杜 冰，吳 薇，黃曉龍，陳中鈺，鄭麗英，李施穎

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；3.四川省成都市溫江區(qū)氣象局,成都 611130)

引言

日照時數(shù)是一個非常重要的氣象要素，通過影響陸-氣、海-氣相互作用，對天氣、氣候產(chǎn)生重要的影響，由于日照是植物光合作用必不可少的條件，日照時數(shù)在農(nóng)業(yè)氣象應用、研究方面有著尤為重要的地位[1-4]。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范定義，日照時數(shù)為太陽直接輻照度達到或超過120W/m2的時間總和[5]，所以日照時數(shù)其實是太陽直接輻射的一個表現(xiàn)，但觀測臺站比直接輻射更多，應用面也更廣[6-8]。人工日照觀測原理分為燒痕法和感光法，對應儀器分別是聚焦式日照計和暗筒式日照計，其中聚焦式日照計一般在較高緯度地區(qū)使用[9]。四川省國家級地面觀測站(以下簡稱“國家站”)在2019年之前，一直采用暗筒式日照計進行日照時數(shù)觀測。高青芳等[10]研究表明，暗筒式日照計人工觀測，需要配置感光劑、涂制感光紙，易產(chǎn)生誤差；杜傳耀[11]、孟慶勇等[12]研究表明，人工觀測過程中需換紙、劃線、讀數(shù)，環(huán)節(jié)多，觀測準確性和觀測員習慣、操作規(guī)范息息相關，受人為影響較大，與氣象現(xiàn)代化發(fā)展要求不匹配。所以日照觀測自動化勢在必行，是實現(xiàn)地面氣象觀測自動化的重要內(nèi)容。

四川全省在2018年12月20日前完成了光電式數(shù)字日照計安裝建設，2019年1月1日起，全省156個國家站均開展日照平行對比觀測，以獲得人工與自動觀測數(shù)據(jù)的差異。近年來，很多學者已經(jīng)對人工與自動日照時數(shù)進行了對比研究，杜傳耀等[11]對比了直接輻射表、自動日照計和暗筒式日照計觀測的日照時數(shù)，表明暗筒式日照計易受人為因素影響，測量值會出現(xiàn)高低不均，其觀測值易大于自動日照計，且在霧霾日誤差更大；呂文華等[13]以直接輻射表觀測的日照時數(shù)作為參考，評估了國產(chǎn)光電式自動日照計的觀測性能，表明自動日照計在陰雨天誤差略大，但能滿足日照觀測自動化的準確性要求；王超球等[14]進行了總輻射表和暗筒式日照計觀測日照時數(shù)的對比研究，表明暗筒式日照計靈敏度較低，客觀性較差，晴好天氣觀測誤差更小；孟慶勇等[12]對直接輻射表和暗筒式日照計觀測的日照時數(shù)進行了比較，表明人工觀測值較自動觀測偏大，且人工觀測誤差較大。可以看出，自動觀測相較于人工觀測更為準確穩(wěn)定，天氣情況對日照觀測準確性有一定的影響。目前大多數(shù)日照時數(shù)人工與自動對比研究都是基于單站觀測數(shù)據(jù)進行，對不同氣候區(qū)域多站點進行對比研究的較少，對不同日照時數(shù)等級下的對比研究也較少。日照觀測方式的變化，很可能會導致資料序列差異[15-17]，四川省地形復雜，各地區(qū)氣候差異很大，所以分析四川省人工與自動觀測日照時數(shù)的差異以及空間分布規(guī)律，對全省各地區(qū)日照時數(shù)資料的銜接應用尤其是長時間序列資料研究有著重要的參考價值[18-19]。本文使用四川省所有國家站日照平行觀測期間的資料，分析評估人工與自動日照時數(shù)的差異及空間分布規(guī)律，研究不同日照時長條件下人工與自動觀測值的一致性及空間分布，分析觀測方式變化導致的資料序列差異，可為今后日照時數(shù)資料的銜接應用及其它日照相關的研究提供重要參考依據(jù)。

1 資料介紹及處理方法

1.1 觀測儀器介紹

暗筒式日照計觀測原理為日照自記紙上的感光物質(zhì)因日照產(chǎn)生了化學反應，從而記錄下跡線，人工讀取跡線長度就得到了日照時長，精度為0.1h。四川省所有國家站安裝的自動日照儀器均為華云升達(北京)氣象科技有限責任公司生產(chǎn)的DFC2型光電式數(shù)字日照計，采用置于光學鏡筒中的三個同軸光電感應器，對總輻射和散射輻射輻照度進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度判斷有無日照，觀測值精度為1分鐘，根據(jù)分鐘日照來計算小時、日累計日照時數(shù)。

