1.8%。
表1 自動(dòng)日照數(shù)據(jù)1-6 月缺報(bào)情況
4.2.1 小時(shí)日照數(shù)據(jù)一致性
根據(jù)評(píng)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(guò)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(dòng)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(guān)測(cè)數(shù)據(jù)完全相等的個(gè)數(shù)比例各站均在46%以上, 自動(dòng)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(dòng)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(guó)家站1-6 月自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(píng)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(guò)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(dòng)與人工全天日照時(shí)數(shù)后, 計(jì)算各站自動(dòng)與人工觀(guān)測(cè)時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)越接近1,說(shuō)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(tái)站為104 站, 占比為95.4%。具體情況見(jiàn)圖2。
圖2 109 站全天日照數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)
(1)按照評(píng)估內(nèi)容和要求,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析全省109個(gè)國(guó)家站1-6 月日照自動(dòng)觀(guān)測(cè)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(cè)率均為0.00%, 有16 站缺測(cè)率為0.01%, 有 1 站缺測(cè)率為0.02%;有2 站缺測(cè)率為0.03%,造成缺測(cè)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(guó)家站1-6 月自動(dòng)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(dòng)小于人工個(gè)數(shù)占總樣本數(shù)的26%, 自動(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與暗筒式日照計(jì)人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)一致性良好, 滿(mǎn)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(guò)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(wú)誤。