引言

日照时数是地面观测的基本项目之一，是指太阳在一地实际照射的时间，WMO第八届仪器和观测委员会(CIMO-Ⅷ)提议以120 W·m^-2为阈值辐照度，日照时数是在给定时间内太阳直接辐照度达到或超过120 W·m^-2的各段时间总和(WMO，1981)。日照时数作为太阳辐射的重要表征因子，对研究天气过程和气候变化具有重要意义，同时直接影响农、林业生产及人类日常生活，因此日照时数观测的准确性和合理利用十分重要。

我国传统用来测量日照的仪器主要是暗筒式日照计(Jordan)和聚焦式日照计(Compbell-Stokes)(中国气象局，2003)，随着自动化气象资料业务的发展，自2001年7月以来共有15个气象辐射观测一级站进行直接辐射表同步观测，那么直接辐射表与传统日照计观测资料的差异如何，差异是否具有显著性，影响差异分布的可能因素是什么，以及是否可以通过订正数据合理利用两种观测方式的日照时数观测资料，这些问题必须通过对两种观测资料差异的定量评估来回答。

1995年5—12月张纬敏等(2000)在北京对聚焦式日照计、暗筒式日照计与直接辐射表三种仪器进行了对比观测试验，结果表明以聚焦式日照计为“暂定标准日照计”(IRSR)，暗筒式日照计资料偏少5%左右，直接辐射表资料偏少10%左右，直接辐射表与台站日照计观测资料具有显著差异。本文旨在探讨不同区域、不同季节、不同时间尺度及不同天气条件下直接辐射表与台站日照计两种观测日照时数的差异分布特征，为合理改进直接辐射表性能、改善观测环境和改进观测方案，以及合理利用直接辐射表观测日照时数及相关应用分析提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 观测原理

直接辐射表自动跟踪太阳位置，主要通过导热感应面和温差电堆测定太阳辐照度进而计算日照时数，感光阈值辐照度为120 W·m^-2。暗筒式日照计主要通过涂有感光剂日照纸的感光迹线计算日照时数，感光阈值辐照度在130~300 W·m^-2变化。聚焦式日照计，主要利用太阳经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下焦痕记录日照时数，感光阈值辐照度在120~160 W·m^-2范围变化(张纬敏等，2000)。三种仪器的观测精度受温度、湿度和天气条件影响较大(中国气象局，2003)。

1.2 数据及处理

本文的分析资料来源于2002—2012年全国15个太阳辐射观测一级站直接辐射表和日照计平行观测的日照时数资料，其中漠河站为直接辐射表与聚焦式日照计对比观测资料，其他14个站均为直接辐射表与暗筒式日照计对比观测资料(图 1)。

为确保两种日照时数具有可对比性，首先对两种观测日照时数进行了基本的质量检查，包括物理阈值检查、时间一致性检查以及结合云量、能见度的要素相关性检查(Muneer et al, 2002; Feng et al, 2004)，剔除了错误数据。本次分析中，缺测日照日(两种仪器观测日照时数至少有一个为缺测，共204 d)、无日照日(两种仪器观测日照时数均为0，共7933 d)的对比观测资料，不参与对比分析，有效对比分析次数共59062次，其中与聚焦式日照计有效对比分析次数为3677次。

本文以差值和相对差值作为评估指标，用来分析直接辐射表与日照计观测日照时数的差异，评估中涉及到的公式如下：

$ {\mathit{X}_{\mathit{ai}}} = {\mathit{U}_\mathit{i}} - {\mathit{A}_\mathit{i}} $

(1)

$ {X_{ri}} = \frac{{({U_i} - {A_i})}}{{{A_i}}} \times 100\% $

(2)

式中，X_ai为第i次日照观测的差值，U_i为第i次直接辐射表观测值，A_i为第i次日照计观测值，X_ri为第i次日照观测的相对差值；仅当A_i≥2时，计算X_ri。

