DFC1型光电式数字日照计与人工观测日照时数对比分析

马清山 陈珊珊 王凯 孙文婷

摘要：本文中所使用的数据来自溧水（58340）、六合（58235）、浦口 （58237）、南京（58238）、高淳（58339）五个国家站2019年1月1日至2020年 3月31日的人工和自动日照观测数据。结果发现，各台站自动观测与人工观测日照数据一致性总体较好。六合与浦口自动与人工观测日照时数总体上较为接近。南京、溧水、高淳自动观测与人工观测日照时数总体相差较大，且偏小。 夏季各台站自动观测日照均偏小，冬季各台站自动与人工观测日照时数总体上更为接近。当云量较少时自动观测日照数据偏大。随着云量增多，各站自动观测日照时数逐渐偏小。另外通过横向对比5个台站可以发现各台站自动观测日照时数之间差值相对于人工观测要小的多且自动观测日照数据稳定性相对较好。

关键词：自动观测日照;人工观测日照;对比分析

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瓦·米-2（W·m-2）的那段时间总和，以小时 （h）为单位，取一位小数。南京市各气象站于2018年10月份安装了DFC1型光电式数字日照计（以下称自动日照及），并开始了与人工日照观测进行平行观测对比。目前多数台站人工日照时数观测设备主要以暗筒式日照计为主。因此本文所涉及的人工和自动观测日照数据分别由暗筒式日照计和DFC1型光电式数字日照计所测的。

1 观测原理

1.1 暗筒式日照计

暗筒式日照计又称乔唐式日照计，主要由金属圆筒（地段密闭，筒口带盖，两侧各有一进光小孔，筒内附有压纸夹）、隔光板、纬度盘和支架底座等构成。它是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光剂的日照纸上留下感光迹线，感光迹线的长短反映了日照時间的长短，所以通过感光迹线的长度来统计日照时数的。通常日照纸上涂的感光药剂为枸橼酸铁铵和赤血盐，通过光化学反应，Fe3+还原成Fe2+，并与赤血盐发生络合反应而呈现蓝色。其误差主要来自日照纸涂药质量、人工描画迹线主观误差。

1.2  DFC1型光电式数字日照计

DFC1型光电式数字日照计由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括FS-RZ1日照传感器（数字式）、日照计机箱、外围组件等部分构成;软件包括传感器中的嵌入式软件和计算机上的业务软件。

FS-RZ1日照传感器（数字式）是DFC1型光电式数字日照计的主要组成部件。它集日照测量、信号采集、数据处理、数据储存和通信为一体。它的感应部分由1个光学镜筒、1个遮光筒和3个光电探测器组成。3个光电探测器分上中下三级排布，第一级光电探测器始终暴露在太阳辐射中，测量太阳总辐射;第二、三级光电探测器在任何时候都有一个被遮光筒遮蔽，测量太阳的散射辐射。通过计算得到当前的太阳直接辐射辐照度，在与120W/m2的阈值进行比较，经处理后得到分钟日照、小时累计日照以及日累积时数。其误差主要来自设备的观测误差。

2 数据来源与处理方法

2.1数据来源

本文中所使用的数据来自溧水（58340）、六合（58235）、浦口（58237）、南京（58238）、高淳（58339）五个国家站2019年1月1日至2020年3月31日的人工和自动日照观测数据。以上数据均经过人工质控。

2.2 数据处理

由于目前没有标准的日照观测设备作参考，无法确定暗筒式日照计和DFC1 型光电式数字日照计的观测误差。因此，本文仅讨论自动观测与人工观测日照数据的绝对差值和相对差值。

我们定义自动观测与人工观测日照数据的绝对差值Y绝对=X自动-X人工， 自动观测与人工观测日照数据的相对差值Y相对=（X自动-X人工）/ X人工×100%。

3 资料分析

3.1 各站逐日日照时数分析

由表1可知：自动观测与人工观测日照数据一致性总体较好。除了高淳自动与人工观测日照数据的相关系数为0.9586，其余台站均在0.97以上。 通过散点分布可以看出，南京、高淳、溧水自动观测日照数据低于人工观测。 当人工观测日照时数为0时，有台站出现自动观测日照时数不为0，甚至有高达 4h以上的日照时数。这主要由于在太阳光较弱的情况下，日照纸和光电探测器的感光灵敏度的差异所导致的。

为了进一步了解各站自动与人工观测逐日日照时数的差异，我们将自动与人工观测日照时数逐日做差值，并进行了分段统计。统计结果如图4所示，横坐标表示自动与人工观测逐日日照时数的差值，纵坐标表示差值对应的日数所占的比例。

数据资料显示：各站自动与人工观测日照时数差值为0的日数所占比例均在30%左右，其中包含了阴天条件下，自动与人工观测日照时数均为0的日数。六合与浦口日照时数差值正负两端分布比较均匀，可以看出六合与浦口自动与人工观测日照时数总体上较为接近。而南京、溧水、高淳明显差值的负端所占比例较大，因此这三个台站自动观测与人工观测日照时数总体相差较大，且自动观测比人工观测日照时数偏低。另外经统计发现，在差值分布的两端出现了个别极端偏大或偏小的情况，如六合（-3.5，4.3）、浦口（-4.2，4.2）、南京（-5.0，0.8）、溧水（-7.1，1.8）、高淳（-5.6，7.3）。这些极端情况主要是由于两种观测方式感光灵敏度的差异和人工观测人为主观因素等造成的偏差。

