杜 冰,吳 薇,黃曉龍,陳中鈺,鄭麗英,李施穎
(1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心,成都 610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610072;3.四川省成都市溫江區(qū)氣象局,成都 611130)
日照時(shí)數(shù)是一個(gè)非常重要的氣象要素,通過(guò)影響陸-氣、海-氣相互作用,對(duì)天氣、氣候產(chǎn)生重要的影響,由于日照是植物光合作用必不可少的條件,日照時(shí)數(shù)在農(nóng)業(yè)氣象應(yīng)用、研究方面有著尤為重要的地位[1-4]。根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范定義,日照時(shí)數(shù)為太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過(guò)120W/m2的時(shí)間總和[5],所以日照時(shí)數(shù)其實(shí)是太陽(yáng)直接輻射的一個(gè)表現(xiàn),但觀測(cè)臺(tái)站比直接輻射更多,應(yīng)用面也更廣[6-8]。人工日照觀測(cè)原理分為燒痕法和感光法,對(duì)應(yīng)儀器分別是聚焦式日照計(jì)和暗筒式日照計(jì),其中聚焦式日照計(jì)一般在較高緯度地區(qū)使用[9]。四川省國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家站”)在2019年之前,一直采用暗筒式日照計(jì)進(jìn)行日照時(shí)數(shù)觀測(cè)。高青芳等[10]研究表明,暗筒式日照計(jì)人工觀測(cè),需要配置感光劑、涂制感光紙,易產(chǎn)生誤差;杜傳耀[11]、孟慶勇等[12]研究表明,人工觀測(cè)過(guò)程中需換紙、劃線、讀數(shù),環(huán)節(jié)多,觀測(cè)準(zhǔn)確性和觀測(cè)員習(xí)慣、操作規(guī)范息息相關(guān),受人為影響較大,與氣象現(xiàn)代化發(fā)展要求不匹配。所以日照觀測(cè)自動(dòng)化勢(shì)在必行,是實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化的重要內(nèi)容。
四川全省在2018年12月20日前完成了光電式數(shù)字日照計(jì)安裝建設(shè),2019年1月1日起,全省156個(gè)國(guó)家站均開(kāi)展日照平行對(duì)比觀測(cè),以獲得人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異。近年來(lái),很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)人工與自動(dòng)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究,杜傳耀等[11]對(duì)比了直接輻射表、自動(dòng)日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù),表明暗筒式日照計(jì)易受人為因素影響,測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)高低不均,其觀測(cè)值易大于自動(dòng)日照計(jì),且在霧霾日誤差更大;呂文華等[13]以直接輻射表觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)作為參考,評(píng)估了國(guó)產(chǎn)光電式自動(dòng)日照計(jì)的觀測(cè)性能,表明自動(dòng)日照計(jì)在陰雨天誤差略大,但能滿足日照觀測(cè)自動(dòng)化的準(zhǔn)確性要求;王超球等[14]進(jìn)行了總輻射表和暗筒式日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的對(duì)比研究,表明暗筒式日照計(jì)靈敏度較低,客觀性較差,晴好天氣觀測(cè)誤差更小;孟慶勇等[12]對(duì)直接輻射表和暗筒式日照計(jì)觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了比較,表明人工觀測(cè)值較自動(dòng)觀測(cè)偏大,且人工觀測(cè)誤差較大。可以看出,自動(dòng)觀測(cè)相較于人工觀測(cè)更為準(zhǔn)確穩(wěn)定,天氣情況對(duì)日照觀測(cè)準(zhǔn)確性有一定的影響。目前大多數(shù)日照時(shí)數(shù)人工與自動(dòng)對(duì)比研究都是基于單站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行,對(duì)不同氣候區(qū)域多站點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究的較少,對(duì)不同日照時(shí)數(shù)等級(jí)下的對(duì)比研究也較少。