郎貴英，安承德，袁 慶

(1.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100；2.貴州省石阡縣氣象局,貴州 石阡 555100)

0 引言

日照是地面氣象觀測(cè)的一項(xiàng)重要觀測(cè)項(xiàng)目，也是表征氣候變化的主要?dú)庀笠蛩刂弧８鶕?jù)氣象學(xué)上對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義，指在一給定時(shí)段內(nèi)太陽直接輻照度大于或等于120 W·m-2的時(shí)間總和[1-2]。近幾十年來，石阡國(guó)家氣象觀測(cè)站采用暗筒式日照計(jì)對(duì)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，隨著氣象現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，人工觀測(cè)日照已與氣象現(xiàn)代化發(fā)展要求不相匹配，采用時(shí)間分辨率更高、靈敏度更好的日照自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備替代暗筒式日照計(jì)觀測(cè)日照可以有效減輕地面氣象觀測(cè)員工作量，提高地面氣象觀測(cè)效率。廖桉樺等[3]對(duì)暗筒式日照計(jì)與CSD3型自動(dòng)日照儀日照時(shí)數(shù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)更加接近世界氣象組織(WMO)所要求的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。益西卓瑪?shù)萚4]對(duì)CHP1型太陽直接輻射傳感器、DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)、暗筒式日照計(jì)3種日照測(cè)量?jī)x器在冬季不同天空狀況下比較分析，發(fā)現(xiàn)3種儀器的測(cè)量值比較差異小，可以相互替代，取消人工觀測(cè)儀器后，日照資料可以合并使用。石振文[5]和楊召瓊[6]對(duì)人工觀測(cè)和CSD1型自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)人工與自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)之間有非常好的相關(guān)性，有良好的可比較性。張紅娟等[7]、陸忠濤等[8]和刑麗元等[9]對(duì)人工和DFC2型自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者完整性較好，一致性均值較高，自動(dòng)觀測(cè)靈敏度更高。王祥等[10]對(duì)福泉市1961—2018年日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)福泉年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，突變出現(xiàn)在2000年，月分布上只有2月是增加的趨勢(shì)，其余月份日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。2018年年底，石阡國(guó)家氣象觀測(cè)站安裝了江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)，2019年1月1日起開展日照平行觀測(cè)，2019年6月1日正式投入業(yè)務(wù)使用。本文通過對(duì)比分析該站2019年1—12月自動(dòng)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差異，為以后使用該要素進(jìn)行相關(guān)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 資料來源和說明

本文使用的日照資料來源于石阡國(guó)家氣象觀測(cè)站2019年1月1日—2019年12月31日DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)采集的逐日逐時(shí)日照時(shí)數(shù)，僅對(duì)自動(dòng)或人工觀測(cè)至少有一種儀器有日照時(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，即人工和自動(dòng)觀測(cè)均無日照時(shí)數(shù)不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。上述兩種儀器嚴(yán)格按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》安裝在相同的環(huán)境中，南北相差1 m。

定義自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差值：

S差值=S自動(dòng)-S人工

(1)

自動(dòng)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值：

S相對(duì)差值=(S自動(dòng)-S人工)/S人工×100

(2)

2 日照時(shí)數(shù)對(duì)比分析

2.1 年日照時(shí)數(shù)對(duì)比

通過統(tǒng)計(jì)，2019年自動(dòng)觀測(cè)年日照時(shí)數(shù)為1 057.8 h,人工觀測(cè)年日照時(shí)數(shù)為1070.7 h,年日照總時(shí)數(shù)相差10.9 h，日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值為-1.02%；自動(dòng)觀測(cè)有日照天數(shù)為211 d,人工觀測(cè)有日照天數(shù)為195 d,兩者有日照天數(shù)相差16 d，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)天數(shù)96 d，自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相同天數(shù)39 d，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)天數(shù)76 d。

