烏海地區光電式數字日照計和暗筒式日照計觀測數據對比分析

別致宜

(內蒙古自治區烏海市氣象局，內蒙古 烏海 016000)

1 引言

自日照自動觀測設備逐步在全國各氣象臺站安裝、試運行以來，很多的科研學者以及氣象工作者對日照自動觀測和人工觀測進行了分析，例如，吳雙桂等[1]對格爾木日照的人工和自動觀測數據進行了比對分析；邱杰等人[2]對湖州地區FS-RZ1日照傳感器試運行期間的狀況進行了分析研究；丁麗、劉雙喜等人[3]對3種不同類型日照儀器，進行了相關性以及影響相對差值的因素等方面的分析研究。觀測日照對于了解太陽直射輻射變化、監測天氣氣候狀況、分析和預報未來天氣、農業生產等都有著重要意義[4]。

當前，隨著時代的進步，技術的革新，為進一步滿足社會發展需求，地面氣象觀測全面進入自動化時代，取消人工定時觀測及日常值守班的工作，觀測設備逐步實現自動化。其中，日照觀測要素已由傳統的暗筒式日照計變更為自動觀測的DFC2型光電式數字日照計。按照《日照平行觀測業務技術規定》(氣測函〔2018〕153號)通知要求，完成日照平行觀測業務。為進一步分析兩者之間的相關性以及一致性，判斷儀器觀測數據的準確性和代表性，以內蒙古自治區烏海市氣象局烏海國家氣象觀測站為例，通過對建站以來一直使用的暗筒式日照計(為人工觀測儀器)觀測數據和2018年9月安裝的DFC2型光電式數字日照計(為自動觀測設備)觀測數據進行比對分析[5]。為當地光伏發展、太陽能開發利用、日照觀測業務、地面氣象觀測無人化等相關研究和應用提供參考[6]。

2 資料來源與處理方法

2.1 數據來源

本文分析所使用的資料來自烏海國家氣象觀測站53512站在日照平行觀測業務期間(2019年1～6月)的日照觀測數據，其中6月觀測日數為13 d。數據來源設備位于國家站觀測場內，南北間距1 m，符合平行觀測要求；同時，平行觀測期間，國家站設備運行穩定、未曾出現故障，觀測場探測環境未曾發生變化，日照觀測數據準確、可用、無野值，期間應觀測次數236160次，實際觀測次數236160次，觀測成功率100%。

2.2 處理方法

本文對3936 h的樣本數據進行統計處理。本次分析旨在處理研究兩種觀測儀器所得數據的相關性和可用性等情況。因現下沒有日照的標準控制器，故不對設備進行誤差的判定和使用。

3 數據分析

3.1 日照逐小時數據差異

烏海地區2019年1～6月的日出和日落時間段分別為05：24～08：13；17：38～20：21，故挑選05：00～21：00的日照觀測數據進行處理分析。

從圖1和圖2可以看出各時次兩種觀測手段存在的差異。得出各時次差值在正值、負值和0存在不同頻率的分布，也就是說日照自動觀測比人工觀測數值有多有少，也有相等的時候。兩種儀器在觀測時段內觀測值相同時次占比80.8%，在 6 時、17 時、18 時 和 19 時自動觀測數值大于人工觀測值的次數偏多，7 時至15 時自動觀測值小于人工觀測值的次數相對較多。

圖1 觀測時段內各時次差值頻率

3.2 日照逐日數據差異

通過對日照逐日數據的處理和分析，得出樣本總數164 d的差值大小，并統計不同差值出現的頻率，制作得圖2。

圖2 各日不同差值頻率分布

由圖2可知，差值處于±1 h/d之間的頻率為87.2%，在12.8%的頻率中，光電式數字日照計的測量范圍在±1之外。通過此分布范圍分析得出，日照觀測的自動設備和人工設備之間表現出良好的相關性。日照自動觀測設備可以替代傳統的人工觀測設備。

3.3 日照逐月數據差異

通過對2019年1～6月的日照月累計數據進行分析(其中自動觀測數據由日照平行觀測軟件統計的日照時數合計所得)，如圖3所示，日照時數差值在-16.7～2.8 h之間，自動觀測日照時數小于人工觀測時數。其中，2019年4月、2019年5月的觀測數據差值較大，平均值為-14.9 h。而2019年1月觀測數據的相對差值在-2%以內，其余月份的相對差值的絕對值處在3.0%以內。

圖3 自動觀測與人工觀測各月日照時數

4 結果分析

通過分析總結，造成兩種觀測儀器數據存在差異的主要原因是兩者的工作原理有著本質性的不同。暗筒式日照計的觀測方法是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的原理計算日照時數[7]。

而光電式數字日照計主要由光筒和緯度調節裝置組成。光筒內部核心感應部件是3個光電感應器件，1個光電感應器件用于測量總輻射，另外2個用于測量散射輻射，在給定時間段內，太陽直接輻照度達到或超過 120 W/m2時，判斷為有日照，并將各個時段的數值累計求和[8]。得到日照時數觀測數據。因此，光電式數字日照計的判別依據更加準確、更為細致。

與此同時，在相同的規范安裝條件下，暗筒式日照計的觀測數據受人為因素影響的情況比較多[9]，例如，存在畫線計算時將計算值四舍五入的情況、感光藥水的配置比例以及感光藥水涂抹均勻程度等情況[10]。光電式數字日照計的日照時數則表現得更加客觀，不被主觀因素所左右。

根據張緯敏等人的研究，暗筒式日照計的日照紙晴天時的感光閾值為270～300 W/m2，地平線渾濁時感光閾值在130～145 W/m2[11]。而光電式日照計的主要影響因素是太陽直接輻照度，根據《光電式數字日照計觀測規范(試行)》的要求，日照自動觀測閾值的最大允許誤差為±20%[12]，也就是說，太陽直接輻照度達到96～144 W/m2時可能被判斷為有日照發生。因此，當太陽的直接輻射較弱的時候，自動觀測的日照時數比人工觀測的日照時數大的概率較多，主要表現在日出后和日落前(即6時、17～19時)的時間段比較明顯。

5 結論

DFC2型光電式數字日照計和暗筒式日照計在日出和日落之外的時段內，表現出較高的一致性。在日照的逐日數據中，兩者間差值有87.2%的概率處于±1 h之內，表現出較好的相關性，自動日照觀測能夠良好地替代人工日照觀測。而自動觀測儀器也表現出觀測結果更加客觀、判別依據更加準確且時間分辨力更為細致等特點，在太陽直接輻射偏弱時，自動觀測數值明顯高于人工觀測值，整體觀測數據更加精準、詳細。可從極大程度上為太陽能發展、光伏發電工程、作物生長等多方面研究提供準確、可靠的助力。