冬季不同天空状况下三种日照测量仪器比较

2020-06-12益西卓玛冉光辉白宇轩

中低纬山地气象 2020年2期

益西卓玛，冉光辉，白宇轩

(1.西藏自治区林芝市气象局，西藏林芝 860000;2.西藏自治区左贡县气象局，西藏左贡 850000)

0 引言

日照资料应用较为广范，其中之一就是表征当地的气候，特别是休养地的气候[1]。国内外都把日照观测作为气象台站地面观测的重要要素之一。日照是指太阳在一地实际照射的时数。在一给定的时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W·m-2的那段时间总和[2]。目前我国气象台站使用人工日照观测仪器，较普遍的是暗筒式日照计[3]，其原理利用感光法。随着观测自动化脚步加快，2019年我国气象台站将实现日照观测自动化，其仪器为DFC2型光电式数字日照计，传感器采用总辐射—散射辐射测量原理。辐射测量一级站可通过自动跟踪直接辐射传感器来观测日照时数，目前没有正式业务运行，只作为参考。

本文就安装在林芝国家基准站观测场内CHP1型太阳直接辐射传感器、DFC2型光电式数字日照计、暗筒式日照计(其中CHP1型太阳直接辐射传感器、暗筒式日照计在业务上使用)这3台不同测量原理的仪器，冬季在阴云、多云、晴天等天空状况下的测量值进行分类比较分析，为本站今后取消人工观测仪器作准备。

1 工作原理及数据获取

安装在全自动精密双轴跟踪仪STS2上的CHP1型太阳直接辐射传感器，通过直接辐射测量法来计算日照时数，即当太阳直接辐射达到或超过阈值120 W/m2来计算日照时数。DFC2型光电式数字日照计，核心感应部件是3个光电感应器件，其中一个光电感应器件用于测量总辐射，另外2个光电感应器件用来测量散射辐射，其遮光采用特殊的全分天空方式，使二者不能同时暴露于阳光下。DFC2型光电式数字日照传感器，对3路光电感应器件数据采集，计算得到直接辐射测量值，当直接辐射达到或超过阈值120 W/m2时，每分钟获取日照时数测量值，并对日照时数进行累加计算得到日照时数。暗筒式日照计测量原理，利用太阳光通过仪器上的小孔射入涂有感光剂的日照纸上留下的感光迹线，来计算日照时数。

3种仪器的采样频率均为每分钟一个，本文使用累计日照时数。CHP1型太阳直接辐射传感器、DFC2型光电式数字日照计累积日照时数，通过《台站地面综合观测业务软件ISOS》Ver2.0.0.0版本计算小时日照，人工统计小时日照时数，得到累计日照时数。暗筒式日照计，通过人工统计日照纸上的感光迹线累加得出。

2 天空状况划分

天空状况的划分，以相对日日照时数SD/SD0划分[1]，即阴云天空为0≤SD/SD0<0.3，多云天空为0.3≤SD/SD0<0.7，晴天天空为0.7≤SD/SD0<1.0。其中SD为当地实际观测到的日照时数。SD0为当地的日照可照时数，用天文历查出。

3 数据处理分类

用林芝国家基准站冬季(2018年12月—2019年2月)，3种不同仪器测量值以日合计为样本，按不同天空状况进行处理分类划分，将相同日期相同的天空状况仪器的测量值作为有效样本。统计得到冬季阴云天空样本17个，多云天空样本35个，晴天天空样本32个。

4 数据分析方法

仪器性能主要技术参数和指标。(a)自动跟踪CHP1型太阳直接辐射传感器灵敏度及扩展量为7.91±0.03 μVW/m2，强光精度互换为 1.00，不确定度为±0.38%。(b)DFC2型光电式数字日照计测量性能指标最大允许误差 ±10 %/月，年稳定性±5 %，传感器性能光谱范围400～1 100 nm，阈值直接辐射度120 W/m2，阈值最大允许误差±24 W/m2。(c)暗筒式日照计无确定参数。(a)、(b)两种自动观测仪器虽主要技术和参数不相同，但符合《新型自动(气候)站功能规格说明书》需求。

自动跟踪直接辐射传感器，测量太阳日照时数的探测方式最符合WMO对日照时数的定义[4-5]，测量准确度最高。由于我国大多数台站长期使用暗筒式日照计，本文以暗筒式日照计为标准值。统计不同仪器测量值的日照时数绝对偏差、相对偏差、方差、标准差、相关系数；用人工仪器所测量的月合计值的历史资料，对其它两种自动日照仪器测量所得的月合计值做T检验。

