DFC2型光电式日照计与暗筒式日照计平行观测分析

周英 袁久坤

（重庆市万州区气象局，万州 404000）

0 引言

日照是是指太阳实际照射的时数，表征了气象状况与气候特点的重要气象要素，世界气象组织将日照时数定义为在一给定的时间，太阳直接辐射的辐照度达到或超过120 W/m的时间总和，以小时（h）为单位，取一位小数。获取具有代表性和准确性的日照观测资料是认识气候资源的变化规律、合理布局农业生产、调整能源产业结构及经济可持续发展的重要基础。2019年1月1日开始，日照采用自动和人工两种方式进行平行观测，同时要求开展对日照平行观测资料进行分析，评估使用自动观测代替人工观测对资料序列的影响程度。近年来很多学者对日照人工观测设备（暗筒式日照计）的结构、观测资料及误差来源进行了分析研究，同时对暗筒式日照计、直接辐射表、荷兰Milos500双金属片日照传感器等设备获取的日照数据进行了对比分析。但针对光电式数字日照计与人工暗筒式日照计的对比分析尚不多见。

本文利用万州国家基本气象站2019年1—12月自动和人工日照观测资料，分别对2种观测方式获取的数据的完整性、一致性等方面进行分析评估。

1 资料来源及分析方法

万州国家基本气象站于2019年1月1日始新增日照自动观测项目（光电式数字日照计），并开始进行自动和人工日照平行观测。2019年1—3月以人工观测记录为正式观测记录，4—12月以自动观测记录为正式观测记录。本文采用的是万州站2019年自动和人工日照数据资料来分析评估自动观测与人工观测两种观测方式获取的资料序列差异。

利用自动观测与人工观测日照时数的差值、相对差值、绝对误差及相关系数来评估日照自动观测和人工观测数据的准确性。若差值、相对差值及绝对误差越小，相关系数越接近于1，则表明数据一致性越高。将自动观测与人工观测日照时数的差值定义为：

式中，

S

为差值，

S

为相对差值，

A

为绝对误差，

X

为自动观测日照时数，

Y

为人工观测日照时数，

r

为相关系数。

2 分析评估

2.1 数据完整性评估

日照数据完整性评估主要是针对日照自动观测的缺测率进行评估。万州国家基本气象站严格按照《光电式数字日照计观测规范（试行）》的相关规定进行光电式数字日照计的安装调试、巡视维护及数据监控，2019年全年未出现日照分钟数据缺测现象。2019年日照自动观测和人工观测的缺测率均为0%，数据完整性良好。

2.2 小时日照时数一致性分析

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6 min有日照则记录为0.1 h，剩余有日照的分钟数达到或超过3 min也记录为0.1 h。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6 min记为0.1 h。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3 min，或者暗筒式日照计小时内的日照时数累计达0.1 h，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。按照上述条件，万州站2019年共有1605个有效样本值参与统计，自动和人工小时日照的绝对误差为0.1 h，相关系数为0.88，通过了

α

=0.01的显著性检验，体现了两者较好的一致性。

2.3 逐日日照时数一致性分析

同样按照业务规定，当光电式数字日照计全天的日照时数连续累计达到或超过3 min，或者暗筒式日照计全天的日照时数累计达0.1 h，则需进行全天日照时数的一致性分析，同样剔除全天自动和人工日照时数均为0.0的天数，2019年共参与统计的有效样本数为220 d。自动和人工逐日日照时数散点图如图1。经统计，其绝对误差为0.46，相关系数为0.99，通过

α

=0.01的显著性检验。体现了两者具有较好的一致性。

自动和人工逐日日照时数的差值分布情况如图2。就两者日照时数差值而言，相同的天数占7%，自动观测日照时数大于人工观测日照时数的天数占72%，自动观测日照时数小于人工观测日照时数的天数占21%。相对差值方面，相对差值在±10%内占57%，大于100%的占19%，其中日照时数相对差值大于100%的情况是属于自动观测有日照，而人工观测日照时数为0.0 h。总体而言，自动观测日照时数大于人工观测，两者一致性较好。

图1 自动观测与人工观测逐日日照时数散点图Fig. 1 Scatter diagram of daily of sunshine observed automatically and manually

图2 逐日日照时数差值（a）及相对差值（b）分布Fig.2 Distribution of difference (a) and relative difference (b)of daily sunshine hours

