数字日照计和暗筒式日照计资料对比分析

宋 云，王 东

(1.黄冈市气象局，黄冈438000；2.宿州市气象局，宿州234000)

0 引言

日照是指太阳在一地实际照射的时数。世界气象组织(WMO)对日照时数的定义是在给定时间内，太阳直接辐照度≥120 W·m-2的时间段总和[1，2]。近年来，诸多气象学者对日照自动化观测与人工观测资料进行对比分析，并针对国内外各类光电式日照计性能、发展趋势做了大量分析工作[3-5]。文章对黄冈市10个国家级观测站的DFC2光电式数字日照计(以下简称数字式)自动观测数据与暗筒式日照计(以下简称暗筒式)人工观测数据的对比结果进行分析，找出产生差异的主要原因，为光电式数字日照计运行维护、资料统计及应用提供依据。

1 资料与方法

1.1 数字式和暗筒式日照仪器观测原理

DFC2光电式数字日照计采用HYSD-1型光电式数字日照传感器，传感器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照进行自动连续观测，根据计算出的直接辐照度判断有无日照[6-8]。

直接辐射为总辐射和散射辐射的差值，当测得的直接辐照度≥120 W·m-2，日照传感器输出1 V的高电平，表示有日照，输出0 V的低电平时，表示无日照。传感器每10 s对光电感应器件进行1次采样，对采样得到的电压信号进行判断，如果判断为有日照，则将采样时间间隔累计到日照时间，每分钟对日照时间四舍五入取整后输出，单位为min，小数部分保留，继续累积到下1 min。分钟日照数据储存在存储器内，由台站地面综合观测业务软件(ISOS)读取[9-11]。

暗筒式日照计测量原理是利用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，从而计算出日照时间，单位为0.1 h(6 min)。

1.2 数据来源与处理

选取2019-01-01—2019-06-30黄冈市10个国家级台站平行观测的日照时数资料。通过对两种方式观测的日照时数进行必要的质量检查[12]，剔除缺测日、无日照日和错误日数据，剩余有效对比日数共1177 d(组)。

1.3 研究方法

根据差值、相对差值、标准差和相关系数等指标，对DFC2光电式数字日照计与暗筒式日照计观测的日照时数进行差异分析。

差值：

Xi=Ui-Ai

(1)

相对差值：

(2)

标准差：

(3)

相关系数：

(4)

式(1)～(4)中，Ui为第i次数字日照计观测值；Ai为第i次暗筒式日照计观测值，当Ai≥2h时，计算Zi。

2 结果与分析

2.1 逐小时日照时数差异

通过统计逐小时数字式与暗筒式日照时数可知，两种观测值的变化规律较为一致。具体表现为：在日出(日落)时段，数字式观测值多于暗筒式观测值，随着日照时数的快速升高(降低)，两者差值逐渐扩大，当日照时数变化率达到最大时，数字式与暗筒式日照差异达到最大。统计表明：日出时间段数字式与暗筒式日照时数差值在0～1.0 h·h-1，日落时间段差值在-0.3～0.3 h·h-1；08：00—10：00随着环境温度的升高，仪器感应面和环境之间的热传导减小，差值较小；10：00—16：00数字式日照时数较暗筒式值偏少，其中13：00—14：00时偏少最多(-0.5 h·h-1)，可能的原因是人工划线或判断存在偏差。

2.2 逐日日照时数差异

通过对1177组有效样本值统计表明，数字式平均日照时数略高于暗筒式，数字式日照时数日平均值为5.77 h·d-1，暗筒式日平均为5.75 h·d-1，平均差值为0.02 h·d-1，平均相对差值为0.3%。分析数据中共出现12 d暗筒式观测值>2.0 h(最大4.9 h)而数字式值为0 h的情况，主要是由两种观测仪器感光阈值的差异造成的。

从数字式与暗筒式日照时数的点聚图(图1)可看出，数字式观测与暗筒式观测的数据一致性较好，两者相关系数高达0.9646，表明数字式与暗筒式日照时数之间的线性关系显著，其线性系数(换算系数)为0.9625，且随着日照时数的增加，数字式与暗筒式的日照时数结果更为接近。

标准差(s)可以衡量数据围绕平均值的变化幅度，标准差越小，表示数据离散程度越小，则大部分数据接近平均值。将数字式与暗筒式日照时数的日差值以1倍标准差(按照公式3计算1s=1.02 h)和2倍标准差(2s=2.04 h)作为参数分析，以0.1 h为间隔进行分段统计，从数字式与暗筒式逐日日照时数的日差值频率分布可知，日差值>2s的日数为74 d，占样本总数的4.1%；日差值为正值的日数为620 d，占样本总数的34.3%，平均差值为0.67 h·d-1；日差值为负值的日数为448 d，占样本总数的24.8%，平均差值为-0.88 h·d-1。将数字式与暗筒式日照时数的日相对差值以10%为间隔进行分段统计，可知日相对差值在±5%之间的占39.3%，日相对差值在±10%之间的占61.3%，日相对差值在±20%之间的占80.5%。数字式和暗筒式日照时数的差值与相对差值均呈偏正态分布。

图1 数字式与暗筒式日照时数的点聚图

2.3 逐月日照时数差异

文章统计了各站逐月平均日照时数，数字式与暗筒式日照时数月差值最大为0.39 h·d-1，出现在1月，其次为0.12 h·d-1，出现在3月，最小为0.01 h·d-1，出现在5月；月相对差值最大为-7.41%，出现在2月，其次为-5.15%，出现在3月，最小为1.03%，出现在4月；月差值标准差3月最大，为1.13，其次是4月，为1.05，2月最小，为0.9。数字式与暗筒式的换算系数5月最接近于1(0.9833)，且其相关系数值最大(0.9727)。通过分析对应月份的天气状况得出：差值小的5月、6月对应的天气基本都是视程障碍物影响比较少，能见度相对比较好；相反，1月太阳辐射相对较弱，有云天气较多，加之由于数字式和暗筒式观测仪器的灵敏度存在差异，表现为数字式日照时数较暗筒式明显偏多。