日照觀測(cè)方式的變化,很可能會(huì)導(dǎo)致資料序列差異[15-17],四川省地形復(fù)雜,各地區(qū)氣候差異很大,所以分析四川省人工與自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差異以及空間分布規(guī)律,對(duì)全省各地區(qū)日照時(shí)數(shù)資料的銜接應(yīng)用尤其是長(zhǎng)時(shí)間序列資料研究有著重要的參考價(jià)值[18-19]。本文使用四川省所有國(guó)家站日照平行觀測(cè)期間的資料,分析評(píng)估人工與自動(dòng)日照時(shí)數(shù)的差異及空間分布規(guī)律,研究不同日照時(shí)長(zhǎng)條件下人工與自動(dòng)觀測(cè)值的一致性及空間分布,分析觀測(cè)方式變化導(dǎo)致的資料序列差異,可為今后日照時(shí)數(shù)資料的銜接應(yīng)用及其它日照相關(guān)的研究提供重要參考依據(jù)。
暗筒式日照計(jì)觀測(cè)原理為日照自記紙上的感光物質(zhì)因日照產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng),從而記錄下跡線,人工讀取跡線長(zhǎng)度就得到了日照時(shí)長(zhǎng),精度為0.1h。四川省所有國(guó)家站安裝的自動(dòng)日照儀器均為華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì),采用置于光學(xué)鏡筒中的三個(gè)同軸光電感應(yīng)器,對(duì)總輻射和散射輻射輻照度進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)觀測(cè),根據(jù)計(jì)算出的直接輻照度判斷有無(wú)日照,觀測(cè)值精度為1分鐘,根據(jù)分鐘日照來(lái)計(jì)算小時(shí)、日累計(jì)日照時(shí)數(shù)。
本文使用四川全省156個(gè)國(guó)家站2019年1~3月共3個(gè)月的人工和自動(dòng)日照時(shí)數(shù)資料,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查,其次進(jìn)行小時(shí)日照時(shí)數(shù)一致性分析和全天日照時(shí)數(shù)一致性分析,最后進(jìn)行全天日照時(shí)數(shù)分級(jí)一致性分析。一致性評(píng)估方法為:逐站逐時(shí)次(日或小時(shí))選取日照時(shí)數(shù)人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值,計(jì)算二者間的偏差、平均值誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)等指標(biāo),人工或自動(dòng)觀測(cè)值若有一方缺測(cè),該時(shí)次不參加統(tǒng)計(jì),具體計(jì)算公式如下:
偏差(BIAS)
(1)
平均值誤差(ME)
(2)
均方根誤差(RMSE)
(3)
相關(guān)系數(shù)(COR)
(4)
其中,Oi為人工日照時(shí)數(shù)觀測(cè)值,Gi為自動(dòng)日照時(shí)數(shù)觀測(cè)值,N為參與檢驗(yàn)的總時(shí)次數(shù)。
一致性統(tǒng)計(jì)樣本具體選取規(guī)則為:
(1)小時(shí)一致性分析:同一小時(shí)光電式數(shù)字日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照累計(jì)時(shí)數(shù)達(dá)到或超過(guò)3分鐘,或暗筒式日照計(jì)小時(shí)內(nèi)日照時(shí)數(shù)累計(jì)達(dá)到0.1h,則選取該小時(shí)進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)樣本以分鐘為單位,逐站進(jìn)行計(jì)算。
(2)全天一致性分析:同一日光電式數(shù)字日照計(jì)全天日照累計(jì)時(shí)數(shù),或暗筒式日照計(jì)全天日照累計(jì)時(shí)數(shù)達(dá)到0.1h,則選取該日進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)樣本以小時(shí)為單位,逐站進(jìn)行計(jì)算。
(3)以6h為一個(gè)等級(jí)的逐站一致性分析:將每個(gè)站逐日自動(dòng)日照時(shí)數(shù)分為≥6h和<6h兩類,每類分別與同日人工觀測(cè)值進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)。每類中,樣本仍需滿足全天自動(dòng)或人工累計(jì)日照時(shí)數(shù)達(dá)到0.1h,才選取該日進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)的原則。統(tǒng)計(jì)樣本以小時(shí)為單位,分兩類進(jìn)行逐站計(jì)算。
