山西省日照平行觀測資料對比分析

李亞軍,葛黎黎

（山西省氣象信息中心, 山西 太原030006)

1 引言

日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。 日照時數(shù)也稱實照時數(shù)[1]；其定義為，在一給定時間，太陽直接輻照度達到或超過 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)。 日照時數(shù)表示一個地區(qū)接受太陽光照射的時間長短， 直觀反映太陽輻射，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的環(huán)境因素，對人民的日常生活影響重大。 日照時間的長短決定了對太陽能的利用程度， 也對當?shù)氐臍夂蛸Y源具有較高的分析利用價值，因此對日照觀測數(shù)據(jù)的質量要求很高[2]。

目前， 我國氣象部門普遍使用的日照觀測儀器有暗筒式日照計、 聚焦式日照計， 該類儀器人工制作、安裝和更換日照紙，需要根據(jù)感光跡線進行人工計算日照時數(shù)，觀測精度較低，資料可比性和一致性難以保證[3]。 隨著日照觀測數(shù)據(jù)在天氣、氣候、預報業(yè)務和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務等領域的廣泛應用， 業(yè)務觀測需求更加精細化，傳統(tǒng)的日照觀測儀器已無法滿足，自動日照計觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護方便，取代傳統(tǒng)日照觀測儀器勢在必行。 光電式數(shù)字日照計采用一體化設計思路，無需掛接采集器，直接輸出日照時數(shù)。 由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要由數(shù)字式日照傳感器和外圍組件組成， 軟件為傳感器嵌入式軟件，具有數(shù)據(jù)存儲、補傳等功能，還自帶有實時時鐘，易于擴展，便于維修。

本文通過對暗筒式日照計和光電式數(shù)字日照計2019 年1-6 月山西109 個臺站平行觀測的同期數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在設備正常、安置維護良好的情況下，兩種觀測設備的一致率達到90%以上。

2 資料來源

根據(jù)氣測函 （2018）153 號中國氣象局綜合觀測司關于印發(fā)《日照平行觀測業(yè)務技術規(guī)定》的函和山西省觀測與網(wǎng)絡處發(fā)布的氣測函 【2018】34 號文件《觀測與網(wǎng)絡處關于開展自動日照計試運行及平行觀測的通知》， 山西省在2018 年12 月16 日開始光電式數(shù)據(jù)日照計的試運行， 發(fā)現(xiàn)問題及時進行了整改，并于2019 年1 月1 日起正式運行。

平行觀測從2019 年1 月1 日（實際時間是2018年12 月31 日地方平均太陽時24 時）起開始，為期6個月，分兩個階段進行。

前三個月為第一階段， 以人工觀測記錄為正式觀測記錄，其記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》和業(yè)務規(guī)定執(zhí)行。 后三個月為第二階段，以自動觀測記錄為正式觀測記錄， 其記錄方法按相關業(yè)務規(guī)定執(zhí)行。

本文采用山西省109 個國家級地面觀測站2019年1-6 月的暗筒式日照計和光電式數(shù)字日照計的觀測資料進行對比分析， 希望了解不同觀測方式下自動與人工數(shù)據(jù)的差異。

3 評估方法和內容

利用山西省109 個開展平行觀測的臺站獲取的日照資料，從數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)準確性等方面進行分析評估。

3.1 數(shù)據(jù)完整性評估

以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位， 剔除儀器原因與維護造成的缺測記錄， 對光電式數(shù)字日照計的觀測數(shù)據(jù)完整性做月缺測率評估。

月缺測率=（月觀測缺測次數(shù)/月應觀測總次數(shù)）×100%

3.2 數(shù)據(jù)一致性分析

分別對兩種觀測方式的小時日照時數(shù)和日合計日照時數(shù)進行統(tǒng)計分析。

(1)小時日照時數(shù)一致性分析：若光電式數(shù)字日照計小時內日照連續(xù)時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數(shù)累計達到0.1 h， 需進行小時內日照時數(shù)一致性分析， 分析兩種觀測方式日照時數(shù)相等情況，相差情況的數(shù)據(jù)占比，以了解光電式數(shù)字日照計與暗筒式日照計觀測的差異。

(2)全天日照時數(shù)一致性分析：若光電式數(shù)字日照計全天日照連續(xù)時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數(shù)累計達到0.1 h， 需進行全天日照時數(shù)一致性分析， 分析自動觀測數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)的相關性。

