莆田市日照自動觀測與人工觀測數據對比分析

楊明燦 何 捷 張響亮

(仙游縣氣象局，福建 莆田 351200)

1 概述

隨著氣象現代化的發展，我國地面氣象觀測已基本實現自動化。為進一步推進自動化觀測業務，根據中國氣象局綜合觀測司《關于印發<日照平行觀測業務技術規定>的函》(氣測函〔2018〕153號)，福建省氣象局觀測與網絡處決定2019年1月1日起在全省地面氣象觀測站開展日照平行觀測業務，為期6個月，分兩個階段進行，第一階段(1月1日至3月31日)以人工觀測為主，第二階段(4月1日至6月30日)以自動觀測為主。自動日照采用光電式數字日照計(中環天儀-DFC3)觀測，人工采用暗筒式日照計。

近年來，許多學者就日照自動與人工觀測做了大量研究，取得了許多有價值的成果。例如，楊召瓊[1]利用人工觀測與CSD1日照儀遙測的日照時數，對比分析逐日、旬、月及不同天氣條件下兩者的差異及其形成的原因；楊煥強[2]基于杭州地區日照時數自動與人工平行觀測,對比了6個臺站DFC1型光電式日照計與暗筒式日照計的觀測數據，并分析誤差原因；呂文華[3]利用三種不同型號的自動日照計開展對比試驗，分析不同天氣條件下各日照計的差異；杜傳耀[4]根據三種不同觀測儀器，從儀器數據偏差、影響測量因素方面分析了各種日照觀測設備測量性能。

隨著社會的發展、科技的進步，地面氣象要素以自動化觀測代替人工觀測是觀測技術發展的必經之路，而暗筒式日照計已經不符合氣象現代化的要求，日照觀測自動化成為必然。為客觀、全面地分析日照觀測手段替換的科學性、合理性、可行性，提高觀測數據的準確性和代表性，通過對日照自動觀測與人工觀測數據進行對比分析，可以為日照觀測業務自動化和地面氣象觀測現代化、無人化提供科學依據。

2 資料與方法

本文分析資料來自莆田地區三個國家氣象觀測站(莆田58946，仙游58936，秀嶼58938)在日照平行觀測業務期間(2019年1月1日～6月30日)的日照數據和云量觀測數據(云量僅仙游站有觀測)。期間，3個站點的光電式數字日照計在符合業務規定條件的環境下運行正常，設備均未出現故障，各站應觀測次數260640次，實際觀測次數260640次，觀測成功率100%，即各站日照自動觀測數據記錄均完整，未缺漏。

本研究以差值和相對差值作為分析指標，用來分析光電式數字日照計與人工日照計觀測日照時數的差異，分析中涉及的公式有：

Di=Ai-Mi

(1)

(2)

其中，Di為第i次日照觀測的差值，Ai為第i次光電式數字日照計觀測值，Mi為第i次人工觀測日照值，Ri為第i次日照觀測的相對差值。

3 數據分析

3.1 日照小時數據分析

對3個臺站的日照小時數據進行處理，分析得出各時次Di的大小，統計不同Di值出現的頻率(樣本總數181天)，三個臺站各時次Di在正值、負值和0時均存在不同的頻率分布，即各時次日照觀測存在自動觀測值比人工觀測值高、低或相等的現象。

從圖1～圖2可以看出，Di為正值時的頻率在7時、8時、17時和18時相對較高，即在7時、8時、17時和18時出現日照自動觀測值大于人工觀測值的次數相對較多；Di為負值時的頻率在11時～14時相對較高，即11時～14時出現日照自動觀測值小于人工觀測值的次數相對較多，且3個臺站的變化趨勢相對較為一致。

圖1 1～6月各時次Di為正值的頻率

圖2 1～6月各時次Di為負值的頻率

3.2 日照日數據分析

對3個臺站的日照日數據進行處理，分析得出各日Di的大小，根據《光電式數字日照計校準規范(試行)》中日照時數的測量誤差要求，統計不同Di值出現的頻率(樣本總數181天)，繪圖得圖3。

圖3 各日不同Di的頻率分布

從圖3可以看出，3個臺站的各日Di呈偏態分布，Di處于±1h/d之間的出現頻率莆田最高(96.6%)，秀嶼次之(91.7%)，仙游最低(91.2%)，3個臺站日照時數在測量誤差范圍內的頻率為91.2%～96.6%，有4.4%～8.8%的天數光電式數字日照計測量超過誤差范圍。

根據3個臺站的日照日數據繪制散點圖，如圖4所示。分析結果顯示，3個臺站對比數據的相關系數在0.989～0.995之間，由此可見，日照自動觀測與人工觀測的日照時數表現出良好的相關性。

