为详细了解京西生态涵养区日照情况, 利用北京市门头沟、斋堂两个国家气象站 1975-2019 年逐日总云量、低云量、降水日数、相对湿度、日照时数等资料, 采用气候倾向率、Mann-Kendall 检验等方法分析了京西生态涵养区日照时数时空变化特征及其与各气象要素之间的相关性。结果表明: 在 1975-2019 年间, 京西生态涵养区年、月、日日照时数均呈西部山区多、东南平原少的特征, 且两站日日照时数呈显著相关性, 约 80% 的差值在-2～2 h 范围。其中月均日照时数峰值出现在 4-5 月, 谷值出现在 11-12月, 6 月、9-10 月减少趋势最明显; 四季日照时数分布较均匀, 但呈春季多、冬季少的特征; 2002-2010 年年日照时数连续低于均值, 东南平原区减少趋势[-51.6 h·(10a)-1] 大于西部山区[-39.5 h·(10a)-1]。年、四季日照时数异常偏少情况主要出现在 2000 年以后, 接近异常偏多年份在 20 世纪 80-90 年代较集中。1982-1990 年日照时数明显增加, 1991 年发生明显减少突变, 1991-2019 年日照时数明显减少。综合分析表明该地区的日照时数与总云量、低云量、日平均湿度、日降水量呈负相关, 与日分钟风速、能见度呈正相关, 该结论对首都京西生态涵养区建设和气候评价具有重要参考价值。

通过对湖州、长兴、德清三站在 2018 年 5～8 月期间暗筒式日照计和自动观测日照仪器所得日照时数进行相关性对比, 以及对三站逐日日照时数相对差值的统计分析, 发现暗筒式日照计和 FS-RZ1 型日照时数传感器、 FS-ST 系列自动太阳跟踪器所得观测值相关程度极高。相比较而言, 自动观测仪器所得日照数据具有较高的可信度, 其中 FS-RZ1 型日照时数传感器和 FS-ST 系列自动太阳跟踪器所得观测值与暗筒式日照计所得观测值相比均偏低。 FS-ST 系列自动太阳跟踪器与暗筒式日照计所得日照时数间的相关性可达到 0.99 左右, 比 FS-RZ1 型日照时数传感器的相关性略高, 这与站内观测人员有无对比人工自动观测数值的意识有一定的关系。分析表明台站所处探测环境、局部天气条件以及台站观测人员业务素质差异都是影响人工与自动日照时数相对差值的因子。

为研究太阳辐射散射分布对日照时数测量的影响,基于大气辐射传输理论,利用泰勒级数展开,建立了散射分数、晴空指数和大气光学质量的Sigmoid函数模型。利用不同时间尺度的辐射数据训练集,通过非线性拟合得到了散射分数与晴空指数和大气光学质量的变化关系的数学模型,给出了一维模型S0和二维模型S1。利用不同地域观测站点的太阳辐射数据建立验证数据集,利用Sigmoid模型计算了散射分数,分析了实测值与计算值之间的相关系数、平均偏差、均方根误差和t-统计量等。结果表明,采用Sigmoid模型计算的散射分数值与实测值相关系数在0.8以上,平均偏差在±0.2以内,均方根误差在0.25以内,t-统计量最小低至0.0172。本研究为散射辐射分布模型的构建提供了新的方向,下一步需引入更为广泛的辐射数据进行模型跨地域的适用性研究。

日照时数是地面气象台站观测的基本项目。根据国内外日照计发展现状,设计了一种新型的日照计-光热型 电测日照计,该日照计利用热电偶原理,根据两热电偶的温度差来计算太阳直接辐射,从而可以得出日照 时数。主要分析了光热型电测日照计的原理结构、金属丝中能量传导和日照计性能,并做了初步试验。结果 显示,光热型电测日照计不仅结构简单,而且性能较为良好,随太阳辐射强度变化响应较快,无需人工操作,可 以完全实现自动化操作,对日照时数的测量比较准确。

日照时数是地面气象台站观测的基本项目。长期以来,我国主要使用暗筒式日照计进行日照时数观测,自动化程 度低,精度较差,资料可比性难以保证。随着技术的发展,国外出现多种自动日照计,而国内这方面研究较少,与国 外先进水平有一定差距。为了研制具有自主知识产权、可业务化应用的日照计,通过分析直接辐射式日照计的发展 现状和关键技术,认为基于直接辐射式的自动日照计有广泛的应用前景,重点需要解决传感器的辐射响应、传感 器设计与封装、太阳位置的自动跟踪、整机的结构优化等问题,提高仪器的环境适应性、长期稳定性和可靠性。