浙江省太陽輻射計算及分布特征*

肖晶晶 金志鳳 李 娜 李仁忠 袁德輝 毛裕定

(1.浙江省氣候中心，浙江杭州310017;2.山西省氣象決策服務(wù)中心，山西太原030006)

0 引言

太陽輻射是地球表面各種物理、化學(xué)和生物過程的根本驅(qū)動力，對天氣、氣候的形成具有決定性作用，研究太陽輻射的基本氣候特征及其分布規(guī)律有著十分重要的理論和現(xiàn)實意義［1］。然由于觀測站點少，如何準(zhǔn)確地得到大范圍、高精確的區(qū)域結(jié)果一直是研究的熱點。Angstrom提出利用晴天太陽總輻射和日照百分率來計算太陽總輻射，得到了廣泛的推廣應(yīng)用和改進(jìn)，其一般形式為:Q=Q0(a+bs)［2，3］。其中Q為到達(dá)地表的太陽總輻射，Q0為起始太陽輻射，s為同時期日照百分率，a，b為經(jīng)驗系數(shù)。起始太陽輻射主要包括天文輻射、晴天太陽總輻射和理想大氣總輻射等［4-6］，但以何種起始太陽輻射為優(yōu)在不同的地區(qū)研究結(jié)果各有不同［7-9］。此外綜合因子法［10］也有研究。

浙江省太陽總輻射、光合有效輻射在20世紀(jì)80年代已有計算［11-12］，但由于是全國范圍的氣候資源區(qū)劃，結(jié)果不夠精確;郭力民等提出以聚類分析法分區(qū)計算浙江省太陽總輻射［13］，結(jié)果精度較高，但過程較為繁瑣;鮑倩倩等利用氣候?qū)W方法得到了杭州太陽總輻射的經(jīng)驗公式，但沒有分析全省范圍的太陽總輻射［14］。浙江省太陽輻射觀測站分布稀少，隨著輻射理論研究的不斷深入和全球氣候變化的加劇，選擇一種準(zhǔn)確、適合于浙江省的太陽輻射的計算方法，分析其分布特征，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文通過比較國內(nèi)外5種太陽總輻射氣候?qū)W計算值與實際觀測值的方差，選擇適于浙江省的經(jīng)驗公式對太陽總輻射和光合有效輻射的分布特征進(jìn)行研究，通過分析浙江省太陽輻射資源，以期為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)合理布局、農(nóng)業(yè)品種最優(yōu)搭配等提供依據(jù)。

1 資料來源與計算方法

1.1 資料來源

氣象資料取自浙江省氣候中心，全省64個基本氣象站點的經(jīng)度(°)、緯度(°)、海拔高度(m)，以及建站以來的逐日日照時數(shù)(h)、水汽壓(hPa)、云量;輻射資料取自浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，杭州(1964—2010)、慈溪(1964—1990)和洪家(1992—2010)3站逐月的太陽總輻射資料。根據(jù)中國氣象局編制的《氣象輻射觀測方法》的規(guī)定，1981年1月1日前的輻射觀測資料乘以系數(shù) 1.022［15］。

1.2 太陽總輻射計算方法

經(jīng)驗公式法 選取翁篤鳴經(jīng)驗公式(Qw)［5］、左大康經(jīng)驗公式(Qz)［4］和孫治安經(jīng)驗公式(Qs)［16］進(jìn)行分析，計算公式如下:

翁篤鳴經(jīng)驗公式:

左大康經(jīng)驗公式:

孫治安經(jīng)驗公式:

其中Q(w/z/s)為計算的太陽輻射日總量(MJ·m-2·d-1)，QA為天文輻射日總量(MJ·m-2·d-1)，s為日照百分率。日天文輻射總量計算參考左大康經(jīng)驗公式［4］。

綜合因子法 以朱志輝經(jīng)驗公式［10］為代表，綜合考慮了水汽、海拔、天文輻射等要素，其計算月太陽總輻射和年太陽總輻射的公式分別如下:

(5)和(6)式中，X1為月(年)的日照百分率(以兩位小數(shù)表示);X2為海拔高度(km);X3為月(年)平均水汽壓(hPa);QA為 月(年)的天文輻射量。

模式輸出 目前普遍應(yīng)用的WOFOST模型的輻射子模塊計算太陽總輻射方程即為埃斯屈朗方程(?ngstr?m Formula)，其驅(qū)動輸入為假定沒有大氣時到達(dá)地面的輻射理論值，計算結(jié)果直接通過模式程序輸出［17］。

根據(jù)公式(1)—(6)及相應(yīng)的文獻(xiàn)，分別計算杭州、慈溪、洪家3站的逐月(年)太陽總輻射，計算各月不同方法的相對誤差(即(計算值-觀測值)/觀測值)，見表1。

表1 不同公式計算的相對誤差多年平均值(杭州、洪家:1992—2007年/慈溪:1964—1990年) %

表2 1—12月不同方法計算結(jié)果的方差及平均值

表中:Qw為翁篤鳴經(jīng)驗公式;Qz為左大康經(jīng)驗公式;Qz1為朱志輝經(jīng)驗公式;Qs為孫治安經(jīng)驗公式;Qq為埃斯屈朗方程。

由表1可以看出前4種在不同站點、不同月份計算時各有優(yōu)劣，要分析全省的太陽輻射的分布特征，要求公式具有較好的穩(wěn)定性，比較不同月份的方差，如表2。

比較1—12月相對誤差的方差的平均值，可以發(fā)現(xiàn) Qs＜Qz1＜Qz＜Qw＜Qq，即孫治安經(jīng)驗公式具有較好的穩(wěn)定性，且其相對誤差的平均值最小，故本文選用孫治安經(jīng)驗公式來計算浙江省太陽總輻射。

1.3 光合有效輻射計算方法

光合有效輻射是太陽輻射中能被綠色植物用來進(jìn)行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，直接影響著植物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。研究表明，周允華、劉新安等對于光合有效輻射的計算方法具有較好的適應(yīng)性［18-19］，故本文選取此方法計算浙江省光合有效輻射。依據(jù)式(7)計算各地區(qū)有效輻射比例系數(shù)與總輻射的乘積即得到光合有效輻射月、年總量，計算公式如下［18］:

式中:PAR為光合有效輻射，E為平均總云量，Q為太陽總輻射，括號內(nèi)為400～700 nm的光合有效輻射占總輻射的比例系數(shù)。表3為浙江省11個市的光合有效輻射占總輻射的月比例系數(shù)，基本在0.452 ～0.498 之間。

表3 浙江省各地區(qū)月、年光合有效輻射占總輻射量的比例系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 浙江省太陽輻射時間變化特征

分別選取浙江省11個市的太陽總輻射和光合有效輻射值，其平均值分布如圖1。

圖1 浙江省太陽輻射時間變化

由圖1可以看出，浙江省太陽總輻射年變化呈現(xiàn)出明顯的雙峰型，7月最大，1月最小，6月為一相對小值;光合有效輻射年變化為弱雙峰型或單峰型，7月份最大，1月份最小。統(tǒng)計浙江省64個氣象基本站的太陽總輻射和光合有效輻射，分析其年變化規(guī)律:

1—5月浙江省太陽總輻射逐月增加，其中1月份增幅較小，2月增幅最大，平均增幅62.49 MJ·m-2。5 月達(dá)到第一個峰值，最大值出現(xiàn)在平湖站504.29 MJ·m-2。受太陽高度角和太陽直射點的北移的影響，6月太陽總輻射驟減，平均減幅17.20 MJ·m-2，其中減幅最大為嵊泗站44.87 MJ·m-2。7月達(dá)到浙江省太陽總輻射最大值，全省平均增幅156.49 MJ·m-2，增幅最大為瑞安站192.77 MJ·m-2。8—12月浙江太陽總輻射逐漸減少，其中8月、12月減幅較小，分別為 26.76 MJ·m-2和 21.48 MJ·m-2，其他月份減幅均超過70 MJ·m-2，這與北方寒冷氣流開始入侵，雨季降水產(chǎn)生的大量的水汽與冷濕氣流使得反射加強、直接輻射降低有關(guān)，另外天文輻射降低也是太陽總輻射降低的原因之一。光合有效輻射年變化規(guī)律與太陽總輻射類似，但輻射值偏低，其中1月、8月和12月偏低少于10 MJ·m-2，其他月份低幅平均達(dá) 50.17 MJ·m-2，其中7月偏低最多，達(dá)82.06 MJ·m-2。