(4)以2h為一個(gè)等級(jí)的綜合一致性分析:將所有臺(tái)站全天自動(dòng)日照時(shí)數(shù)以2h為一個(gè)等級(jí),分六類(0~2h,2~4h,…,10~12h)分別與對(duì)應(yīng)時(shí)次的人工日照時(shí)數(shù)進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)。每類中,樣本仍需滿足全天自動(dòng)或人工累計(jì)日照時(shí)數(shù)達(dá)到0.1h,才選取該日進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)的原則。統(tǒng)計(jì)樣本以小時(shí)為單位,不區(qū)分具體臺(tái)站,全省所有數(shù)據(jù)分六類進(jìn)行綜合計(jì)算。
2019年1~3月全省人工日照時(shí)數(shù)無(wú)缺測(cè)。以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位,對(duì)全省156個(gè)站2019年1~3月自動(dòng)日照時(shí)數(shù)缺測(cè)率進(jìn)行了逐站統(tǒng)計(jì)。自動(dòng)日照分鐘缺測(cè)率計(jì)算方法為:
自動(dòng)日照分鐘缺測(cè)率=(觀測(cè)缺測(cè)分鐘數(shù)/應(yīng)觀測(cè)總分鐘數(shù))×100%
(5)
統(tǒng)計(jì)柱狀圖見(jiàn)圖1(a),空間分布見(jiàn)圖1(b)??梢钥闯龃蟛糠峙_(tái)站分鐘日照缺測(cè)率都在0.3%以內(nèi),分布在0.1%~0.2%的臺(tái)站最多,有92個(gè)??傮w而言,自動(dòng)日照時(shí)數(shù)缺測(cè)很少,表明DFC2型光電式數(shù)字日照計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定。
各統(tǒng)計(jì)量空間分布見(jiàn)圖2。全省156個(gè)站中,105個(gè)站偏差<1,51個(gè)站≥1,表明大部分站小時(shí)人工觀測(cè)值略大于自動(dòng)觀測(cè),從偏差空間分布圖2(a)可以看出,人工日照時(shí)數(shù)偏小的站多出現(xiàn)在盆地等日照較弱、時(shí)長(zhǎng)較短的地帶,攀枝花、三州等日照時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)基本全是人工觀測(cè)值較自動(dòng)觀測(cè)偏大的臺(tái)站。平均值誤差和偏差類似,大部分臺(tái)站都集中在-4~4分鐘以內(nèi),且<0的臺(tái)站也為105個(gè),空間分布圖2(b)和圖2(a)相似。均方根誤差普遍較小,130個(gè)臺(tái)站均在16分鐘以下,從空間分布圖2(c)可以看出,均方根誤差較大的臺(tái)站多分布在盆地地區(qū),攀枝花、三州地區(qū)普遍較小。絕大部分臺(tái)站小時(shí)相關(guān)系數(shù)都在0.7以上,只有11個(gè)臺(tái)站相關(guān)系數(shù)<0.7,其中寶興站由于局站分離,人工日照觀測(cè)在縣局辦公處,自動(dòng)日照計(jì)在國(guó)家站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi),二者相距20km左右,所以小時(shí)相關(guān)性很差,相關(guān)系數(shù)僅0.08。相關(guān)系數(shù)空間分布(見(jiàn)圖2(d))與均方根誤差類似,相關(guān)系數(shù)較小的臺(tái)站多出現(xiàn)在盆地地區(qū)。
各統(tǒng)計(jì)量空間分布見(jiàn)圖3,自動(dòng)-人工日值散點(diǎn)圖見(jiàn)圖4。日照時(shí)數(shù)日值偏差與小時(shí)值偏差分布類似,<1的站有103個(gè),表明大部分站人工觀測(cè)日值略大于自動(dòng)觀測(cè),大部分臺(tái)站(119個(gè))偏差都分布在0.9~1.1以內(nèi)。從日值偏差分布圖3(a)可以看出,人工觀測(cè)日值偏小的臺(tái)站仍然多出現(xiàn)在盆地內(nèi),與小時(shí)偏差分布一致。日值平均值誤差在±0.5h以內(nèi)的臺(tái)站有121個(gè),<0的臺(tái)站有103個(gè),空間分布與偏差類似(詳見(jiàn)圖3b)。日值均方根誤差有136個(gè)站都在1.1h及以下,分布在0.5~0.9h內(nèi)的站點(diǎn)最多,有94個(gè)。均方根誤差空間分布見(jiàn)圖3(c),可見(jiàn)超過(guò)1.1h的臺(tái)站仍然主要分布在盆地地區(qū)。日值相關(guān)系數(shù)比小時(shí)值明顯更高,表明日值相關(guān)性更好,<0.9的站只有9個(gè),空間分布見(jiàn)圖3(d)。從自動(dòng)-人工散點(diǎn)圖4也可以看出,二者一致性很好,人工觀測(cè)偏大的樣本更多。但出現(xiàn)了一部分人工觀測(cè)為0,自動(dòng)觀測(cè)不為0的樣本,很可能為人工觀測(cè)精度較低導(dǎo)致的漏測(cè)。
