數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)資料對(duì)比分析

宋 云，王 東

(1.黃岡市氣象局，黃岡438000；2.宿州市氣象局，宿州234000)

0 引言

日照是指太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。世界氣象組織(WMO)對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義是在給定時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)直接輻照度≥120 W·m-2的時(shí)間段總和[1，2]。近年來(lái)，諸多氣象學(xué)者對(duì)日照自動(dòng)化觀測(cè)與人工觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，并針對(duì)國(guó)內(nèi)外各類光電式日照計(jì)性能、發(fā)展趨勢(shì)做了大量分析工作[3-5]。文章對(duì)黃岡市10個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站的DFC2光電式數(shù)字日照計(jì)(以下簡(jiǎn)稱數(shù)字式)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與暗筒式日照計(jì)(以下簡(jiǎn)稱暗筒式)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生差異的主要原因，為光電式數(shù)字日照計(jì)運(yùn)行維護(hù)、資料統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)字式和暗筒式日照儀器觀測(cè)原理

DFC2光電式數(shù)字日照計(jì)采用HYSD-1型光電式數(shù)字日照傳感器，傳感器采用置于光學(xué)鏡筒中的3個(gè)同軸光電感應(yīng)器對(duì)總輻射和散射輻照進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)計(jì)算出的直接輻照度判斷有無(wú)日照[6-8]。

直接輻射為總輻射和散射輻射的差值，當(dāng)測(cè)得的直接輻照度≥120 W·m-2，日照傳感器輸出1 V的高電平，表示有日照，輸出0 V的低電平時(shí)，表示無(wú)日照。傳感器每10 s對(duì)光電感應(yīng)器件進(jìn)行1次采樣，對(duì)采樣得到的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，如果判斷為有日照，則將采樣時(shí)間間隔累計(jì)到日照時(shí)間，每分鐘對(duì)日照時(shí)間四舍五入取整后輸出，單位為min，小數(shù)部分保留，繼續(xù)累積到下1 min。分鐘日照數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器內(nèi)，由臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件(ISOS)讀取[9-11]。

暗筒式日照計(jì)測(cè)量原理是利用太陽(yáng)光通過(guò)儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線，從而計(jì)算出日照時(shí)間，單位為0.1 h(6 min)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

選取2019-01-01—2019-06-30黃岡市10個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)站平行觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)資料。通過(guò)對(duì)兩種方式觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行必要的質(zhì)量檢查[12]，剔除缺測(cè)日、無(wú)日照日和錯(cuò)誤日數(shù)據(jù)，剩余有效對(duì)比日數(shù)共1177 d(組)。

1.3 研究方法

根據(jù)差值、相對(duì)差值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)，對(duì)DFC2光電式數(shù)字日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行差異分析。

差值：

Xi=Ui-Ai

(1)

相對(duì)差值：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

相關(guān)系數(shù)：

(4)

式(1)～(4)中，Ui為第i次數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)值；Ai為第i次暗筒式日照計(jì)觀測(cè)值，當(dāng)Ai≥2h時(shí)，計(jì)算Zi。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐小時(shí)日照時(shí)數(shù)差異

通過(guò)統(tǒng)計(jì)逐小時(shí)數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)可知，兩種觀測(cè)值的變化規(guī)律較為一致。具體表現(xiàn)為：在日出(日落)時(shí)段，數(shù)字式觀測(cè)值多于暗筒式觀測(cè)值，隨著日照時(shí)數(shù)的快速升高(降低)，兩者差值逐漸擴(kuò)大，當(dāng)日照時(shí)數(shù)變化率達(dá)到最大時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照差異達(dá)到最大。統(tǒng)計(jì)表明：日出時(shí)間段數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)差值在0～1.0 h·h-1，日落時(shí)間段差值在-0.3～0.3 h·h-1；08：00—10：00隨著環(huán)境溫度的升高，儀器感應(yīng)面和環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)減小，差值較小；10：00—16：00數(shù)字式日照時(shí)數(shù)較暗筒式值偏少，其中13：00—14：00時(shí)偏少最多(-0.5 h·h-1)，可能的原因是人工劃線或判斷存在偏差。

2.2 逐日日照時(shí)數(shù)差異

通過(guò)對(duì)1177組有效樣本值統(tǒng)計(jì)表明，數(shù)字式平均日照時(shí)數(shù)略高于暗筒式，數(shù)字式日照時(shí)數(shù)日平均值為5.77 h·d-1，暗筒式日平均為5.75 h·d-1，平均差值為0.02 h·d-1，平均相對(duì)差值為0.3%。分析數(shù)據(jù)中共出現(xiàn)12 d暗筒式觀測(cè)值>2.0 h(最大4.9 h)而數(shù)字式值為0 h的情況，主要是由兩種觀測(cè)儀器感光閾值的差異造成的。

