武漢地區(qū)太陽總輻射與氣象要素的關(guān)系研究

湖北省氣象服務(wù)中心 湖北省氣象能源技術(shù)開發(fā)中心 ■ 王麗娟 陳正洪 李芬

一 引言

近年來，隨著常規(guī)化石能源的加速枯竭和能源需求的日益高漲，以及全球氣候變化壓力的逐漸增大，大力開發(fā)可再生能源技術(shù)及培育市場已成為國際社會的共識。太陽能具有取之不盡，用之不竭；分布廣，無處不在；清潔無污染；不受市場波動影響等優(yōu)點[1]，目前太陽能資源開發(fā)利用在整個可再生能源中投資增長速度最快。人類對太陽能資源開發(fā)利用，主要可分為光熱利用和太陽能發(fā)電。光熱利用，如太陽能熱水器、太陽能灶已深入到全世界的千家萬戶。太陽能發(fā)電主要有兩種，一是光伏發(fā)電，即利用太陽電池的光生伏打效應(yīng)，把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；二是聚光熱發(fā)電(CSP)，利用聚光集熱器將太陽能聚集起來產(chǎn)生高溫?zé)崮?，加熱介質(zhì)(如蒸汽)來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中光伏發(fā)電技術(shù)是主流，技術(shù)最成熟，近年來全球累計光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模呈指數(shù)發(fā)展且已步入大規(guī)模發(fā)展階段，截至2010年年底，全球光伏累計裝機(jī)容量接近40GW[2]。聚光熱發(fā)電技術(shù)最近幾年發(fā)展趨勢非?？?，主要分布在美國、西班牙、北非。據(jù)預(yù)測，2030年全球的常規(guī)能源利用將達(dá)到峰值，此后可再生能源將逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕揽?，而太陽能資源將成為其中一種主導(dǎo)的能量來源。

太陽輻射是地面的主要能量來源，同時也是地面熱量平衡的重要組成部分，大氣和地面接收到的太陽輻射能對大氣加熱、對流狀況、地面熱狀況、生物生長、人類活動、太陽能利用等都有巨大的影響。20世紀(jì)70年代我國學(xué)者翁篤鳴[3]研究發(fā)現(xiàn)，緊密相聯(lián)的天空遮蔽度(云量)、大氣透明狀況、下墊面的物理特性、平流熱量以及水分的輸送等過程，都將導(dǎo)致太陽輻射能量的再分配，這種影響的大小具有顯著的局地性特征，此后我國不少學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究[4,5]。由于太陽輻射資源評估與預(yù)報是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計算(以制定發(fā)電規(guī)劃、電力調(diào)度)和預(yù)報的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，本文以湖北省武漢市為研究對象，首先研究太陽總輻照量與氣象要素的關(guān)系，然后分季節(jié)建立逐時總輻照量預(yù)報模型，從而對太陽總輻照量作出有效預(yù)報。

二 資料來源與方法

由于缺失2007年以前的太陽總輻照量資料，并考慮到從2009年開始云量(低、總)的觀測方式由原來的每日逐時改為一天4次(02時、08時、14時及20時)，為保證觀測資料時間上連續(xù)性，選取的氣象資料為武漢市氣象站2007～2008年每日逐時(6:00～17:00)太陽總輻照量(單位：MJ/m2)及同期逐時氣象要素(風(fēng)速、氣溫、相對濕度等)的觀測資料。文中的時間均為北京時間。

首先利用2007～2008年逐時太陽總輻照量資料，對總輻照量的季節(jié)變化、日變化及其與氣象要素(氣溫、相對濕度、云量等)的相關(guān)性進(jìn)行分析，其次分季節(jié)對2007年逐時總輻照量與上述氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，對比各氣象要素對總輻照量的貢獻(xiàn)，建立逐步回歸方程，最后以2008年逐時太陽能總輻照量為對象進(jìn)行預(yù)報和誤差分析。其中粗略的分季按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季。

三 結(jié)果分析

1 太陽總輻照量的季節(jié)和日變化

圖1是武漢站2007～2008年四季逐時平均太陽總輻照量變化曲線?？梢娺@兩年太陽輻射的季節(jié)、日變化趨勢基本相似，即夏季最多，冬季最少，春秋居中，一天中以12:00左右最大，這是由地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成與太陽的相對位置(太陽高度角)的季節(jié)變化引起的。