2 结果与讨论 2.1 直接辐射表与日照计日照时数的日值差异

直接辐射表与日照计观测日照时数日值的平均差值(相对差值)为-0.51 h·d^-1(-8.30%)，其中与暗筒式日照计的平均差值为-0.53 h·d^-1(-8.65%)，与聚焦式日照计的平均差值为-0.26 h·d^-1(-3.86%)(表 1)，表明直接辐射表观测低于日照计观测日照时数。两种观测日照时数日值除1和12月外，其他月均存在显著差异，且差异呈明显的季节变化规律，在冬季差异最小，秋季次之，夏季和春季较大。

由图 2可见，直接辐射表与两种日照计日照时数差值均呈偏态分布，与聚焦式日照计对比样本中，直接辐射表低于聚焦式日照计观测记录的频率为51.5%，81.7%的差值分布于±1 h·d^-1之间，其中47.9%分布于±0.2 h·d^-1之间，84.4%的相对差值分布于±20%之间，其中48.1%分布于±5%之间。与暗筒式日照计对比样本中，直接辐射表低于暗筒式日照计观测记录的频率为52.8%，70.0%的差值分布于±1 h·d^-1之间，其中35.6%分布于±0.2 h·d^-1之间，73.7%的相对差值分布于±20%之间，其中36.7%分布于±5%之间。此外统计了直接辐射表与两种日照计的总体差异，71.5%的差值分布于±1 h·d^-1之间，其中38.7%分布于±0.2 h·d^-1之间，73.8%的相对差值分布于±20%之间，其中37.2%分布于±5%之间。

由于日照时数及日照时数的影响因素存在空间差异(曹琦萍等，2014；王晓梅等，2013)，两种仪器观测日照时数的对比差值也存在空间变异，在西北地区西部、西藏地区及海南地区差异较大，差值在-1.4~-1.0 h·d^-1，江淮、江汉、西南地区南部以及华南地区差异次之，差值在-0.8~-0.2 h·d^-1，东北地区、黄淮地区和四川盆地差异最小，差值在±0.2 h·d^-1之间(图 3a)，除郑州和哈尔滨在冬季差异较大外，其他各区域两种日照时数差异均在春季和夏季较大，秋季次之，冬季最小(图 3b)。

2.2 差异的日变化

统计2008—2012年直接辐射表和日照计逐小时(地方太阳时)日照时数的差异表明(图 4)，各季节两种仪器逐小时观测值差异的变化规律较为接近，在日出时段(日落时段)随着日照时数的快速升高(快速降低)，两种观测资料的差值逐渐变大，当日照时数变化率达到最高时，两者差异也达到最大。日出时段直接辐射表与日照计观测记录的差值在-0.3~0 h·h^-1，日落时段直接辐射表与日照计观测记录的差值在0~0.3 h·h^-1，在其他时段，随着日照强度的增加，两种观测资料的差异逐渐减小，差异在-0.2~0 h·h^-1。

按照气象辐射观测方法规定(中国气象局，1996)，直接辐射表每天上下午至少各检查一次仪器跟踪状况(对光点是否对准)，一般而言在09:00—15:00，因此在日出时段(09:00之前)，可能会因为直接辐射表对光点没有迅速调好，直接辐射表低于日照计观测记录，其他时段(09:00—16:00)，直接辐射表对光点已校准，直接辐射表和日照计观测记录差异变小，在日落时段(16:00以后)，直接辐射表对光点较准确，直接辐射表高于日照计观测记录。

此外，日照计主要通过涂有感光药品的日照纸感光产生的感光迹线或日照纸焦痕计算日照时数，而直接辐射表为热电型，主要通过感应面吸收太阳热量产生的温差电势计算太阳辐照度进而计算日照时数，其工作原理如式(3)(中国气象局，1996)：

$ \begin{array}{l} \mathit{E} = \left({1 - \mathit{\varepsilon }} \right)\mathit{E} + {\mathit{H}_2}({\mathit{T}_1} - {\mathit{T}_2}) + \\ \;\;\;\;\;\;\;\mathit{L}({\mathit{T}_1} - {\mathit{T}_3}) + \mathit{f}\left(\mathit{V} \right) \end{array} $

(3)