4.1 3种仪器测量值的比较

影响日照总的误差来源主要因素之一是云量多寡[1]。为了较直观比较冬季不同天空状况下3种仪器测量值的差异，绘制图1。由图1可以看出冬季晴天状况下，3种仪器的测量值比较差异小；阴云状况下，两种自动观测仪器测量值差异较小，自动仪器测量值和人工仪器测量值相比大；多云状况下，3种仪器测量值差异较大。

具体分析结果，见表1：从3种仪器测量值的对比情况看，冬季不同天空状况下自动跟踪CHP1型太阳直接辐射传感器、DFC2型光电式数字日照测量仪的测量值与暗筒式日照相比绝对偏差、相对偏差都非常小。阴云和多云状况下前者高于后者，晴天状况下则反之。两种自动观测仪仅DFC2型光电式数字日照测量仪在晴天状况下测量值高于暗筒式日照计，其余均小于。原因主要是[6]由于暗筒日照计的日照纸是靠感光迹线记录测量日照，在短时间有日照迹线的情况下(不足0.05 h)，按现有的业务规定算作有0.1 h的日照时间，这是人工测量值获得的日照时数偏多的一个重要原因。在日常工作中，发现人为沿感光迹线的铅笔划线明显偏多[7]。感光迹线若有若无不能十分确定是否有日照的时间段，往往被划定为有日照时段，特别是在阴云状况下，使得人工测量值获得的日照时数更加明显偏多。

图1 3种仪器冬季不同天空状况测量值比较Fig.1 comparison of measured values of different sky conditions of three instruments in winter

晴天状况下，暗筒日照计相对DFC2型光电式数字日照测量仪测量值偏少，选取DFC2型光电式数字日照测量仪测量值与暗筒式日照测量值偏差较大的1月19日、1月21日、2月21日，单日测量值比较结果见表2：暗筒日照计的日照纸仅是靠感光迹线记录观测日照，没有一个准确达到或超过120 W/m2的阈值概念[8]。在实际人工测量过程中发现，在有太阳光照且出现实际的太阳辐照度达到或超过阈值120 W/m2时，日照纸却没有记录日照时数的情况。

表1 仪器a、b与c误差及相关系数Tab.1 instrument a, b and c errors and correlation coefficients

注：a为自动跟踪直接辐射传感器，b为 DFC2型光电式数字日照计，c为暗筒式日照计。

表2 晴天状况下DFC2型光电式数字日照仪与暗筒日照计测量值单日比较(单位：h)Tab.2 comparison of the measured values of DFC2 photoelectric digital irradiometer and dark tube irradiometer on sunny days(Units:h)

4.2 两种自动仪器测量值比较

根据业务《规范》规定，DFC2型光电式数字日照测量仪2019年内正式投入业务应用。有必要对两种自动观测仪器测量值进行比较，避免在DFC2型光电式数字日照测量仪故障或维护不当，造成记录缺测或异常，用自动跟踪直接辐射传感器测量值代替，确保记录的连续性和准确性。

以DFC2型光电式数字日照测量仪测量值为标准，表(略)。经比较分析得出：冬季，在不同的天空状况下绝对偏差和相对偏差都非常小；绝对偏差和相对偏差的大小排列为：阴云>多云>晴天；相关系数达到0.98～0.99。在阴云、多云状况下自动跟踪直接辐射传感器测量值大于标准值，晴天状况下小于标准值。用不同天空状况下偏差较大的单日作比较。由于直接辐射传感器分钟数据输出的是辐照度，需要人工根据是否达到或者超过120 W/m2的阈值，处理成分钟内有无日照形式的数据[7]。通过处理后，两仪器在该时间内，如果有日照该分钟值为1，无日照为0。选取2019年1月1日差异较大的有无分钟记录时段，见图2：在晴天状况下，DFC2型光电式数字日照测量仪测量值，在直接辐射辐照度未达到120 W/m2或无辐照度时有记录；达到或超过时无记录情况，且有记录明显多于无记录。

图2 冬季DFC2型光电式数字日照测量仪与自动跟踪直接辐射传感器晴天状况有无日照对比Fig.2 comparison between DFC2 photoelectric digital sunshine measuring instrument and automatic tracking direct radiation sensor on sunny days in winter

阴云、多云状况下也有此种情况，分析差异较大的2019年1月9日阴云、2019年2月10日多云单日分钟数据发现：多云状况下，直接辐射辐照度射达到或超过120 W/m2时，DFC2型光电式数字日照测量仪有日照记录的少。直接辐射辐照度未达到120 W/m2时，有日照记录较少。在阴云状况下这种情况最少。通过比较分析：两种自动观测仪器的测量值可以相互代替，DFC2型光电式数字日照测量仪还有不完善的地方需要改进。