石河子地區(qū)兩種日照儀器觀測(cè)日照時(shí)數(shù)對(duì)比分析研究*

朱蓉慧，劉輝

（石河子氣象局，新疆石河子 832000）

1 日照測(cè)量?jī)x器原理

1.1 日照概念及作用簡(jiǎn)述

日照是表征當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r和氣候特點(diǎn)的重要?dú)庀笠?，是中?guó)氣象局統(tǒng)一布局觀測(cè)項(xiàng)目之一，各氣象臺(tái)站均須觀測(cè)。日照指太陽在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)。在一給定時(shí)間，日照時(shí)數(shù)定義為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的那段時(shí)間總和，以小時(shí)（h）為單位，取1 位小數(shù)[1]。測(cè)量日照時(shí)數(shù)能為天氣預(yù)報(bào)、氣象情報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)，并能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。

1.2 兩種日照測(cè)量?jī)x器原理簡(jiǎn)介

暗筒式（或稱喬唐式）日照計(jì)的測(cè)量原理是太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光跡線，根據(jù)感光跡線的長(zhǎng)短來計(jì)算日照時(shí)數(shù)[1]。因此日照紙能否正確感光，成為是否造成誤差的關(guān)鍵。無錫所生產(chǎn)自動(dòng)日照計(jì)型號(hào)FS-RZ1 光電式數(shù)字日照計(jì)（以下簡(jiǎn)稱光電式日照計(jì)）光電管D1 在360°的環(huán)形范圍內(nèi)接收總輻射。D2 和D3 接收環(huán)形范圍內(nèi)不同方向上的輻射，而太陽直接輻射只能照射到D2 和D3 中的1 只，其中較小的輸出值即為散射輻射。直接輻射為總輻射和散射輻射的差值，若直接輻照度≥120 W/m2則算作有日照，將時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，得到每小時(shí)和每天的日照時(shí)數(shù)[2]。

2 資料來源與處理方法

本文所用資料來源于石河子氣象部門管轄區(qū)域內(nèi)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站及部分國(guó)家一般氣象站自建站以來的氣象資料。石河子地區(qū)各氣象站自建站以來到2019 年6 月30 日，地面觀測(cè)日照時(shí)數(shù)使用的是暗筒式日照計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；2019 年1 月1日至6 月30 日，使用光電式數(shù)字日照計(jì)與原暗筒式日照計(jì)并軌運(yùn)行。石河子地區(qū)各氣象站光電式數(shù)字日照計(jì)的安裝按 《光電式數(shù)字日照計(jì)觀測(cè)規(guī)范（試行）》相關(guān)要求執(zhí)行，安裝在觀測(cè)場(chǎng)南邊原暗筒式日照計(jì)的位置，原人工日照計(jì)安裝在光電式數(shù)字日照計(jì)南2.0 m 處，均符合《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》儀器安裝要求。

本文以差值、相對(duì)差異、相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析評(píng)估，計(jì)算公式如下：

式中：Ai 為第i 次人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)值，Ui 為第i次自動(dòng)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)值。相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差使用EXCEL中CORREL與stdevp函數(shù)計(jì)算所得。

3 石河子地區(qū)各氣象站日照概況

石河子國(guó)家一般氣象站（以下簡(jiǎn)稱石河子站）1954—2018 年例年平均日照時(shí)數(shù)2 740.6 h，最多年日照時(shí)數(shù)為1957 年的3 264.9 h，最少年日照時(shí)數(shù)為1987 年的2 352.4 h。炮臺(tái)國(guó)家一般氣象站（以下簡(jiǎn)稱炮臺(tái)站）1955—2018 年例年平均日照時(shí)數(shù)2 797.3 h，最多年日照時(shí)數(shù)是1997年的3 228.9 h，最少年日照時(shí)數(shù)為1987 年的2 417.2 h。烏蘭烏蘇國(guó)家基準(zhǔn)氣候站（以下簡(jiǎn)稱烏蘭烏蘇站）1964—2018 年例年平均日照時(shí)數(shù)2 874.9 h，最多年日照時(shí)數(shù)為2005 年的3 220.7 h，最少年日照時(shí)數(shù)為2016 年的2 509.7 h。

表1 不同天氣類型下烏蘭烏蘇站兩種儀器觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差異分析

4 結(jié)果與分析

4.1 石河子各氣象站2019 年1～6 月暗筒式和光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)與歷史資料日照時(shí)數(shù)分析