1.2 觀測數(shù)據(jù)及處理方法

本文使用四川全省156個國家站2019年1～3月共3個月的人工和自動日照時數(shù)資料，首先進行數(shù)據(jù)完整性檢查，其次進行小時日照時數(shù)一致性分析和全天日照時數(shù)一致性分析，最后進行全天日照時數(shù)分級一致性分析。一致性評估方法為：逐站逐時次(日或小時)選取日照時數(shù)人工觀測值與自動觀測值，計算二者間的偏差、平均值誤差、均方根誤差、相關系數(shù)等指標，人工或自動觀測值若有一方缺測，該時次不參加統(tǒng)計，具體計算公式如下：

偏差(BIAS)

(1)

平均值誤差(ME)

(2)

均方根誤差(RMSE)

(3)

相關系數(shù)(COR)

(4)

其中，Oi為人工日照時數(shù)觀測值，Gi為自動日照時數(shù)觀測值，N為參與檢驗的總時次數(shù)。

一致性統(tǒng)計樣本具體選取規(guī)則為：

(1)小時一致性分析：同一小時光電式數(shù)字日照計小時內(nèi)日照累計時數(shù)達到或超過3分鐘，或暗筒式日照計小時內(nèi)日照時數(shù)累計達到0.1h，則選取該小時進行一致性統(tǒng)計。統(tǒng)計樣本以分鐘為單位，逐站進行計算。

(2)全天一致性分析：同一日光電式數(shù)字日照計全天日照累計時數(shù)，或暗筒式日照計全天日照累計時數(shù)達到0.1h，則選取該日進行一致性統(tǒng)計。統(tǒng)計樣本以小時為單位，逐站進行計算。

(3)以6h為一個等級的逐站一致性分析：將每個站逐日自動日照時數(shù)分為≥6h和<6h兩類，每類分別與同日人工觀測值進行一致性統(tǒng)計。每類中，樣本仍需滿足全天自動或人工累計日照時數(shù)達到0.1h，才選取該日進行一致性統(tǒng)計的原則。統(tǒng)計樣本以小時為單位，分兩類進行逐站計算。

(4)以2h為一個等級的綜合一致性分析：將所有臺站全天自動日照時數(shù)以2h為一個等級，分六類(0～2h，2～4h，…，10～12h)分別與對應時次的人工日照時數(shù)進行一致性統(tǒng)計。每類中，樣本仍需滿足全天自動或人工累計日照時數(shù)達到0.1h，才選取該日進行一致性統(tǒng)計的原則。統(tǒng)計樣本以小時為單位，不區(qū)分具體臺站，全省所有數(shù)據(jù)分六類進行綜合計算。

1.3 數(shù)據(jù)完整性評估

2019年1～3月全省人工日照時數(shù)無缺測。以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，對全省156個站2019年1～3月自動日照時數(shù)缺測率進行了逐站統(tǒng)計。自動日照分鐘缺測率計算方法為：

自動日照分鐘缺測率=(觀測缺測分鐘數(shù)/應觀測總分鐘數(shù))×100%

(5)

統(tǒng)計柱狀圖見圖1(a)，空間分布見圖1(b)?？梢钥闯龃蟛糠峙_站分鐘日照缺測率都在0.3%以內(nèi)，分布在0.1%～0.2%的臺站最多，有92個?？傮w而言，自動日照時數(shù)缺測很少，表明DFC2型光電式數(shù)字日照計運行穩(wěn)定。

2 一致性分析

2.1 小時日照時數(shù)一致性分析

各統(tǒng)計量空間分布見圖2。全省156個站中，105個站偏差<1，51個站≥1，表明大部分站小時人工觀測值略大于自動觀測，從偏差空間分布圖2(a)可以看出，人工日照時數(shù)偏小的站多出現(xiàn)在盆地等日照較弱、時長較短的地帶，攀枝花、三州等日照時間較長的地區(qū)基本全是人工觀測值較自動觀測偏大的臺站。平均值誤差和偏差類似，大部分臺站都集中在-4～4分鐘以內(nèi)，且<0的臺站也為105個，空間分布圖2(b)和圖2(a)相似。均方根誤差普遍較小，130個臺站均在16分鐘以下，從空間分布圖2(c)可以看出，均方根誤差較大的臺站多分布在盆地地區(qū)，攀枝花、三州地區(qū)普遍較小。絕大部分臺站小時相關系數(shù)都在0.7以上，只有11個臺站相關系數(shù)<0.7，其中寶興站由于局站分離，人工日照觀測在縣局辦公處，自動日照計在國家站觀測場內(nèi)，二者相距20km左右，所以小時相關性很差,相關系數(shù)僅0.08。相關系數(shù)空間分布(見圖2(d))與均方根誤差類似，相關系數(shù)較小的臺站多出現(xiàn)在盆地地區(qū)。

