暗筒式日照计与CSD3自动日照仪数据对比分析

廖桉桦，顾人颖，王 杰

(宁波市鄞州区气象局，浙江 宁波 315100)

日照时数是指太阳在一地实际照射的时数。世界气象组织(WMO)定义日照时数为太阳直接辐照度达到或超过120 W·m-2的时间的总和[1-2]。日照对农业生产和人们的日常生活都有很大的影响。目前，国内气象部门除了在较高纬度地区使用聚焦式日照计(又称康培司托克式日照计)记录日照时数外，大部分地区都使用暗筒式日照计(又称乔唐式日照计)，仍需要人工涂药、换纸和画线记录，与现代化观测的发展要求不相匹配。

根据日照时数的定义，直接测量直接辐射的辐照度是最准确的，但对跟踪装置要求较高，同时装置上下午需至少对光点一次[2]。张纬敏等[3]发现，直射表跟踪不准的差值比暗筒式日照计阈值不准的误差还大；刘娜等[4]发现，直接辐射表比暗筒式日照计观测记录平均偏低0.51 h。近年来，国内外研制了若干无须跟踪装置的日照时数自动化测量设备[5]，石振文[6]和杨召琼[7]都对人工观测和CSD1型日照传感器自动观测的记录进行过对比分析，证实人工观测与自动观测日照时数之间有非常好的相关性。吕文华等[8]对光电式自动日照计的性能进行对比研究，发现CSD3型自动日照计性能总体较优。为提高观测的简易度与准确度，本研究拟对鄞州国家基本站基于CSD3传感器观测(以下称自动观测)和暗筒式日照计观测(以下称人工观测)的日照时数进行差值对比分析，为相关研究和应用提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据时段

鄞州国家基本站位于宁波市鄞州区气象局内，2008年引进了芬兰Vaisala公司的MILOS520自动站，配备了Kipp & Zonen公司生产的CSD3传感器，直到2013年12月31日都作为主业务站。本文数据对比分析时间段为2008年1月1日至2013年12月31日。

1.2 资料预处理

由于CSD3传感器并非正式业务观测设备，配套的业务软件并无补调日照时数数据功能，自动观测日照时数数据存储在扩展名为RTD的文件中，计算机重启或采集软件关闭均会引起部分日照时数的分钟数据缺失。为保证对比的可靠性，同时也为了保留尽可能多的样本，采取以下方式对缺失数据进行填补：当分钟自动观测日照时数数据缺失1～2 min时，若前、后5 min数据均为有(或无)日照，认为该缺失时间段为有(或无)日照；当分钟自动观测日照时数数据缺失3～5 min时，若前、后10 min数据均为有(或无)日照，认为该缺失时间段为有(或无)日照。

为避免时差引起的统计不一致，仅当自动观测数据与人工观测数据经过处理后全天均无缺失时才参与统计对比分析。

2 结果与分析

2.1 逐日日照时数差异

按照本研究的数据预处理方式，鄞州站2008—2013年共有2 143个样本值参与统计。由于没有标准观测仪器，无法确切知道各自的误差，本研究仅针对2种仪器的观测数据差异进行分析，不使用误差的概念。

定义自动观测与人工观测日照时数差值S差值=S自动-S人工，自动观测与人工观测日照时数相对差值S相对差值=(S自动-S人工)/S人工×100。

从图1可以看出，总体上，人工观测与自动观测的数据一致性较好，相关系数为0.978 6，自动观测数据较人工观测数据偏高，部分日期自动观测数据明显高于人工观测。个别情况下，人工观测日照时数为0，而自动观测的日照时数到达6 h以上。这部分记录的差值主要是由不同仪器感光阈值的差异所引起。

图1 人工观测与自动观测日照时数的散点比较

将自动观测与人工观测的数据差值以0.1为间隔进行分段统计，结果如图2所示，图中横坐标0.0表示相对差值在-0.1～0.0的记录，其他依次类推。将自动观测与人工观测的数据差值以5%为间隔进行分段统计，结果可以看出，自动观测与人工观测的日照时数差值大部分为正值，负值只占了20.8%，平均差值为0.35 h，只有不到35%的记录差值在±0.1 h内，另外有接近5%的记录差值超过2.0 h。相对差值在±10%内的记录占60%以上，相对差值超过100%的占比接近5%，但与差值超过2.0 h所占比例代表的含义略有不同，此类数据多出现在人工观测和自动观测日照时数都较少的情况下。

