基于江西省人工与自动观测日照平行观测数据分析评估

戴华玲，黄少平，王 迎，赖 亮

(江西省气象信息中心，330096，南昌)

0 引言

气象学上对日照时数的定义，指在一给定时段内太阳直接辐照度大于或等于120 W/m2的时间总和，以小时(h)为单位，取1位小数[1-2]。日照是地面气象观测的重要观测项目之一，也是地球获取太阳辐射最直接的方式，是表征当地气象状况和气候特点的重要气象要素[3]，对监测气候变化和农业生产有着非常重要的意义[4]。

目前人工观测日照均采用暗筒式日照计作为观测仪器，离不开人工操作，受人为因素影响，观测数据主观性强，数据的准确性和可比性难以保证[2]。随着气象现代化工作的发展，人工观测日照已无法满足现代化需求，采用测量精度高、灵敏度好的自动观测日照仪器可以有效提高日照观测准确性和可比性。2018年12月，江西省93个国家级地面气象观测站全部完成光电式数字日照计的安装并通过业务验收。江西省经综合观测司同意，全省所有国家级地面气象观测站自2019年1月1日起正式开展日照平行观测。

1 基本情况

1.1 平行观测开展时间

江西93个国家级地面气象观测站自2019年1月1日至2019年4月30日开展日照平行观测第一阶段工作，以人工观测记录为正式记录; 自2019年5月1日(实际时间为2019年4月30日地方平均太阳时24时)起正式开展日照平行观测第二阶段，以自动观测记录为正式记录。

1.2 日照平行观测仪器设备

江西省国家级气象观测站日照人工观测设备为暗筒式日照计(简称“人工观测”，下同)。

江西省国家级气象观测站装备的光电式数字日照计有DFC1、DFC3 2种型号(简称“自动观测”，下同)。其中， DFC1型日照仪为江苏省无线电科学研究所有限公司生产(简称“江苏无锡”)，装备南昌、九江、上饶、吉安、萍乡、新余等6个设区市所辖共计49个台站；DFC3型日照仪为中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产(简称“中环天仪”)，装备宜春、赣州、景德镇、鹰潭、抚州等5个设区市所辖共计44台站。

光电式数字日照计能够实现日照的自动连续观测，通过置于光学镜筒中的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，并按照规定数据格式输出。日照阈值为直接辐射辐照度120 W/m2，阈值的最大允许误差为±20%；年稳定性为±5%。

2 数据来源与分析评估

选取2019年1—3月江西93个国家地面观测站平行观测资料进行对比评估分析(简称“评估期”，下同)，以月为单位统计评估统计量，对比期3个月平均值作为评估分析指标。在满足资料完整性的基本条件下，按照平行观测技术规定中的统计方法，分别从数据完整性、数据一致性两方面对人工观测与自动观测2种观测方式获取的日照时数资料序列进行统计。

2.1 数据完整性评估

观测数据以分钟数据为基本单位，对各厂家仪器的数据完整性作月缺测率统计，对比期3个月平均值作为评估指标。剔除非仪器原因与维护造成的缺测记录，计算缺测率。

缺测率=(观测缺测次数/应观测总次数)×100%

全省平均缺测率为0.31%，最高的是共青城站14.71%。缺测率高于平均值的只有6站，其中，雷击2站，电源故障1站，兼容性及稳定性问题3站，具体见表1。

表1 评估期缺测率较高台站情况统计表

DFC1型的平均缺测率0.34%，DFC3型为0.27%，总体上没有明显差异；但缺测率较高台站中，DFC1型占2站(均为雷击外因)，DFC3型占4站(主要为性能和兼容性)。江西93个台站的光电日照计评估期设备运行总体稳定，较大的故障主要集中在少部分站点，数据的完整较好。

2.2 数据一致性分析

2.2.1 小时日照时数一致性分析 当光电式数字日照计小时内日照时数连续累计时间达到或超过3 min，或暗筒式日照计小时内日照时数累计达到0.1 h(即人工或自动有一方以上小时观测到有0.1 h日照)，需进行小时内日照时数一致性分析。

时对比差=人工观测日照小时数-自动观测日照小时数

从对比差为-1.0、-0.9、-0,8…0.0…+0.8、+0.9、+1.0小时的21个对比差值的出现次数占进行对比观测小时数的百分比统计结果如图1。对比差为0.0占总对比记录的42.86%，对比差<0.0的占34.58%，对比差>0.0的占22.57%，基本呈现以对比差=“0”为中心略偏向负值的对称分布，人工与自动观测差异的分布属于正常。

