城口日照人工觀測與自動觀測數(shù)據(jù)對比分析

徐信，張應(yīng)超，向恭，龔德鑫，徐浩

（1.城口縣氣象局重慶405900；2.重慶市氣象局 重慶401147）

日照是指太陽在一地實(shí)際照射的時數(shù)。在一給定的時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達(dá)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(shù)。城口縣國家一般氣象站于2018 年10 月份安裝了光電式數(shù)字日照計(jì)（以下稱自動日照計(jì)），并開始了與人工日照觀測進(jìn)行平行觀測對比。

1 觀測原理

1.1 暗筒式日照計(jì)

暗筒式日照計(jì)又稱喬唐式日照計(jì)，它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光跡線，感光跡線的長短反映了日照時間的長短，所以通過感光跡線的長度來統(tǒng)計(jì)日照時數(shù)的。

1.2 光電式數(shù)字日照計(jì)

光電式數(shù)字日照計(jì)由硬件和軟件兩部分組成，日照傳感器（數(shù)字式）是光電式數(shù)字日照計(jì)的主要組成部件（圖3）。它集日照測量、信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存和通信為一體。通過計(jì)算得到當(dāng)前的太陽直接輻射輻照度，在與120W/m2的閾值進(jìn)行比較，經(jīng)處理后得到分鐘日照、小時累計(jì)日照以及日累積時數(shù)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

城口縣國家一般氣象站于2018 年10 月始新增自動日照觀測項(xiàng)目（光電式數(shù)字日照計(jì)），并開始進(jìn)行自動和人工日照平行觀測。本文將對比不同季節(jié)，自動日照計(jì)和人工日照計(jì)的差異性，故選擇2019 年3 月至2020 年2月共12月的日照數(shù)進(jìn)行對比分析，涵蓋了春、夏、秋、冬四個季節(jié)。故本文采用上述時間段城口縣國家一般氣象站的人工和自動日照觀測資料進(jìn)行對比分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的日照觀測設(shè)備作參考，無法確定暗筒式日照計(jì)和光電式數(shù)字日照計(jì)的觀測誤差。因此，本文僅討論自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對差值和相對差值。

我們定義自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的絕對差值Y絕對=X自動-X人工,自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)的相對差值Y相對=（X自動-X人工）/X人工×100%。

3 資料分析

3.1 小時日照時數(shù)分析

光電式數(shù)字日照計(jì)小時累計(jì)日照時數(shù)以分鐘為單位，按照小時內(nèi)每累計(jì)6min有日照則記錄為0.lh，剩余有日照的分鐘數(shù)達(dá)到或超過3min也記錄為0.1h。而暗筒式日照計(jì)則是根據(jù)日照紙上感光跡線的長度來計(jì)算日照時數(shù)，每6min 記為0.1h。根據(jù)中國氣象局綜合觀測司下發(fā)的《日照平行觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定》，當(dāng)光電式數(shù)字日照計(jì)小時內(nèi)的日照時數(shù)連續(xù)累計(jì)達(dá)到或超過3min，或者暗筒式日照計(jì)小時內(nèi)的日照時數(shù)累計(jì)達(dá)0.1h,則需進(jìn)行小時內(nèi)日照時數(shù)的一致性分析，以便了解光電式數(shù)字日照計(jì)和暗筒式日照計(jì)觀測的差異。故樣本中剔除了自動和人工小時日照時數(shù)均為0.0的樣本。

依據(jù)上述條件，城口站從2019年3月到2020年2月共有1812 組樣本參與統(tǒng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算其絕對誤差為0.17h，相對誤差為0.07h，相關(guān)系數(shù)0.74，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9015，說明自動日照小時數(shù)據(jù)總體大于人工日照小時數(shù)據(jù)。通過對兩組數(shù)據(jù)單因素方差分析，得知F（檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量）＞F crit（0.01）（臨界值），兩組數(shù)據(jù)通過了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，體現(xiàn)兩者較好的一致性。

3.2 逐日日照時數(shù)分析

同逐小時時數(shù)分析，剔除全天自動和人工日照時數(shù)均為 0.0 的天數(shù)，2019 年 3 月到 2020 年 2 月共有 243 組樣本參與統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)絕對誤差為0.47h，絕對誤差為0.77h，相關(guān)系數(shù)0.94，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9343，說明自動日照小時數(shù)據(jù)總體大于人工日照小時數(shù)據(jù)。通過上述方法計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)通過了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，體現(xiàn)兩者較好的一致性。

