石河子地区两种日照仪器观测日照时数对比分析研究*

朱蓉慧，刘辉

（石河子气象局，新疆石河子 832000）

1 日照测量仪器原理

1.1 日照概念及作用简述

日照是表征当地气象状况和气候特点的重要气象要素，是中国气象局统一布局观测项目之一，各气象台站均须观测。日照指太阳在一地实际照射的时数。在一给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的那段时间总和，以小时（h）为单位，取1 位小数[1]。测量日照时数能为天气预报、气象情报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要依据，并能在农业生产、太阳能开发利用、环境监测等方面发挥重要作用。

1.2 两种日照测量仪器原理简介

暗筒式（或称乔唐式）日照计的测量原理是太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光药剂的日照纸上留下感光迹线，根据感光迹线的长短来计算日照时数[1]。因此日照纸能否正确感光，成为是否造成误差的关键。无锡所生产自动日照计型号FS-RZ1 光电式数字日照计（以下简称光电式日照计）光电管D1 在360°的环形范围内接收总辐射。D2 和D3 接收环形范围内不同方向上的辐射，而太阳直接辐射只能照射到D2 和D3 中的1 只，其中较小的输出值即为散射辐射。直接辐射为总辐射和散射辐射的差值，若直接辐照度≥120 W/m2则算作有日照，将时间进行累计，得到每小时和每天的日照时数[2]。

2 资料来源与处理方法

本文所用资料来源于石河子气象部门管辖区域内国家基准气候站及部分国家一般气象站自建站以来的气象资料。石河子地区各气象站自建站以来到2019 年6 月30 日，地面观测日照时数使用的是暗筒式日照计的观测数据；2019 年1 月1日至6 月30 日，使用光电式数字日照计与原暗筒式日照计并轨运行。石河子地区各气象站光电式数字日照计的安装按 《光电式数字日照计观测规范（试行）》相关要求执行，安装在观测场南边原暗筒式日照计的位置，原人工日照计安装在光电式数字日照计南2.0 m 处，均符合《地面气象观测规范》仪器安装要求。

本文以差值、相对差异、相关系数进行分析评估，计算公式如下：

式中：Ai 为第i 次人工观测日照时数值，Ui 为第i次自动观测日照时数值。相关系数和标准差使用EXCEL中CORREL与stdevp函数计算所得。

3 石河子地区各气象站日照概况

石河子国家一般气象站（以下简称石河子站）1954—2018 年例年平均日照时数2 740.6 h，最多年日照时数为1957 年的3 264.9 h，最少年日照时数为1987 年的2 352.4 h。炮台国家一般气象站（以下简称炮台站）1955—2018 年例年平均日照时数2 797.3 h，最多年日照时数是1997年的3 228.9 h，最少年日照时数为1987 年的2 417.2 h。乌兰乌苏国家基准气候站（以下简称乌兰乌苏站）1964—2018 年例年平均日照时数2 874.9 h，最多年日照时数为2005 年的3 220.7 h，最少年日照时数为2016 年的2 509.7 h。

表1 不同天气类型下乌兰乌苏站两种仪器观测日照时数差异分析

4 结果与分析

4.1 石河子各气象站2019 年1～6 月暗筒式和光电式日照计日照时数与历史资料日照时数分析

图１ 石河子各气象台站2019 年1～ 6 月暗筒式与光电式日照计日照时数与历史资料日照时数

从图1 石河子各气象站2019 年1～6 月暗筒式日照计与光电式日照计日照时数和近3 年与近20年历史资料日照时数可以看出，2019年上半年暗筒式日照计与光电式日照计日照时数合计均小于近3年与近20年日照时数。乌兰乌苏站与石河子站暗筒式日照时数大于光电式日照时数，炮台站暗筒式日照时数小于光电式日照时数。

4.2 暗筒式日照计与光电式日照计日照时数差值、相对差值及差值标准差分析

经统计分析，3 个气象站暗筒式日照计与光电式日照计平均日照时数差值极小，乌兰乌苏站日差值最大为3.8 h，出现在4 月20 日；石河子站日差值最大为5.7 h，出现在3 月6 日；炮台站日差值最大为-3.3 h，出现在1 月10 日。通过相对差值统计，石河子站相对差值最大，为12%。标准差能衡量围绕平均值的变化幅度，3 个气象站日平均日照时数差值标准差非常小，可以得出数据的离散程度非常小。暗筒式日照计与光电式日照计日照时数拟合度极高。

4.3 石河子各气象站2019 年1～6 月两种仪器日照时数相关性分析

2019年1～6月两种仪器观测期间，乌兰乌苏、石河子和炮台3个气象站6月日照时数相关系数分别为0.999 8、0.999 9 和0.999 6，6 月日照时数相关系数最大，平均为0.999 8；1月最小，平时为0.941 5。2019年1～6月日照时数相关系数，乌兰乌苏站为0.974 9，炮台站次之，为0.970 6，石河子站为0.963 1，相关性显著。

4.4 不同天气类型下两种日照仪器测量日照时数差异分析

乌兰乌苏站在北京时间08 时、11 时、14 时、17时和20时进行云量观测，日平均总云量为本日5次观测平均所得。按照日平均总云量把天气划分为阴天（云量＞8）、多云（2 ＜云量≤8）和晴天（0 ≤云量≤2）3种类型。分析表1结果得出，3种不同天气类型下两种仪器观测日照时数，晴天时两种仪器观测日照时数差异性最小，日差值平均为-0.08 h，日相对差值平均为0.7%，相关系数为0.985 6。阴天时光电式日照计与暗筒式日照计观测日照时数相等天数最多，为43 d，日差值平均与日相对差值平均阴天时最大，相关系数最小，可以得出数据的离散程度相对较大。

5 结论

通过以上分析可以得出如下结论：（1）石河子地区3 个国家气象站，光电式与暗筒式日照计观测平均日差值、日平均日照时数差值标准差都非常小，证明数据的离散程度非常小，相关度高。（2）通过日照时数相关系数月分析，最小为0.906 3，最大为0.999 9，月相关显著。（3）3种不同天气类型分析，日照时数一致性晴天＞多云＞阴天。（4）暗筒式日照计为人工观测日照时数仪器，光电式日照计能够实现日照的自动连续观测，可以解放人力，与气象观测自动化发展相适应。