陜西省日照平行觀測資料評估

張紅娟，曾 英，妙娟利，鄧芳蓮

(陜西省氣象信息中心，西安 710014)

日照是指太陽在某地實際照射的時數，是地面氣象臺站觀測的基本項目。日照時數[1]定義為在一給定時間，太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的各段時間總和。陜西省99個氣象臺站一直使用暗筒式日照計進行日照人工觀測。為了盡快實現日照數據自動采集，華云升達氣象科技有限責任公司根據中國氣象局頒布的《QX/T56—2007地面氣象觀測規范第12部分：日照觀測》的相關要求，設計開發了HYSD-1型光電式數字日照傳感器。根據中國氣象局頒布的《光電式數字日照計功能規格需求書》要求，集成電源、通信、結構安裝組件等部分，組成了DFC2光電式數字日照計，并于2017年底通過裝備許可考核。陜西省99個站安裝了DFC2 光電式數字日照計，自2019年1月起開始日照自動與人工平行觀測。平行觀測分為兩個階段：第一階段(2019年1月1日至4月30日)以人工觀測記錄為正式觀測記錄，人工觀測及記錄方法按現行《地面氣象觀測規范》和業務規定執行。第二階段(2019年5月1日至6月30日)以自動觀測記錄為正式觀測記錄，按相關業務規定執行。自6月平行觀測結束后，光電式數字日照計自動觀測數據作為正式觀測記錄。國內有關專家和學者對自動與人工觀測的氣溫、氣壓、降水、霧、霾等數據的差異分析[2-5]較多，但對日照數據的對比分析較少。為了評估DFC2 光電式數字日照計與暗筒式日照計日照數據的差異，利用平行觀測第一階段的自動和人工觀測資料進行對比分析。

1 日照的兩種觀測方法

1.1 人工觀測

陜西省日照人工觀測使用暗筒式日照計。它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，來計算日照時數。

1.2 自動觀測

自動觀測利用DFC2 光電式數字日照計。日照傳感器采用三個光電感應器件測量太陽總輻射和散射輻射，計算出太陽直接輻射，并判斷累計日照時數，以 RS-232通信方式輸出。

2 資料和方法

選取2019年1—4月99個站的自動日照記錄及人工記錄中資料較完整的3個月(一部分是1—3月，一部分是2—4月)平行資料進行對比。分別從數據完整性、數據差異性等方面進行分析評估。數據完整性用缺測率考量，觀測數據以分鐘數據為基本單位，對廠家儀器的數據完整性作月缺測率評估。剔除非儀器原因與維護造成的缺測記錄，計算缺測率，月缺測率=(月觀測缺測次數/月應觀測總次數)×100%，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。用差值分析法分析兩種序列的差異，差值為自動觀測數據減去人工觀測數據；日照差值百分率=((自動日照月合計值-人工日照月合計值)/人工日照月合計值)×100%。將陜西省臺站按地域分為陜北、關中、陜南三個區域。陜北包含榆林、延安、銅川，關中包含寶雞、咸陽、渭南、楊凌，陜南包含漢中、商洛、安康，分析光電式日照計與暗筒式日照計數據的地域性差異。

3 結果與分析

3.1 數據完整性

陜西省99個臺站數據完整性較好。除53854、53938、57126、57211等臺站因儀器故障自動采集的日照數據分別缺測6 d、3 d、1 d、1 d外，其余臺站數據無缺測，數據采集成功率為100%，數據完整性優；人工觀測數據無缺測。

3.2 數據差異

3.2.1 小時日照數據 陜西省99個氣象站2019年1—4月最早日出時間為05時，最晚日落時間為19時。小時數據差值波動范圍±1 h。小時數據差值有明顯日變化規律(圖1)，日出開始差值很小(06時1、2月平均差值為0 h,3月為0.004 h)，隨著太陽高度角升高，絕對差值越來越大(11時1、2、3月平均差值-0.039、-0.046、-0.068 h)，自動采集數據小于人工數據趨勢明顯。

