DFC1型光電式日照計與暗筒式日照計的對比分析

楊煥強 張桂珍 孔萬林 盛暉

(1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310000；2.建德市氣象局，浙江 杭州 311600)

0 引 言

日照是地球獲取太陽輻射最直接的方式，同時也是表征地域氣候特征和描述天氣狀況的重要因子。作為氣象學的研究對象，氣象站通過觀測日照時數(SD)來記錄日照的時長。根據1991年WMO儀器與觀測方法委員會第八次會上(CIMO-Ⅷ)通過的建議，日照時數被定義為太陽直射輻照度達到或超過120 W/m2時長的總和[1]。日照時數直接關系到地球表面接收太陽短波輻射能量的多少，是預報天氣狀況和分析氣候變化的重要指標。日照不僅時刻影響著人們的日常生活，還關系到農林牧漁等第一產業的發展。近年來，日照在大氣環境評估及光伏能源開發等領域的意義也日益凸顯。

在日照時數的諸多觀測方法中，燒痕法是最早被采用的，代表儀器有聚焦式日照計和暗筒式日照計[2]。為提高資料均一化，WMO在1962年建議制定了相應的臨時參考日照計錄器(IRSR)[3]。隨后，法國的IRSR(太陽直接輻照度平均值為120 W/m2并允許±20%誤差)被接受為標準閾值參考[4]，直至1991年WMO將120 W/m2的直接輻照度定義為日照時數的標準閾值。國內外專家依此研制出了多種基于輻射測量技術的日照自動觀測儀器，其中技術較為成熟的是直接輻射表和光電式日照計。接著，諸多學者對新式日照觀測儀器開展了一系列的對比研究。2000年，張緯敏等人用美國EPPLEY生產的NIP直接輻射表與暗筒式日照計進行了對比，發現直接輻射表在我國實際觀測業務中暫時無法取代暗筒式日照計[4]。2011年，趙世軍等人的研究表明，直接輻射式或總輻射式日照計將是未來日照計的主要發展趨勢[5]。2015年，呂文華等人對國產FS-RZ1型、HYSD1型和荷蘭產CSD3型3種日照計進行了對比試驗，結果表明光電式日照計已具備了較高測量精度和自動化程度，能夠滿足業務自動化觀測的需求[6]。后來，孟慶勇等人和杜傳耀等人對幾種新型號的光電式日照計作了詳細介紹，為日照自動觀測技術的推廣和應用提供了充分的依據[7-8]。

目前，在我國氣象觀測領域徹底實現自動化的背景下，光電式日照計取代人工觀測是大勢所趨。2019年1月，杭州各臺站完成了光電式日照計的安裝和調試，開展了為期半年的日照自動與人工平行觀測。本文通過對比兩種觀測方法和日照數據的差異特征，研究光電式日照計在基層臺站的適用性。結合地域天氣條件，重點分析兩種日照計在觀測原理及測量性能方面的不同，探求二者數據差異產生的可能原因。新型光電式日照計在測站的適用分析，既關系到日照資料的連續性，也關系到可能存在的歷史數據訂正問題。

1 資料說明與研究方法

1.1 數據獲取

圖1 兩種日照計的示意圖

從數據完整性的評估結果來看，1—6月份兩種日照計在各站的運行狀況良好，均未發生設備故障和數據缺測，數據完整率為100%。表1為各站數據采集情況，應測與實測天數均為181 d，日照時數大于0 h的天數在105～116 d。受上半年江南區域連續陰雨的影響，各站日照時數達到10 h/d的天數偏少，6個測站天數最多的是杭州站，只有20 d，最少的是建德站，為11 d。

表1 2019年1—6月各站日照觀測天數

1.2 研究方法

DFC1光電式日照計觀測精度為1 min，輸出單日日照時數；暗筒式日照計器測精度為0.1 h，人工計算得到單日日照時數。因各站日照對比數據獲取環境相近，觀測時制均采用真太陽時，獲取數據具有較高的可對比性。

自動與人工觀測的日照時數(SD)對比分析主要以絕對差值和相對差值作為評估指標，用日合計值和月累計差值分別描述單站差值和總體差值特征。計算公式為：

ΔSDi=SDai-SDmi

(1)

ΔSDui=ΔSDi/SDmi×100%

(2)

ΔSD=∑ΔSDi

(3)

其中SDai為第i日自動觀測值，SDmi為第i日人工觀測值，ΔSDi為第i日日照時數的絕對差值；ΔSDui為第i日相對差值；ΔSD為i日合計差值，∑SDa和∑SDm分別表示觀測時段內的日照自動與人工觀測累計值。