2.2 浙江省太陽輻射空間變化特征

計算浙江63個氣象站的太陽總輻射月和年值。圖2、圖3是浙江省年太陽總輻射和光合有效輻射的分布圖。

由圖2可以看出，浙江太陽總輻射呈現(xiàn)出東北高、西南低的分布，山區(qū)低于平地，沿海多于內(nèi)陸，太陽總輻射在4332.19 ～4870.66 MJ·m-2之間，其中嵊泗為最大值，普陀、平湖等地太陽總輻射均超過4800 MJ·m-2。另外金衢盆地太陽總輻射為次最值區(qū)，最低值分布在西南遂昌、云和、麗水和北部長興地區(qū)。光合有效輻射分布與太陽總輻射規(guī)律類似，值分布在2060.16～2310.07 MJ·m-2之間，浙北低值區(qū)南壓西移。年輻射區(qū)域變化為:

1—4月太陽總輻射自沿海向內(nèi)陸減小，最高值出現(xiàn)在浙東北的舟山嵊泗地區(qū)，為439.13 MJ·m-2;最低值出現(xiàn)在浙西南的開化地區(qū)，為216.22 MJ·m-2。受海拔等因素的影響，麗水地區(qū)的太陽總輻射與同緯度地區(qū)相比要低4～12 MJ·m-2。此外，龍游、遂昌、龍泉等地的太陽總輻射也偏低。5—6月浙江太陽總輻射為北高南低的分布，高值區(qū)為東北部的平湖、余姚地區(qū)，低值區(qū)偏移至溫嶺、樂清地區(qū)。7—8月浙江全省的總輻射值均超過了500 MJ·m-2，呈現(xiàn)出中間高、兩頭低的分布，金衢盆地-平湖地區(qū)為高值區(qū)，長興、泰順地區(qū)為低值區(qū)。9—12月的太陽總輻射呈現(xiàn)出南高北低的分布，12月尤為明顯，高值區(qū)分布在慶元、泰順和玉環(huán)地區(qū)，低值區(qū)分布在北部的長興、桐廬地區(qū)。光合有效輻射的變化規(guī)律與太陽總輻射類似，但值偏低。

2.3 浙江省太陽總輻射年際變化特征

為了分析浙江省太陽總輻射的氣候變化，選取杭州站1964—2010年逐年太陽總輻射和光合有效輻射進(jìn)行分析，如圖4。由圖4可以看出1981年前杭州的太陽總輻射總體是下降的趨勢，年際間波動較大;1981—1995年太陽總輻射緩慢增加，年際間波動較小，年增加幅度在50 MJ·m-2，1995年以后太陽總輻射出現(xiàn)了一次急劇上升的過程，而后變化較小。最高值出現(xiàn)在 1995 年，達(dá) 5173.63 MJ·m-2，最低值出現(xiàn)在 1977 年，為 3318.93 MJ·m-2，差值達(dá)1854.70 MJ·m-2?？傮w來說浙江的太陽總輻射的總體趨勢是下降的，每10 a下降的幅度為20 MJ·m-2左右。光合有效輻射年際間變化趨勢與太陽總輻射一致，但年際間波動變化較小，基本維持在2000 MJ·m-2。

3 結(jié)語

圖4 杭州市年太陽輻射的氣候變化

(1)利用已有的太陽輻射資料，與國內(nèi)外五種太陽總輻射氣候?qū)W方法計算值的分析對比，發(fā)現(xiàn)孫治安經(jīng)驗公式適用于浙江省太陽輻射計算。與其他方法相比，孫治安經(jīng)驗公式考慮了水汽壓對輻射的影響，更符合浙江省空氣濕度較大的實情。另外，水汽壓一定程度上耦合了地理位置、海拔等因素，具有較強的綜合性。與傳統(tǒng)經(jīng)驗系數(shù)方法相比，該方法解決了觀測站點稀少、經(jīng)驗系數(shù)代表性不足的缺陷，具有較強的可操作性;

