DFC1型光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計日照時數(shù)的對比分析

馬天光 郭鳳娟

摘??要：為了能夠清楚理解日照自動觀測與人工觀測的差異，文章對克拉瑪依國家基本氣象站2019年1-6月（平行觀測期）DFC1型光電式數(shù)字日照計（以下稱自動觀測）和暗筒式日照計（以下稱人工觀測）的日照時數(shù)數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明：（1）DFC1型光電式數(shù)字日照計在克拉瑪依國家基本氣象站運行中無分鐘觀測數(shù)據(jù)缺測，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。（2）自動觀測的日照值總體趨勢要高于人工觀測日照值，但不同季節(jié)的差值有所不同。春季日照時數(shù)的自動觀值與人工觀測值平均差值最小，一致性最好;夏季次之，冬季差異明顯;而且冬季自動觀測比夏季更突顯其優(yōu)勢。（3）自動觀測的感光明敏度要比人工觀測高，明顯體現(xiàn)在日出和日落時段以及無光照和弱光照天氣時刻。總而言之，DFC1型光電式數(shù)字日照計在克拉瑪依國家基本氣象站運行過程中和傳統(tǒng)的人工觀測日照具有非常好的相關(guān)性和良好的數(shù)據(jù)可比性，并且運行相當穩(wěn)定，使得克拉瑪依的日照時數(shù)的觀測精度更精確，數(shù)據(jù)可靠性更好，主要顯著改善了克拉瑪依冬季的日照時數(shù)的觀測精度。

關(guān)鍵詞：日照時數(shù);光電式數(shù)字日照計;暗筒式日照計;對比分析

日照時數(shù)是非常重要的氣象觀測要素之一，對天氣和氣候的形成和發(fā)展有重要影響，也是植物光合作用必不可少的條件，因此，日照時數(shù)的觀測在農(nóng)業(yè)和氣象應(yīng)用研究方面有著尤為重要的地位[1-2]。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范定義，日照時數(shù)是指在給定的時間，太陽直接輻照度達到或超過120?瓦/平方米?的時間總和[3]。所以，氣象觀測臺站使用的觀測手段和儀器不同會對日照時數(shù)的觀測結(jié)果有很大的影響。目前，中國氣象局對于日照的的觀測手段主要分為人工觀測和自動觀測。克拉瑪依國家基本氣象站在2019年之前，一直采用暗筒式日照計進行日照時數(shù)的人工觀測。杜傳耀、高青芳等研究表明，人工觀測過程中需要配置感光劑、涂制感光紙、換紙、劃線和讀數(shù)等，環(huán)節(jié)多，易產(chǎn)生誤差，觀測準確度受人為影響較大，與氣象現(xiàn)代化發(fā)展需求不匹配[4-5]。所以，日照時數(shù)的觀測實現(xiàn)自動化既是提高觀測準確度的保障，也是實現(xiàn)地面氣象觀測自動化的重要內(nèi)容之一。

克拉瑪依國家基本氣象站根據(jù)中國氣象局的建設(shè)規(guī)劃于2018年11月20號完成了DFC1型光電式數(shù)字日照計的安裝建設(shè)和調(diào)試。并于2019年1月1日—2019年6月30日開展平行對比觀測，以獲取人工與自動觀測數(shù)據(jù)的差異。

克拉瑪依市地形特殊，天氣滯后于周邊的地區(qū)，導致氣候特征也不同于周邊地區(qū)[6]。杜冰等2020年相關(guān)研究表明，不同的地形和氣候?qū)θ斯ず妥詣佑^測的影響不同[7]。所以本文對克拉瑪依國家基本氣象站日照平行觀測期間的數(shù)據(jù)資料進行分析，評估日照自動觀測與人工觀測的差異規(guī)律，一方面可為克拉瑪依國家基本氣象站今后日照時數(shù)資料的序列銜接應(yīng)用提供重要參考依據(jù)，另一方面為日照自動化觀測進一步改進的研究提供重要參考資料。

1?資料與方法

1.1?數(shù)據(jù)資料來源

資料來源于新疆克拉瑪依國家基本氣象站，位于克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)氣象局內(nèi)。日照觀測儀器有兩種。一種為暗筒式日照計（以下其觀測手段稱為“人工觀測”，觀測數(shù)據(jù)稱為“人工日照”），另一種為DFC1型光電式數(shù)字日照計（以下其觀測手段稱為“自動觀測”，觀測數(shù)據(jù)稱為“自動日照”）。兩種日照觀測儀器安裝在同一觀測場內(nèi)，相距1?m，測量環(huán)境一致。數(shù)據(jù)資料選取2019年1—6月（平行觀測期間，人工和自動觀測資料完整）。

1.2?觀測儀器資料

暗筒式日照計工作原理是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使日照紙上涂抹的感光物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，從而在日照紙上留下感光跡線，人工讀取跡線長度就得到了一天的日照時長。人工觀測值精度為0.1?h（6?min）。

DFC1型光電式數(shù)字日照計工作原理是采用置于光學鏡筒中的三個同軸光電感應(yīng)器對總輻射和散射輻射進行自動連續(xù)觀測，根據(jù)計算出的直接輻照度來判斷當前分鐘有無日照（若直接輻照度≥120?W*m-2?則判當前分鐘有日照）。然后根據(jù)分鐘日照時數(shù)累計來計算小時和日累計日照時數(shù)。自動觀測值精度為1?min。

1.3?對比分析內(nèi)容和方法

本文使用克拉瑪依國家基本氣象站2019年1—6月共6個月的自動和人工觀測日照時數(shù)資料，首先進行數(shù)據(jù)完整性檢查，其次進行月、日和小時的日照時數(shù)一致性和靈敏度對比分析。

完整性檢查方法為：采用日照分鐘缺測率指標。

計算公式為：日照分鐘缺測率=（觀測缺測分鐘數(shù)/應(yīng)觀測總分鐘數(shù)）×100%

一致性評估方法為：采用日照時數(shù)的差異趨勢和相關(guān)系數(shù)指標。

2?結(jié)果與分析

2.1?數(shù)據(jù)完整性對比分析

以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，在數(shù)據(jù)篩選檢查階段對1—6月自動和人工日照時數(shù)的缺測率進行了統(tǒng)計檢查。統(tǒng)計檢查結(jié)果顯示均無數(shù)據(jù)缺測。結(jié)果表明，DFC1型光電式數(shù)字日照計和暗筒式日照計一樣運行穩(wěn)定。

2.2?數(shù)據(jù)一致性對比分析

2.2.1?日照時數(shù)逐月趨勢對比

圖1為2019年1月至6月自動觀測與人工觀測逐月總?cè)照諘r數(shù)的趨勢對比圖。從圖1中可以看出，自動觀測的日照值總體趨勢要高于人工觀測日照值，1至6月自動觀測日照值的累計值比人工觀測累計值多39.9?h。其中，1月和2月的差值最大，自動觀測日照值要比人工觀測日照值最大多28.6?h;3至5月的差值最小，自動觀測日照值要比人工觀測日照值最小多0.9?h;6月人工觀測日照值比自動觀測值多12.4?h。由此可見，自動觀測與人工觀測的差值冬季最大，夏季次之，春季最小;冬季自動觀測明顯高于人工觀測日照值，夏季人工觀測稍高于自動觀測，春季自動觀測和人工觀測一致度比較高。