DFC1型光电式数字日照计与暗筒式日照计数据对比分析

DFC1型光电式数字日照计与暗筒式日照计数据对比分析

季丹 张超 朱志丹

浙江省衢州市气象局 324000

摘　要：利用浙江省衢州站的２０１９年１—４月ＤＦＣ1光电式数字日照计与暗筒式日照计日照平行观测资料进行对比分析。结果表明：自动观测比人工观测有更高的灵敏度和分辨率，自动观测达到分钟级。自动观测的日照时数大于0.1 小时的天数多于人工日照观测，数据完整率高达到100%，24 小时 日照时数一致性均值较高，一致率在71%-83%之间。中午时段的一致性好于早晚。

关键词：DFC1型光电式数字日照计；暗筒式日照计；对比分析

日照是指太阳在某地实际照射的时数，也称实照时数，是地面气象台站观测的基本项目。日照时数［１］定义为在一给定时间，太阳直接辐照度达到或超过１２０Ｗ／ｍ-２ 的各段时间总和，以小时为单位记录。衢州站自有暗筒式日照计就一直使用暗筒式日照计进行日照人工观测，未改变过。衢州站自2018年10月16日完成DFC1型光电式数字日照计的安装，并按照上级主管部门部署，开展了平行观测。平行观测分为两个阶段：第一阶段（２０１９年１月１日至４月３０日）以人工观测记录为正式观测记录，人工观测及记录方法按现行《地面气象观测规范》和业务规定执行。第二阶段（２０１９年５月１日至６月３０日）以自动观测记录为正式观测记录，按相关业务规定执行。自６月平行观测结束后，光电式数字日照计自动观测数据作为正式观测记录。国内有关专家和学者对自动与人工观测的气温、气压、降水、雾、霾等数据的差异分析［２－５］较多，但对日照数据的对比分析较少。为了评估ＤＦＣ1光电式数字日照计与暗筒式日照计日照数据的差异，利用平行观测第一阶段的自动和人工观测资料进行对比分析。

１　日照的两种观测方法

１．１　人工观测

衢州全市日照人工观测均使用暗筒式日照计（又称乔唐式日照计）。由金属圆筒（底端密闭，筒口带盖，两侧各有一进光小孔，筒内附有压纸夹），隔光板，纬度盘和支架底座构成，它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，来计算日照时数。

１．２　自动观测

自动观测利用DFC1光电式数字日照计。FS-RZ1 日照传感器（数字式）是DFC1 型光电式数字日照计的主要组成部件。它集日照测量、信号采集、数据处理、数据存储和通信为一体，传感器外观结构和主要组成部件，FS-RZ1 日照传感器的感应部分由1 个光学镜筒、1 个遮光筒和3 个光电探测器组成。3 个光电探测器分上中下三级排布，第一级光电探测器始终暴露在太阳辐射中，可以测量太阳总辐射；第二、三级光电探测器被设计为在任何时候都有一个被遮光筒遮蔽，不能接收到太阳直接辐射，该光电探测器测量出的信号经过计算处理可以得到天空散射辐射。通过太阳总辐射和天空散射辐射进行计算，可以得到当前的太阳直接辐射辐照度，再与120W/m-2 的阈值进行比较，经过处理后输出日照信号或者通过计算，得到分钟日照、小时累计日照以及日累计时数。通信部分包括串口调试模块、串口光纤转换模块和多模光纤跳线等，主要功能是提供本地调试接口，并将传感器的RS-232 接口转换成光纤接口（ST）,将数据通过光纤进行传输。

２　资料和方法

选取2019年1月到4月，衢州站的自动日照记录及人工记录中资料较完整的3个月平行资料进行对比。分别从数据的完整性、数据差异性等方面进行分析评估。

2.1 数据完整性分析

观测数据以小时数据为基本单位， 对日照数据完整性作月缺测率分析。剔除非仪器原因与维护造成的缺测记录，计算缺测率。月缺测率=（月观测缺测次数/月应观测总次数）×100%，1-4月衢州站缺测率为0，衢州站自动日照计数据总体完整性特别好，数据缺测率很低。相比之下，人工观测日照数据在对比期内的4月30日，因日照筒内进水，缺测一日。

