DFC1型光电式日照计与暗筒式日照计的对比分析

杨焕强 张桂珍 孔万林 盛晖

(1.杭州市气象局，浙江 杭州 310000；2.建德市气象局，浙江 杭州 311600)

0 引 言

日照是地球获取太阳辐射最直接的方式，同时也是表征地域气候特征和描述天气状况的重要因子。作为气象学的研究对象，气象站通过观测日照时数(SD)来记录日照的时长。根据1991年WMO仪器与观测方法委员会第八次会上(CIMO-Ⅷ)通过的建议，日照时数被定义为太阳直射辐照度达到或超过120 W/m2时长的总和[1]。日照时数直接关系到地球表面接收太阳短波辐射能量的多少，是预报天气状况和分析气候变化的重要指标。日照不仅时刻影响着人们的日常生活，还关系到农林牧渔等第一产业的发展。近年来，日照在大气环境评估及光伏能源开发等领域的意义也日益凸显。

在日照时数的诸多观测方法中，烧痕法是最早被采用的，代表仪器有聚焦式日照计和暗筒式日照计[2]。为提高资料均一化，WMO在1962年建议制定了相应的临时参考日照计录器(IRSR)[3]。随后，法国的IRSR(太阳直接辐照度平均值为120 W/m2并允许±20%误差)被接受为标准阈值参考[4]，直至1991年WMO将120 W/m2的直接辐照度定义为日照时数的标准阈值。国内外专家依此研制出了多种基于辐射测量技术的日照自动观测仪器，其中技术较为成熟的是直接辐射表和光电式日照计。接着，诸多学者对新式日照观测仪器开展了一系列的对比研究。2000年，张纬敏等人用美国EPPLEY生产的NIP直接辐射表与暗筒式日照计进行了对比，发现直接辐射表在我国实际观测业务中暂时无法取代暗筒式日照计[4]。2011年，赵世军等人的研究表明，直接辐射式或总辐射式日照计将是未来日照计的主要发展趋势[5]。2015年，吕文华等人对国产FS-RZ1型、HYSD1型和荷兰产CSD3型3种日照计进行了对比试验，结果表明光电式日照计已具备了较高测量精度和自动化程度，能够满足业务自动化观测的需求[6]。后来，孟庆勇等人和杜传耀等人对几种新型号的光电式日照计作了详细介绍，为日照自动观测技术的推广和应用提供了充分的依据[7-8]。

目前，在我国气象观测领域彻底实现自动化的背景下，光电式日照计取代人工观测是大势所趋。2019年1月，杭州各台站完成了光电式日照计的安装和调试，开展了为期半年的日照自动与人工平行观测。本文通过对比两种观测方法和日照数据的差异特征，研究光电式日照计在基层台站的适用性。结合地域天气条件，重点分析两种日照计在观测原理及测量性能方面的不同，探求二者数据差异产生的可能原因。新型光电式日照计在测站的适用分析，既关系到日照资料的连续性，也关系到可能存在的历史数据订正问题。

1 资料说明与研究方法

1.1 数据获取

图1 两种日照计的示意图

从数据完整性的评估结果来看，1—6月份两种日照计在各站的运行状况良好，均未发生设备故障和数据缺测，数据完整率为100%。表1为各站数据采集情况，应测与实测天数均为181 d，日照时数大于0 h的天数在105～116 d。受上半年江南区域连续阴雨的影响，各站日照时数达到10 h/d的天数偏少，6个测站天数最多的是杭州站，只有20 d，最少的是建德站，为11 d。

表1 2019年1—6月各站日照观测天数

1.2 研究方法

DFC1光电式日照计观测精度为1 min，输出单日日照时数；暗筒式日照计器测精度为0.1 h，人工计算得到单日日照时数。因各站日照对比数据获取环境相近，观测时制均采用真太阳时，获取数据具有较高的可对比性。

自动与人工观测的日照时数(SD)对比分析主要以绝对差值和相对差值作为评估指标，用日合计值和月累计差值分别描述单站差值和总体差值特征。计算公式为：

ΔSDi=SDai-SDmi

(1)

ΔSDui=ΔSDi/SDmi×100%

(2)

ΔSD=∑ΔSDi

(3)

其中SDai为第i日自动观测值，SDmi为第i日人工观测值，ΔSDi为第i日日照时数的绝对差值；ΔSDui为第i日相对差值；ΔSD为i日合计差值，∑SDa和∑SDm分别表示观测时段内的日照自动与人工观测累计值。