為了進(jìn)一步了解自動與人工觀測逐日日照時數(shù)的差異，我們將自動與人工觀測日照時數(shù)逐日做差值，并進(jìn)行了分段統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，橫坐標(biāo)表示自動與人工觀測逐日日照時數(shù)的差值所在區(qū)間，縱坐標(biāo)表示差值對應(yīng)的日數(shù)所占的比例。

由圖1可知，自動與人工觀測日照時數(shù)差值小于0的日數(shù)所占比例均為26%，等于0的日數(shù)占比為14%，大于0的日數(shù)占比為60%，差值在[-0.5，1)之間的日數(shù)占比為72%，說明自動日照日時數(shù)總體大于人工日照時數(shù)，自動日照日時數(shù)和人工日照日時數(shù)相等的日數(shù)占比為14%，相對較低，說明自動日照計(jì)和人工日照計(jì)所觀測的日照時數(shù)差異率較高，但日數(shù)據(jù)差異多數(shù)分布在[-0.5，1)之間，說明自動和人工日照觀測的日照時數(shù)總體偏差不大。

3.3 逐月日照時數(shù)分析

對2019年3月到2020年2月自動和人工逐月日照時數(shù)進(jìn)行對比分析，兩組數(shù)據(jù)未能通過α=0.01 顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)對比分析，所有月份的自動日照時數(shù)均大于人工日照時數(shù)，其中10 月和11 月日照時數(shù)偏差較大，分別偏大25.7%和31.4%，超過最大允許誤差±10%的允許誤差標(biāo)準(zhǔn)，這也是兩組數(shù)據(jù)未能通過一致性檢驗(yàn)的重要原因。

3.4 逐季日照時數(shù)分析

我們按照春季（2019 年3 月至5 月）、夏季（2019 年6月至8月）、秋季（2019年9月至11月）、冬季（2019年12月至2020 年2 月）的劃分統(tǒng)計(jì)各臺站四季的自動與人工觀測日照時數(shù)相對差值。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，春夏冬三季，自動日照時數(shù)和人工日照時數(shù)相對差值較小，秋季相對誤差值明顯高于其余三個季節(jié)，達(dá)到了81.26%。

3.5 云量對自動與人工觀測日照的影響

圖2 自動和人工觀測逐季日照時數(shù)相對差值

為了分析不同天空狀況條件對自動與人工觀測日照時數(shù)差值影響，我們用每日08:00～20:00 12 個小時平均總云量來反映每天日出期間天空云量的情況，剔除全天自動和人工日照時數(shù)均為0.0的天數(shù)，同時不考慮降雨帶來的影響，2019年3月到2020年2月共有243組樣本參與統(tǒng)計(jì)。將天空狀況分為晴（總云量小于3成）、多云（總云量為3到7成）、陰天（總云量大于7成）三種情況，分別對這三種天空狀況做相關(guān)性分析并計(jì)算相對差值率。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，自動和人工日照時數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.97、0.92、0.69，相對差值率分別為5.62%、18.07%、5.5%，同時發(fā)現(xiàn)云量越多自動和人工日照時數(shù)相關(guān)性越差，自動日照時數(shù)和人工日照時數(shù)相對差值越大。

圖3 不同天空狀態(tài)下自動和人工觀測逐日日照時數(shù)散點(diǎn)圖

4 小結(jié)與討論

（1）自動觀測與人工觀測日照數(shù)據(jù)一致性總體較好，逐小時、逐日日照時數(shù)均通過了顯著性檢驗(yàn)。但由于秋季兩者相對差值過大，導(dǎo)致逐月數(shù)據(jù)未能通過顯著性檢驗(yàn)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該季度的藥物存在質(zhì)量問題，多次出現(xiàn)觀測有日照但實(shí)際未能正常顯影的情況，排除秋季異常數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從春季開始，隨著季節(jié)推移，自動及人工觀測日照時數(shù)相對差值逐漸增大。

（2）通過對自動和人工日照時數(shù)進(jìn)行線性分析，計(jì)算得出逐小時及逐日日照時數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.9 和0.93。將天空狀況分為晴（總云量小于3 成）、多云（總云量為3到7成）、陰天（總云量大于7成）三種情況，這三種情況下計(jì)算的出逐日日照時數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.97、0.92、0.69。

（3）自動日照時數(shù)總體高于人工觀測時數(shù)，說明光電式日照計(jì)較暗筒式日照計(jì)靈敏性高，能夠?qū)崿F(xiàn)日照的連續(xù)性觀測，有效排除各種因素影響，觀測數(shù)據(jù)更具代表性和準(zhǔn)確性。