2.2 全天日照時數(shù)一致性分析

各統(tǒng)計量空間分布見圖3，自動-人工日值散點圖見圖4。日照時數(shù)日值偏差與小時值偏差分布類似，<1的站有103個，表明大部分站人工觀測日值略大于自動觀測，大部分臺站(119個)偏差都分布在0.9～1.1以內(nèi)。從日值偏差分布圖3(a)可以看出，人工觀測日值偏小的臺站仍然多出現(xiàn)在盆地內(nèi)，與小時偏差分布一致。日值平均值誤差在±0.5h以內(nèi)的臺站有121個，<0的臺站有103個，空間分布與偏差類似(詳見圖3b)。日值均方根誤差有136個站都在1.1h及以下，分布在0.5～0.9h內(nèi)的站點最多，有94個。均方根誤差空間分布見圖3(c)，可見超過1.1h的臺站仍然主要分布在盆地地區(qū)。日值相關系數(shù)比小時值明顯更高，表明日值相關性更好，<0.9的站只有9個，空間分布見圖3(d)。從自動-人工散點圖4也可以看出，二者一致性很好,人工觀測偏大的樣本更多。但出現(xiàn)了一部分人工觀測為0，自動觀測不為0的樣本，很可能為人工觀測精度較低導致的漏測。

3 全天日照時數(shù)分級一致性分析

3.1 以6h為一個等級的逐站一致性分析

從圖5～7可以看出，以日自動日照時長6h為界限分為兩類后，兩類之間人工與自動一致性分布有明顯差異(由于寶興站較特殊，此部分予以剔除)。從平均值誤差分布圖5可以看出，總的趨勢都是盆地多為正值(人工觀測偏小)，攀枝花、三州多為負值(人工觀測偏大)，且盆地區(qū)域平均值誤差絕對值更大。對比圖5(a)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，在自動日照時數(shù)≥6h時，盆地人工觀測值偏小更嚴重，攀枝花、三州人工觀測值偏大程度較輕。在自動日照時數(shù)<6h時，攀枝花、三州人工觀測值偏大更嚴重，盆地人工觀測值偏小程度較輕。

這可能與觀測員觀測習慣有關：在攀枝花、三州地區(qū)，日照時長一般較長，觀測員習慣觀測較長的日照時數(shù)，所以日照時數(shù)較少時，人工觀測值仍然容易偏大。而在盆地區(qū)域，日照時長一般較短，觀測員更習慣觀測較短的日照時數(shù)，在日照時數(shù)較長情況下，人工觀測值易偏小更多。從平均值誤差站點個數(shù)統(tǒng)計表1可以看出，在自動日照時數(shù)≥6h時，總體平均值誤差更小。

從圖6可以看出，偏差在攀枝花、三州地區(qū)的分布與平均值誤差類似，自動日照時數(shù)<6h時人工觀測值偏大更嚴重，在自動日照時數(shù)≥6h時人工觀測更為準確。但與平均值誤差不同的是，盆地地區(qū)在自動日照時數(shù)≥6h時偏差也更接近1。偏差是累加和之比，較平均值誤差更宏觀，二者有差異屬正常。從表2可以看出，在自動日照時數(shù)≥6h時，偏差在0.95～1.05的站數(shù)為113個，在自動日照時數(shù)<6h時，偏差在0.95～1.05之間的站數(shù)僅為31個，所以在日自動日照時數(shù)≥6h情況下，人工與自動觀測值之間的偏差更接近于1。

均方根誤差分布見圖7，與平均值誤差類似，攀枝花、三州地區(qū)的均方根誤差在自動日照時數(shù)≥6h時更小，在<6h時更大，盆地分布趨勢與之相反，在自動日照時數(shù)<6h時更小。從站點個數(shù)分布表3可以看出，當自動日照時數(shù)≥6h時，均方根誤差<0.7h的站有96個，當自動日照時數(shù)<6h時，均方根誤差<0.7h的只有64個站。

