基于江西省人工與自動觀測日照平行觀測數據分析評估

戴華玲，黃少平，王 迎，賴 亮

(江西省氣象信息中心，330096，南昌)

0 引言

氣象學上對日照時數的定義，指在一給定時段內太陽直接輻照度大于或等于120 W/m2的時間總和，以小時(h)為單位，取1位小數[1-2]。日照是地面氣象觀測的重要觀測項目之一，也是地球獲取太陽輻射最直接的方式，是表征當地氣象狀況和氣候特點的重要氣象要素[3]，對監測氣候變化和農業生產有著非常重要的意義[4]。

目前人工觀測日照均采用暗筒式日照計作為觀測儀器，離不開人工操作，受人為因素影響，觀測數據主觀性強，數據的準確性和可比性難以保證[2]。隨著氣象現代化工作的發展，人工觀測日照已無法滿足現代化需求，采用測量精度高、靈敏度好的自動觀測日照儀器可以有效提高日照觀測準確性和可比性。2018年12月，江西省93個國家級地面氣象觀測站全部完成光電式數字日照計的安裝并通過業務驗收。江西省經綜合觀測司同意，全省所有國家級地面氣象觀測站自2019年1月1日起正式開展日照平行觀測。

1 基本情況

1.1 平行觀測開展時間

江西93個國家級地面氣象觀測站自2019年1月1日至2019年4月30日開展日照平行觀測第一階段工作，以人工觀測記錄為正式記錄; 自2019年5月1日(實際時間為2019年4月30日地方平均太陽時24時)起正式開展日照平行觀測第二階段，以自動觀測記錄為正式記錄。

1.2 日照平行觀測儀器設備

江西省國家級氣象觀測站日照人工觀測設備為暗筒式日照計(簡稱“人工觀測”，下同)。

江西省國家級氣象觀測站裝備的光電式數字日照計有DFC1、DFC3 2種型號(簡稱“自動觀測”，下同)。其中， DFC1型日照儀為江蘇省無線電科學研究所有限公司生產(簡稱“江蘇無錫”)，裝備南昌、九江、上饒、吉安、萍鄉、新余等6個設區市所轄共計49個臺站；DFC3型日照儀為中環天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(簡稱“中環天儀”)，裝備宜春、贛州、景德鎮、鷹潭、撫州等5個設區市所轄共計44臺站。

光電式數字日照計能夠實現日照的自動連續觀測，通過置于光學鏡筒中的3個同軸光電感應器對總輻射和散射輻照進行自動連續觀測，根據計算出的直接輻照度判斷有無日照，并按照規定數據格式輸出。日照閾值為直接輻射輻照度120 W/m2，閾值的最大允許誤差為±20%；年穩定性為±5%。

2 數據來源與分析評估

選取2019年1—3月江西93個國家地面觀測站平行觀測資料進行對比評估分析(簡稱“評估期”，下同)，以月為單位統計評估統計量，對比期3個月平均值作為評估分析指標。在滿足資料完整性的基本條件下，按照平行觀測技術規定中的統計方法，分別從數據完整性、數據一致性兩方面對人工觀測與自動觀測2種觀測方式獲取的日照時數資料序列進行統計。

2.1 數據完整性評估

觀測數據以分鐘數據為基本單位，對各廠家儀器的數據完整性作月缺測率統計，對比期3個月平均值作為評估指標。剔除非儀器原因與維護造成的缺測記錄，計算缺測率。

缺測率=(觀測缺測次數/應觀測總次數)×100%

全省平均缺測率為0.31%，最高的是共青城站14.71%。缺測率高于平均值的只有6站，其中，雷擊2站，電源故障1站，兼容性及穩定性問題3站，具體見表1。

表1 評估期缺測率較高臺站情況統計表

DFC1型的平均缺測率0.34%，DFC3型為0.27%，總體上沒有明顯差異；但缺測率較高臺站中，DFC1型占2站(均為雷擊外因)，DFC3型占4站(主要為性能和兼容性)。江西93個臺站的光電日照計評估期設備運行總體穩定，較大的故障主要集中在少部分站點，數據的完整較好。

2.2 數據一致性分析

2.2.1 小時日照時數一致性分析 當光電式數字日照計小時內日照時數連續累計時間達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h(即人工或自動有一方以上小時觀測到有0.1 h日照)，需進行小時內日照時數一致性分析。

時對比差=人工觀測日照小時數-自動觀測日照小時數

從對比差為-1.0、-0.9、-0,8…0.0…+0.8、+0.9、+1.0小時的21個對比差值的出現次數占進行對比觀測小時數的百分比統計結果如圖1。對比差為0.0占總對比記錄的42.86%，對比差<0.0的占34.58%，對比差>0.0的占22.57%，基本呈現以對比差=“0”為中心略偏向負值的對稱分布，人工與自動觀測差異的分布屬于正常。