图1 小时日照时数对比差分布图

1)小时日照时数差值等于0。全省93站小时对比差为0.0的比例分布如图2，平均值为42.86%，最高的为62.16%，最小的为28.42%。DFC1型的平均值为41.82%，DFC3型为43.80%，2种型号仪器基本一致。

图2 不同型号仪器对比差为0所占比例分布图

2)小时日照时数对比差值的绝对值≤0.2 h。全省93站小时对比差值的绝对值≤0.2 h比例分布如图3，平均值为76.69%，最高的为93.12%，最小的为48.79%。DFC1型的平均值为75.63%，DFC3型为77.88%，2种型数字日照计基本一致。

图3 不同型号仪器对比差值±0.2 h以内所占比例分布图

3)小时日照时数对比差值的绝对值≥0.3 h。全省93站小时对比差值的绝对值≥0.3小时比例分布如图4，平均值为23.31%，最高的为51.21%，最小的为6.8%。DFC1型的平均值为24.37%，DFC3型为21.22%，2种型号仪器这个差异段存在一定差异。

图4 不同型号仪器对比差值≥0.3 h所占比例分布图

结果表明，各站人工观测小时日照时数与自动观测小时日照时数差值绝对值≤0.2 h所占比例77%左右，2种型号的自动观测仪器性能总体一致。

2.2.2 日日照时数一致性分析 当光电式数字日照计全天日照时数连续累计时间达到或超过3 min，或暗筒式日照计小时内日照时数累计达到0.1 h(即人工或自动观测有一方以上日日照时数达0.1 h)，需进行全天日照时数一致性分析。

1)对比差的分布分析。日对比差=人工观测日日照时数-自动观测日日时数。

按日对比差分别为<-3.4 h、-3.4—-2.5 h、-2.4—-1.5 h、-1.4—-0.5 h、-0.4—0.4 h、0.5—1.4 h、1.5—2.4 h、2.5—3.4 h、>3.4 h等9个数据段的出现次数占有效观测次数的百分比分别进行统计，结果如图5。

对比差在-0.4—0.4 h的占51.92%，-1.4—1.4 h的占88.44%，-2.4—2.4 h的占96.38%，整体分布呈现对称分布，略偏向对比差负值区。

对评估期的3 486对日日照时数对比样本计算其相关系数，相关系数达0.951 4，通过了相关性显著检验(α=0.01)；从其点聚图(图6)可以看出，2种观测方式观测的日日照时数总体是一致的，但也存在部分样本有一定差异情况出现。如在人工观测日日照时数为“0小时”时，自动观测出现了629个“非0小时”样本，主要集中在日总量4.5 h内的日子, 说明自动观测的灵敏度较人工观测高[5]；自动观测日日照时数为“0小时”时，暗筒式日照计仅有8个“非0小时”样本出现，分析判断为数字日照计故障或不稳定所致；从线性趋势方程(Y=0.941 6X+0.314 2)可看出，数字日照计观测记录略多于暗筒式日照计。

图6 人工观测、自动观测日日照时数点聚图

2)评估期日照总量对比分析。统计各站评估期人工与自动观测日照总时数对比差与人工日照总量的百分比(即较人工观测的偏差)，站均偏差为-6.2%，最大+15.0%，最小为-87.1%，中位数为-4.9%；偏差明显偏离正常值的有5站，分别为57891(-87.1%)、57698(-50.0%)、57694(-33.3%)、57696(-33.3%)、58608(-31.5%)，经分析，57891站为自动观测偏大(5月已更换数字日照计)，其余4站初步判断为人工观测记录偏小。

统计对比评估期3个月全省的日照总时数，人工日照计总计观测到日照13 785.9 h(平均为4.0 h)，自动观测到日照14 523.9 h(平均为4.2 h)，自动观测相对偏大5%左右。其中，DFC1型较暗筒式日照计平均偏大1.3%，DFC3型较暗筒式日照计平均偏大10.0%，2种型号数字日照计存在一定差异。

结果表明，光电数字日照计与暗筒式日照计观测资料相关性好，总体一致，数字日照计灵敏度较暗筒式日照计高，观测记录较人工观测偏大5%左右。

3 小结

通过对比分析江西省93个国家级地面气象观测站DFC1与DFC3 2种光电式数字日照计和暗筒式人工日照计的平行观测资料发现，小时日照时数基本呈现以对比差=“0”为中心略偏向负值的对称分布，日日照时数整体分布呈现对称分布，略偏向负对比差负值区，人工与自动观测差异的分布属于正常。

统计对比评估期3个月全省日照总时数，自动观测相对偏大5%左右，光电式数字日照计与暗筒式日照计观测资料相关性好，总体一致，数字日照计灵敏度较暗筒式日照计更高，很好地避免了暗筒式日照计测量中存在的主观性问题，有效提高了日照数据的准确性。