從數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的點(diǎn)聚圖(圖1)可看出，數(shù)字式觀測(cè)與暗筒式觀測(cè)的數(shù)據(jù)一致性較好，兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9646，表明數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)之間的線性關(guān)系顯著，其線性系數(shù)(換算系數(shù))為0.9625，且隨著日照時(shí)數(shù)的增加，數(shù)字式與暗筒式的日照時(shí)數(shù)結(jié)果更為接近。

標(biāo)準(zhǔn)差(s)可以衡量數(shù)據(jù)圍繞平均值的變化幅度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示數(shù)據(jù)離散程度越小，則大部分?jǐn)?shù)據(jù)接近平均值。將數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的日差值以1倍標(biāo)準(zhǔn)差(按照公式3計(jì)算1s=1.02 h)和2倍標(biāo)準(zhǔn)差(2s=2.04 h)作為參數(shù)分析，以0.1 h為間隔進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，從數(shù)字式與暗筒式逐日日照時(shí)數(shù)的日差值頻率分布可知，日差值>2s的日數(shù)為74 d，占樣本總數(shù)的4.1%；日差值為正值的日數(shù)為620 d，占樣本總數(shù)的34.3%，平均差值為0.67 h·d-1；日差值為負(fù)值的日數(shù)為448 d，占樣本總數(shù)的24.8%，平均差值為-0.88 h·d-1。將數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的日相對(duì)差值以10%為間隔進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，可知日相對(duì)差值在±5%之間的占39.3%，日相對(duì)差值在±10%之間的占61.3%，日相對(duì)差值在±20%之間的占80.5%。數(shù)字式和暗筒式日照時(shí)數(shù)的差值與相對(duì)差值均呈偏正態(tài)分布。

圖1 數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的點(diǎn)聚圖

2.3 逐月日照時(shí)數(shù)差異

文章統(tǒng)計(jì)了各站逐月平均日照時(shí)數(shù)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)月差值最大為0.39 h·d-1，出現(xiàn)在1月，其次為0.12 h·d-1，出現(xiàn)在3月，最小為0.01 h·d-1，出現(xiàn)在5月；月相對(duì)差值最大為-7.41%，出現(xiàn)在2月，其次為-5.15%，出現(xiàn)在3月，最小為1.03%，出現(xiàn)在4月；月差值標(biāo)準(zhǔn)差3月最大，為1.13，其次是4月，為1.05，2月最小，為0.9。數(shù)字式與暗筒式的換算系數(shù)5月最接近于1(0.9833)，且其相關(guān)系數(shù)值最大(0.9727)。通過(guò)分析對(duì)應(yīng)月份的天氣狀況得出：差值小的5月、6月對(duì)應(yīng)的天氣基本都是視程障礙物影響比較少，能見(jiàn)度相對(duì)比較好；相反，1月太陽(yáng)輻射相對(duì)較弱，有云天氣較多，加之由于數(shù)字式和暗筒式觀測(cè)儀器的靈敏度存在差異，表現(xiàn)為數(shù)字式日照時(shí)數(shù)較暗筒式明顯偏多。

2.4 不同氣象條件下日照時(shí)數(shù)差異分析

日照變化是云量、水汽、大氣渾濁度等多種因子共同作用于太陽(yáng)輻射的結(jié)果，數(shù)字式與暗筒式儀器的靈敏度也受環(huán)境條件的影響。

1)選取日平均氣溫5 ℃、10 ℃、15 ℃……，每間隔5 ℃取1個(gè)值。當(dāng)日平均氣溫在5 ℃、10 ℃、25 ℃時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)差值為正，其中氣溫在5 ℃時(shí)，差值最大，為0.31 h·d-1，10 ℃時(shí)次之(0.20 h·d-1)；氣溫在15 ℃、30 ℃時(shí)，差值為負(fù)，其中，氣溫在15 ℃時(shí)差值最大，為-0.17 h·d-1；氣溫在20 ℃時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)趨于一致，差值為0 h·d-1。當(dāng)日平均氣溫在5 ℃、10 ℃時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值為正，5 ℃時(shí)相對(duì)差值最大，為3.54%；氣溫在15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃時(shí)相對(duì)差值為負(fù)，其中氣溫為15 ℃時(shí)，相對(duì)差值最大，為-5.80%。

2)選取日平均相對(duì)濕度45%、50%、55%……，每間隔5%取1個(gè)值。當(dāng)日平均相對(duì)濕度為45%、70%、75%、85%時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)差值為負(fù)，最大為-0.10 h·d-1(相對(duì)濕度85%)；相對(duì)濕度為50%～65%、80%、90%～100%時(shí)差值為正，最大為0.26 h·d-1(相對(duì)濕度100%)。當(dāng)日平均相對(duì)濕度為45%～50%、60%～90%時(shí)，數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)相對(duì)差值為負(fù)，最大為-7.26%(相對(duì)濕度90%)；相對(duì)濕度為55%、95%時(shí)相對(duì)差值為正，最大為5.56%(相對(duì)濕度95%)。可見(jiàn)在高濕環(huán)境下數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)差值、相對(duì)差值均呈增大趨勢(shì)。

