暗筒式日照計與CSD3自動日照儀數據對比分析

廖桉樺，顧人穎，王 杰

(寧波市鄞州區氣象局，浙江 寧波 315100)

日照時數是指太陽在一地實際照射的時數。世界氣象組織(WMO)定義日照時數為太陽直接輻照度達到或超過120 W·m-2的時間的總和[1-2]。日照對農業生產和人們的日常生活都有很大的影響。目前，國內氣象部門除了在較高緯度地區使用聚焦式日照計(又稱康培司托克式日照計)記錄日照時數外，大部分地區都使用暗筒式日照計(又稱喬唐式日照計)，仍需要人工涂藥、換紙和畫線記錄，與現代化觀測的發展要求不相匹配。

根據日照時數的定義，直接測量直接輻射的輻照度是最準確的，但對跟蹤裝置要求較高，同時裝置上下午需至少對光點一次[2]。張緯敏等[3]發現，直射表跟蹤不準的差值比暗筒式日照計閾值不準的誤差還大；劉娜等[4]發現，直接輻射表比暗筒式日照計觀測記錄平均偏低0.51 h。近年來，國內外研制了若干無須跟蹤裝置的日照時數自動化測量設備[5]，石振文[6]和楊召瓊[7]都對人工觀測和CSD1型日照傳感器自動觀測的記錄進行過對比分析，證實人工觀測與自動觀測日照時數之間有非常好的相關性。呂文華等[8]對光電式自動日照計的性能進行對比研究，發現CSD3型自動日照計性能總體較優。為提高觀測的簡易度與準確度，本研究擬對鄞州國家基本站基于CSD3傳感器觀測(以下稱自動觀測)和暗筒式日照計觀測(以下稱人工觀測)的日照時數進行差值對比分析，為相關研究和應用提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及數據時段

鄞州國家基本站位于寧波市鄞州區氣象局內，2008年引進了芬蘭Vaisala公司的MILOS520自動站，配備了Kipp & Zonen公司生產的CSD3傳感器，直到2013年12月31日都作為主業務站。本文數據對比分析時間段為2008年1月1日至2013年12月31日。

1.2 資料預處理

由于CSD3傳感器并非正式業務觀測設備，配套的業務軟件并無補調日照時數數據功能，自動觀測日照時數數據存儲在擴展名為RTD的文件中，計算機重啟或采集軟件關閉均會引起部分日照時數的分鐘數據缺失。為保證對比的可靠性，同時也為了保留盡可能多的樣本，采取以下方式對缺失數據進行填補：當分鐘自動觀測日照時數數據缺失1～2 min時，若前、后5 min數據均為有(或無)日照，認為該缺失時間段為有(或無)日照；當分鐘自動觀測日照時數數據缺失3～5 min時，若前、后10 min數據均為有(或無)日照，認為該缺失時間段為有(或無)日照。

為避免時差引起的統計不一致，僅當自動觀測數據與人工觀測數據經過處理后全天均無缺失時才參與統計對比分析。

2 結果與分析

2.1 逐日日照時數差異

按照本研究的數據預處理方式，鄞州站2008—2013年共有2 143個樣本值參與統計。由于沒有標準觀測儀器，無法確切知道各自的誤差，本研究僅針對2種儀器的觀測數據差異進行分析，不使用誤差的概念。

定義自動觀測與人工觀測日照時數差值S差值=S自動-S人工，自動觀測與人工觀測日照時數相對差值S相對差值=(S自動-S人工)/S人工×100。

從圖1可以看出，總體上，人工觀測與自動觀測的數據一致性較好，相關系數為0.978 6，自動觀測數據較人工觀測數據偏高，部分日期自動觀測數據明顯高于人工觀測。個別情況下，人工觀測日照時數為0，而自動觀測的日照時數到達6 h以上。這部分記錄的差值主要是由不同儀器感光閾值的差異所引起。

圖1 人工觀測與自動觀測日照時數的散點比較

將自動觀測與人工觀測的數據差值以0.1為間隔進行分段統計，結果如圖2所示，圖中橫坐標0.0表示相對差值在-0.1～0.0的記錄，其他依次類推。將自動觀測與人工觀測的數據差值以5%為間隔進行分段統計，結果可以看出，自動觀測與人工觀測的日照時數差值大部分為正值，負值只占了20.8%，平均差值為0.35 h，只有不到35%的記錄差值在±0.1 h內，另外有接近5%的記錄差值超過2.0 h。相對差值在±10%內的記錄占60%以上，相對差值超過100%的占比接近5%，但與差值超過2.0 h所占比例代表的含義略有不同，此類數據多出現在人工觀測和自動觀測日照時數都較少的情況下。