2 日照对比特征分析

2.1 总体特征

根据杨春宇等人的研究，杭州属我国第Ⅳ类光照气候区，日照率不足5成[12]。从表2的结果看，各站1—6月份人工观测日照时数常年累计值(30 a统计资料)在720～780 h之间，空间分布差别不大。2019年杭州地区上半年阴雨天气偏多，造成各站日照时数(人工观测值)累计值较常年同期平均偏小106 h，日照率平均偏小5%。建德站减幅最大，较常年减少了160 h以上。

表2 杭州各站2019年上半年人工观测日照时数与常年对比

注：∑SDm为人工观测日照时数累计值，KS为日照率。

2.1.1 累计差值分析

统计数据显示，1—6月份杭州各站日照时数自动观测累计值比人工观测值偏小，差值范围在15.9 h～67.9 h之间。其中建德站ΔSD最小，为15.9 h，占该站人工观测值的2.5%；临安站ΔSD最大，为67.9 h，占该站人工观测值的9.8%。图2表明，在参与对比的6个台站中，杭州站和富阳站ΔSD最为接近，分别是35.6 h和35.7 h。同时，自动与人工观测日照时数累计最小值均出现在建德站，日照时数自动观测累计最大值出现在杭州站，日照时数人工观测累计最大值出现在临安站。

图2 2019年1—6月份杭州各站日照时数累计值对比图

2.1.2 逐日差值分析

逐日日照时数的大小关系能够直接反应出两种日照计观测数据的差值特征。图3为杭州各站自动与人工日照同步观测数据散点对比图。SDa为光电式数字日照计的自动观测值，SDm为暗筒式日照计的人工观测值。分析结果显示，各站对比数据的相关系数均在0.97～0.99之间，两种日照计的逐日日照时数表现出良好的相关性。

图3中对比数据点与趋势线的位置表明了自动与人工观测数据的大小关系，离散程度则表示差值大小。从各站数据点的分布情况看，数据差值特征基本一致：在SDm2～10 h区间，数据点大多位于趋势线左上方，表明此范围内日照时数以人工观测值偏大为主，较高的离散程度对应着较大的绝对差值。在SDm为0～2 h和10 h以上的区间，数据点的集中分布则表明绝对差值较小。需要提出的是，0～2 h区间数据点离散程度虽不高，但相对差值并不低。从各站图中还可以看出，当SDm超过10 h时，数据点沿各自趋势线右下方均匀集中分布的特征明显，说明此区间内日照自动观测值较略大，差值保持在0～1 h的范围。

综上所述，在日照时数超过10 h的晴朗天况下，各测站日照时数以自动观测值SDa略大为主，差值约在0～1 h之间。在日照时数低于10 h的有云(只考虑中、低云)天气条件下，人工观测值SDm偏大特征明显。统计数据显示，在小于10 h的区间内， 1—6月份各站人工观测累计值较自动值偏大48.9 h。

图3 杭州各站自动与人工观测日照时数散点图

2.2 单站日照时数分析

利用杭州站的日照平行观测数据，对其进行逐日对比差值特征分析。杭州站1—6月份在单日SD大于10 h的20 d中，除1 d外，自动观测值均大于较人工观测值，绝对差值约在0～1 h之间，表现出良好的一致性。将该站1—6月份日照时数大于0 h的对比数据及差值按自动观测值从大至小进行排序，得到了如图4的差值分布特征。

图4中，SDa最大值为12.7 h，出现在5月23日，该日人工观测SDm也出现了最大值11.9 h。同时发现，光电式日照计偏大差值多来源于日出和日落光照较弱的时段。在日照时数为10～8 h的区间，逐渐出现人工观测值偏大的情况，区间ΔSD累计值较自动观测偏大1.6 h。当SD处于8～0.1 h区间时，人工观测SD偏大的天数日益增多,单日差值最大3.9 h，累计值偏大42.9 h。值得一提的是，在SD为6～4 h的27 d里，有21 d较自动偏大，区间累计差值为22.4 h。

图4 杭州站1—6月日照时数序列差值对比图

另外，在杭州站人工观测值SDm为0的日期，自动观测值SDa为14 d有日照时数。而在人工观测值SDa为0的观测日期，SDm均为0，充分说明在暗筒式日照计未能观测到日照时数的多云或阴雨天气里，光电式日照计表现出了更高的灵敏度。

3 差值来源

3.1 观测精度和“光斑效应”