從圖5~7可以看出,以日自動(dòng)日照時(shí)長(zhǎng)6h為界限分為兩類后,兩類之間人工與自動(dòng)一致性分布有明顯差異(由于寶興站較特殊,此部分予以剔除)。從平均值誤差分布圖5可以看出,總的趨勢(shì)都是盆地多為正值(人工觀測(cè)偏小),攀枝花、三州多為負(fù)值(人工觀測(cè)偏大),且盆地區(qū)域平均值誤差絕對(duì)值更大。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn),在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí),盆地人工觀測(cè)值偏小更嚴(yán)重,攀枝花、三州人工觀測(cè)值偏大程度較輕。在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<6h時(shí),攀枝花、三州人工觀測(cè)值偏大更嚴(yán)重,盆地人工觀測(cè)值偏小程度較輕。
這可能與觀測(cè)員觀測(cè)習(xí)慣有關(guān):在攀枝花、三州地區(qū),日照時(shí)長(zhǎng)一般較長(zhǎng),觀測(cè)員習(xí)慣觀測(cè)較長(zhǎng)的日照時(shí)數(shù),所以日照時(shí)數(shù)較少時(shí),人工觀測(cè)值仍然容易偏大。而在盆地區(qū)域,日照時(shí)長(zhǎng)一般較短,觀測(cè)員更習(xí)慣觀測(cè)較短的日照時(shí)數(shù),在日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)情況下,人工觀測(cè)值易偏小更多。從平均值誤差站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表1可以看出,在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí),總體平均值誤差更小。
從圖6可以看出,偏差在攀枝花、三州地區(qū)的分布與平均值誤差類似,自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<6h時(shí)人工觀測(cè)值偏大更嚴(yán)重,在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí)人工觀測(cè)更為準(zhǔn)確。但與平均值誤差不同的是,盆地地區(qū)在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí)偏差也更接近1。偏差是累加和之比,較平均值誤差更宏觀,二者有差異屬正常。從表2可以看出,在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí),偏差在0.95~1.05的站數(shù)為113個(gè),在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<6h時(shí),偏差在0.95~1.05之間的站數(shù)僅為31個(gè),所以在日自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h情況下,人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的偏差更接近于1。
均方根誤差分布見(jiàn)圖7,與平均值誤差類似,攀枝花、三州地區(qū)的均方根誤差在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí)更小,在<6h時(shí)更大,盆地分布趨勢(shì)與之相反,在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<6h時(shí)更小。從站點(diǎn)個(gè)數(shù)分布表3可以看出,當(dāng)自動(dòng)日照時(shí)數(shù)≥6h時(shí),均方根誤差<0.7h的站有96個(gè),當(dāng)自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<6h時(shí),均方根誤差<0.7h的只有64個(gè)站。
總之,攀枝花、三州地區(qū)人工觀測(cè)值一般都較自動(dòng)觀測(cè)值偏大,在日照時(shí)數(shù)較少(<6h)情況下,人工觀測(cè)值偏大更多;而在盆地地區(qū),大多數(shù)臺(tái)站人工觀測(cè)值較自動(dòng)觀測(cè)值偏小,在日照時(shí)數(shù)較多(≥6h)的情況下,人工觀測(cè)值偏小更為嚴(yán)重。
表1 日照日值6h等級(jí)下平均值誤差站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)
表2 日照日值6h等級(jí)下偏差站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)
表3 日照日值6h等級(jí)下均方根誤差站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)