式中，E为太阳入射强度；ε为感应面吸收率；H₂为感应面传导到冷端的热传导系数；L为感应面传导到空气的热传导系数；T₁感应面的温度；T₂为冷端温度；T₃为空气温度；f(V)为感应面与空气之间对流损失的热量，一般感应面加玻璃罩，f(V)≈0。

在日出时段，受夜间辐射冷却效应的影响，环境温度较低，感应面吸收热量后的温度T₁高于空气温度T₃，为达到热平衡，热量由感应面向空气传导，降低了单位太阳入射强度产生的温差电动势，直接辐射表观测的日照时数偏少，随着日照强度的增大，环境温度升高，仪器感应面和环境之间的热量传导减少，两种观测资料的差异变小，在日落时段，由于白天接收太阳辐射，环境温度较高，热量由空气向感应面传导，增加了单位太阳入射强度产生的温差电动势，直接辐射表观测的日照时数增加，从而日落时段直接辐射表高于日照计观测日照时数。

2.3 不同天气条件下日值差异分析

日照变化是云量、水汽、大气浑浊度等多种因子共同作用于太阳辐射的结果，日照计和直接辐射表的观测灵敏度也受环境温、湿度条件的影响(中国气象局，2003; 白建辉等，2013)，图 5分析了两种日照时数差异随天气条件的变化规律，结合变化规律和天气条件分类(余君等，2007；2008)，表 2分析了不同天气条件分类下两种观测日照时数在日尺度的差异，结果表明：

(1) 两种观测资料的差异随云量的增加逐渐增大，在晴空条件下(TCC≤2成)，两种观测资料的平均差值(相对差值)为-0.17 h·d^-1(-1.88%)，在多云条件下(TCC＞2成耳TCC≤9成)，太阳或蔽或露，往往导致日照计观测的感光迹线比实际日照时数多，两种观测资料的平均差值为-0.64 h·d^-1(-9.08%)，在阴天条件下(TCC＞9成)，由于云量对太阳辐射强度的削弱，两种观测资料的绝对差异变小但相对差异增大，平均差值为-0.62 h·d^-1(-26.73%)。

(2) 两种日照时数的差异随气温条件的变化规律表现为气温低于-10℃条件下，直接辐射表高于日照计观测记录，平均差值为0.14 h·d^-1(2.66%)，当气温高于-10℃时，直接辐射表低于日照计观测记录，且随温度升高差异增大，气温在25~30℃条件下两种资料差异达到最大，当气温高于30℃时，两种资料的差异随温度的升高呈减小趋势。

(3) 随相对湿度的增加，空气中水汽对太阳辐照度的削弱增强，两种观测日照时数绝对差异呈减小趋势，但相对差异呈增大趋势。相对湿度低于80%时，两种观测资料差值在-1.0~-0.5 h·d^-1(-10%~-5%)，相对湿度高于80%时，两种观测资料差值在-0.5~-0.1 h·d^-1(-50%~-10%)。

2.4 观测仪器导致的系统偏差

观测仪器的不同也是直接辐射表和日照计观测有差异的原因之一，主要表现为观测仪器的系统偏差以及其他因素影响造成的仪器观测误差，本节中只讨论仪器的系统偏差，其他因素影响造成的仪器误差将后续研究。就系统偏差而言，日照计主要取决于日照纸感光灵敏度；直接辐射表主要取决于仪器本身和跟踪装置的灵敏度。低云量、低湿度条件下天气条件对日照观测的影响较小，观测的日照时数差异可近似为两种观测仪器系统偏差的影响，本节计算了低云量、低湿度条件下直接辐射表与日照计在日出时段(日照强度快速增强，直接辐射表对光点未调好)、日落时段(日照强度快速降低，直接辐射表对光准确)和其他时段(日照强度变化慢，直接辐射表对光准确)观测日照时数的差异(表 3)，在日出时段，可能直接辐射表没有迅速调好对光点，直接辐射表较日照计观测低0.2 h·h^-1左右，在日落时段直接辐射表较日照计高0.2 h·h^-1左右，在其他时段直接辐射表较日照计低0.1 h·h^-1左右。