2 各季逐時太陽總輻照量與其他氣象要素的相關(guān)分析

選取武漢市2007～2008年逐日8～16時8個時次的氣象要素及太陽總輻照量進(jìn)行相關(guān)分析(表1)，對四季地面太陽總輻照量和各季氣象要素值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)水汽壓與總輻照量相關(guān)性最差，且沒有通過顯著性檢驗。氣溫、相對濕度、云量(低、總)和風(fēng)速均通過了0.01的顯著性檢驗，從物理角度來看風(fēng)與總輻照量關(guān)系不大，而風(fēng)速均通過了0.01的顯著性檢驗的結(jié)論可能與統(tǒng)計樣本個數(shù)較少有關(guān)，相對濕度及云量(低、總)與總輻照量負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分季節(jié)看，春夏總輻照量與相對濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更顯著，而與云量(低、總)的相關(guān)性則在春冬兩季更好。

表1 武漢地區(qū)四季逐時太陽總輻照量與其他氣象要素的相關(guān)系數(shù)

3 各季逐時太陽總輻照量預(yù)報方程的建立

以2007年武漢地區(qū)四季逐時總輻照量與氣象要素資料為例，選取(10:00～15:00)時段，對影響太陽總輻照量逐時的氣象要素進(jìn)行篩選，建立回歸模型，得到武漢地區(qū)各季逐時總輻照量預(yù)報模型，表2～表5是各季某些時次逐步回歸方程中各要素回歸系數(shù)的估計值及總輻照量與各要素的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R)?？偟膩砜矗傒椪樟縴與各季建立的逐時回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，相關(guān)性較好。分季節(jié)看，春季總輻照量與相對濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與相對濕度、總云量關(guān)系密切，但氣溫對總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對濕度、水汽壓有關(guān)。冬季的情況較復(fù)雜，由于太陽高度角及日照時數(shù)的影響，總輻照量值顯著下降，總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切，這與其他季節(jié)不同。經(jīng)過檢驗，各季建立的擬合方程F統(tǒng)計量均大于信度為0.05時的3.86，因此這些方程可用來估計或預(yù)報總輻照量強(qiáng)度。表2～表5中*均表示該時次建立回歸方程中該項因子回歸系數(shù)為空，即經(jīng)過計算此項因子對方程沒有貢獻(xiàn)。

4 誤差分析

本文采用平均絕對百分比誤差(MAPE)進(jìn)行誤差分析，其計算公式如下：

表2 武漢地區(qū)春季10～15時逐步回歸方程系數(shù)估計及復(fù)相關(guān)系數(shù)

表3 武漢地區(qū)夏季10～15時逐步回歸方程系數(shù)估計及復(fù)相關(guān)系數(shù)

表4 武漢地區(qū)秋季10～15時逐步回歸方程系數(shù)估計及復(fù)相關(guān)系數(shù)

式中，i表示第i個時刻；N表示時間序列長度；為第小時預(yù)報值；為第i小時的實況觀測值。

首先根據(jù)已建立的逐步多元回歸方程，選取2007年10時、11時、12時、13時、14時及15時5個時段，對方程進(jìn)行擬合效果檢驗，結(jié)果(見表6)表明：秋季誤差最小，冬季最大，其次是夏季、春季。然后用同樣的方法對2008進(jìn)行預(yù)報效果檢驗(表7)，其計算得到的理論值與樣本實際值誤差較穩(wěn)定，基本維持在約20%，秋季(9～11月)誤差最小，其次是春季(3～5月)和夏季(6～8月)，冬季(12～2月)的誤差最大。四季中，冬季總輻照量的值較其他三季小得多，且在陰天即低云量(9～10)成，或總云量10成，或兩者同時出現(xiàn)的情況下，總輻照量多為0值，這些因素導(dǎo)致冬季的總輻照量誤差較大。夏季的百分比誤差也不小，直接原因可能是夏季武漢地區(qū)陰雨天氣較多，影響太陽輻射的因素更為復(fù)雜。

表6 擬合2007年四季太陽輻射平均絕對百分比誤差(MAPE)

表7 預(yù)測2008年四季逐時太陽輻射平均絕對百分比誤差(MAPE)

