别致宜

(内蒙古自治区乌海市气象局，内蒙古 乌海 016000)

1 引言

自日照自动观测设备逐步在全国各气象台站安装、试运行以来，很多的科研学者以及气象工作者对日照自动观测和人工观测进行了分析，例如，吴双桂等[1]对格尔木日照的人工和自动观测数据进行了比对分析；邱杰等人[2]对湖州地区FS-RZ1日照传感器试运行期间的状况进行了分析研究；丁丽、刘双喜等人[3]对3种不同类型日照仪器，进行了相关性以及影响相对差值的因素等方面的分析研究。观测日照对于了解太阳直射辐射变化、监测天气气候状况、分析和预报未来天气、农业生产等都有着重要意义[4]。

当前，随着时代的进步，技术的革新，为进一步满足社会发展需求，地面气象观测全面进入自动化时代，取消人工定时观测及日常值守班的工作，观测设备逐步实现自动化。其中，日照观测要素已由传统的暗筒式日照计变更为自动观测的DFC2型光电式数字日照计。按照《日照平行观测业务技术规定》(气测函〔2018〕153号)通知要求，完成日照平行观测业务。为进一步分析两者之间的相关性以及一致性，判断仪器观测数据的准确性和代表性，以内蒙古自治区乌海市气象局乌海国家气象观测站为例，通过对建站以来一直使用的暗筒式日照计(为人工观测仪器)观测数据和2018年9月安装的DFC2型光电式数字日照计(为自动观测设备)观测数据进行比对分析[5]。为当地光伏发展、太阳能开发利用、日照观测业务、地面气象观测无人化等相关研究和应用提供参考[6]。

2 资料来源与处理方法

2.1 数据来源

本文分析所使用的资料来自乌海国家气象观测站53512站在日照平行观测业务期间(2019年1～6月)的日照观测数据，其中6月观测日数为13 d。数据来源设备位于国家站观测场内，南北间距1 m，符合平行观测要求；同时，平行观测期间，国家站设备运行稳定、未曾出现故障，观测场探测环境未曾发生变化，日照观测数据准确、可用、无野值，期间应观测次数236160次，实际观测次数236160次，观测成功率100%。

2.2 处理方法

本文对3936 h的样本数据进行统计处理。本次分析旨在处理研究两种观测仪器所得数据的相关性和可用性等情况。因现下没有日照的标准控制器，故不对设备进行误差的判定和使用。

3 数据分析

3.1 日照逐小时数据差异

乌海地区2019年1～6月的日出和日落时间段分别为05：24～08：13；17：38～20：21，故挑选05：00～21：00的日照观测数据进行处理分析。

从图1和图2可以看出各时次两种观测手段存在的差异。得出各时次差值在正值、负值和0存在不同频率的分布，也就是说日照自动观测比人工观测数值有多有少，也有相等的时候。两种仪器在观测时段内观测值相同时次占比80.8%，在 6 时、17 时、18 时 和 19 时自动观测数值大于人工观测值的次数偏多，7 时至15 时自动观测值小于人工观测值的次数相对较多。

图1 观测时段内各时次差值频率

3.2 日照逐日数据差异

通过对日照逐日数据的处理和分析，得出样本总数164 d的差值大小，并统计不同差值出现的频率，制作得图2。

图2 各日不同差值频率分布

由图2可知，差值处于±1 h/d之间的频率为87.2%，在12.8%的频率中，光电式数字日照计的测量范围在±1之外。通过此分布范围分析得出，日照观测的自动设备和人工设备之间表现出良好的相关性。日照自动观测设备可以替代传统的人工观测设备。

3.3 日照逐月数据差异

通过对2019年1～6月的日照月累计数据进行分析(其中自动观测数据由日照平行观测软件统计的日照时数合计所得)，如图3所示，日照时数差值在-16.7～2.8 h之间，自动观测日照时数小于人工观测时数。其中，2019年4月、2019年5月的观测数据差值较大，平均值为-14.9 h。而2019年1月观测数据的相对差值在-2%以内，其余月份的相对差值的绝对值处在3.0%以内。

图3 自动观测与人工观测各月日照时数

4 结果分析

通过分析总结，造成两种观测仪器数据存在差异的主要原因是两者的工作原理有着本质性的不同。暗筒式日照计的观测方法是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光剂的日照纸上留下感光迹线的原理计算日照时数[7]。

而光电式数字日照计主要由光筒和纬度调节装置组成。光筒内部核心感应部件是3个光电感应器件，1个光电感应器件用于测量总辐射，另外2个用于测量散射辐射，在给定时间段内，太阳直接辐照度达到或超过 120 W/m2时，判断为有日照，并将各个时段的数值累计求和[8]。得到日照时数观测数据。因此，光电式数字日照计的判别依据更加准确、更为细致。

与此同时，在相同的规范安装条件下，暗筒式日照计的观测数据受人为因素影响的情况比较多[9]，例如，存在画线计算时将计算值四舍五入的情况、感光药水的配置比例以及感光药水涂抹均匀程度等情况[10]。光电式数字日照计的日照时数则表现得更加客观，不被主观因素所左右。

根据张纬敏等人的研究，暗筒式日照计的日照纸晴天时的感光阈值为270～300 W/m2，地平线浑浊时感光阈值在130～145 W/m2[11]。而光电式日照计的主要影响因素是太阳直接辐照度，根据《光电式数字日照计观测规范(试行)》的要求，日照自动观测阈值的最大允许误差为±20%[12]，也就是说，太阳直接辐照度达到96～144 W/m2时可能被判断为有日照发生。因此，当太阳的直接辐射较弱的时候，自动观测的日照时数比人工观测的日照时数大的概率较多，主要表现在日出后和日落前(即6时、17～19时)的时间段比较明显。

5 结论

DFC2型光电式数字日照计和暗筒式日照计在日出和日落之外的时段内，表现出较高的一致性。在日照的逐日数据中，两者间差值有87.2%的概率处于±1 h之内，表现出较好的相关性，自动日照观测能够良好地替代人工日照观测。而自动观测仪器也表现出观测结果更加客观、判别依据更加准确且时间分辨力更为细致等特点，在太阳直接辐射偏弱时，自动观测数值明显高于人工观测值，整体观测数据更加精准、详细。可从极大程度上为太阳能发展、光伏发电工程、作物生长等多方面研究提供准确、可靠的助力。