圖1 2019年1—3月陜西自動與人工觀測日照數據差值的日變化

14時平均差值為負極值(1、2、3月差值分別為-0.051、-0.065、-0.092 h)，之后隨著太陽高度角降低，絕對差值減小(15時1、2、3月差值-0.024、-0.036、-0.071 h)，在日落前的1～2 h差值為正極值(17時差值最大為0.058 h)。因日落時間有差異，3月正極值落后于1、2月1 h。差值的日變化無明顯地域差異。

3.2.2 日、月日照數據 日合計差值變化范圍-6.9～6.5 h,-6.9 h出現在寶雞地區的扶風站(站號57026；2019年4月9日)，6.5 h出現在安康地區的嵐皋站(站號57247；2019年3月26日)。日合計平均差值全省波動范圍不大，1月平均差值-0.17 h,2月平均差值-0.30 h,3月平均差值-0.52 h。從圖2可看出，90 d差值平均值中只有16 d為正值。1月有9 d為正值，最大差值為0.64 h,最小負值為-1.11 h；2月3 d為正，最大值為0.26 h,最小負值為-0.93 h；3月4 d為正值，最大差值為0.31 h,最小負值為-1.25 h?？傮w來看，日照自動觀測值普遍小于人工觀測值，兩個序列差異不大。

圖2 陜西2019年1—3月日照時數自動與人工日合計差值平均值

全省光電式日照計與暗筒式日照計3個月的平均差值百分率為-6.0%，即光電式日照計采集的數據總體比暗筒式日照計的數據偏小6.0%，自動觀測值普遍小于人工觀測值。在99站中，78站的差值百分率為負,20站差值百分率為正，1站自動和人工日照無差異。統計99站差值百分率發現：54%的臺站絕對差值百分率≤10%，在此范圍內差值百分率為正的站點12個，為負的站點41個；41%的臺站絕對差值百分率為10%～20%，8站為正，32站為負；5%的臺站絕對差值百分率≥20%，有5站(57042、57132、57044、57055、53946)，且差值百分率均為負值。圖3為全省99個站平行觀測3個月各站的差值百分率分布圖，可以明顯看出，大多數臺站差值百分率為負，但負值中心分散，陜北、關中、陜南都有。差值百分率為正的臺站占比較少，陜南站數相對較多。

圖3 陜西省99站2019年平行觀測3個月差值百分率/%分布圖

按地域分布情況來看(見表1)，陜北、關中3個月的差值百分率均為負值且2月的絕對差值百分率均最大。而陜南則不同，1月差值百分率為正且絕對差值百分率最大，2、3月為負值。

表1 2019年1—3月陜西月日照時數自動與人工差值百分率 %

陜西省所有臺站都使用DFC2型光電式數字日照計，但通過平行觀測3個月后發現即使在同一地域，各個臺站兩個序列數據差異也不盡相同。陜北16個代表站中，只有53756站點差值百分率為正，有6個站絕對差值百分率3個月均≤10%。53946站3個月自動日照計均比暗筒式日照計數據偏小2～3成。陜南1月自動觀測記錄比暗筒日照計數據偏大的站點多，2～3月偏小的站點較多，其中57247、57119兩站波動較大。

3.3 差異原因

DFC2光電式數字日照計與暗筒式日照計測量日照時數原理不同。光電式數字日照傳感器采用總輻射-散射輻射測量原理，在吸收國際先進的日照傳感器產品特點的基礎上研制的一款集數據采集、數據處理、數據存儲、通信傳輸為一體的數字化、智能化日照傳感器。暗筒式日照計利用感光跡線計算日照時數，日照紙的涂藥質量，直接關系到日照記錄的準確性，人工操作有一定的主觀性。

4 結論

(1)兩個序列數據完整性較好，數據采集成功率高；小時數據差值有明顯日變化規律，差值的日變化無明顯地域差異。

(2)全省光電式日照計與暗筒式日照計3個月的平均差值百分率為-6.0%，日照自動觀測值普遍小于人工觀測值，除陜南1月差值百分率為正(5.1%)外，關中、陜北、陜南各月差值百分率均為負值。