2.2 月日照時(shí)數(shù)對(duì)比

分析2019年各月自動(dòng)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，相關(guān)系數(shù)為0.996 5，兩種儀器觀測(cè)的月日照時(shí)數(shù)平均相差3.3 h，差值有明顯的月變化。圖1所示，其中，3、4、6、8、12月差異較大，均相差4 h以上，6月相差最大，達(dá)10.8 h，1—2月、5月、7月、9—11月日差異較小，均在3 h以下。從各月日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值來看，除1月為70%、4月為-7.11%、6月為-10.6%、12月為9.96%外，其余月份均在±5%以內(nèi)。由于2019年1月自動(dòng)和人工觀測(cè)出現(xiàn)日照時(shí)數(shù)的天數(shù)與近30 a同期平均值相比都異常偏少，自動(dòng)觀測(cè)有日照天數(shù)為3 d，日照時(shí)數(shù)僅有1.7 h，而人工觀測(cè)有日照天僅1 d，日照時(shí)數(shù)為1 h，故得到該月兩者日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值為70%。

圖1 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)各月日照時(shí)數(shù)及差值Fig.1 The difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation in each month

2.3 日日照時(shí)數(shù)對(duì)比

將自動(dòng)與人工觀測(cè)的日日照時(shí)數(shù)差值和日日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值分別以0.1和5%為間隔進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)。從圖2可以看出，自動(dòng)與人工觀測(cè)的日日照時(shí)數(shù)差值大部分為正值，負(fù)值占36.02%，平均相差0.35 h，差值在±0.1 h內(nèi)的記錄為46.45%，差值在±1.5 h以外的記錄僅占5.21%。相對(duì)差值在±10%內(nèi)的記錄占68.21%，相對(duì)差值在±50%以外的記錄僅占3.59%，與差值在±1.5 h以外的記錄所占比例代表的含義略有不同，此類數(shù)據(jù)多出現(xiàn)在自動(dòng)和人工觀測(cè)日日照時(shí)數(shù)都較少的情況下?？傮w來看，自動(dòng)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)一致性較好，相關(guān)系數(shù)為0.986 3。

圖2 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日日照時(shí)數(shù)差值的分布Fig.2 Distribution diagram of the difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation

2.4 小時(shí)日照時(shí)數(shù)對(duì)比

從圖3可知，2019年自動(dòng)和人工觀測(cè)逐小時(shí)總?cè)照諘r(shí)數(shù)平均相差3.6 h,有明顯的小時(shí)變化。自動(dòng)和人工觀測(cè)主要日照時(shí)段都在10—16時(shí)，分別占全天日照的73.7%和75.69%，各時(shí)次累計(jì)日照均超過100 h，12時(shí)為所有時(shí)次日照最大值，自動(dòng)觀測(cè)為118.3 h，人工觀測(cè)為121.7 h；07—08時(shí)、18時(shí)自動(dòng)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值較大，分別為31.08%、10.74%、34.29%，09—17時(shí)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值較小，在-6.27%～2.35%之間。

圖3 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)各時(shí)次日照時(shí)數(shù)及差值Fig.3 Sunshine duration and difference between automatic observation and manual observation

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，主要日照時(shí)段(10—16時(shí))各時(shí)次人工觀測(cè)均大于自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)。分析此現(xiàn)象，多出現(xiàn)在多云天氣時(shí)段，是兩種儀器采樣方式不同產(chǎn)生的誤差。太陽輻照度隨天空中云的變化和移動(dòng)而快速變化，自動(dòng)觀測(cè)能更客觀記錄到1 min的日照變化，而人工觀測(cè)每6 min記錄0.1 h日照,但是只要日照中斷時(shí)間小于3 min，其日照低上的感光跡線仍是連續(xù)的，則可能會(huì)連續(xù)記錄[5]，這種誤差導(dǎo)致人工觀測(cè)比自動(dòng)觀測(cè)的數(shù)值偏高。此外，觀測(cè)人員在整理日照紙感光痕跡線描劃鉛筆線過程中也可能產(chǎn)生偏多的誤差，即當(dāng)日照紙感光痕跡線呈現(xiàn)不連續(xù)的緊密點(diǎn)狀時(shí)，常被觀測(cè)員描劃成連續(xù)直線，造成日照時(shí)數(shù)偏多，導(dǎo)致人工觀測(cè)比自動(dòng)觀測(cè)的數(shù)值偏高。