圖1 小時日照時數對比差分布圖

1)小時日照時數差值等于0。全省93站小時對比差為0.0的比例分布如圖2，平均值為42.86%，最高的為62.16%，最小的為28.42%。DFC1型的平均值為41.82%，DFC3型為43.80%，2種型號儀器基本一致。

圖2 不同型號儀器對比差為0所占比例分布圖

2)小時日照時數對比差值的絕對值≤0.2 h。全省93站小時對比差值的絕對值≤0.2 h比例分布如圖3，平均值為76.69%，最高的為93.12%，最小的為48.79%。DFC1型的平均值為75.63%，DFC3型為77.88%，2種型數字日照計基本一致。

圖3 不同型號儀器對比差值±0.2 h以內所占比例分布圖

3)小時日照時數對比差值的絕對值≥0.3 h。全省93站小時對比差值的絕對值≥0.3小時比例分布如圖4，平均值為23.31%，最高的為51.21%，最小的為6.8%。DFC1型的平均值為24.37%，DFC3型為21.22%，2種型號儀器這個差異段存在一定差異。

圖4 不同型號儀器對比差值≥0.3 h所占比例分布圖

結果表明，各站人工觀測小時日照時數與自動觀測小時日照時數差值絕對值≤0.2 h所占比例77%左右，2種型號的自動觀測儀器性能總體一致。

2.2.2 日日照時數一致性分析 當光電式數字日照計全天日照時數連續累計時間達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h(即人工或自動觀測有一方以上日日照時數達0.1 h)，需進行全天日照時數一致性分析。

1)對比差的分布分析。日對比差=人工觀測日日照時數-自動觀測日日時數。

按日對比差分別為<-3.4 h、-3.4—-2.5 h、-2.4—-1.5 h、-1.4—-0.5 h、-0.4—0.4 h、0.5—1.4 h、1.5—2.4 h、2.5—3.4 h、>3.4 h等9個數據段的出現次數占有效觀測次數的百分比分別進行統計，結果如圖5。

對比差在-0.4—0.4 h的占51.92%，-1.4—1.4 h的占88.44%，-2.4—2.4 h的占96.38%，整體分布呈現對稱分布，略偏向對比差負值區。

對評估期的3 486對日日照時數對比樣本計算其相關系數，相關系數達0.951 4，通過了相關性顯著檢驗(α=0.01)；從其點聚圖(圖6)可以看出，2種觀測方式觀測的日日照時數總體是一致的，但也存在部分樣本有一定差異情況出現。如在人工觀測日日照時數為“0小時”時，自動觀測出現了629個“非0小時”樣本，主要集中在日總量4.5 h內的日子, 說明自動觀測的靈敏度較人工觀測高[5]；自動觀測日日照時數為“0小時”時，暗筒式日照計僅有8個“非0小時”樣本出現，分析判斷為數字日照計故障或不穩定所致；從線性趨勢方程(Y=0.941 6X+0.314 2)可看出，數字日照計觀測記錄略多于暗筒式日照計。

圖6 人工觀測、自動觀測日日照時數點聚圖

2)評估期日照總量對比分析。統計各站評估期人工與自動觀測日照總時數對比差與人工日照總量的百分比(即較人工觀測的偏差)，站均偏差為-6.2%，最大+15.0%，最小為-87.1%，中位數為-4.9%；偏差明顯偏離正常值的有5站，分別為57891(-87.1%)、57698(-50.0%)、57694(-33.3%)、57696(-33.3%)、58608(-31.5%)，經分析，57891站為自動觀測偏大(5月已更換數字日照計)，其余4站初步判斷為人工觀測記錄偏小。

統計對比評估期3個月全省的日照總時數，人工日照計總計觀測到日照13 785.9 h(平均為4.0 h)，自動觀測到日照14 523.9 h(平均為4.2 h)，自動觀測相對偏大5%左右。其中，DFC1型較暗筒式日照計平均偏大1.3%，DFC3型較暗筒式日照計平均偏大10.0%，2種型號數字日照計存在一定差異。

結果表明，光電數字日照計與暗筒式日照計觀測資料相關性好，總體一致，數字日照計靈敏度較暗筒式日照計高，觀測記錄較人工觀測偏大5%左右。

3 小結

通過對比分析江西省93個國家級地面氣象觀測站DFC1與DFC3 2種光電式數字日照計和暗筒式人工日照計的平行觀測資料發現，小時日照時數基本呈現以對比差=“0”為中心略偏向負值的對稱分布，日日照時數整體分布呈現對稱分布，略偏向負對比差負值區，人工與自動觀測差異的分布屬于正常。

統計對比評估期3個月全省日照總時數，自動觀測相對偏大5%左右，光電式數字日照計與暗筒式日照計觀測資料相關性好，總體一致，數字日照計靈敏度較暗筒式日照計更高，很好地避免了暗筒式日照計測量中存在的主觀性問題，有效提高了日照數據的準確性。