圖１ 石河子各氣象臺(tái)站2019 年1～ 6 月暗筒式與光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)與歷史資料日照時(shí)數(shù)

從圖1 石河子各氣象站2019 年1～6 月暗筒式日照計(jì)與光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)和近3 年與近20年歷史資料日照時(shí)數(shù)可以看出，2019年上半年暗筒式日照計(jì)與光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)合計(jì)均小于近3年與近20年日照時(shí)數(shù)。烏蘭烏蘇站與石河子站暗筒式日照時(shí)數(shù)大于光電式日照時(shí)數(shù)，炮臺(tái)站暗筒式日照時(shí)數(shù)小于光電式日照時(shí)數(shù)。

4.2 暗筒式日照計(jì)與光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)差值、相對(duì)差值及差值標(biāo)準(zhǔn)差分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，3 個(gè)氣象站暗筒式日照計(jì)與光電式日照計(jì)平均日照時(shí)數(shù)差值極小，烏蘭烏蘇站日差值最大為3.8 h，出現(xiàn)在4 月20 日；石河子站日差值最大為5.7 h，出現(xiàn)在3 月6 日；炮臺(tái)站日差值最大為-3.3 h，出現(xiàn)在1 月10 日。通過相對(duì)差值統(tǒng)計(jì)，石河子站相對(duì)差值最大，為12%。標(biāo)準(zhǔn)差能衡量圍繞平均值的變化幅度，3 個(gè)氣象站日平均日照時(shí)數(shù)差值標(biāo)準(zhǔn)差非常小，可以得出數(shù)據(jù)的離散程度非常小。暗筒式日照計(jì)與光電式日照計(jì)日照時(shí)數(shù)擬合度極高。

4.3 石河子各氣象站2019 年1～6 月兩種儀器日照時(shí)數(shù)相關(guān)性分析

2019年1～6月兩種儀器觀測(cè)期間，烏蘭烏蘇、石河子和炮臺(tái)3個(gè)氣象站6月日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.999 8、0.999 9 和0.999 6，6 月日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)最大，平均為0.999 8；1月最小，平時(shí)為0.941 5。2019年1～6月日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)，烏蘭烏蘇站為0.974 9，炮臺(tái)站次之，為0.970 6，石河子站為0.963 1，相關(guān)性顯著。

4.4 不同天氣類型下兩種日照儀器測(cè)量日照時(shí)數(shù)差異分析

烏蘭烏蘇站在北京時(shí)間08 時(shí)、11 時(shí)、14 時(shí)、17時(shí)和20時(shí)進(jìn)行云量觀測(cè)，日平均總云量為本日5次觀測(cè)平均所得。按照日平均總云量把天氣劃分為陰天（云量＞8）、多云（2 ＜云量≤8）和晴天（0 ≤云量≤2）3種類型。分析表1結(jié)果得出，3種不同天氣類型下兩種儀器觀測(cè)日照時(shí)數(shù)，晴天時(shí)兩種儀器觀測(cè)日照時(shí)數(shù)差異性最小，日差值平均為-0.08 h，日相對(duì)差值平均為0.7%，相關(guān)系數(shù)為0.985 6。陰天時(shí)光電式日照計(jì)與暗筒式日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)相等天數(shù)最多，為43 d，日差值平均與日相對(duì)差值平均陰天時(shí)最大，相關(guān)系數(shù)最小，可以得出數(shù)據(jù)的離散程度相對(duì)較大。

5 結(jié)論

通過以上分析可以得出如下結(jié)論：（1）石河子地區(qū)3 個(gè)國(guó)家氣象站，光電式與暗筒式日照計(jì)觀測(cè)平均日差值、日平均日照時(shí)數(shù)差值標(biāo)準(zhǔn)差都非常小，證明數(shù)據(jù)的離散程度非常小，相關(guān)度高。（2）通過日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)月分析，最小為0.906 3，最大為0.999 9，月相關(guān)顯著。（3）3種不同天氣類型分析，日照時(shí)數(shù)一致性晴天＞多云＞陰天。（4）暗筒式日照計(jì)為人工觀測(cè)日照時(shí)數(shù)儀器，光電式日照計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，可以解放人力，與氣象觀測(cè)自動(dòng)化發(fā)展相適應(yīng)。