總之，攀枝花、三州地區(qū)人工觀測值一般都較自動觀測值偏大，在日照時數(shù)較少(<6h)情況下，人工觀測值偏大更多；而在盆地地區(qū)，大多數(shù)臺站人工觀測值較自動觀測值偏小，在日照時數(shù)較多(≥6h)的情況下，人工觀測值偏小更為嚴重。

表1 日照日值6h等級下平均值誤差站點個數(shù)統(tǒng)計

表2 日照日值6h等級下偏差站點個數(shù)統(tǒng)計

表3 日照日值6h等級下均方根誤差站點個數(shù)統(tǒng)計

3.2 以2h為一個等級的全省綜合一致性分析

由于寶興站的特殊性，此部分剔除寶興站進行統(tǒng)計。從圖8可以看出，自動日照時數(shù)<8h時，偏差<1，平均值誤差<0，在8h以上時，偏差>1，平均值誤差>0，說明自動日照時數(shù)<8h時人工觀測值多出現(xiàn)偏大，在8h以上時人工觀測值多出現(xiàn)偏小。從誤差大小來看，無論平均值誤差還是均方根誤差，都是2～8h之間較大，2h以下和8h以上較小，其中在自動日照時數(shù)>8h時，全省人工與自動觀測值之間的誤差更小。相關性與誤差大小變化一致，均方根誤差和平均值誤差較大時，相關系數(shù)較小。說明在自動日照時數(shù)<2h、以及>8h時，全省人工觀測值更接近自動觀測值，在2～8h之間時，全省人工與自動觀測值之間的誤差較大。

日照時數(shù)較長(>8h)時，一般日照強度較大，日照時段也較為連續(xù)，所以人工觀測跡線更清晰，也較為連續(xù)，這種情況下，人工觀測更容易判斷，精度有所提高，人工觀測值和自動觀測更為接近。在日照時數(shù)較少(<2h)時，一般日照時長也較為集中，人工與自動觀測值之間的相關系數(shù)較高，均方根誤差、平均值誤差較小，但均方根誤差、平均值誤差絕對值仍然>8h以上的分組，偏差與1相差仍然較大。在日照時數(shù)適中(2～8h)的情況下，日照時段更容易不連續(xù)，日照強度變化較大，導致人工觀測準確性下降，從而使人工與自動觀測值之間誤差偏大，相關性變差。

4 結論與展望

本文綜合分析了四川省人工與自動日照時數(shù)的小時值、日值一致性，討論了不同日照時長對人工與自動觀測一致性的影響，并研究了一致性空間分布規(guī)律，具體結論如下：

(1)總體上，自動和人工觀測的日照時數(shù)相關性較好，二者間誤差較小，日值相關性更好。四川省大多數(shù)臺站人工觀測日照時數(shù)略大于自動觀測。人工觀測值較自動值偏小的臺站多出現(xiàn)在盆地地區(qū)。相較于盆地，攀枝花、三州地區(qū)人工觀測日照時數(shù)與自動觀測值更接近；

(2)攀枝花、三州地區(qū)人工觀測值一般較自動觀測值偏大，在日照時數(shù)較多的情況下，人工與自動觀測值之間的誤差更小，在日照時數(shù)較少情況下，人工觀測值偏大的更嚴重。多數(shù)盆地內(nèi)臺站人工觀測值較自動觀測值偏小，在日照時數(shù)較少情況下，人工與自動觀測值之間的誤差更小，在日照時數(shù)較多的情況下，人工觀測值偏小更嚴重；

(3)綜合全省數(shù)據(jù)，日自動日照時數(shù)>8h時，人工觀測值易出現(xiàn)偏小，人工與自動觀測值之間的誤差更小，相關性更好。日自動日照時數(shù)<8h時，人工觀測值較自動觀測值易出現(xiàn)偏大。日自動日照時數(shù)在2～8h時，全省人工與自動觀測值之間的誤差更大，相關性也更差。

在全國日照時數(shù)觀測自動化已全面完成的背景下，今后的研究可應用日照平行觀測期間的資料，結合臺站具體天氣情況，對四川以至全國每個氣候區(qū)域內(nèi)的典型臺站觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，進一步細化人工與自動觀測值之間的差異及影響因素，為各地區(qū)長時間序列日照時數(shù)資料的應用提供更加細致的參考依據(jù)。