暗筒式日照計與CSD3自動日照儀數(shù)據(jù)對比分析

廖桉樺，顧人穎，王 杰

(寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315100)

日照時數(shù)是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。世界氣象組織(WMO)定義日照時數(shù)為太陽直接輻照度達到或超過120 W·m-2的時間的總和[1-2]。日照對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活都有很大的影響。目前，國內(nèi)氣象部門除了在較高緯度地區(qū)使用聚焦式日照計(又稱康培司托克式日照計)記錄日照時數(shù)外，大部分地區(qū)都使用暗筒式日照計(又稱喬唐式日照計)，仍需要人工涂藥、換紙和畫線記錄，與現(xiàn)代化觀測的發(fā)展要求不相匹配。

根據(jù)日照時數(shù)的定義，直接測量直接輻射的輻照度是最準確的，但對跟蹤裝置要求較高，同時裝置上下午需至少對光點一次[2]。張緯敏等[3]發(fā)現(xiàn)，直射表跟蹤不準的差值比暗筒式日照計閾值不準的誤差還大；劉娜等[4]發(fā)現(xiàn)，直接輻射表比暗筒式日照計觀測記錄平均偏低0.51 h。近年來，國內(nèi)外研制了若干無須跟蹤裝置的日照時數(shù)自動化測量設備[5]，石振文[6]和楊召瓊[7]都對人工觀測和CSD1型日照傳感器自動觀測的記錄進行過對比分析，證實人工觀測與自動觀測日照時數(shù)之間有非常好的相關性。呂文華等[8]對光電式自動日照計的性能進行對比研究，發(fā)現(xiàn)CSD3型自動日照計性能總體較優(yōu)。為提高觀測的簡易度與準確度，本研究擬對鄞州國家基本站基于CSD3傳感器觀測(以下稱自動觀測)和暗筒式日照計觀測(以下稱人工觀測)的日照時數(shù)進行差值對比分析，為相關研究和應用提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)時段

鄞州國家基本站位于寧波市鄞州區(qū)氣象局內(nèi)，2008年引進了芬蘭Vaisala公司的MILOS520自動站，配備了Kipp & Zonen公司生產(chǎn)的CSD3傳感器，直到2013年12月31日都作為主業(yè)務站。本文數(shù)據(jù)對比分析時間段為2008年1月1日至2013年12月31日。

1.2 資料預處理

由于CSD3傳感器并非正式業(yè)務觀測設備，配套的業(yè)務軟件并無補調(diào)日照時數(shù)數(shù)據(jù)功能，自動觀測日照時數(shù)數(shù)據(jù)存儲在擴展名為RTD的文件中，計算機重啟或采集軟件關閉均會引起部分日照時數(shù)的分鐘數(shù)據(jù)缺失。為保證對比的可靠性，同時也為了保留盡可能多的樣本，采取以下方式對缺失數(shù)據(jù)進行填補：當分鐘自動觀測日照時數(shù)數(shù)據(jù)缺失1～2 min時，若前、后5 min數(shù)據(jù)均為有(或無)日照，認為該缺失時間段為有(或無)日照；當分鐘自動觀測日照時數(shù)數(shù)據(jù)缺失3～5 min時，若前、后10 min數(shù)據(jù)均為有(或無)日照，認為該缺失時間段為有(或無)日照。

為避免時差引起的統(tǒng)計不一致，僅當自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后全天均無缺失時才參與統(tǒng)計對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐日日照時數(shù)差異

按照本研究的數(shù)據(jù)預處理方式，鄞州站2008—2013年共有2 143個樣本值參與統(tǒng)計。由于沒有標準觀測儀器，無法確切知道各自的誤差，本研究僅針對2種儀器的觀測數(shù)據(jù)差異進行分析，不使用誤差的概念。

定義自動觀測與人工觀測日照時數(shù)差值S差值=S自動-S人工，自動觀測與人工觀測日照時數(shù)相對差值S相對差值=(S自動-S人工)/S人工×100。

從圖1可以看出，總體上，人工觀測與自動觀測的數(shù)據(jù)一致性較好，相關系數(shù)為0.978 6，自動觀測數(shù)據(jù)較人工觀測數(shù)據(jù)偏高，部分日期自動觀測數(shù)據(jù)明顯高于人工觀測。個別情況下，人工觀測日照時數(shù)為0，而自動觀測的日照時數(shù)到達6 h以上。這部分記錄的差值主要是由不同儀器感光閾值的差異所引起。

