城口日照人工观测与自动观测数据对比分析

徐信，张应超，向恭，龚德鑫，徐浩

（1.城口县气象局重庆405900；2.重庆市气象局 重庆401147）

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。城口县国家一般气象站于2018 年10 月份安装了光电式数字日照计（以下称自动日照计），并开始了与人工日照观测进行平行观测对比。

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，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时间的长短，所以通过感光迹线的长度来统计日照时数的。

1.2 光电式数字日照计

光电式数字日照计由硬件和软件两部分组成，日照传感器（数字式）是光电式数字日照计的主要组成部件（图3）。它集日照测量、信号采集、数据处理、数据储存和通信为一体。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。

2 数据来源与处理方法

2.1 数据来源

城口县国家一般气象站于2018 年10 月始新增自动日照观测项目（光电式数字日照计），并开始进行自动和人工日照平行观测。本文将对比不同季节，自动日照计和人工日照计的差异性，故选择2019 年3 月至2020 年2月共12月的日照数进行对比分析，涵盖了春、夏、秋、冬四个季节。故本文采用上述时间段城口县国家一般气象站的人工和自动日照观测资料进行对比分析。

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 小时日照时数分析

光电式数字日照计小时累计日照时数以分钟为单位，按照小时内每累计6min有日照则记录为0.lh，剩余有日照的分钟数达到或超过3min也记录为0.1h。而暗筒式日照计则是根据日照纸上感光迹线的长度来计算日照时数，每6min 记为0.1h。根据中国气象局综合观测司下发的《日照平行观测业务技术规定》，当光电式数字日照计小时内的日照时数连续累计达到或超过3min，或者暗筒式日照计小时内的日照时数累计达0.1h,则需进行小时内日照时数的一致性分析，以便了解光电式数字日照计和暗筒式日照计观测的差异。故样本中剔除了自动和人工小时日照时数均为0.0的样本。

依据上述条件，城口站从2019年3月到2020年2月共有1812 组样本参与统计，经计算其绝对误差为0.17h，相对误差为0.07h，相关系数0.74，转换系数为0.9015，说明自动日照小时数据总体大于人工日照小时数据。通过对两组数据单因素方差分析，得知F（检验统计量）＞F crit（0.01）（临界值），两组数据通过了α=0.01显著性检验，体现两者较好的一致性。

3.2 逐日日照时数分析

同逐小时时数分析，剔除全天自动和人工日照时数均为 0.0 的天数，2019 年 3 月到 2020 年 2 月共有 243 组样本参与统计。经计算，两组数据绝对误差为0.47h，绝对误差为0.77h，相关系数0.94，转换系数为0.9343，说明自动日照小时数据总体大于人工日照小时数据。通过上述方法计算，两组数据通过了α=0.01显著性检验，体现两者较好的一致性。

为了进一步了解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1所示，横坐标表示自动与人工观测逐日日照时数的差值所在区间，纵坐标表示差值对应的日数所占的比例。

由图1可知，自动与人工观测日照时数差值小于0的日数所占比例均为26%，等于0的日数占比为14%，大于0的日数占比为60%，差值在[-0.5，1)之间的日数占比为72%，说明自动日照日时数总体大于人工日照时数，自动日照日时数和人工日照日时数相等的日数占比为14%，相对较低，说明自动日照计和人工日照计所观测的日照时数差异率较高，但日数据差异多数分布在[-0.5，1)之间，说明自动和人工日照观测的日照时数总体偏差不大。

3.3 逐月日照时数分析

对2019年3月到2020年2月自动和人工逐月日照时数进行对比分析，两组数据未能通过α=0.01 显著性检验。经对比分析，所有月份的自动日照时数均大于人工日照时数，其中10 月和11 月日照时数偏差较大，分别偏大25.7%和31.4%，超过最大允许误差±10%的允许误差标准，这也是两组数据未能通过一致性检验的重要原因。

3.4 逐季日照时数分析

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11月）、冬季（2019年12月至2020 年2 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。从图2可以发现，春夏冬三季，自动日照时数和人工日照时数相对差值较小，秋季相对误差值明显高于其余三个季节，达到了81.26%。

3.5 云量对自动与人工观测日照的影响

图2 自动和人工观测逐季日照时数相对差值

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，我们用每日08:00～20:00 12 个小时平均总云量来反映每天日出期间天空云量的情况，剔除全天自动和人工日照时数均为0.0的天数，同时不考虑降雨带来的影响，2019年3月到2020年2月共有243组样本参与统计。将天空状况分为晴（总云量小于3成）、多云（总云量为3到7成）、阴天（总云量大于7成）三种情况，分别对这三种天空状况做相关性分析并计算相对差值率。从图3 可以发现，自动和人工日照时数转换系数分别为0.97、0.92、0.69，相对差值率分别为5.62%、18.07%、5.5%，同时发现云量越多自动和人工日照时数相关性越差，自动日照时数和人工日照时数相对差值越大。

图3 不同天空状态下自动和人工观测逐日日照时数散点图

4 小结与讨论

（1）自动观测与人工观测日照数据一致性总体较好，逐小时、逐日日照时数均通过了显著性检验。但由于秋季两者相对差值过大，导致逐月数据未能通过显著性检验。通过调查发现，该季度的药物存在质量问题，多次出现观测有日照但实际未能正常显影的情况，排除秋季异常数据可以发现，从春季开始，随着季节推移，自动及人工观测日照时数相对差值逐渐增大。

（2）通过对自动和人工日照时数进行线性分析，计算得出逐小时及逐日日照时数的转换系数分别为0.9 和0.93。将天空状况分为晴（总云量小于3 成）、多云（总云量为3到7成）、阴天（总云量大于7成）三种情况，这三种情况下计算的出逐日日照时数的转换系数分别为0.97、0.92、0.69。

（3）自动日照时数总体高于人工观测时数，说明光电式日照计较暗筒式日照计灵敏性高，能够实现日照的连续性观测，有效排除各种因素影响，观测数据更具代表性和准确性。