湖州地區(qū)FS-RZ1日照傳感器試運(yùn)行分析

邱 杰，胡景波，俞旭楓，陸文濤

（1.湖州市氣象局，浙江 湖州 313000；2.德清縣氣象局，浙江 德清 313200；3.長(zhǎng)興縣氣象局，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

日照時(shí)數(shù)是指太陽(yáng)在某地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。日照的變化是一個(gè)地區(qū)天氣氣候研究中最直接、最敏感的因素，它直接影響當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是在當(dāng)前氣候異常的情況下。日照時(shí)數(shù)作為農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)之一，在實(shí)際業(yè)務(wù)中的使用越來(lái)越頻繁，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活都有很大的影響，其觀測(cè)記錄的準(zhǔn)確程度直接影響到農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品的精度。

隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)自動(dòng)化的大力推行，中國(guó)地面氣象觀測(cè)已實(shí)現(xiàn)了壓、溫、濕、風(fēng)、降水、地溫等基本要素的自動(dòng)觀測(cè)。自動(dòng)化的觀測(cè)手段大大提高了觀測(cè)資料的精度和密度。日照作為地面氣象觀測(cè)基本要素之一，目前，國(guó)內(nèi)氣象部門(mén)大部分地區(qū)都使用暗筒式日照計(jì)，仍需要人工涂藥、換紙和畫(huà)線(xiàn)記錄，決定日照誤差大小的主要因素就是日照紙感光的靈敏度。日照紙感光的靈敏度除與涂藥配比直接相關(guān)外，還與藥品保管、涂藥方法、紙張質(zhì)量有著一定的關(guān)系[1]。日照人工觀測(cè)方式與現(xiàn)代化觀測(cè)的發(fā)展要求不相匹配，日照傳感器的研制進(jìn)入了快速發(fā)展的階段[2]。隨著觀測(cè)自動(dòng)化和無(wú)人化的推進(jìn)，首先開(kāi)展的是通過(guò)直接輻射來(lái)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，趙曉莉、嚴(yán)彩虹[3,4]等分析了日照計(jì)與直接輻射表日照時(shí)數(shù)差異。近一年中，日照傳感器逐步在臺(tái)站完成安裝并開(kāi)始試運(yùn)行，杜傳耀、石京川、石振文等[5-8]分析了暗筒式日照計(jì)與自動(dòng)日照儀數(shù)據(jù)的差異，兩者之間的差異是不可避免的，而差異的具體情況正是氣象行業(yè)各業(yè)務(wù)、科研、服務(wù)工作者非常關(guān)心、關(guān)注的問(wèn)題。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，與蘇州、無(wú)錫隔太湖相望。湖州東部為水鄉(xiāng)平原，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，太陽(yáng)輻射對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。湖州西部多山地、丘陵，近幾年太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)在此區(qū)域發(fā)展較快。考慮到日照時(shí)數(shù)觀測(cè)對(duì)本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，有必要對(duì)兩種觀測(cè)方式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

1.1 觀測(cè)地點(diǎn)和觀測(cè)儀器

本文一共選取了3個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站，其中湖州國(guó)家基本氣象站是湖州市范圍內(nèi)唯一的國(guó)家級(jí)基本觀測(cè)站，建于1956年1月，位于東經(jīng)120°03′、北緯30°52′。長(zhǎng)興站和德清站均為國(guó)家級(jí)氣象站。德清站位于湖州的東南面，長(zhǎng)興站位于湖州的北面。上述3站目前均使用暗筒式日照計(jì)進(jìn)行人工日照觀測(cè)，暗筒式日照計(jì)是利用太陽(yáng)光通過(guò)儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線(xiàn)，來(lái)計(jì)算日照時(shí)數(shù)。湖州站和長(zhǎng)興站2018年4月安裝了FS-RZ1日照傳感器，F(xiàn)S-RZ1日照計(jì)通過(guò)總輻射法計(jì)算日照時(shí)數(shù)。德清站2017年1月安裝了直接輻射傳感器，直接輻射表每日自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)輸出的信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)把太陽(yáng)直接輻照度≥120W·m-2的時(shí)間累加起來(lái)作為每小時(shí)的日照時(shí)數(shù)與每天日照時(shí)數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)完整性

本文的數(shù)據(jù)時(shí)段為2018年5月1日～8月31日，共123天。由于均是國(guó)家級(jí)觀測(cè)站，長(zhǎng)期進(jìn)行探測(cè)環(huán)境保護(hù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，3站該時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)完整率均為100%。本文將FS-RZ1日照傳感器的數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)按小時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)分別分析，均以分鐘為單位。直接輻射傳感器分鐘數(shù)據(jù)大于120W·m-2的認(rèn)為該分鐘有日照，再累加統(tǒng)計(jì)成小時(shí)和日數(shù)據(jù)。

圖1 3站總?cè)照諘r(shí)數(shù)人工與自動(dòng)對(duì)比圖Fig.1 3 Total sunshine hours of the station artificial and automatic comparison diagram