2.4 逐月日照时数一致性分析

利用2019年1—12月逐月日照时数进行统计分析，自动和人工逐月日照时数绝对误差为4.98 h，相关系数为0.99，通过

α

=0.01的显著性检验。从自动观测与人工观测逐月日照时数对比来看，除2、12月自动日照时数较人工略偏少外，其余月份自动日照时数均大于人工日照时数。从相对差值来看（表1），除1月外，其余月份的自动观测和人工观测日照均比较接近，相对差值绝大部分在-1%～10%（光电式日照计测量性能的最大允许误差为月观测数据±10%），较逐日日照时数的相对差值分布更集中。

3 自动与人工观测日照时数差异原因

3.1 观测方法影响

自动日照观测采用的是DFC2型光电式数字日照计，它是采用置于光学镜筒内的3个同轴光电感应器同时对总辐射和散射辐射进行自动连续观测，然后根据计算出的直接辐照度来判断有无日照，如直接辐照度≥120 W/m则作为有日照，将时间累计，即可得到每小时与每天的日照时数，其分辨率为1 min。

表1 2019年自动观测与人工观测逐月日照时数差值Table 1 Monthly sunshine hours difference between automatic observation and manual observation in 2019

人工日照采用暗筒式日照计，它是利用太阳光通过仪器两侧的小孔射入筒内，在涂有感光药剂的日照纸上呈现出感光迹线，根据迹线长度来计算日照时数，其分辨率为6 min，6 min计算为0.1 h。而日照纸感光是否正确与多方面因素有关，如日照纸的质量、感光剂（枸橼酸铁铵）及显影药（赤血盐）的质量、配制比例、涂药方法、浸泡时间等都是造成测量误差的主要原因，同时日照纸上的感光剂对于太阳直接辐照度缺乏固定准确的感应阈值，从而使获得的日照时数的客观准确性难以得到有效保证。相比较而言，光电式日照计能够排除各类人为因素影响，所获取的日照时数更加具有客观性和准确性。

3.2 时差影响

由于日照自动观测和人工观测采用的观测时制不同，故两者存在一定的时差。根据《地面气象观测规范》的规定，自动观测日照采用的是地方平均太阳时，人工观测日照采用的是真太阳时。真太阳时等于地方平均太阳时加上时差，根据2019年天文年历可查询每天的时差，时差在－14～16 min。而在有日照的情况下时差可能会导致两种观测方式的小时日照时数具有一定的差异，若3 min≤时差＜9 min，小时日照时数可能会出现0.1 h的差异；9 min≤时差＜15 min，小时日照时数可能会出现0.2 h的差异等。但此种情况主要发生在跨正点有日照且不是连续2 h全日照情况下出现，对全天总的日照时数无影响。

3.3 天气状况影响

日照时数多少受天气现象、能见度、云量、云状、云高及大气透明度等的影响，不同的天气状况对日照的影响程度不同。据张纬敏等研究，人工暗筒式日照计的日照纸在晴天时的感光阈值为270～300 W/m，而在地平线浑浊时的感光阈值为130～145 W/m，光电式数字日照计的感光阈值为96～144 W/m。由于感光阈值不同，在雾霾天气、天空较为浑浊垂直能见度较低或太阳光透过较薄云层时，太阳光照强度一般较弱，光电式数字日照计比暗筒式日照计更精确地感光，此时自动日照时数一般大于人工日照时数，同理，在日出后或日落前也会出现同种情况。但是在多云天气且云量变化较快或云的移速较快的情况下，地面接收到的直接辐射强度变化也较快，光电式数字日照计分辨率高能准确识别辐射强度变化，而人工日照纸上的感光迹线多呈点状，此时人工划线大多直接将点状描划成连续直线而造成人为误差，导致自动日照时数小于人工日照时数。

4 结论

1）2019年全年自动观测和人工观测日照时数均无缺测，完整性良好。自动观测和人工观测日照时数在逐小时、逐日、逐月方面相关一致性均较好，自动观测日照总时数总体上大于人工观测日照总时数，但在多云天气且云量变化较快或云的移速较快的情况下，自动日照时数小于人工日照时数。

2）自动观测与人工观测日照时数差异产生的原因主要有3个方面：一是自动观测和人工观测日照采用的仪器和观测方法不同；二是自动观测和人工观测日照采用的观测时制不同；三是不同的天气状况对日照的影响程度不同。

3）光电式数字日照计较暗筒式日照计灵敏度高，能够实现日照的自动连续观测，提高日照测量精度，能有效地排除人为因素影响，观测数据更具有客观性和准确性。当然，为更好地了解2种观测方式所获取的资料序列差异，还可进行更长时间的平行观测，积累更多的资料予以分析，为气候分析、科学研究和气象服务提供重要依据，并能在农业生产、太阳能开发利用、环境监测等方面发挥重要作用。