图2 日照时数差值的分布

2.2 逐月日照时数差异

按照数据预处理方式，将鄞州站2008—2013年自动观测和人工观测的数据均无缺失的记录按月统计，并计算相对差值，结果如图3所示。可以看出，绝大部分月份自动观测和人工观测的日照时数比较接近，相对差值在-5%～15%的月份占了86.1%，比起逐日的相对差值，分布更集中。人工观测和自动观测月日照时数相关系数为0.979 4。只有6个月的相对差值超过20%，这6个月中又有3个都是6月份。一方面，梅雨期较少的日照时数使得相对差值显得较大；另一方面，2种仪器灵敏度和记录方式的差异，导致其在类似条件下工作，数据差异会较大。2008年1月至2009年6月相对差值较大，该时段总相对差值为15.3%，平均差值为0.75 h·d-1；2009年7月至2012年6月相对差值明显减少，该时段相对差值为6.2%，平均差值为0.29 h·d-1，两者的一致性很好；2012年7月至2013年12月，相对差值开始出现负值，该时段相对差值为1.3%，平均差值为0.08 h·d-1。

图3 月日照时数的差值

3 小结与讨论

本研究对鄞州国家基本气象站2008年1月至2013年12月的自动观测和人工观测日照时数进行对比分析，结果发现，自动观测记录数据平均比人工观测多0.35 h，但亦有20.8%的自动观测数据比人工观测偏低。按月进行统计，相对差值在-5%～15%的月份占了86.1%，说明自动观测和人工观测的日照时数月总值一致性比较好。

关于差值的来源，首先记录方式不一致，自动观测的时间分辨率为1 min，人工观测日照的记录最小单位为0.1 h，即6 min，且在画线的过程中实际上相当于进行了四舍五入，这种差值应该是无偏的。其次据张纬敏等[3]研究，暗筒式日照计的日照纸晴天时感光阈值为270～300 W·m-2，地平线浑浊时感光阈值为130～145 W·m-2，日出和日落时会引起记录偏少，日平均偏少可达0.4～0.5 h。最后在多云天气辐照度快速变化时，自动观测仪器能很好地记录出相应变化，而人工观测则可能会记录成连续[6,9]，这种误差会导致人工观测比自动观测的数值偏高。

整个对比时段内，自动观测比人工观测的日照时数偏多0.35 h。从总观测值来说，自动观测的数据更接近WMO定义的标准，但在逐日差值上，有20.8%的人工观测数据比自动观测数据偏大，对此现象仍需深入分析。此外，自动观测仪记录的数据呈现出下降趋势，有可能是仪器老化或维护不够导致的。

目前，WMO给出了日照时数测量的暂定标准，国内大部分地区使用的暗筒式日照计在WMO的气象仪器和观测方法指南中并不推荐使用。即使今后各气象站使用统一的自动观测设备，由于各设备的日照辐照度阈值不同，也需考虑设备间的对比分析和订正的问题。若要对日照时数进行准确的研究，还需根据直接辐射或总辐射、散射辐射等数据，并结合天气状况进行细化分析。

[1] WMO. Guide to meteorological instruments and methods of observation[M]. Geneva, Switzerland: WMO, 2008.

[2] 中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 北京: 气象出版社，2003: 81-83, 133-134.

[3] 张纬敏, 谭月香. 日照计测量误差探讨[J]. 气象, 2000, 26(5):17-19.

[4] 刘娜, 任芝花, 余予. 直接辐射表与日照计观测日照时数的差异评估[J]. 气象, 2015, 41(1): 68-75.

[5] 赵世军, 刘西川, 高太长. 日照计发展现状及前景分析[J]. 气象水文海洋仪器, 2011, 28(2):96-99.

[6] 石振文.人工与自动日照观测的对比分析[C]//中国气象学会. 中国气象学会2006年年会“提高大气监测自动化水平、为业务技术体制改革作贡献”分会场论文集.北京：中国气象学会，2006: 195-201.

[7] 杨召琼. 人工观测与CSD1遥测日照时数的差异[J]. 广东气象, 2010, 32(2):59-60.

[8] 吕文华, 崇伟, 丁蕾. 光电式自动日照计性能比对试验与分析[J]. 电子测量与仪器学报, 2015, 29(6): 928-933.

[9] 王超球, 黄琳, 韦覃武. 2种仪器测量日照时数的对比分析[J]. 安徽农业科学, 2011, 39(31):19413-19414.