表1 3站月日照時(shí)數(shù)人工與自動(dòng)對(duì)比Table 1 3 Monthly sunshine hours of the station artificial and automatic comparison

2 結(jié)果與分析

2.1 總?cè)照諘r(shí)數(shù)

2018年5月1日～8月31日，湖州站自動(dòng)觀測(cè)日照40170 min，人工47316 min，自動(dòng)觀測(cè)日照比人工觀測(cè)值偏低7146 min，相差達(dá)17.8%。長(zhǎng)興站和德清站也都存在自動(dòng)觀測(cè)日照比人工觀測(cè)值偏低的情況，如圖1所示。綜合分析自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性較好，說(shuō)明誤差分布較均勻。

2.2 分析時(shí)段內(nèi)月總?cè)照諘r(shí)數(shù)

將2018年5月1日～8月31日的數(shù)據(jù)按月再次統(tǒng)計(jì)，如表1所示。從表1中可以看出，4個(gè)月中，3個(gè)站點(diǎn)的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)均大于自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，這也就是4個(gè)月兩者合計(jì)差距較大的原因。具體分析兩者每個(gè)月的差距變化情況，發(fā)現(xiàn)從春天到夏天的過(guò)程中，兩者差距越來(lái)越小。以長(zhǎng)興站為例，5月兩者相差12.1%，6月相差8.2%，7月相差7.3%，8月相差6.7%，變小的趨勢(shì)很明顯。

2.3 分析時(shí)段內(nèi)小時(shí)平均日照時(shí)數(shù)

圖2 小時(shí)日照人工與自動(dòng)對(duì)比Fig.2 Hours artificial and automatic comparison of sunshine

表2 3站低日照天氣日照總時(shí)數(shù)對(duì)比Table 2 3 Comparison of total hours of sunshine in low sunshine weather

將使用FS-RZ1日照傳感器的湖州站和長(zhǎng)興站小時(shí)日照作平均，求出4個(gè)月內(nèi)每小時(shí)的平均日照，單位為分鐘。如圖2所示，早晨和傍晚自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)間要大于人工觀測(cè)，原因可能是人工觀測(cè)的靈敏度沒(méi)有自動(dòng)儀器高。中間時(shí)段的人工觀測(cè)要高于自動(dòng)，可能的原因是人工劃線(xiàn)或判斷上存在偏差，或藥水感光性不穩(wěn)定。兩個(gè)站的日照曲線(xiàn)變化趨勢(shì)幾乎一致，一定程度上可以代表大部分臺(tái)站人工和自動(dòng)觀測(cè)的對(duì)比情況。

3 低日照天氣總?cè)照諘r(shí)數(shù)

一般情況下，有大霧、輕霧或者霾的天氣里日照時(shí)數(shù)較少，稱(chēng)之為低日照天氣。這種天氣的光照強(qiáng)度對(duì)于自動(dòng)與人工日照計(jì)均難以產(chǎn)生日照記錄，但在這樣的天氣中并不是一整天都沒(méi)有日照，當(dāng)霧氣消散或云層較薄時(shí)，輻照度仍能達(dá)到或超過(guò)日照閥值。分析這種情況下的日照數(shù)據(jù)，可以較好地分析兩者的差異性。理論上，由于日照傳感器比暗筒式日照計(jì)靈敏度高，所以更容易產(chǎn)生記錄，即在這種情況下自動(dòng)站測(cè)得的日照時(shí)數(shù)要大于人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)。但實(shí)際情況恰好相反，人工日照時(shí)數(shù)均大于自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)。原因可能是在日照跡線(xiàn)斷點(diǎn)比較多的情況下，人工不可避免地會(huì)將斷點(diǎn)連上，人為地增加了日照時(shí)數(shù)。因此，使用日照自動(dòng)觀測(cè)儀器在真實(shí)性方面要優(yōu)于人工觀測(cè)。

還有一個(gè)潛在的原因，暗筒式日照計(jì)僅是靠感光跡線(xiàn)記錄觀測(cè)日照，沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的閾值的概念。實(shí)際的人工觀測(cè)過(guò)程中有人曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在能見(jiàn)度不好的天氣情況下，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際的太陽(yáng)輻射照度還沒(méi)有達(dá)到閾值，日照紙已經(jīng)開(kāi)始記錄日照時(shí)數(shù)的情況。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析2018年5月1日～8月31日的日照數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)日照比人工觀測(cè)值偏低，自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好，說(shuō)明誤差分布較均勻。具體分析兩者每個(gè)月的差距變化情況，發(fā)現(xiàn)從春天到夏天的過(guò)程中，兩者差距越來(lái)越小。早晨和傍晚自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)間要大于人工觀測(cè)，中間時(shí)段的人工觀測(cè)要高于自動(dòng)。低日照天氣總?cè)照諘r(shí)數(shù)、人工日照時(shí)數(shù)均大于自動(dòng)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)。