2.5 相关模型

参照全国一级气候区划的划分标准(中国气象局预测减灾司等，2006)，结合日照时数的空间分布情况(颜宏等，2002)，将全国分为7个区域(图 6)：西北、内蒙古地区(Ⅰ区)、东北地区(Ⅱ区)、西藏地区(Ⅲ区)、华北、黄淮、江汉、江淮、江南地区(Ⅳ区)、四川盆地地区(Ⅴ区)、云贵高原地区(Ⅵ)、华南地区(Ⅶ区)。采用线性回归方法建立两种观测日照时数的相关模型：

$ \mathit{Y} = \mathit{A} + \mathit{BX} $

(4)

其中，X为日照计观测日照时数日值，Y为直接辐射表观测日照时数日值，A和B分别为拟合系数。

全国7个区域的两种观测日照时数日值之间均存在较好的相关关系，拟合系数B接近1，相关系数均在0.88以上(表 4)。各地区两种观测日照时数的相关性均通过了α=0.05的显著性水平检验，表明两种资料虽然存在显著差异，但具有较好的相关性。

3 结论

本文利用15个气象辐射一级站直接辐射表与日照计平行观测的日照时数资料，对比分析了不同区域、不同季节、不同时间尺度、不同天气条件下两种资料的差异分布特征。主要结论如下：

(1) 直接辐射表与日照计观测日照时数日值资料的差值(相对差值)平均为-0.51 h·d^-1(-8.30%)，71.5%的差值分布在±1 h·d^-1之间，其中38.7%分布于±0.2 h·d^-1之间。两种资料差异具有明显的季节变化规律和区域变异，夏季和春季较大，冬季最小，西北地区西部、西藏地区及海南地区差异较大，东北、黄淮及四川盆地差异最小。

(2) 直接辐射表与日照计日照时数差异具有明显的日变化，在日照时数快速升高的日出阶段，直接辐射表较日照计观测低0~0.3 h·h^-1，在日照时数快速减少的日落阶段直接辐射表较日照计观测高0~0.3 h·h^-1，其他时段直接辐射表观测与日照计观测记录的差值在±0.2 h·h^-1之间。

(3) 受天气条件的影响，两种观测资料的差异随云量增加逐渐增大，在晴空、多云和阴天条件下的平均差值(相对差值)分别为-0.17 h·d^-1(-1.88%)、-0.64 h·d^-1(-9.08%)和-0.62 h·d^-1(-26.73%)；气温低于-10℃条件下，平均差值为0.14 h·d^-1(2.66%)，当气温高于-10℃时，直接辐射表低于日照计观测记录，且随温度升高差异增大，气温在25~30℃条件下两种资料差异达到最大，当气温高于30℃时，两种资料的差异随温度升高呈减小趋势；随相对湿度增加，两种观测资料差异减小但相对差异增大，相对湿度低于80%时，差异在-1.0~-0.5 h·d^-1(-10%~-5%)之间，相对湿度高于80%时，差异在-0.5~-0.1 h·d^-1(-50%~-10%)之间。

(4) 将全国分为7个区域，分别建立两种观测日照时数的相关关系模型，各区两种观测日照时数的相关系数均在0.88以上，相关性均通过α=0.05的显著性水平检验。

(5) 对比结果表明直接辐射表较暗筒式日照计观测记录平均低0.53 h·d^-1(8.65%)，较聚焦式日照计观测记录平均低0.26 h·d^-1(3.86%)，产生这种结果的可能原因一是观测仪器系统误差导致的差异，约在±0.2 h·h^-1；二是天气条件变化对直接辐射表跟踪太阳的灵敏度和日照纸感光灵敏度影响导致的差异；三是观测仪器性能稳定性影响导致的差异。因此在日常观测业务中，特别在多云和高湿条件下需要加强对观测仪器的校准和维护。本文只分析了观测仪器系统误差、云量、环境温湿条件因素的影响，观测仪器性能指标等其他影响因素还有待深入研究。