圖1 人工觀測與自動觀測日照時數(shù)的散點比較

將自動觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)差值以0.1為間隔進行分段統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示，圖中橫坐標0.0表示相對差值在-0.1～0.0的記錄，其他依次類推。將自動觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)差值以5%為間隔進行分段統(tǒng)計，結(jié)果可以看出，自動觀測與人工觀測的日照時數(shù)差值大部分為正值，負值只占了20.8%，平均差值為0.35 h，只有不到35%的記錄差值在±0.1 h內(nèi)，另外有接近5%的記錄差值超過2.0 h。相對差值在±10%內(nèi)的記錄占60%以上，相對差值超過100%的占比接近5%，但與差值超過2.0 h所占比例代表的含義略有不同，此類數(shù)據(jù)多出現(xiàn)在人工觀測和自動觀測日照時數(shù)都較少的情況下。

圖2 日照時數(shù)差值的分布

2.2 逐月日照時數(shù)差異

按照數(shù)據(jù)預處理方式，將鄞州站2008—2013年自動觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)均無缺失的記錄按月統(tǒng)計，并計算相對差值，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，絕大部分月份自動觀測和人工觀測的日照時數(shù)比較接近，相對差值在-5%～15%的月份占了86.1%，比起逐日的相對差值，分布更集中。人工觀測和自動觀測月日照時數(shù)相關系數(shù)為0.979 4。只有6個月的相對差值超過20%，這6個月中又有3個都是6月份。一方面，梅雨期較少的日照時數(shù)使得相對差值顯得較大；另一方面，2種儀器靈敏度和記錄方式的差異，導致其在類似條件下工作，數(shù)據(jù)差異會較大。2008年1月至2009年6月相對差值較大，該時段總相對差值為15.3%，平均差值為0.75 h·d-1；2009年7月至2012年6月相對差值明顯減少，該時段相對差值為6.2%，平均差值為0.29 h·d-1，兩者的一致性很好；2012年7月至2013年12月，相對差值開始出現(xiàn)負值，該時段相對差值為1.3%，平均差值為0.08 h·d-1。

圖3 月日照時數(shù)的差值

3 小結(jié)與討論

本研究對鄞州國家基本氣象站2008年1月至2013年12月的自動觀測和人工觀測日照時數(shù)進行對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自動觀測記錄數(shù)據(jù)平均比人工觀測多0.35 h，但亦有20.8%的自動觀測數(shù)據(jù)比人工觀測偏低。按月進行統(tǒng)計，相對差值在-5%～15%的月份占了86.1%，說明自動觀測和人工觀測的日照時數(shù)月總值一致性比較好。

關于差值的來源，首先記錄方式不一致，自動觀測的時間分辨率為1 min，人工觀測日照的記錄最小單位為0.1 h，即6 min，且在畫線的過程中實際上相當于進行了四舍五入，這種差值應該是無偏的。其次據(jù)張緯敏等[3]研究，暗筒式日照計的日照紙晴天時感光閾值為270～300 W·m-2，地平線渾濁時感光閾值為130～145 W·m-2，日出和日落時會引起記錄偏少，日平均偏少可達0.4～0.5 h。最后在多云天氣輻照度快速變化時，自動觀測儀器能很好地記錄出相應變化，而人工觀測則可能會記錄成連續(xù)[6,9]，這種誤差會導致人工觀測比自動觀測的數(shù)值偏高。

整個對比時段內(nèi)，自動觀測比人工觀測的日照時數(shù)偏多0.35 h。從總觀測值來說，自動觀測的數(shù)據(jù)更接近WMO定義的標準，但在逐日差值上，有20.8%的人工觀測數(shù)據(jù)比自動觀測數(shù)據(jù)偏大，對此現(xiàn)象仍需深入分析。此外，自動觀測儀記錄的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出下降趨勢，有可能是儀器老化或維護不夠?qū)е碌摹?/p>

目前，WMO給出了日照時數(shù)測量的暫定標準，國內(nèi)大部分地區(qū)使用的暗筒式日照計在WMO的氣象儀器和觀測方法指南中并不推薦使用。即使今后各氣象站使用統(tǒng)一的自動觀測設備，由于各設備的日照輻照度閾值不同，也需考慮設備間的對比分析和訂正的問題。若要對日照時數(shù)進行準確的研究，還需根據(jù)直接輻射或總輻射、散射輻射等數(shù)據(jù)，并結(jié)合天氣狀況進行細化分析。

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