四 結(jié)果與討論

(1) 對武漢逐時太陽總輻照量與氣象要素分季節(jié)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，其與氣溫、相對濕度、水汽壓及云量(低、總)有關(guān)系，其中相對濕度及云量(低、總)與總輻照量呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步以季節(jié)來分析，春夏總輻照量與相對濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更密切，與云量(低、總)在春夏兩季的相關(guān)性較好。

(2) 選取武漢四季每天(10:00～15:00)5個時段，用逐步回歸方法對各氣象要素及總輻照量資料進(jìn)行擬合，剔除次要因子可發(fā)現(xiàn)，四季每日逐時影響因子不盡相同，春季總輻照量與相對濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與與相對濕度、總云量關(guān)系密切，但氣溫對總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對濕度、水汽壓有關(guān)。冬季總輻照量值顯著下降，總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切，這與其他季節(jié)不同。

(3) 氣溫與總輻照量的相關(guān)不大，實際觀測與理論計算都表明，大氣的加熱主要是通過地表對大氣的長波輻射、湍流熱交換及潛熱交換過程實現(xiàn)[6,7]。夏天氣溫最高，但分析發(fā)現(xiàn)，基本上每天10:00～15:00時建立的逐步回歸方程都將氣溫剔除。風(fēng)速其實對總輻照量沒有直接影響，但間接體現(xiàn)了天氣狀況的影響，比如冬季由于偏北大風(fēng)天氣發(fā)生頻率最高，降水偏少而使武漢的空氣常常較混濁，自然對太陽輻射有一定影響。描述水汽含量時常用相對濕度和地面水汽壓作為大氣中水汽含量表征。回歸方程都表明，相對濕度是影響總輻照量的重要因子，水汽壓也對總輻照量有影響，兩者都體現(xiàn)了水汽影響太陽輻射的大氣傳輸。一般而言，云量的增加(減少)會引起地面太陽輻射的減少(增加)。從回歸方程看，總云量較低時云量對總輻照量的影響大。但值得一提的是，云量和太陽輻射之間關(guān)系很復(fù)雜，難以解釋的。研究表明[8]，我國大部分地區(qū)的總云量在過去幾十年間都呈減少的趨勢，然而此結(jié)論同樣無法用于完全解釋期間地面太陽輻射的變化。

(4) 本文資料僅限于武漢站每日逐時的太陽總輻照量和氣象要素的資料，而太陽輻射是大范圍長期作用的因素，僅單站短期資料可能難以精確反映普遍規(guī)律。

上述氣象要素與太陽總輻照量之間復(fù)雜、不穩(wěn)定的關(guān)系，并非本文的研究區(qū)域所特有，而是當(dāng)前國內(nèi)外研究中所面臨的共同難點[9]，其中可能包含了較復(fù)雜但也相當(dāng)重要的科學(xué)問題，值得進(jìn)一步深入分析。

[1]楊金煥, 于化叢, 葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 32－36.

[2]李芬, 陳正洪, 成馳, 等.太陽能光伏發(fā)電量預(yù)報方法的發(fā)展[J].氣候變化研究進(jìn)展, 2011, 7(2): 136－142.

[3]翁篤鳴.太陽輻射在形成中國氣溫年變程中的作用[J].地理學(xué)報, 1963, 29(2): 146－154.

[4]劉晶淼, 丁裕國, 黃永德, 等.太陽紫外輻射強(qiáng)度與氣象要素的相關(guān)分析[J].高原氣象, 2003, 22(1): 47－50.

[5]張德山, 丁德平, 穆啟占, 等.北京太陽能氣象指數(shù)預(yù)報研究與應(yīng)用[J].氣象, 2001, 8(31): 81－83.

[6]Leckmer B.The spectral distribution of solar radiation at the earths surface－elements of a model[J].Solar Energy, 1978, 20(1):143－150.

[7]白建輝, 王庚辰.晴天地面太陽紫外輻射的觀測結(jié)果和統(tǒng)計計算方法[J].太陽能學(xué)報, 1993, 14(4): 364－370.

[8]Kaiser D P.Decreasing cloudiness over China: An updated analysis examining additional variables[J].Geophysical Research Letters, 2000, 27(15): 2193－2196.

[9]Wild M, Gilgen H, Roesch A, et al.From dimming to brightening:Decadal changes in solar radiation at earth’s surface[J].Science,2005, 308(5723): 847－850.