3 產(chǎn)生差異的主要原因分析

3.1 儀器工作原理不同產(chǎn)生的差異

自動(dòng)觀測(cè)的工作原理是通過太陽總輻射和散射輻射的差值進(jìn)行計(jì)算該時(shí)太陽直接輻射輻照度，再與120 W/m2的閾值進(jìn)行比較，經(jīng)過處理后輸出日照信號(hào)或通過計(jì)算得到分鐘日照、小時(shí)累計(jì)日照及日累計(jì)日照時(shí)數(shù)[11]。人工觀測(cè)是采用針孔成像原理，太陽光借助暗筒式日照計(jì)上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上形成感光跡線，以此來計(jì)算日照時(shí)數(shù)。人工觀測(cè)受不同天氣、儀器性能、日照紙所用感光藥品質(zhì)量以及觀測(cè)人員配置藥品和涂刷日照紙的技能等因素影響，故與自動(dòng)觀測(cè)日照存在差異。

3.2 儀器采樣方式不同產(chǎn)生的差異

自動(dòng)觀測(cè)的時(shí)間分辨率為1 min，至少每10 s對(duì)光電感應(yīng)器件采樣1次，1 min采集不少于6次，對(duì)采樣得到的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，若判斷有日照，則將采樣時(shí)間間隔累計(jì)到當(dāng)前分鐘日照，小時(shí)日照計(jì)算分鐘累計(jì)量；人工觀測(cè)記錄的最小單位為0.1 h，即每6 min記錄0.1 h日照，因兩者采樣方式不同會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

3.3 不同天氣條件產(chǎn)生的差異

3.3.1 晴天 由于自動(dòng)與人工測(cè)量的感光閾值的差異，造成早晚日照時(shí)數(shù)有明顯差異，主要體現(xiàn)為自動(dòng)觀測(cè)記錄比人工觀測(cè)記錄開始時(shí)間早、結(jié)束時(shí)間晚。從日小時(shí)日照時(shí)間可知，自動(dòng)觀測(cè)的靈敏度高于人工觀測(cè)。

3.3.2 多云天氣 由于太陽位置和云的移動(dòng)，地面日照時(shí)有時(shí)無，自動(dòng)觀測(cè)分辨率高，能很客觀反映此種天氣現(xiàn)象變化，而人工觀測(cè)也能較直觀反映，但痕跡線時(shí)濃時(shí)淡，觀測(cè)人員描劃鉛筆線時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)誤差，造成人工觀測(cè)到的日照時(shí)數(shù)可能偏大或偏小。

3.3.3 陰雨天氣 陰雨天的太陽光照對(duì)光電式自動(dòng)觀測(cè)日照計(jì)與暗筒式人工日照計(jì)均難產(chǎn)生感光，常表現(xiàn)為均無日照時(shí)數(shù)。若天空中云層較薄，大陽光照透過云層，其輻照度仍可能達(dá)到或超過日照閾值，使DFC1型光電式數(shù)字日照計(jì)產(chǎn)生日照記錄，即在這種情況下表現(xiàn)為自動(dòng)觀測(cè)得到的日照時(shí)數(shù)大于人工觀測(cè)測(cè)量值。

4 小結(jié)

①自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)年日照總時(shí)數(shù)相差較小；自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)有日照天數(shù)多，產(chǎn)生的差異均為當(dāng)天自動(dòng)站觀測(cè)有日照，而人工觀測(cè)則無日照，此種現(xiàn)象4月份出現(xiàn)最多，達(dá)到6 d，表明自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)更客觀反映當(dāng)天是否有日照。

②自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)月日照時(shí)數(shù)有非常好的相關(guān)性，除6月份差值為10.8 h，其余各月差值均低于7 h；相對(duì)差值除1月為70%、4月為-7.11%、6月-10.6%、12月為9.96%外，其余月份均在±5%以內(nèi)。

③自動(dòng)與人工觀測(cè)的日日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性非常好，平均相差0.35 h且大部分為正值，差值主要在±0.1 h內(nèi)，相對(duì)差值主要在±10%內(nèi)。

④自動(dòng)和人工觀測(cè)日照都有明顯的小時(shí)變化且變化走勢(shì)總體一致，主要日照時(shí)段都出現(xiàn)在10—16時(shí)，且人工觀測(cè)均大于自動(dòng)觀測(cè)各時(shí)次日照時(shí)數(shù)，12時(shí)為所有時(shí)次日照最大值；07—08時(shí)、18時(shí)自動(dòng)和人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值較大，自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早、晚日照時(shí)數(shù)多。

⑤儀器工作原理、采樣方式和不同天氣條件等因素是造成自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日照產(chǎn)生差異的主要原因。