(a)莆田58946

(b)仙游58936

(c)秀嶼58938圖4 三個臺站日照自動觀測與人工觀測日數據散點圖

3.3 日照月數據分析

對三個臺站的日照數據進行處理，分析1～6月的Ri，結果見表1。

表1 1～6月日照時數的DRi

根據《光電式數字日照計觀測規范(試行)》規定，光電式數字日照計的最大允許誤差為±10%(月觀測數據)。從表1可以看出，除了秀嶼6月份Ri(-14.5%)小于-10%，其余月份各臺站Ri在-7.1%～8.7%之間，均在最大允許誤差范圍內。

3.4 不同天空狀況下的日照數據分析

根據4月4日～6月30日期間08時-18時仙游站總云量加密觀測數據資料，分析對應時次不同Di出現的頻率，結果見表2。

表2 四種天空狀況下各時次不同Di出現的頻率

從表2可以看出，四種天空狀況下Di=0占主要比例，在晴天、少云和陰天條件下，正Di和負Di出現頻率相近，多云條件下，負Di的出現頻率明顯高于正Di，且二者頻率總和占比也將近一半。由此可見，四種天空狀況下大部分時次日照自動觀測值與人工觀測值相一致，且觀測值相一致出現時次由多到少的天空狀況分別為晴天、陰天、少云、多云；在多云條件下，自動觀測值比人工觀測值小出現的時次較多。

4 誤差分析

4.1 儀器工作原理不同

暗筒式日照計利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，通過人工在其下面描劃鉛筆線，統計跡線所占格數，由此計算日照時數[5]。

光電式數字日照計采用置于光學鏡筒中的3個同軸光電感應器對總輻射和散射輻射進行自動連續觀測，根據計算出的直接輻照度判斷有無日照，若直接輻照度≥120W·m-2，則算作有日照，把時間累計，得到相應的日照時數[6]。

二者相比，在儀器安裝規范條件下，暗筒式日照計觀測日照時數受觀測員主觀因素影響較多，光電式數字日照計觀測日照時數相對客觀，不受主觀因素影響。

暗筒式日照計日照紙所用藥品質量好壞，以及涂藥方法是否得當，是造成該儀器測量誤差的主要原因。受其影響，實際工作中日照紙的曝光閾值高于理論值(120W·m-2)，感光靈敏度偏低，當太陽直接輻照度≥120W·m-2時，日照紙仍無法感應并留下跡線，或者留下的感光跡線較為淡時，容易被觀測員遺漏，造成人工觀測日照時數減少。

太陽直接輻照度的測量誤差是日照自動觀測的主要影響因素。根據《光電式數字日照計觀測規范(試行)》要求，日照自動觀測閾值的最大允許誤差為±20%，故在太陽直接輻照度達到96W·m-2時，也可能觀測得到日照時數。

綜合以上影響因素，在太陽直接輻射較弱時，日照自動觀測值比人工觀測值高出現的概率較大。主要表現在日出后(7～8時)和日落前(17～18時)的幾個小時內更為明顯。

4.2 數據記錄方式不同

暗筒式日照計日照自記紙的采樣分辨率為0.1h，通過統計跡線的總長，計算累計日照時數；而光電式數字日照計分辨率為1min，以每分鐘日照有無情況，計算累計日照時數。

當日照自記紙上感光跡線呈緊密的不連續單點或短線時，觀測員習慣性地描畫成連續的直線，使人工觀測日照時數增多，特別在自動觀測為0.8h或0.9h時，人工觀測出現較多次數為1.0h。在多云天空狀況下，出現太陽或出或入的時候較多，更容易造成感光跡線呈緊密的不連續單點或短線，因此在此條件下，日照人工觀測值往往會比自動觀測值大。晴天、少云和陰天條件下，云的影響相比多云條件沒那么明顯，出現太陽或出或入的時候較少，感光跡線產生的誤差不明顯。同時，太陽直接輻射較強情況下，跡線或存在蔓延現象，再加上觀測員主觀因素影響，容易導致描畫的跡線變長，故正午前后(11～14時)出現日照自動觀測值小于人工觀測值的次數相對較多。

5 結論

①相比于暗筒式日照計，光電式數字日照計的感光靈敏度更高，在太陽直接輻射較弱時，日照自動觀測值比人工觀測值高出現的概率較大。

②太陽直接輻射較強情況下，同時受主觀因素影響，易造成在正午前后日照自動觀測值比人工觀測值低的現象。

③三個臺站有91.2%～96.6%的日照日時數在測量誤差范圍內，且日照自動觀測值與人工觀測值表現出良好的相關性。

④除了秀嶼6月份Ri小于-10%，其余月份各臺站Ri在-7.1%～8.7%之間，均在最大允許誤差范圍內。

⑤四種天空狀況下大部分時次日照自動觀測值與人工觀測值相一致，但在多云條件下，易造成自動觀測值比人工觀測值小的現象。