2 日照對比特征分析

2.1 總體特征

根據楊春宇等人的研究，杭州屬我國第Ⅳ類光照氣候區，日照率不足5成[12]。從表2的結果看，各站1—6月份人工觀測日照時數常年累計值(30 a統計資料)在720～780 h之間，空間分布差別不大。2019年杭州地區上半年陰雨天氣偏多，造成各站日照時數(人工觀測值)累計值較常年同期平均偏小106 h，日照率平均偏小5%。建德站減幅最大，較常年減少了160 h以上。

表2 杭州各站2019年上半年人工觀測日照時數與常年對比

注：∑SDm為人工觀測日照時數累計值，KS為日照率。

2.1.1 累計差值分析

統計數據顯示，1—6月份杭州各站日照時數自動觀測累計值比人工觀測值偏小，差值范圍在15.9 h～67.9 h之間。其中建德站ΔSD最小，為15.9 h，占該站人工觀測值的2.5%；臨安站ΔSD最大，為67.9 h，占該站人工觀測值的9.8%。圖2表明，在參與對比的6個臺站中，杭州站和富陽站ΔSD最為接近，分別是35.6 h和35.7 h。同時，自動與人工觀測日照時數累計最小值均出現在建德站，日照時數自動觀測累計最大值出現在杭州站，日照時數人工觀測累計最大值出現在臨安站。

圖2 2019年1—6月份杭州各站日照時數累計值對比圖

2.1.2 逐日差值分析

逐日日照時數的大小關系能夠直接反應出兩種日照計觀測數據的差值特征。圖3為杭州各站自動與人工日照同步觀測數據散點對比圖。SDa為光電式數字日照計的自動觀測值，SDm為暗筒式日照計的人工觀測值。分析結果顯示，各站對比數據的相關系數均在0.97～0.99之間，兩種日照計的逐日日照時數表現出良好的相關性。

圖3中對比數據點與趨勢線的位置表明了自動與人工觀測數據的大小關系，離散程度則表示差值大小。從各站數據點的分布情況看，數據差值特征基本一致：在SDm2～10 h區間，數據點大多位于趨勢線左上方，表明此范圍內日照時數以人工觀測值偏大為主，較高的離散程度對應著較大的絕對差值。在SDm為0～2 h和10 h以上的區間，數據點的集中分布則表明絕對差值較小。需要提出的是，0～2 h區間數據點離散程度雖不高，但相對差值并不低。從各站圖中還可以看出，當SDm超過10 h時，數據點沿各自趨勢線右下方均勻集中分布的特征明顯，說明此區間內日照自動觀測值較略大，差值保持在0～1 h的范圍。

綜上所述，在日照時數超過10 h的晴朗天況下，各測站日照時數以自動觀測值SDa略大為主，差值約在0～1 h之間。在日照時數低于10 h的有云(只考慮中、低云)天氣條件下，人工觀測值SDm偏大特征明顯。統計數據顯示，在小于10 h的區間內， 1—6月份各站人工觀測累計值較自動值偏大48.9 h。

圖3 杭州各站自動與人工觀測日照時數散點圖

2.2 單站日照時數分析

利用杭州站的日照平行觀測數據，對其進行逐日對比差值特征分析。杭州站1—6月份在單日SD大于10 h的20 d中，除1 d外，自動觀測值均大于較人工觀測值，絕對差值約在0～1 h之間，表現出良好的一致性。將該站1—6月份日照時數大于0 h的對比數據及差值按自動觀測值從大至小進行排序，得到了如圖4的差值分布特征。

圖4中，SDa最大值為12.7 h，出現在5月23日，該日人工觀測SDm也出現了最大值11.9 h。同時發現，光電式日照計偏大差值多來源于日出和日落光照較弱的時段。在日照時數為10～8 h的區間，逐漸出現人工觀測值偏大的情況，區間ΔSD累計值較自動觀測偏大1.6 h。當SD處于8～0.1 h區間時，人工觀測SD偏大的天數日益增多,單日差值最大3.9 h，累計值偏大42.9 h。值得一提的是，在SD為6～4 h的27 d里，有21 d較自動偏大，區間累計差值為22.4 h。

圖4 杭州站1—6月日照時數序列差值對比圖

另外，在杭州站人工觀測值SDm為0的日期，自動觀測值SDa為14 d有日照時數。而在人工觀測值SDa為0的觀測日期，SDm均為0，充分說明在暗筒式日照計未能觀測到日照時數的多云或陰雨天氣里，光電式日照計表現出了更高的靈敏度。

3 差值來源

3.1 觀測精度和“光斑效應”