3)表1為按日平均總云量(TCC)劃分的晴天(0≤TCC≤2)、少云(2

表1 不同云量時(shí)數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的差異

由于數(shù)字式與暗筒式日照傳感器間的感光閾值不同，晴天和少云時(shí)數(shù)字式比暗筒式記錄開始早、結(jié)束晚；多云天氣時(shí)，地面日照時(shí)有時(shí)無(wú)，數(shù)字式日照計(jì)分辨率較高，能很好地反映出這種變化；陰天的光強(qiáng)對(duì)于兩種儀器均難以產(chǎn)生感光，如果云層較薄，透過(guò)云層的太陽(yáng)散射光，其輻照度有時(shí)可能達(dá)到或超過(guò)日照閾值[13]，但感光較淡，觀測(cè)員描劃鉛筆線可能有誤差，暗筒式日照計(jì)數(shù)值會(huì)高于數(shù)字式。

2.5 數(shù)字式與暗筒式的空間差異

黃岡市南部地區(qū)臨靠長(zhǎng)江，水系發(fā)達(dá)，水汽含量充足，相對(duì)濕度偏大，而北部地區(qū)氣候相對(duì)干燥，雨水較少，兩種觀測(cè)方式在不同環(huán)境下的日照時(shí)數(shù)差值和相對(duì)差值存在空間差異。麻城、黃梅、紅安、浠水、羅田5站差值為正，差值在0.13～0.56 h·d-1，最大差值出現(xiàn)在麻城；團(tuán)風(fēng)、武穴、蘄春、黃岡、英山5站差值為負(fù)，在-0.88～-0.02 h·d-1，最大差值出現(xiàn)在團(tuán)風(fēng)；麻城、黃梅、紅安、浠水、羅田5站相對(duì)差值為正，在0.1%～10.4%，最大出現(xiàn)在麻城；團(tuán)風(fēng)、武穴、黃岡、蘄春、英山5站相對(duì)差值為負(fù)，在-16.8%～-2.3%，最大出現(xiàn)在團(tuán)風(fēng)。

2.6 數(shù)字式與暗筒式差異原因分析

2.6.1 儀器工作原理不同造成的系統(tǒng)誤差

暗筒式日照所感知的太陽(yáng)直接輻照度沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的閾值數(shù)據(jù)，再加上感光藥品質(zhì)量、觀測(cè)員涂藥等不確定性偏差，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定影響[14，15]。而數(shù)字式日照計(jì)每10 s采樣1次輸出信號(hào)，以采樣時(shí)的日照情況累計(jì)計(jì)算日照的總量，能排除各類人為因素，觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更加符合規(guī)范要求。

2.6.2 偶然性誤差

一是風(fēng)沙影響，有時(shí)風(fēng)力過(guò)大將沙塵或樹葉卷起堵塞暗筒式日照計(jì)進(jìn)光孔，引起日照時(shí)數(shù)失真；二是強(qiáng)降水影響，雨水由進(jìn)光孔進(jìn)入日照計(jì)后，浸濕日照紙，致使跡線中斷或模糊；灰塵、水汽凝結(jié)物使DFC2日照儀的玻璃罩產(chǎn)生污漬、日照計(jì)安裝誤差等也會(huì)使日照測(cè)量誤差偏大。

2.6.3 探測(cè)環(huán)境誤差

大氣探測(cè)環(huán)境改變引起的誤差。如觀測(cè)場(chǎng)日出日落方向障礙物高度的變化會(huì)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)比分析數(shù)字式和暗筒式日照計(jì)觀測(cè)資料，得出如下結(jié)論：

1)數(shù)字式日照時(shí)數(shù)較暗筒式逐時(shí)變化規(guī)律一致，差值在-0.5～1.0 h·h-1。日出(日落)時(shí)段數(shù)字式日照時(shí)數(shù)多于暗筒式，隨著日照時(shí)數(shù)的快速升高(降低)兩者差值逐漸擴(kuò)大。

2)數(shù)字式較暗筒式日平均日照略微偏多，數(shù)據(jù)一致性較好，線性相關(guān)顯著，且隨著日照時(shí)數(shù)的增加兩者更為接近；日差值與相對(duì)差值頻率均呈偏正態(tài)分布。

3)數(shù)字式日照時(shí)數(shù)與暗筒值各月間差值和相對(duì)差值差異明顯，1月差值最大，5月最小，2月相對(duì)差值最大，4月最小。

4)氣溫在5 ℃時(shí)數(shù)字式日照時(shí)數(shù)與暗筒式差值最大，氣溫在15 ℃時(shí)，相對(duì)差值最大。高濕環(huán)境下，相對(duì)差值偏大；在多云條件下差異最小，在晴天條件下差值最大，在陰天的條件下，相對(duì)差值最大。

5)數(shù)字式與暗筒式日照時(shí)數(shù)的差值、相對(duì)差值存在空間差異，麻城、黃梅等5站差值和相對(duì)差值均為正，團(tuán)風(fēng)、武穴等5站差值和相對(duì)差值均為負(fù)。