湖州地区FS-RZ1日照传感器试运行分析

邱 杰，胡景波，俞旭枫，陆文涛

（1.湖州市气象局，浙江 湖州 313000；2.德清县气象局，浙江 德清 313200；3.长兴县气象局，浙江 长兴 313100）

0 引言

日照时数是指太阳在某地实际照射的时数。日照的变化是一个地区天气气候研究中最直接、最敏感的因素，它直接影响当地的工农业生产，特别是在当前气候异常的情况下。日照时数作为农业气象指标之一，在实际业务中的使用越来越频繁，对农业生产和人们的日常生活都有很大的影响，其观测记录的准确程度直接影响到农业气象预报产品的精度。

随着气象观测业务自动化的大力推行，中国地面气象观测已实现了压、温、湿、风、降水、地温等基本要素的自动观测。自动化的观测手段大大提高了观测资料的精度和密度。日照作为地面气象观测基本要素之一，目前，国内气象部门大部分地区都使用暗筒式日照计，仍需要人工涂药、换纸和画线记录，决定日照误差大小的主要因素就是日照纸感光的灵敏度。日照纸感光的灵敏度除与涂药配比直接相关外，还与药品保管、涂药方法、纸张质量有着一定的关系[1]。日照人工观测方式与现代化观测的发展要求不相匹配，日照传感器的研制进入了快速发展的阶段[2]。随着观测自动化和无人化的推进，首先开展的是通过直接辐射来观测日照时数，赵晓莉、严彩虹[3,4]等分析了日照计与直接辐射表日照时数差异。近一年中，日照传感器逐步在台站完成安装并开始试运行，杜传耀、石京川、石振文等[5-8]分析了暗筒式日照计与自动日照仪数据的差异，两者之间的差异是不可避免的，而差异的具体情况正是气象行业各业务、科研、服务工作者非常关心、关注的问题。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，与苏州、无锡隔太湖相望。湖州东部为水乡平原，农业以种植业和养殖业为主，太阳辐射对农业生产影响较大。湖州西部多山地、丘陵，近几年太阳能发电产业在此区域发展较快。考虑到日照时数观测对本地经济发展的重要性，有必要对两种观测方式的结果进行对比分析。

1 观测数据

1.1 观测地点和观测仪器

本文一共选取了3个国家级观测站，其中湖州国家基本气象站是湖州市范围内唯一的国家级基本观测站，建于1956年1月，位于东经120°03′、北纬30°52′。长兴站和德清站均为国家级气象站。德清站位于湖州的东南面，长兴站位于湖州的北面。上述3站目前均使用暗筒式日照计进行人工日照观测，暗筒式日照计是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光剂的日照纸上留下感光迹线，来计算日照时数。湖州站和长兴站2018年4月安装了FS-RZ1日照传感器，FS-RZ1日照计通过总辐射法计算日照时数。德清站2017年1月安装了直接辐射传感器，直接辐射表每日自动跟踪太阳输出的信号，测量系统把太阳直接辐照度≥120W·m-2的时间累加起来作为每小时的日照时数与每天日照时数。

1.2 数据完整性

本文的数据时段为2018年5月1日～8月31日，共123天。由于均是国家级观测站，长期进行探测环境保护，观测数据质量较高，3站该时段内的数据完整率均为100%。本文将FS-RZ1日照传感器的数据和人工观测数据按小时数据和日数据分别分析，均以分钟为单位。直接辐射传感器分钟数据大于120W·m-2的认为该分钟有日照，再累加统计成小时和日数据。

图1 3站总日照时数人工与自动对比图Fig.1 3 Total sunshine hours of the station artificial and automatic comparison diagram

表1 3站月日照时数人工与自动对比Table 1 3 Monthly sunshine hours of the station artificial and automatic comparison

2 结果与分析

2.1 总日照时数

2018年5月1日～8月31日，湖州站自动观测日照40170 min，人工47316 min，自动观测日照比人工观测值偏低7146 min，相差达17.8%。长兴站和德清站也都存在自动观测日照比人工观测值偏低的情况，如图1所示。综合分析自动与人工观测数据的相关性，发现两者相关性较好，说明误差分布较均匀。

2.2 分析时段内月总日照时数

将2018年5月1日～8月31日的数据按月再次统计，如表1所示。从表1中可以看出，4个月中，3个站点的人工观测数据均大于自动观测数据，这也就是4个月两者合计差距较大的原因。具体分析两者每个月的差距变化情况，发现从春天到夏天的过程中，两者差距越来越小。以长兴站为例，5月两者相差12.1%，6月相差8.2%，7月相差7.3%，8月相差6.7%，变小的趋势很明显。

2.3 分析时段内小时平均日照时数

图2 小时日照人工与自动对比Fig.2 Hours artificial and automatic comparison of sunshine

表2 3站低日照天气日照总时数对比Table 2 3 Comparison of total hours of sunshine in low sunshine weather

将使用FS-RZ1日照传感器的湖州站和长兴站小时日照作平均，求出4个月内每小时的平均日照，单位为分钟。如图2所示，早晨和傍晚自动观测的日照时间要大于人工观测，原因可能是人工观测的灵敏度没有自动仪器高。中间时段的人工观测要高于自动，可能的原因是人工划线或判断上存在偏差，或药水感光性不稳定。两个站的日照曲线变化趋势几乎一致，一定程度上可以代表大部分台站人工和自动观测的对比情况。

3 低日照天气总日照时数

一般情况下，有大雾、轻雾或者霾的天气里日照时数较少，称之为低日照天气。这种天气的光照强度对于自动与人工日照计均难以产生日照记录，但在这样的天气中并不是一整天都没有日照，当雾气消散或云层较薄时，辐照度仍能达到或超过日照阀值。分析这种情况下的日照数据，可以较好地分析两者的差异性。理论上，由于日照传感器比暗筒式日照计灵敏度高，所以更容易产生记录，即在这种情况下自动站测得的日照时数要大于人工观测日照时数。但实际情况恰好相反，人工日照时数均大于自动观测的日照时数。原因可能是在日照迹线断点比较多的情况下，人工不可避免地会将断点连上，人为地增加了日照时数。因此，使用日照自动观测仪器在真实性方面要优于人工观测。

还有一个潜在的原因，暗筒式日照计仅是靠感光迹线记录观测日照，没有一个准确的阈值的概念。实际的人工观测过程中有人曾经发现，在能见度不好的天气情况下，会出现实际的太阳辐射照度还没有达到阈值，日照纸已经开始记录日照时数的情况。

4 结论

经过分析2018年5月1日～8月31日的日照数据，发现自动观测日照比人工观测值偏低，自动与人工观测数据的相关性较好，说明误差分布较均匀。具体分析两者每个月的差距变化情况，发现从春天到夏天的过程中，两者差距越来越小。早晨和傍晚自动观测的日照时间要大于人工观测，中间时段的人工观测要高于自动。低日照天气总日照时数、人工日照时数均大于自动观测的日照时数。