4 評估結果

4.1 數(shù)據(jù)完整性

山西省共109 個國家地面觀測站參與數(shù)據(jù)評估，以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，剔除儀器原因與維護造成的缺測記錄來計算缺測率。 經(jīng)統(tǒng)計1-6 月日照自動觀測數(shù)據(jù)缺報情況（表1），發(fā)現(xiàn)僅有10 站出現(xiàn)缺報，其中53666 靜樂站缺報最多，共26 d；經(jīng)核實缺報為設備故障，故剔除這些缺報天數(shù)來計算缺測率。同時統(tǒng)計了除缺報外的缺測分鐘數(shù)（圖1），統(tǒng)計各站1-6 月缺測率后發(fā)現(xiàn)，有90 站缺測率均為0.00%，占82.6%；有 16 站缺測率為 0.01%，占 14.7%；有 1 站57061 平陸，缺測率為0.02%，占0.9%；有2 站53777交城、53965 絳縣，缺測率均為0.03%，占1.8%。

表1 自動日照數(shù)據(jù)1-6 月缺報情況

4.2 數(shù)據(jù)一致性

4.2.1 小時日照數(shù)據(jù)一致性

根據(jù)評估要求， 若光電式數(shù)字日照計小時內日照時數(shù)連續(xù)時間累計達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數(shù)累計達到0.1 h， 需進行小時內日照時數(shù)一致性分析， 故先統(tǒng)計出各站1-6 月符合樣本的個數(shù)， 然后用自動日照時數(shù)減去人工日照時數(shù)， 發(fā)現(xiàn)兩者小時觀測數(shù)據(jù)完全相等的個數(shù)比例各站均在46%以上， 自動時數(shù)小于人工時數(shù)的個數(shù)在30%以上的僅37 站， 自動時數(shù)大于人時數(shù)工的個數(shù)在30%以上的僅5 站。 綜合統(tǒng)計，全省109 個國家站1-6 月自動和人工小時數(shù)據(jù)完全相等的個數(shù)占總樣本數(shù)的56%， 而自動時數(shù)小于人工時數(shù)的個數(shù)占總樣本數(shù)的26%、 自動時數(shù)大于人工時數(shù)的個數(shù)占總樣本數(shù)的18%。

4.2.2 全天日照數(shù)據(jù)一致性

根據(jù)評估要求， 若光電式數(shù)字日照計全天日照時數(shù)連續(xù)累計時間達到或超過3 min，或暗筒式日照計小時內日照時數(shù)累計達到0.1 h， 需進行全天日照時數(shù)一致性分析。 統(tǒng)計各站1-6 月自動與人工全天日照時數(shù)后， 計算各站自動與人工觀測時數(shù)相關系數(shù)，相關系數(shù)越接近1，說明相關性越大。 統(tǒng)計顯示，相關系數(shù)>0.9 以上的臺站為104 站， 占比為95.4%。具體情況見圖2。

圖2 109 站全天日照數(shù)據(jù)相關系數(shù)

5 評估結論

（1）按照評估內容和要求，經(jīng)統(tǒng)計分析全省109個國家站1-6 月日照自動觀測數(shù)據(jù)完整性情況，排除設備故障原因造成的缺報外，有90 站缺測率均為0.00%， 有16 站缺測率為0.01%， 有 1 站缺測率為0.02%；有2 站缺測率為0.03%,造成缺測的原因均為設備故障。

（2）在符合條件的樣本中統(tǒng)計分析小時日照數(shù)據(jù)后， 發(fā)現(xiàn)全省109 個國家站1-6 月自動和人工小時數(shù)據(jù)完全相等的個數(shù)占總樣本數(shù)的56%， 而自動小于人工個數(shù)占總樣本數(shù)的26%， 自動大于人工的個數(shù)占總樣本數(shù)的18%。

（3）在符合條件的樣本中統(tǒng)計各站1-6 月自動與人工全天日照時數(shù)并計算各月相關系數(shù)， 得出相關系數(shù)>0.9 的臺站占比為95.4%，兩者相關性良好。

（4）綜上，光電式數(shù)字日照計自動觀測數(shù)據(jù)與暗筒式日照計人工觀測數(shù)據(jù)一致性良好， 滿足業(yè)務運行需求。 建議各站在使用光電式數(shù)字日照計過程中應按業(yè)務要求做好設備的日常維護， 做好每天日出前、日落后的檢查和設備的定期查看，保證設備正常運行，即可保證數(shù)據(jù)完整無誤。