DFC1型光电式数字日照计与暗筒式日照计观测日照时数的对比分析

2021-05-15郎贵英安承德

中低纬山地气象 2021年2期

郎贵英，安承德，袁庆

(1.贵州省思南县气象局,贵州思南 565100；2.贵州省石阡县气象局,贵州石阡 555100)

0 引言

日照是地面气象观测的一项重要观测项目，也是表征气候变化的主要气象因素之一。根据气象学上对日照时数的定义，指在一给定时段内太阳直接辐照度大于或等于120 W·m-2的时间总和[1-2]。近几十年来，石阡国家气象观测站采用暗筒式日照计对日照时数进行观测，随着气象现代化进程的推进，人工观测日照已与气象现代化发展要求不相匹配，采用时间分辨率更高、灵敏度更好的日照自动观测设备替代暗筒式日照计观测日照可以有效减轻地面气象观测员工作量，提高地面气象观测效率。廖桉桦等[3]对暗筒式日照计与CSD3型自动日照仪日照时数对比分析，发现自动观测日照时数更加接近世界气象组织(WMO)所要求的测量标准。益西卓玛等[4]对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3种日照测量仪器在冬季不同天空状况下比较分析，发现3种仪器的测量值比较差异小，可以相互替代，取消人工观测仪器后，日照资料可以合并使用。石振文[5]和杨召琼[6]对人工观测和CSD1型自动观测的日照时数进行对比分析，发现人工与自动观测日照时数之间有非常好的相关性，有良好的可比较性。张红娟等[7]、陆忠涛等[8]和刑丽元等[9]对人工和DFC2型自动观测日照时数进行对比分析，发现两者完整性较好，一致性均值较高，自动观测灵敏度更高。王祥等[10]对福泉市1961—2018年日照时数进行分析，发现福泉年日照时数呈现减少的趋势，突变出现在2000年，月分布上只有2月是增加的趋势，其余月份日照时数呈现减少的趋势。2018年年底，石阡国家气象观测站安装了江苏省无线电科学研究所有限公司生产的DFC1型光电式数字日照计，2019年1月1日起开展日照平行观测，2019年6月1日正式投入业务使用。本文通过对比分析该站2019年1—12月自动和人工观测日照时数的差异，为以后使用该要素进行相关研究和业务应用提供一定的参考依据。

1 资料来源和说明

本文使用的日照资料来源于石阡国家气象观测站2019年1月1日—2019年12月31日DFC1型光电式数字日照计和暗筒式日照计采集的逐日逐时日照时数，仅对自动或人工观测至少有一种仪器有日照时数的数据进行分析研究，即人工和自动观测均无日照时数不进行统计分析。上述两种仪器严格按照《地面气象观测规范》安装在相同的环境中，南北相差1 m。

定义自动与人工观测日照时数差值：

S差值=S自动-S人工

(1)

自动与人工观测日照时数相对差值：

S相对差值=(S自动-S人工)/S人工×100

(2)

2 日照时数对比分析

2.1 年日照时数对比

通过统计，2019年自动观测年日照时数为1 057.8 h,人工观测年日照时数为1070.7 h,年日照总时数相差10.9 h，日照时数相对差值为-1.02%；自动观测有日照天数为211 d,人工观测有日照天数为195 d,两者有日照天数相差16 d，自动观测日照时数大于人工观测日照时数天数96 d，自动观测与人工观测日照时数相同天数39 d，自动观测日照时数小于人工观测日照时数天数76 d。

2.2 月日照时数对比

分析2019年各月自动和人工观测日照时数，相关系数为0.996 5，两种仪器观测的月日照时数平均相差3.3 h，差值有明显的月变化。图1所示，其中，3、4、6、8、12月差异较大，均相差4 h以上，6月相差最大，达10.8 h，1—2月、5月、7月、9—11月日差异较小，均在3 h以下。从各月日照时数相对差值来看，除1月为70%、4月为-7.11%、6月为-10.6%、12月为9.96%外，其余月份均在±5%以内。由于2019年1月自动和人工观测出现日照时数的天数与近30 a同期平均值相比都异常偏少，自动观测有日照天数为3 d，日照时数仅有1.7 h，而人工观测有日照天仅1 d，日照时数为1 h，故得到该月两者日照时数相对差值为70%。

