光电式数字日照计在气象观测中的应用评估

杨炳玉，舒康宁，陈 焘，徐 非，周 群

(1.云南省气象信息中心，昆明 520034；2.大理州气象局，大理 671000)

0 引言

日照观测是地面气象观测的重要项目。日照时数是指在一个给定时间内太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的时间段的总和[1]。日照资料对于气候变化研究、太阳能利用、农业生产布局、环境监测、城市规划与设计等具有重要指导意义[2]。云南省国家地面气象站建站以来一直使用暗筒式日照计进行日照观测，其测量结果是通过人工记录日照纸上的感光迹线计算日照时数，因此存在响应速度慢、主观性强和自动化程度低等缺陷。2018年12月，云南省在全省125个国家级自动气象站完成了DFC2型光电式数字日照计的安装，并于2019-01-01开始为期6个月的平行观测。2019-07-01，正式切换为DFC2型光电式数字日照计作为正式观测记录，实现了全省日照自动观测。为了获取两种设备观测数据的差异性以及掌握光电式数字日照计在云南省地面观测中的数据质量情况，文章开展了对云南省125个国家级气象观测站光电式数字日照计的数据评估工作，以期为气候分析、资源开发等提供准确的日照数据，同时更好地推进气象现代化。

1 资料与方法

1.1 资料和来源

观测资料为云南省125个国家级地面观测站暗筒式日照计和DFC2型光电式数字日照计平行观测期间(2019年4—6月)小时日照数据；2020年光电式数字日照计小时数据及自动综合判识总云量数据；1991—2020年年日照资料；1961—2018年月、年极值(极大值和极小值)资料等。所有资料由云南省气象信息中心提供。

1.2 观测原理

暗筒式日照计由金属圆筒、隔光板、纬度盘和支架底座组成，太阳光通过日照计圆筒两侧光孔进入筒内，在筒内涂有感光剂的日照纸上留下感光迹线，经过人工处理感光迹线后，读取日照数据。光电式数字日照计由光筒和纬度调节装置组成，光筒内有3个核心光电感应器，将太阳光照强度转化为电压信号，其中2个用于观测散射辐射辐照度对应电压，另外1个用于观测总辐射辐照度对应电压。总辐射辐照度减掉散射辐射辐照度就是直接辐射辐照度，由此可以获取直接辐射辐照度对应电压，单位为mV；根据光电二极管本身参数，可以由电压推导出光照强度，单位为Lx。最后通过线性拟合，由光照强度得出直接辐射辐照度，单位为W/m2，根据日照时数的定义，当日照计测得的直接辐射辐照度达到或超过120 W/m2时，日照计开始记录日照[3-5]。

1.3 评估指标

文章对125个国家级地面站的暗筒式日照计和DFC2型光电式数字日照计平行观测期间进行对比评估的指标采用相关系数和偏差。计算公式分别为：

偏差(SE)：

SE=SA-SM

(1)

相关系数(COR)：

(2)

式中，SAi为自动观测值；SMi为人工观测值；N观测总次数。

2 结果与分析

2.1 平行观测对比评估

2.1.1 小时日照时数一致性分析

文章对全省125个台站2019年4—6月光电式数字日照计和暗筒式日照计测量小时数据偏差进行统计分析(图1)。从总体统计结果来看，其中，近60.4%的台站小时数据偏差在±0.05 h以内，有95.2%的台站小时数据偏差在±0.1 h以内，基本满足业务需求。据统计得出，小时差值(自动观测-人工观测)为负值的台站数占78%(97个站)，说明对于大部分台站而言，光电式数字日照计观测得到的小时数据比暗筒式日照计测量小时数据小。这与杜传耀等人对北京地区光电式数字日照计的应用评估结论是一致的[6]。

图1 自动观测与人工观测小时差值台站比例分布

2.1.2 日日照时数一致性分析

经统计分析得出，平行观测期间光电式数字日照计和暗筒式日照计观测日数据的平均误差为-0.2 h，相关系数为0.93。由两者日数据偏差概率分布(图2)可知，85.6%的台站日数据偏差在±0.5 h/d，近96%的台站日数据偏差在±1.0 h/d，基本满足业务需求。据统计得出，日差值为负值的台站占74%(92个站)，说明对于大部分台站而言，光电式数字日照计观测得到的日数据比暗筒式日照计测量日数据小[7]。

图2 自动观测与人工观测日总量差值台站比例分布

2.2 自动观测数据评估

2.2.1 数据完整性

月缺测率是月观测缺测次数占月应观测总次数的百分比，是用来评价数据完整性的指标之一。利用2020年光电式数据日照计小时数据统计月缺测率(图3)可知，云南省2020年全年平均月缺测率为0.1734%，说明2020年日照数据完整性较好。其中以6月份缺测率最高，为1.0459%，所有缺测数据均为日照传感器故障造成。

图3 2020年逐月缺测率

2.2.2 年际变化

图4为1991—2020年日照时数历年变化情况。由图4可知，1991—2020年日照时数呈增加趋势。2020年云南省全省日照时数为2，217.0 h，多年平均为2，055.3 h，比历年平均多161.7 h，偏多7.3%。2020年日照时数年总量处于近30 a第2位。

图4 1991—2020年日照时数年际变化

2.2.3 月、年总量分析

表1为云南省125个国家站3个月及以上月总量超过历年极值的统计情况。由表1可见，有38个站1 a中至少有3个月超过月极值，其中17个站6个月以上月总量均超过历史极大值。经进一步统计分析得出，云南省125个站中，有30个台站年总量超过1961—2018年年极大值，占总数的24%。由此说明，云南省日照自动观测数据存在异常偏高的情况。

2.2.4 个例分析

楚雄站2020年自动观测日照数据中，有9个月(3—11月)日照时数月总量超过历史极大值(表2)，其中以6月、7月、8月超过极值较多。其年总量为3，532.0 h，超过历史极大值2，649.8 h。

表1 云南省125个国家级地面站超过月极值情况统计

表2 楚雄站2020年日照时数月(年)总量与极值对比 h

总云量是影响日照时数的主要因素。因近年来云南省地面观测业务调整，2019年6月以后陆续取消了低、总云量的观测。因此，文章利用国家气象局下发的自动综合判识总云量小时数据，与日照数据进行对比发现，在阴天(总云量9成及以上)天气条件下，仍然有日照观测是造成楚雄站日照时数偏高甚至超过历年极大值的主要原因。由表2可见，7月，8月，9月在阴天情况下，光电式数字日照计观测到的总日照时数分别为113.2 h，138.3 h，117.3 h；3—11月(除5，6月)在阴天观测到的日照达547.8 h。综合以上分析可知，除11月外，若剔除阴天造成的日照时数，各月日照时数均低于历史极大值。

3 结束语

为了保证自动观测日照数据的质量，台站应做数字日照计的日常巡视和维护工作，如及时处理污染物(如仪器表面灰尘)的遮挡，以及发生降水(雪)、雾、霜等天气现象后对光筒的遮挡[8]，仪器故障时及时更换仪器，省级质量控制人员也应做好日照数据的质量控制工作。