莆田市日照自动观测与人工观测数据对比分析

杨明灿 何 捷 张响亮

(仙游县气象局，福建 莆田 351200)

1 概述

随着气象现代化的发展，我国地面气象观测已基本实现自动化。为进一步推进自动化观测业务，根据中国气象局综合观测司《关于印发<日照平行观测业务技术规定>的函》(气测函〔2018〕153号)，福建省气象局观测与网络处决定2019年1月1日起在全省地面气象观测站开展日照平行观测业务，为期6个月，分两个阶段进行，第一阶段(1月1日至3月31日)以人工观测为主，第二阶段(4月1日至6月30日)以自动观测为主。自动日照采用光电式数字日照计(中环天仪-DFC3)观测，人工采用暗筒式日照计。

近年来，许多学者就日照自动与人工观测做了大量研究，取得了许多有价值的成果。例如，杨召琼[1]利用人工观测与CSD1日照仪遥测的日照时数，对比分析逐日、旬、月及不同天气条件下两者的差异及其形成的原因；杨焕强[2]基于杭州地区日照时数自动与人工平行观测,对比了6个台站DFC1型光电式日照计与暗筒式日照计的观测数据，并分析误差原因；吕文华[3]利用三种不同型号的自动日照计开展对比试验，分析不同天气条件下各日照计的差异；杜传耀[4]根据三种不同观测仪器，从仪器数据偏差、影响测量因素方面分析了各种日照观测设备测量性能。

随着社会的发展、科技的进步，地面气象要素以自动化观测代替人工观测是观测技术发展的必经之路，而暗筒式日照计已经不符合气象现代化的要求，日照观测自动化成为必然。为客观、全面地分析日照观测手段替换的科学性、合理性、可行性，提高观测数据的准确性和代表性，通过对日照自动观测与人工观测数据进行对比分析，可以为日照观测业务自动化和地面气象观测现代化、无人化提供科学依据。

2 资料与方法

本文分析资料来自莆田地区三个国家气象观测站(莆田58946，仙游58936，秀屿58938)在日照平行观测业务期间(2019年1月1日～6月30日)的日照数据和云量观测数据(云量仅仙游站有观测)。期间，3个站点的光电式数字日照计在符合业务规定条件的环境下运行正常，设备均未出现故障，各站应观测次数260640次，实际观测次数260640次，观测成功率100%，即各站日照自动观测数据记录均完整，未缺漏。

本研究以差值和相对差值作为分析指标，用来分析光电式数字日照计与人工日照计观测日照时数的差异，分析中涉及的公式有：

Di=Ai-Mi

(1)

(2)

其中，Di为第i次日照观测的差值，Ai为第i次光电式数字日照计观测值，Mi为第i次人工观测日照值，Ri为第i次日照观测的相对差值。

3 数据分析

3.1 日照小时数据分析

对3个台站的日照小时数据进行处理，分析得出各时次Di的大小，统计不同Di值出现的频率(样本总数181天)，三个台站各时次Di在正值、负值和0时均存在不同的频率分布，即各时次日照观测存在自动观测值比人工观测值高、低或相等的现象。

从图1～图2可以看出，Di为正值时的频率在7时、8时、17时和18时相对较高，即在7时、8时、17时和18时出现日照自动观测值大于人工观测值的次数相对较多；Di为负值时的频率在11时～14时相对较高，即11时～14时出现日照自动观测值小于人工观测值的次数相对较多，且3个台站的变化趋势相对较为一致。

图1 1～6月各时次Di为正值的频率

图2 1～6月各时次Di为负值的频率

3.2 日照日数据分析

对3个台站的日照日数据进行处理，分析得出各日Di的大小，根据《光电式数字日照计校准规范(试行)》中日照时数的测量误差要求，统计不同Di值出现的频率(样本总数181天)，绘图得图3。

图3 各日不同Di的频率分布

从图3可以看出，3个台站的各日Di呈偏态分布，Di处于±1h/d之间的出现频率莆田最高(96.6%)，秀屿次之(91.7%)，仙游最低(91.2%)，3个台站日照时数在测量误差范围内的频率为91.2%～96.6%，有4.4%～8.8%的天数光电式数字日照计测量超过误差范围。

根据3个台站的日照日数据绘制散点图，如图4所示。分析结果显示，3个台站对比数据的相关系数在0.989～0.995之间，由此可见，日照自动观测与人工观测的日照时数表现出良好的相关性。

