DFC1型光电式数字日照计和暗筒式日照计日照时数的对比分析

马天光 郭凤娟

摘  要：为了能够清楚理解日照自动观测与人工观测的差异，文章对克拉玛依国家基本气象站2019年1-6月（平行观测期）DFC1型光电式数字日照计（以下称自动观测）和暗筒式日照计（以下称人工观测）的日照时数数据进行对比分析。结果表明：（1）DFC1型光电式数字日照计在克拉玛依国家基本气象站运行中无分钟观测数据缺测，设备运行稳定可靠。（2）自动观测的日照值总体趋势要高于人工观测日照值，但不同季节的差值有所不同。春季日照时数的自动观值与人工观测值平均差值最小，一致性最好;夏季次之，冬季差异明显;而且冬季自动观测比夏季更突显其优势。（3）自动观测的感光明敏度要比人工观测高，明显体现在日出和日落时段以及无光照和弱光照天气时刻。总而言之，DFC1型光电式数字日照计在克拉玛依国家基本气象站运行过程中和传统的人工观测日照具有非常好的相关性和良好的数据可比性，并且运行相当稳定，使得克拉玛依的日照时数的观测精度更精确，数据可靠性更好，主要显著改善了克拉玛依冬季的日照时数的观测精度。

关键词：日照时数;光电式数字日照计;暗筒式日照计;对比分析

日照时数是非常重要的气象观测要素之一，对天气和气候的形成和发展有重要影响，也是植物光合作用必不可少的条件，因此，日照时数的观测在农业和气象应用研究方面有着尤为重要的地位[1-2]。根据地面气象观测规范定义，日照时数是指在给定的时间，太阳直接辐照度达到或超过120 瓦/平方米 的时间总和[3]。所以，气象观测台站使用的观测手段和仪器不同会对日照时数的观测结果有很大的影响。目前，中国气象局对于日照的的观测手段主要分为人工观测和自动观测。克拉玛依国家基本气象站在2019年之前，一直采用暗筒式日照计进行日照时数的人工观测。杜传耀、高青芳等研究表明，人工观测过程中需要配置感光剂、涂制感光纸、换纸、划线和读数等，环节多，易产生误差，观测准确度受人为影响较大，与气象现代化发展需求不匹配[4-5]。所以，日照时数的观测实现自动化既是提高观测准确度的保障，也是实现地面气象观测自动化的重要内容之一。

克拉玛依国家基本气象站根据中国气象局的建设规划于2018年11月20号完成了DFC1型光电式数字日照计的安装建设和调试。并于2019年1月1日—2019年6月30日开展平行对比观测，以获取人工与自动观测数据的差异。

克拉玛依市地形特殊，天气滞后于周边的地区，导致气候特征也不同于周边地区[6]。杜冰等2020年相关研究表明，不同的地形和气候对人工和自动观测的影响不同[7]。所以本文对克拉玛依国家基本气象站日照平行观测期间的数据资料进行分析，评估日照自动观测与人工观测的差异规律，一方面可为克拉玛依国家基本气象站今后日照时数资料的序列衔接应用提供重要参考依据，另一方面为日照自动化观测进一步改进的研究提供重要参考资料。

1 资料与方法

1.1 数据资料来源

资料来源于新疆克拉玛依国家基本气象站，位于克拉玛依市克拉玛依区气象局内。日照观测仪器有两种。一种为暗筒式日照计（以下其观测手段称为“人工观测”，观测数据称为“人工日照”），另一种为DFC1型光电式数字日照计（以下其观测手段称为“自动观测”，观测数据称为“自动日照”）。两种日照观测仪器安装在同一观测场内，相距1 m，测量环境一致。数据资料选取2019年1—6月（平行观测期间，人工和自动观测资料完整）。

1.2 观测仪器资料

暗筒式日照计工作原理是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使日照纸上涂抹的感光物质发生化学反应，从而在日照纸上留下感光迹线，人工读取迹线长度就得到了一天的日照时长。人工观测值精度为0.1 h（6 min）。

DFC1型光电式数字日照计工作原理是采用置于光学镜筒中的三个同轴光电感应器对总辐射和散射辐射进行自动连续观测，根据计算出的直接辐照度来判断当前分钟有无日照（若直接辐照度≥120 W*m-2 则判当前分钟有日照）。然后根据分钟日照时数累计来计算小时和日累计日照时数。自动观测值精度为1 min。

1.3 对比分析内容和方法

本文使用克拉玛依国家基本气象站2019年1—6月共6个月的自动和人工观测日照时数资料，首先进行数据完整性检查，其次进行月、日和小时的日照时数一致性和灵敏度对比分析。

完整性检查方法为：采用日照分钟缺测率指标。

计算公式为：日照分钟缺测率=（观测缺测分钟数/应观测总分钟数）×100%

一致性评估方法为：采用日照时数的差异趋势和相关系数指标。

2 结果与分析

2.1 数据完整性对比分析

以分钟数据为基本单位，在数据筛选检查阶段对1—6月自动和人工日照时数的缺测率进行了统计检查。统计检查结果显示均无数据缺测。结果表明，DFC1型光电式数字日照計和暗筒式日照计一样运行稳定。