圖2 日照時數差值的分布

2.2 逐月日照時數差異

按照數據預處理方式，將鄞州站2008—2013年自動觀測和人工觀測的數據均無缺失的記錄按月統計，并計算相對差值，結果如圖3所示。可以看出，絕大部分月份自動觀測和人工觀測的日照時數比較接近，相對差值在-5%～15%的月份占了86.1%，比起逐日的相對差值，分布更集中。人工觀測和自動觀測月日照時數相關系數為0.979 4。只有6個月的相對差值超過20%，這6個月中又有3個都是6月份。一方面，梅雨期較少的日照時數使得相對差值顯得較大；另一方面，2種儀器靈敏度和記錄方式的差異，導致其在類似條件下工作，數據差異會較大。2008年1月至2009年6月相對差值較大，該時段總相對差值為15.3%，平均差值為0.75 h·d-1；2009年7月至2012年6月相對差值明顯減少，該時段相對差值為6.2%，平均差值為0.29 h·d-1，兩者的一致性很好；2012年7月至2013年12月，相對差值開始出現負值，該時段相對差值為1.3%，平均差值為0.08 h·d-1。

圖3 月日照時數的差值

3 小結與討論

本研究對鄞州國家基本氣象站2008年1月至2013年12月的自動觀測和人工觀測日照時數進行對比分析，結果發現，自動觀測記錄數據平均比人工觀測多0.35 h，但亦有20.8%的自動觀測數據比人工觀測偏低。按月進行統計，相對差值在-5%～15%的月份占了86.1%，說明自動觀測和人工觀測的日照時數月總值一致性比較好。

關于差值的來源，首先記錄方式不一致，自動觀測的時間分辨率為1 min，人工觀測日照的記錄最小單位為0.1 h，即6 min，且在畫線的過程中實際上相當于進行了四舍五入，這種差值應該是無偏的。其次據張緯敏等[3]研究，暗筒式日照計的日照紙晴天時感光閾值為270～300 W·m-2，地平線渾濁時感光閾值為130～145 W·m-2，日出和日落時會引起記錄偏少，日平均偏少可達0.4～0.5 h。最后在多云天氣輻照度快速變化時，自動觀測儀器能很好地記錄出相應變化，而人工觀測則可能會記錄成連續[6,9]，這種誤差會導致人工觀測比自動觀測的數值偏高。

整個對比時段內，自動觀測比人工觀測的日照時數偏多0.35 h。從總觀測值來說，自動觀測的數據更接近WMO定義的標準，但在逐日差值上，有20.8%的人工觀測數據比自動觀測數據偏大，對此現象仍需深入分析。此外，自動觀測儀記錄的數據呈現出下降趨勢，有可能是儀器老化或維護不夠導致的。

目前，WMO給出了日照時數測量的暫定標準，國內大部分地區使用的暗筒式日照計在WMO的氣象儀器和觀測方法指南中并不推薦使用。即使今后各氣象站使用統一的自動觀測設備，由于各設備的日照輻照度閾值不同，也需考慮設備間的對比分析和訂正的問題。若要對日照時數進行準確的研究，還需根據直接輻射或總輻射、散射輻射等數據，并結合天氣狀況進行細化分析。

[1] WMO. Guide to meteorological instruments and methods of observation[M]. Geneva, Switzerland: WMO, 2008.

[2] 中國氣象局. 地面氣象觀測規范[M]. 北京: 氣象出版社，2003: 81-83, 133-134.

[3] 張緯敏, 譚月香. 日照計測量誤差探討[J]. 氣象, 2000, 26(5):17-19.

[4] 劉娜, 任芝花, 余予. 直接輻射表與日照計觀測日照時數的差異評估[J]. 氣象, 2015, 41(1): 68-75.

[5] 趙世軍, 劉西川, 高太長. 日照計發展現狀及前景分析[J]. 氣象水文海洋儀器, 2011, 28(2):96-99.

[6] 石振文.人工與自動日照觀測的對比分析[C]//中國氣象學會. 中國氣象學會2006年年會“提高大氣監測自動化水平、為業務技術體制改革作貢獻”分會場論文集.北京：中國氣象學會，2006: 195-201.

[7] 楊召瓊. 人工觀測與CSD1遙測日照時數的差異[J]. 廣東氣象, 2010, 32(2):59-60.

[8] 呂文華, 崇偉, 丁蕾. 光電式自動日照計性能比對試驗與分析[J]. 電子測量與儀器學報, 2015, 29(6): 928-933.

[9] 王超球, 黃琳, 韋覃武. 2種儀器測量日照時數的對比分析[J]. 安徽農業科學, 2011, 39(31):19413-19414.