從兩種日照計的觀測原理和記錄方式著手，分析對比數據差值產生的原因。如2.1所述，光電式日照計通過測算得到直接輻射輻照度，系統再根據閾值給出有無日照的電平信號，氣象站每分鐘采集電平信號并記錄下來，可以看出其測量精度為1 min[13]。暗筒式日照計所用日照紙最小測量刻度為6 min，根據太陽的視直徑及暗筒進光孔的尺寸，可以計算得出太陽光斑直徑在日照紙上相當于3 min的日照時長，把這種光斑影響測量精度的現象稱為“光斑效應”。

圖5為兩種日照計的記錄對比示意圖。在30 min觀測時間內的第3 min，太陽光照度達到了兩種儀器的直接輻照度閾值，光電日照計記錄1 min日照時長，而暗筒式日照計受“光斑效應”的影響，人工記錄了0.1 h，較自動觀測值偏大了83%；若上述情況出現在第12 min，光電式日照計記錄日照時數仍為1 min，而暗筒日照計記錄了0.2 h，人工測值偏大了92%；假設在第20～30 min，兩種日照計日照時數連續，則光電式日照計自動記錄為11 min，暗筒式日照計記錄了0.2 h，二者相差無幾。

圖5 光電日照計與暗筒日照計觀測對比差值示意圖

從上文不難看出，“光斑效應”對光照不連續天氣下的日照觀測影響最為明顯。圖6為杭州站2019年5月27日13—14時日照平行觀測記錄表。根據該站的全天云圖資料記錄，該日13—14時為多云天況(中、低云)。從該站光電式日照計的逐分鐘觀測記錄來看：在日照時數出現了若干分段的1 h內，自動觀測值為0.3 h，人工觀測值為0.8 h，二者相差了0.5 h。

圖6 杭州站2019年5月27日13—14時日照平行觀測記錄

由此可見，兩種日照計測量原理及記錄方式的差異，使得對比數據差值在不同天氣條件下表現出完全不同的特征。在晴朗的天氣條件下，太陽光照強且連續，兩種日照計均能夠真實記錄日照時數，測量結果相差不大。在多云(中、低云)的天氣里，太陽直接輻照度忽強忽弱，受上述測量精度和“光斑效應”的影響，人工觀測值明顯偏大，一天中日照時間不連續分段愈多，差值累計就愈大。在杭州地區2019年上半年較少晴空的天氣條件下，人工觀測日照時數累計值較自動值產生的較大偏差，主要就是這個原因造成的。

3.2 靈敏度

兩種日照計觀測靈敏度的不同是造成差值出現的另一原因。DFC1光電式日照計的直接輻照度閾值為120±24 W/m2，響應時間小于1s。即使在太陽光照較弱的日出和日落時段，只要光照強度達到標準閾值，自動觀測系統就會準確記錄下日照時數。而暗筒式日照計產生感光跡線的輻射閾值并不明確，在涂藥標準的情況下為稍大于120 W/m2的范圍[10]。使得日照紙在接受閾值附近的太陽直接輻射時，正常光照時長內的輻射能量不足以使藥劑呈現出肉眼能夠識別的藍色跡線，從而出現失測。這是晴空天氣日出、日落時段，光電式日照計觀測值稍大于暗筒式日照計觀測值的主要原因。

3.3 其他因素

除上述因儀器原理不同而造成觀測數據差異外，兩種儀器本身存在的測量誤差也會導致差值的產生[14]。光電式日照計在測量和計算太陽直接輻照度時存在的系統誤差需要標準器進行標定[15-16]，自動氣象站和日照傳感器的采集時間不同步也會造前后時段測值的誤差。人工觀測方面，日照紙的涂藥質量直接關系到日照記錄的準確性[17]。另外，兩種日照計的安裝和維護情況都會影響到日照時數測量的準確度。

4 結 語

1)通過分析杭州地區6個測站的DFC1光電式日照計與暗筒式日照計平行觀測資料發現，自動與人工兩種日照計獲取的單日日照時數一致性高，相關系數在0.97～0.99之間。二者的差值大小與天氣條件密切相關：在日照連續的晴空天氣條件下，靈敏度較高的光電式日照計測得了比暗筒日照計稍多的日照時長；在日照不連續的有云天況(中、低云量)下，受暗筒式日照計觀測精度不高和“光斑效應”的影響，對比數據以人工觀測值偏大為主。

2)平行觀測期間，DFC1型光電式日照計自動觀測系統克服了暗筒式日照計測量中存在較大主觀性的問題，顯著提高了日照數據的準確性和連續性。但觀測系統的維護與保障工作對臺站提出了很高的要求。其中包括對光學鏡筒的定時清潔和干燥劑的及時更換，供電系統故障同樣會影響數據的正常采集。此外，針對光電元件的測量準確度漂移和校定問題更需進一步的研究和探索。