2.4 不同气象条件下日照时数差异分析

日照变化是云量、水汽、大气浑浊度等多种因子共同作用于太阳辐射的结果，数字式与暗筒式仪器的灵敏度也受环境条件的影响。

1)选取日平均气温5 ℃、10 ℃、15 ℃……，每间隔5 ℃取1个值。当日平均气温在5 ℃、10 ℃、25 ℃时，数字式与暗筒式日照时数差值为正，其中气温在5 ℃时，差值最大，为0.31 h·d-1，10 ℃时次之(0.20 h·d-1)；气温在15 ℃、30 ℃时，差值为负，其中，气温在15 ℃时差值最大，为-0.17 h·d-1；气温在20 ℃时，数字式与暗筒式日照时数趋于一致，差值为0 h·d-1。当日平均气温在5 ℃、10 ℃时，数字式与暗筒式日照时数相对差值为正，5 ℃时相对差值最大，为3.54%；气温在15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃时相对差值为负，其中气温为15 ℃时，相对差值最大，为-5.80%。

2)选取日平均相对湿度45%、50%、55%……，每间隔5%取1个值。当日平均相对湿度为45%、70%、75%、85%时，数字式与暗筒式日照时数差值为负，最大为-0.10 h·d-1(相对湿度85%)；相对湿度为50%～65%、80%、90%～100%时差值为正，最大为0.26 h·d-1(相对湿度100%)。当日平均相对湿度为45%～50%、60%～90%时，数字式与暗筒式日照时数相对差值为负，最大为-7.26%(相对湿度90%)；相对湿度为55%、95%时相对差值为正，最大为5.56%(相对湿度95%)。可见在高湿环境下数字式与暗筒式日照时数差值、相对差值均呈增大趋势。

3)表1为按日平均总云量(TCC)划分的晴天(0≤TCC≤2)、少云(2

表1 不同云量时数字式与暗筒式日照时数的差异

由于数字式与暗筒式日照传感器间的感光阈值不同，晴天和少云时数字式比暗筒式记录开始早、结束晚；多云天气时，地面日照时有时无，数字式日照计分辨率较高，能很好地反映出这种变化；阴天的光强对于两种仪器均难以产生感光，如果云层较薄，透过云层的太阳散射光，其辐照度有时可能达到或超过日照阈值[13]，但感光较淡，观测员描划铅笔线可能有误差，暗筒式日照计数值会高于数字式。

2.5 数字式与暗筒式的空间差异

黄冈市南部地区临靠长江，水系发达，水汽含量充足，相对湿度偏大，而北部地区气候相对干燥，雨水较少，两种观测方式在不同环境下的日照时数差值和相对差值存在空间差异。麻城、黄梅、红安、浠水、罗田5站差值为正，差值在0.13～0.56 h·d-1，最大差值出现在麻城；团风、武穴、蕲春、黄冈、英山5站差值为负，在-0.88～-0.02 h·d-1，最大差值出现在团风；麻城、黄梅、红安、浠水、罗田5站相对差值为正，在0.1%～10.4%，最大出现在麻城；团风、武穴、黄冈、蕲春、英山5站相对差值为负，在-16.8%～-2.3%，最大出现在团风。

2.6 数字式与暗筒式差异原因分析

2.6.1 仪器工作原理不同造成的系统误差

暗筒式日照所感知的太阳直接辐照度没有一个准确的阈值数据，再加上感光药品质量、观测员涂药等不确定性偏差，对观测数据质量有一定影响[14，15]。而数字式日照计每10 s采样1次输出信号，以采样时的日照情况累计计算日照的总量，能排除各类人为因素，观测数据的准确性更加符合规范要求。

2.6.2 偶然性误差

一是风沙影响，有时风力过大将沙尘或树叶卷起堵塞暗筒式日照计进光孔，引起日照时数失真；二是强降水影响，雨水由进光孔进入日照计后，浸湿日照纸，致使迹线中断或模糊；灰尘、水汽凝结物使DFC2日照仪的玻璃罩产生污渍、日照计安装误差等也会使日照测量误差偏大。

2.6.3 探测环境误差

大气探测环境改变引起的误差。如观测场日出日落方向障碍物高度的变化会造成观测数据的变化。

3 结束语

文章通过对比分析数字式和暗筒式日照计观测资料，得出如下结论：

1)数字式日照时数较暗筒式逐时变化规律一致，差值在-0.5～1.0 h·h-1。日出(日落)时段数字式日照时数多于暗筒式，随着日照时数的快速升高(降低)两者差值逐渐扩大。

2)数字式较暗筒式日平均日照略微偏多，数据一致性较好，线性相关显著，且随着日照时数的增加两者更为接近；日差值与相对差值频率均呈偏正态分布。

3)数字式日照时数与暗筒值各月间差值和相对差值差异明显，1月差值最大，5月最小，2月相对差值最大，4月最小。

4)气温在5 ℃时数字式日照时数与暗筒式差值最大，气温在15 ℃时，相对差值最大。高湿环境下，相对差值偏大；在多云条件下差异最小，在晴天条件下差值最大，在阴天的条件下，相对差值最大。

5)数字式与暗筒式日照时数的差值、相对差值存在空间差异，麻城、黄梅等5站差值和相对差值均为正，团风、武穴等5站差值和相对差值均为负。