图1 自动观测与人工观测各月日照时数及差值Fig.1 The difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation in each month

2.3 日日照时数对比

将自动与人工观测的日日照时数差值和日日照时数相对差值分别以0.1和5%为间隔进行分段统计。从图2可以看出，自动与人工观测的日日照时数差值大部分为正值，负值占36.02%，平均相差0.35 h，差值在±0.1 h内的记录为46.45%，差值在±1.5 h以外的记录仅占5.21%。相对差值在±10%内的记录占68.21%，相对差值在±50%以外的记录仅占3.59%，与差值在±1.5 h以外的记录所占比例代表的含义略有不同，此类数据多出现在自动和人工观测日日照时数都较少的情况下。总体来看，自动与人工观测的数据一致性较好，相关系数为0.986 3。

图2 自动观测与人工观测日日照时数差值的分布Fig.2 Distribution diagram of the difference of sunshine variation between automatic observation and manual observation

2.4 小时日照时数对比

从图3可知，2019年自动和人工观测逐小时总日照时数平均相差3.6 h,有明显的小时变化。自动和人工观测主要日照时段都在10—16时，分别占全天日照的73.7%和75.69%，各时次累计日照均超过100 h，12时为所有时次日照最大值，自动观测为118.3 h，人工观测为121.7 h；07—08时、18时自动和人工观测日照时数相对差值较大，分别为31.08%、10.74%、34.29%，09—17时日照时数相对差值较小，在-6.27%～2.35%之间。

图3 自动观测与人工观测各时次日照时数及差值Fig.3 Sunshine duration and difference between automatic observation and manual observation

同时发现，主要日照时段(10—16时)各时次人工观测均大于自动观测日照时数。分析此现象，多出现在多云天气时段，是两种仪器采样方式不同产生的误差。太阳辐照度随天空中云的变化和移动而快速变化，自动观测能更客观记录到1 min的日照变化，而人工观测每6 min记录0.1 h日照,但是只要日照中断时间小于3 min，其日照低上的感光迹线仍是连续的，则可能会连续记录[5]，这种误差导致人工观测比自动观测的数值偏高。此外，观测人员在整理日照纸感光痕迹线描划铅笔线过程中也可能产生偏多的误差，即当日照纸感光痕迹线呈现不连续的紧密点状时，常被观测员描划成连续直线，造成日照时数偏多，导致人工观测比自动观测的数值偏高。

3 产生差异的主要原因分析

3.1 仪器工作原理不同产生的差异

自动观测的工作原理是通过太阳总辐射和散射辐射的差值进行计算该时太阳直接辐射辐照度，再与120 W/m2的阈值进行比较，经过处理后输出日照信号或通过计算得到分钟日照、小时累计日照及日累计日照时数[11]。人工观测是采用针孔成像原理，太阳光借助暗筒式日照计上的小孔射入筒内，使涂有感光药剂的日照纸上形成感光迹线，以此来计算日照时数。人工观测受不同天气、仪器性能、日照纸所用感光药品质量以及观测人员配置药品和涂刷日照纸的技能等因素影响，故与自动观测日照存在差异。

3.2 仪器采样方式不同产生的差异

自动观测的时间分辨率为1 min，至少每10 s对光电感应器件采样1次，1 min采集不少于6次，对采样得到的电压信号进行判断，若判断有日照，则将采样时间间隔累计到当前分钟日照，小时日照计算分钟累计量；人工观测记录的最小单位为0.1 h，即每6 min记录0.1 h日照，因两者采样方式不同会对测量结果产生一定影响。