(a)莆田58946

(b)仙游58936

(c)秀屿58938图4 三个台站日照自动观测与人工观测日数据散点图

3.3 日照月数据分析

对三个台站的日照数据进行处理，分析1～6月的Ri，结果见表1。

表1 1～6月日照时数的DRi

根据《光电式数字日照计观测规范(试行)》规定，光电式数字日照计的最大允许误差为±10%(月观测数据)。从表1可以看出，除了秀屿6月份Ri(-14.5%)小于-10%，其余月份各台站Ri在-7.1%～8.7%之间，均在最大允许误差范围内。

3.4 不同天空状况下的日照数据分析

根据4月4日～6月30日期间08时-18时仙游站总云量加密观测数据资料，分析对应时次不同Di出现的频率，结果见表2。

表2 四种天空状况下各时次不同Di出现的频率

从表2可以看出，四种天空状况下Di=0占主要比例，在晴天、少云和阴天条件下，正Di和负Di出现频率相近，多云条件下，负Di的出现频率明显高于正Di，且二者频率总和占比也将近一半。由此可见，四种天空状况下大部分时次日照自动观测值与人工观测值相一致，且观测值相一致出现时次由多到少的天空状况分别为晴天、阴天、少云、多云；在多云条件下，自动观测值比人工观测值小出现的时次较多。

4 误差分析

4.1 仪器工作原理不同

暗筒式日照计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，通过人工在其下面描划铅笔线，统计迹线所占格数，由此计算日照时数[5]。

光电式数字日照计采用置于光学镜筒中的3个同轴光电感应器对总辐射和散射辐射进行自动连续观测，根据计算出的直接辐照度判断有无日照，若直接辐照度≥120W·m-2，则算作有日照，把时间累计，得到相应的日照时数[6]。

二者相比，在仪器安装规范条件下，暗筒式日照计观测日照时数受观测员主观因素影响较多，光电式数字日照计观测日照时数相对客观，不受主观因素影响。

暗筒式日照计日照纸所用药品质量好坏，以及涂药方法是否得当，是造成该仪器测量误差的主要原因。受其影响，实际工作中日照纸的曝光阈值高于理论值(120W·m-2)，感光灵敏度偏低，当太阳直接辐照度≥120W·m-2时，日照纸仍无法感应并留下迹线，或者留下的感光迹线较为淡时，容易被观测员遗漏，造成人工观测日照时数减少。

太阳直接辐照度的测量误差是日照自动观测的主要影响因素。根据《光电式数字日照计观测规范(试行)》要求，日照自动观测阈值的最大允许误差为±20%，故在太阳直接辐照度达到96W·m-2时，也可能观测得到日照时数。

综合以上影响因素，在太阳直接辐射较弱时，日照自动观测值比人工观测值高出现的概率较大。主要表现在日出后(7～8时)和日落前(17～18时)的几个小时内更为明显。

4.2 数据记录方式不同

暗筒式日照计日照自记纸的采样分辨率为0.1h，通过统计迹线的总长，计算累计日照时数；而光电式数字日照计分辨率为1min，以每分钟日照有无情况，计算累计日照时数。

当日照自记纸上感光迹线呈紧密的不连续单点或短线时，观测员习惯性地描画成连续的直线，使人工观测日照时数增多，特别在自动观测为0.8h或0.9h时，人工观测出现较多次数为1.0h。在多云天空状况下，出现太阳或出或入的时候较多，更容易造成感光迹线呈紧密的不连续单点或短线，因此在此条件下，日照人工观测值往往会比自动观测值大。晴天、少云和阴天条件下，云的影响相比多云条件没那么明显，出现太阳或出或入的时候较少，感光迹线产生的误差不明显。同时，太阳直接辐射较强情况下，迹线或存在蔓延现象，再加上观测员主观因素影响，容易导致描画的迹线变长，故正午前后(11～14时)出现日照自动观测值小于人工观测值的次数相对较多。

5 结论

①相比于暗筒式日照计，光电式数字日照计的感光灵敏度更高，在太阳直接辐射较弱时，日照自动观测值比人工观测值高出现的概率较大。

②太阳直接辐射较强情况下，同时受主观因素影响，易造成在正午前后日照自动观测值比人工观测值低的现象。

③三个台站有91.2%～96.6%的日照日时数在测量误差范围内，且日照自动观测值与人工观测值表现出良好的相关性。

④除了秀屿6月份Ri小于-10%，其余月份各台站Ri在-7.1%～8.7%之间，均在最大允许误差范围内。

⑤四种天空状况下大部分时次日照自动观测值与人工观测值相一致，但在多云条件下，易造成自动观测值比人工观测值小的现象。