2.2 数据一致性分析

（1）小时日照时数一致性分析。如果光电式数字日照计小时内日照时数连续累计时间达到或超过3min， 或暗筒式日照计小时内日照时数累计达到0.1小时，需进行小时内日照时数一致性分析，以了解光电

式数字日照计与暗筒式日照计观测的差异。

24 小时 日照时数一致性均值：1 月83%,2 月87%，3 月78%，4 月71%，24 小时 日照时数一致性均较高。

（2）自动与人工日值差值分析。通过对2019 年4个月衢州常山县气象站日照数据对比分析， 自动日照日合计的月均值比人工值偏大0.1 小时，最大负偏差1.3 小时，正偏差1.1 小时。

(3) 由图1分析可以了解到，衢州台站2019年1-4月的光电式数字日照计自动观测日照值与暗筒式人工观测日照值存在一定的差异。总体来说，1-4月各个月份自动观测日照时数均要比人工观测日照时数偏大;由此不难看出，衢州台站自动观测日照时数和人工观测日照时数之间存在差异与季节具有一定的关联性。

图1 衢州台站2019年1-4月的自动观测和人工观测日照时数对比

（4）逐时一致性分析。分析衢州台站2019 年4月小时日照，通过图1（绝对误差=0.0 小时）可见，中午时段的一致性好于早晚。绝对误差=0.0 小时 日照时数一致率06-17 时平均值为50.5%。绝对误差≤0.1 小时 日照时数一致率06-17 时平均值为59.9%。绝对误差≤0.2 小时 日照时数一致率06-17 时平均值为67.9%。

2．3差异原因

ＤＦＣ1光电式数字日照计与暗筒式日照计测量日照时数原理不同。光电式数字日照传感器采用总辐射－散射辐射测量原理，在吸收国际先进的日照传感器产品特点的基础上研制的一款集数据采集、数据处理、数据存储、通信传输为一体的数字化、智能化日照传感器。暗筒式日照计是利用感光迹线计算日照时数，日照纸纸张质量、配药比例、配药和涂药时的环境、涂药技巧、日照纸保存方式等等，直接关系到日照记录的准确性，而且只有纸张当天出现迹线问题，才能了解到日照纸存在问题，所以说人工操作有一定的主观性。

3 小结

（1）光电式日照计数据记录每分钟一次，记录频次高于暗筒式日照计。光电式日照数据采集传输的完整性较好， 全省各级台站日照数据上传后的缺测率较小，缺测率一般为0-4%。

（2）光电式自动日照计24 小时 日照时数一致性均值较高， 一致率在71%-83%之间。

（3）光电式自动日照计比暗筒式人工日照平均偏大0.1 小时，最大负偏差1.8小时，正偏差1.5小时。

(4) 1月至4月的各个月份光电式日照计自动观测日照时数均要比人工观测日照时数偏大； 在这四个月份中，4月份自动观测值和人工观测之间的差值最大，2月份自动观测值和人工观测差值最小。这说明衢州台站自动观测日照时数和人工观测日照时数之间存在差异与季节具有一定的关联性。

（5）中午时段自动与人工的一致性好于早晚。6-17 时自动与人工日照， 当两者绝对误差=0.0 小时 日照时数一致率为48.5%。绝对误差≤0.1小时 日照时数一致率为57.9%。绝对误差≤0.2 小时 日照时数一致率为63.9%。

参考文献

［１］　中国气象局．地面气象观测规范［Ｍ］．北京：气象出版社，2003年11月第1版．

［２］　于清平，黄文杰，李崇志，等．南京自动气象站与人工观测风速差异分析［Ｊ］．气象科学，２００８，２８（５）：

５７７－５８０．

作者简介：

季丹（1989-）.女，汉族，黑龙江省哈尔滨市呼兰区人，本科学历，职称：助理工程师，从事综合观测研究工作。