2.2 数据一致性对比分析

2.2.1 日照时数逐月趋势对比

图1为2019年1月至6月自动观测与人工观测逐月总日照时数的趋势对比图。从图1中可以看出，自动观测的日照值总体趋势要高于人工观测日照值，1至6月自动观测日照值的累计值比人工观测累计值多39.9 h。其中，1月和2月的差值最大，自动观测日照值要比人工观测日照值最大多28.6 h;3至5月的差值最小，自动观测日照值要比人工观测日照值最小多0.9 h;6月人工观测日照值比自动观测值多12.4 h。由此可见，自动观测与人工观测的差值冬季最大，夏季次之，春季最小;冬季自动观测明显高于人工观测日照值，夏季人工观测稍高于自动观测，春季自动观测和人工观测一致度比较高。

2.2.2 日照时数逐日一致性对比分析

图2为2019年1至6月自动观测与人工观测的逐日累积日照值的散点分布以及相关分析线性拟合图（R为自动—人工相关系数）。由图2可以看出，总体上，每月自动观测日照与人工观测日照均呈显著的正相关性，两者之间的相关系数均在0.94以上，尤其是3月、4月和6月均达到0.97以上，达到了极显著性检验水平，说明自动观测与人工观测有很好的一致性。从1—6月的逐日日照时数的散点分布特征来对比分析，从图2还可以看出，春季日照时数的自动观值与人工观测值平均差值最小，一致性最好;夏季次之，冬季差异明显;而且冬季自动观测比夏季更突显其优势，从自动观测与人工观测对无光照天气的观测值结果更能体现出来。

2.2.3 日照时数逐小时灵敏度对比分析

表1、表2和表3為2019年1月、4月和6月随机抽取6日自动观测和人工观测日照时数对比（本研究选取1月代表冬季，4月代表春季，6月代表夏季）。从表1可以看出，随机6 d中有4 d在日出日落时段，均出现自动观测值大于人工观测值，甚至出现自动观测有观测值而人工观测值为0;另外，从无光照和弱光照天气时刻的日照时数观测结果来看，12日和16日均表现为自动观测有少量的观测值，而人工观测观测值为0。从表2和表3来看也是类似的结果;但对比表1、表2和表3的结果发现，日出日落时段，从冬季到夏季，自动观测虽然均大于人工观测值，但差值明显在减小，甚至出现日出时刻人工观测值稍微大于自动观测值（6月8日和16日）。结果表明，自动观测日照时数的小时明敏度要比人工观测高，明显体现在日出和日落时段以及无光照和弱光照天气时刻。

3 结论

本文对克拉玛依国家基本气象站自动和人工观测日照时数资料的数据完整性与月、日和小时的日照时数一致性和灵敏度进行了综合对比分析，具体结论如下：

（1）克拉玛依国家基本气象站DFC1型光电式数字日照计分钟观测数据无缺测，其设备在克拉玛依国家基本气象站运行稳定，观测数据可靠。

（2）自动观测的日照值总体趋势要高于人工观测日照值，但不同季节的差值有所不同。自动观测与人工观测的差值冬季最大，夏季次之，春季最小;冬季自动观测明显高于人工观测日照值，夏季人工观测稍高于自动观测，春季自动观测和人工观测一致度比较高。

（3）春季日照时数的自动观测值与人工观测值平均差值最小，一致性最好;夏季次之，冬季差异明显;而且冬季自动观测比夏季更突显其优势。

（4）自动观测日照时数的小时明敏度要比人工观测高，明显体现在日出和日落时段以及无光照和弱光照天气时刻。日出日落时段，从冬季到夏季，自动观测虽然均大于人工观测值，但差值明显在减小。

综上所述，尽管两种不同观测方式得观测值有一定的差别，但总体来说，DFC1型光电式数字日照计在克拉玛依国家基本气象站运行过程中和传统的人工观测日照具有非常好的相关性和良好的数据可比性，并且运行相当稳定，使得克拉玛依的日照时数的观测精度更精确，数据可靠性更好，主要体现在显著改善了克拉玛依冬季的日照时数的观测精度。

作者简介：

[1] WU Bingjie， WANG Jing， TANG Jianzhao，等. 华北平原冬小麦产量变异的气象影响因子分析[J]. 中国农业气象， 2018， 39（10）：623-635.

[2] 李君海， 吴耀庭. 近36年陵水县日照变化及对农业的影响[J]. Meteorological and Environmental Research， 2010， 38（4）：9675-9677.

[3] WMO. Guide To Meteorological Instruments And Methods Of Observation[M]. WMO， 2008：I.8-1-11.

[4]杜传耀，李栋，张天明，等.三种日照观测设备性能比对及影响因子分析[J].气象科技， 2018， 46（1）： 29-33.

[5]高青芳，范宜构，陈雪芹.暗筒式日照计常见误差分析[J].气象科技， 2009， 37（4）：511-512.

[6]周建荣，汪满贤，杨锐.克拉玛依市1959—2008年降水变化的特征分析[J].沙漠与绿洲气象， 2010， 4（4）：31-31.

[7]杜冰，吴薇，黄晓龙，等.四川地区人工观测日照时数与自动观测对比分析[J]. 高原山地气象研究， 2020， 40，.1143（01）：85-91.

作者简介：马天光（1991— ），男，满族，河南南阳人，理学硕士，助理工程师，生态学专业，2018年7月在克拉玛依市气象局工作，研究方向：气象综合观测。

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