从两种日照计的观测原理和记录方式着手，分析对比数据差值产生的原因。如2.1所述，光电式日照计通过测算得到直接辐射辐照度，系统再根据阈值给出有无日照的电平信号，气象站每分钟采集电平信号并记录下来，可以看出其测量精度为1 min[13]。暗筒式日照计所用日照纸最小测量刻度为6 min，根据太阳的视直径及暗筒进光孔的尺寸，可以计算得出太阳光斑直径在日照纸上相当于3 min的日照时长，把这种光斑影响测量精度的现象称为“光斑效应”。

图5为两种日照计的记录对比示意图。在30 min观测时间内的第3 min，太阳光照度达到了两种仪器的直接辐照度阈值，光电日照计记录1 min日照时长，而暗筒式日照计受“光斑效应”的影响，人工记录了0.1 h，较自动观测值偏大了83%；若上述情况出现在第12 min，光电式日照计记录日照时数仍为1 min，而暗筒日照计记录了0.2 h，人工测值偏大了92%；假设在第20～30 min，两种日照计日照时数连续，则光电式日照计自动记录为11 min，暗筒式日照计记录了0.2 h，二者相差无几。

图5 光电日照计与暗筒日照计观测对比差值示意图

从上文不难看出，“光斑效应”对光照不连续天气下的日照观测影响最为明显。图6为杭州站2019年5月27日13—14时日照平行观测记录表。根据该站的全天云图资料记录，该日13—14时为多云天况(中、低云)。从该站光电式日照计的逐分钟观测记录来看：在日照时数出现了若干分段的1 h内，自动观测值为0.3 h，人工观测值为0.8 h，二者相差了0.5 h。

图6 杭州站2019年5月27日13—14时日照平行观测记录

由此可见，两种日照计测量原理及记录方式的差异，使得对比数据差值在不同天气条件下表现出完全不同的特征。在晴朗的天气条件下，太阳光照强且连续，两种日照计均能够真实记录日照时数，测量结果相差不大。在多云(中、低云)的天气里，太阳直接辐照度忽强忽弱，受上述测量精度和“光斑效应”的影响，人工观测值明显偏大，一天中日照时间不连续分段愈多，差值累计就愈大。在杭州地区2019年上半年较少晴空的天气条件下，人工观测日照时数累计值较自动值产生的较大偏差，主要就是这个原因造成的。

3.2 灵敏度

两种日照计观测灵敏度的不同是造成差值出现的另一原因。DFC1光电式日照计的直接辐照度阈值为120±24 W/m2，响应时间小于1s。即使在太阳光照较弱的日出和日落时段，只要光照强度达到标准阈值，自动观测系统就会准确记录下日照时数。而暗筒式日照计产生感光迹线的辐射阈值并不明确，在涂药标准的情况下为稍大于120 W/m2的范围[10]。使得日照纸在接受阈值附近的太阳直接辐射时，正常光照时长内的辐射能量不足以使药剂呈现出肉眼能够识别的蓝色迹线，从而出现失测。这是晴空天气日出、日落时段，光电式日照计观测值稍大于暗筒式日照计观测值的主要原因。

3.3 其他因素

除上述因仪器原理不同而造成观测数据差异外，两种仪器本身存在的测量误差也会导致差值的产生[14]。光电式日照计在测量和计算太阳直接辐照度时存在的系统误差需要标准器进行标定[15-16]，自动气象站和日照传感器的采集时间不同步也会造前后时段测值的误差。人工观测方面，日照纸的涂药质量直接关系到日照记录的准确性[17]。另外，两种日照计的安装和维护情况都会影响到日照时数测量的准确度。

4 结 语

1)通过分析杭州地区6个测站的DFC1光电式日照计与暗筒式日照计平行观测资料发现，自动与人工两种日照计获取的单日日照时数一致性高，相关系数在0.97～0.99之间。二者的差值大小与天气条件密切相关：在日照连续的晴空天气条件下，灵敏度较高的光电式日照计测得了比暗筒日照计稍多的日照时长；在日照不连续的有云天况(中、低云量)下，受暗筒式日照计观测精度不高和“光斑效应”的影响，对比数据以人工观测值偏大为主。

2)平行观测期间，DFC1型光电式日照计自动观测系统克服了暗筒式日照计测量中存在较大主观性的问题，显著提高了日照数据的准确性和连续性。但观测系统的维护与保障工作对台站提出了很高的要求。其中包括对光学镜筒的定时清洁和干燥剂的及时更换，供电系统故障同样会影响数据的正常采集。此外，针对光电元件的测量准确度漂移和校定问题更需进一步的研究和探索。