由于寶興站的特殊性,此部分剔除寶興站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖8可以看出,自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<8h時(shí),偏差<1,平均值誤差<0,在8h以上時(shí),偏差>1,平均值誤差>0,說(shuō)明自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<8h時(shí)人工觀測(cè)值多出現(xiàn)偏大,在8h以上時(shí)人工觀測(cè)值多出現(xiàn)偏小。從誤差大小來(lái)看,無(wú)論平均值誤差還是均方根誤差,都是2~8h之間較大,2h以下和8h以上較小,其中在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)>8h時(shí),全省人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差更小。相關(guān)性與誤差大小變化一致,均方根誤差和平均值誤差較大時(shí),相關(guān)系數(shù)較小。說(shuō)明在自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<2h、以及>8h時(shí),全省人工觀測(cè)值更接近自動(dòng)觀測(cè)值,在2~8h之間時(shí),全省人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差較大。
日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)(>8h)時(shí),一般日照強(qiáng)度較大,日照時(shí)段也較為連續(xù),所以人工觀測(cè)跡線更清晰,也較為連續(xù),這種情況下,人工觀測(cè)更容易判斷,精度有所提高,人工觀測(cè)值和自動(dòng)觀測(cè)更為接近。在日照時(shí)數(shù)較少(<2h)時(shí),一般日照時(shí)長(zhǎng)也較為集中,人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)較高,均方根誤差、平均值誤差較小,但均方根誤差、平均值誤差絕對(duì)值仍然>8h以上的分組,偏差與1相差仍然較大。在日照時(shí)數(shù)適中(2~8h)的情況下,日照時(shí)段更容易不連續(xù),日照強(qiáng)度變化較大,導(dǎo)致人工觀測(cè)準(zhǔn)確性下降,從而使人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間誤差偏大,相關(guān)性變差。
本文綜合分析了四川省人工與自動(dòng)日照時(shí)數(shù)的小時(shí)值、日值一致性,討論了不同日照時(shí)長(zhǎng)對(duì)人工與自動(dòng)觀測(cè)一致性的影響,并研究了一致性空間分布規(guī)律,具體結(jié)論如下:
(1)總體上,自動(dòng)和人工觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)相關(guān)性較好,二者間誤差較小,日值相關(guān)性更好。四川省大多數(shù)臺(tái)站人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)略大于自動(dòng)觀測(cè)。人工觀測(cè)值較自動(dòng)值偏小的臺(tái)站多出現(xiàn)在盆地地區(qū)。相較于盆地,攀枝花、三州地區(qū)人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)與自動(dòng)觀測(cè)值更接近;
(2)攀枝花、三州地區(qū)人工觀測(cè)值一般較自動(dòng)觀測(cè)值偏大,在日照時(shí)數(shù)較多的情況下,人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差更小,在日照時(shí)數(shù)較少情況下,人工觀測(cè)值偏大的更嚴(yán)重。多數(shù)盆地內(nèi)臺(tái)站人工觀測(cè)值較自動(dòng)觀測(cè)值偏小,在日照時(shí)數(shù)較少情況下,人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差更小,在日照時(shí)數(shù)較多的情況下,人工觀測(cè)值偏小更嚴(yán)重;
(3)綜合全省數(shù)據(jù),日自動(dòng)日照時(shí)數(shù)>8h時(shí),人工觀測(cè)值易出現(xiàn)偏小,人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差更小,相關(guān)性更好。日自動(dòng)日照時(shí)數(shù)<8h時(shí),人工觀測(cè)值較自動(dòng)觀測(cè)值易出現(xiàn)偏大。日自動(dòng)日照時(shí)數(shù)在2~8h時(shí),全省人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的誤差更大,相關(guān)性也更差。
在全國(guó)日照時(shí)數(shù)觀測(cè)自動(dòng)化已全面完成的背景下,今后的研究可應(yīng)用日照平行觀測(cè)期間的資料,結(jié)合臺(tái)站具體天氣情況,對(duì)四川以至全國(guó)每個(gè)氣候區(qū)域內(nèi)的典型臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步細(xì)化人工與自動(dòng)觀測(cè)值之間的差異及影響因素,為各地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列日照時(shí)數(shù)資料的應(yīng)用提供更加細(xì)致的參考依據(jù)。