3.2各站逐月日照时数分析

通过对各台站2019年1月至2020年3月的人工和自动日照观测数据做月统计，并计算逐月自动和人工观测日照时数相对差值。结果如下图1所示。

从图1可以看出，各台站自动与人工观测日照时数相对差值变化具有明显规律。六合与浦口2019年1月至3月相对差值下降，3月至4月上升，4月至8月下降，8月至12月上升，12月至2020年3月下降。南京、溧水和高淳时间节点有些许不同，2019年1月至2月相对差值下降，2月至5月上升，5月至7月下降，7月至12月上升，12月至2020年3月下降。从总体上看，2019年1月至2019年10月各台站自动观测比人工观测月日照时数普遍偏低，2019年10月至2020年2月自动观测比人工观测月日照时数多数偏高，并且我们可以发现在2019年1月份、 2019年10月至12月以及2020年2月至3月大部分台站自动观测与人工观测月日照时数较为接近。

根据以上分析，我们按照春季（2019年3月至5月）、夏季（2019年6月至 8月）、 秋季（2019年9月至10月）、冬季（2019年11月至2020年1月）的划分统计各台站四季的自动与人工观测日照时数相对差值。

如图2所示，春季到夏季，各站自动与人工观测日照时数相对差值减小，而夏季到冬季相对差值逐渐增大。夏季五个台站自动与人工观测日照时数相对差值均为负值，在冬季各台站自动观测与人工观测日照时数相对差值均低于±10%。由此表明夏季跟各台站自动观测日照均偏小，冬季各台站自动观测与人工观测日照时数总体上更为接近。当然，由于目前观测资料时间跨度较短，还需后续继续验证。

3.3各站年日照时数分析

将2019年各台站自动与人工观测日照数据作全年统计，结果如表2所示。

由此我们可以看出，2019年除六合外，其他台站自动观测年日照时数均比人工观测年日照时数偏小。尤其南京、溧水、高淳三个站2019年自动观测日照时数与人工观测日照时数相对差值均小于-10%，六合与浦口2019年自动观测日照时数与人工观测日照时数比较接近，相對差值均在±3%以内。另外将各台站自动和人工观测年日照时数进行横向对比，人工日照时数各台站最大差值 433.2h，最小差值10.4h;自动日照时数各台站最大差值仅183.2h，最小差值4.5h。通过标准差可以发现，5个台站人工日照时数标准差为自动观测时数标准差的两倍之多，并且另外最南（高淳）和最北（六合）两个台站纬度仅相差约1°，故由于纬度不同造成的日照理论时数差异较小。因此总体上看， 2019年各台站自动观测日照时数之间差值相对于人工观测要小的多且自动观测日照数据稳定性相对较好。

3.4 云量对自动与人工观测日照的影响

为了分析不同天空状况条件对自动与人工观测日照时数差值影响，我们选取各台站2019年总云量小时数据，求出每日8时到17时10个小时平均总云量来反映每天日出期间天空云量的情况，将总云量分为0-1成、1-2成、2-3成、3-4成、4-5成、5-6成、6-7成、7-8成、8-9成、9-10成（不包含10成）、10成共 11组，再分别求出其对应日数的自动与人工观测日照时数平均差值。

由数据资料得知：六合云量0-5成时自动与人工观测日照平均差值为正值，0-1成时平均差值最大为0.87h·d-1，5-10成（不含10成）自动与人工平均差值为负值，6-7成时平均差值最大为-0.66h·d-1。浦口云量0-3成时自动与人工日照平均差值为正值，0-1成时平均差值最大为0.56h·d-1，3-10成（含10 成）自动与人工平均差值为负值，8-9成时平均差值最大为-0.84h·d-1。、南京云量0-2成时自动与人工观测日照平均差值为正值，0-1成时平均差值最大为0.38h·d-1，2-10成（不含10成）自动与人工平均差值为负值，9-10成（不含10 成）时平均差值最大为-1.54h·d-1。高淳云量0-2成时自动与人工观测日照平均差值为正值，0-1成时平均差值最大为0.41h·d-1，2-10成（不含10成）自动与人工平均差值为负值，8-9成时平均差值最大为-1.91h·d-1。溧水云量0-1成时自动观测日照时数与人工观测平均差值均为0.13h·d-1，1-10成（不含10 成）自动与人工平均差值为负值，8-9成时平均差值最大为-1.09h·d-1。综上所述，当云量较少时，如六合（0-4成）、浦口（0-3成）、南京（0-2成）、高淳（0-2成）、溧水（0-1成）自动观测日照数据偏大。随着云量增多，各站自动观测日照时数逐渐偏小。南京、高淳和溧水在云量较多时，自动观测日照时数比人工观测偏小更为明显。另外，当云量为10成时，各站自动观测与人工观测日照时数较为接近，但自动观测普遍略偏小。表明阴天条件下，微弱的阳光无法达到120 W·m-2的辐照度，但仍可以在日照纸上留下迹线。

4小结与讨论

经研究发现，各台站自动观测与人工观测日照数据一致性总体较好，相关系数普遍在在0.97以上。六合与浦口自动与人工观测日照时数总体上较为接近。而南京、溧水、高淳自动观测与人工观测日照时数总体相差较大，且自动观测比人工观测日照时数偏低。

夏季各台站自动观测日照均偏小，冬季各台站自动观测与人工观测日照时数总体上更为接近。

当云量较少时自动观测日照数据偏大。随着云量增多，各站自动观测日照时数逐渐偏小。南京、高淳和溧水在云量较多时，自动观测日照时数比人工观测偏小更为明显。

另外通过横向对比5个台站可以发现各台站自动观测日照时数之间差值相对于人工观测要小的多且自动观测日照数据稳定性相对较好。