山西省日照平行觀測資料對比分析

李亞軍,葛黎黎

（山西省氣象信息中心, 山西 太原030006)

1 引言

日照是指太陽在一地實際照射的時數。 日照時數也稱實照時數[1]；其定義為，在一給定時間，太陽直接輻照度達到或超過 120 瓦·米-2（W·m-2）的那段時間總和，以小時（h）為單位，取一位小數。 日照時數表示一個地區接受太陽光照射的時間長短， 直觀反映太陽輻射，是農業生產重要的環境因素，對人民的日常生活影響重大。 日照時間的長短決定了對太陽能的利用程度， 也對當地的氣候資源具有較高的分析利用價值，因此對日照觀測數據的質量要求很高[2]。

目前， 我國氣象部門普遍使用的日照觀測儀器有暗筒式日照計、 聚焦式日照計， 該類儀器人工制作、安裝和更換日照紙，需要根據感光跡線進行人工計算日照時數，觀測精度較低，資料可比性和一致性難以保證[3]。 隨著日照觀測數據在天氣、氣候、預報業務和農業生產服務等領域的廣泛應用， 業務觀測需求更加精細化，傳統的日照觀測儀器已無法滿足，自動日照計觀測精度高、性能穩定、維護方便，取代傳統日照觀測儀器勢在必行。 光電式數字日照計采用一體化設計思路，無需掛接采集器，直接輸出日照時數。 由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要由數字式日照傳感器和外圍組件組成， 軟件為傳感器嵌入式軟件，具有數據存儲、補傳等功能，還自帶有實時時鐘，易于擴展，便于維修。

本文通過對暗筒式日照計和光電式數字日照計2019 年1-6 月山西109 個臺站平行觀測的同期數據進行對比分析，發現在設備正常、安置維護良好的情況下，兩種觀測設備的一致率達到90%以上。

2 資料來源

根據氣測函 （2018）153 號中國氣象局綜合觀測司關于印發《日照平行觀測業務技術規定》的函和山西省觀測與網絡處發布的氣測函 【2018】34 號文件《觀測與網絡處關于開展自動日照計試運行及平行觀測的通知》， 山西省在2018 年12 月16 日開始光電式數據日照計的試運行， 發現問題及時進行了整改，并于2019 年1 月1 日起正式運行。

平行觀測從2019 年1 月1 日（實際時間是2018年12 月31 日地方平均太陽時24 時）起開始，為期6個月，分兩個階段進行。

前三個月為第一階段， 以人工觀測記錄為正式觀測記錄，其記錄方法按現行《地面氣象觀測規范》和業務規定執行。 后三個月為第二階段，以自動觀測記錄為正式觀測記錄， 其記錄方法按相關業務規定執行。

本文采用山西省109 個國家級地面觀測站2019年1-6 月的暗筒式日照計和光電式數字日照計的觀測資料進行對比分析， 希望了解不同觀測方式下自動與人工數據的差異。

3 評估方法和內容

利用山西省109 個開展平行觀測的臺站獲取的日照資料，從數據完整性、數據準確性等方面進行分析評估。

3.1 數據完整性評估

以分鐘數據為基本單位， 剔除儀器原因與維護造成的缺測記錄， 對光電式數字日照計的觀測數據完整性做月缺測率評估。

月缺測率=（月觀測缺測次數/月應觀測總次數）×100%

3.2 數據一致性分析

分別對兩種觀測方式的小時日照時數和日合計日照時數進行統計分析。

(1)小時日照時數一致性分析：若光電式數字日照計小時內日照連續時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h， 需進行小時內日照時數一致性分析， 分析兩種觀測方式日照時數相等情況，相差情況的數據占比，以了解光電式數字日照計與暗筒式日照計觀測的差異。

(2)全天日照時數一致性分析：若光電式數字日照計全天日照連續時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h， 需進行全天日照時數一致性分析， 分析自動觀測數據和人工觀測數據的相關性。

4 評估結果

4.1 數據完整性

山西省共109 個國家地面觀測站參與數據評估，以分鐘數據為基本單位，剔除儀器原因與維護造成的缺測記錄來計算缺測率。 經統計1-6 月日照自動觀測數據缺報情況（表1），發現僅有10 站出現缺報，其中53666 靜樂站缺報最多，共26 d；經核實缺報為設備故障，故剔除這些缺報天數來計算缺測率。同時統計了除缺報外的缺測分鐘數（圖1），統計各站1-6 月缺測率后發現，有90 站缺測率均為0.00%，占82.6%；有 16 站缺測率為 0.01%，占 14.7%；有 1 站57061 平陸，缺測率為0.02%，占0.9%；有2 站53777交城、53965 絳縣，缺測率均為0.03%，占1.8%。

表1 自動日照數據1-6 月缺報情況

4.2 數據一致性

4.2.1 小時日照數據一致性

根據評估要求， 若光電式數字日照計小時內日照時數連續時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h， 需進行小時內日照時數一致性分析， 故先統計出各站1-6 月符合樣本的個數， 然后用自動日照時數減去人工日照時數， 發現兩者小時觀測數據完全相等的個數比例各站均在46%以上， 自動時數小于人工時數的個數在30%以上的僅37 站， 自動時數大于人時數工的個數在30%以上的僅5 站。 綜合統計，全省109 個國家站1-6 月自動和人工小時數據完全相等的個數占總樣本數的56%， 而自動時數小于人工時數的個數占總樣本數的26%、 自動時數大于人工時數的個數占總樣本數的18%。

4.2.2 全天日照數據一致性

根據評估要求， 若光電式數字日照計全天日照時數連續累計時間達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數累計達到0.1 h， 需進行全天日照時數一致性分析。 統計各站1-6 月自動與人工全天日照時數后， 計算各站自動與人工觀測時數相關系數，相關系數越接近1，說明相關性越大。 統計顯示，相關系數>0.9 以上的臺站為104 站， 占比為95.4%。具體情況見圖2。

圖2 109 站全天日照數據相關系數

5 評估結論

（1）按照評估內容和要求，經統計分析全省109個國家站1-6 月日照自動觀測數據完整性情況，排除設備故障原因造成的缺報外，有90 站缺測率均為0.00%， 有16 站缺測率為0.01%， 有 1 站缺測率為0.02%；有2 站缺測率為0.03%,造成缺測的原因均為設備故障。

（2）在符合條件的樣本中統計分析小時日照數據后， 發現全省109 個國家站1-6 月自動和人工小時數據完全相等的個數占總樣本數的56%， 而自動小于人工個數占總樣本數的26%， 自動大于人工的個數占總樣本數的18%。

（3）在符合條件的樣本中統計各站1-6 月自動與人工全天日照時數并計算各月相關系數， 得出相關系數>0.9 的臺站占比為95.4%，兩者相關性良好。

（4）綜上，光電式數字日照計自動觀測數據與暗筒式日照計人工觀測數據一致性良好， 滿足業務運行需求。 建議各站在使用光電式數字日照計過程中應按業務要求做好設備的日常維護， 做好每天日出前、日落后的檢查和設備的定期查看，保證設備正常運行，即可保證數據完整無誤。