(2)與同緯度其他地區(qū)相比，浙江省光能資源相對豐富，這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有利的。光能與水熱資源匹配使得浙江農(nóng)業(yè)資源也相對豐富，喜熱作物和耐陰作物如茶葉在浙江省的產(chǎn)量和品質(zhì)較高。通過分析太陽總輻射和光合有效輻射的特點可以進(jìn)一步進(jìn)行作物生產(chǎn)潛力分析［20］，為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)合理布局、農(nóng)作物適當(dāng)搭配提供科學(xué)依據(jù);

(3)論文在分析過程中綜合考慮了日照百分率、水汽壓等因素，但太陽輻射與大氣環(huán)境、地形、地貌等因子的相互關(guān)系是極其復(fù)雜的，如山體陰影、水體的影響等。進(jìn)一步精細(xì)化分析研究中，可以引入GIS和RS技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格化分析，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣候資源更好地評估與利用。

［1］ Lu Yimin，Yue Tianxiang，Chen Chuangfa，et al.Solar radiation modeling based on stepwise regression analysis in China［J］.Journal of Remote Sensing.2010，14(5):852-857.

［2］ ?ngstr?m，A.Sloar and terrestrial radiation［J］ .Q J R Mer Soc，1924，50:121-125.

［3］ 鞠曉慧，屠其璞，李慶祥.我國太陽總輻射氣候?qū)W計算方法的再討論［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，2005，28(4):516-521.

［4］ 左大康，王懿賢，陳建綏.中國地區(qū)太陽總輻射的空間分布特征［J］.氣象學(xué)報，1963，33(1):78-96.

［5］ 翁篤鳴.試論總輻射的氣候?qū)W計算方法［J］.氣象學(xué)報，1964，34(3):304-315.

［6］ 王炳忠，張富國，李立賢.我國的太陽能資源及其計算［J］.太陽能學(xué)報，1980，1(1):1-9.

［7］ 祝昌漢.再論總輻射的氣候?qū)W計算方法(一)［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1982(1):15-24.

［8］ 祝昌漢.再論總輻射的氣候?qū)W計算方法(二)［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1982(2):196-206.

［9］ 和清華，謝云.我國太陽總輻射氣候?qū)W計算方法研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2010，25(2):308-319.

［10］ 朱志輝.我國太陽能分布的非線性回歸模式［J］.1984，3(3):76-83.

［11］ 李世奎，侯光良，歐陽海，等.中國農(nóng)業(yè)氣候資源和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃［M］.北京:科學(xué)出版社，1988:8-20.

［12］ 王連喜，陳懷亮，李琪，等.農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃方法研究進(jìn)展［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2010，31(2):277-281.

［13］ 郭力民，陳勝軍，顧俊強，等.浙江太陽輻射量計算方法的探討［J］.科技通報，1991，7(2):90-96.

［14］ 鮑倩倩，楊煥強，吳書成，等.杭州太陽總輻射特征統(tǒng)計及氣候?qū)W經(jīng)驗計算［J］.浙江氣象，2008，29(2):36-43.

［15］ 中國氣象局.氣象輻射觀測方法［M］.北京:氣象出版社，1986:113-165.

［16］ 孫治安，施俊榮，翁篤嗚.中國太陽總輻射氣候計算方法的進(jìn)一步研究［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1992，15(2):21-29.

［17］ 鄔定榮.中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文［D］.2005-10.

［18］ 周允華，項月琴，單福芝.光合有效輻射(PAR)的氣候?qū)W研究［J］.氣象學(xué)報，1984，42(4):387-397.

［19］ 劉新安，范遼生，王艷華，等.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征［J］.資源科學(xué)，2002，24(1):82-87.

［20］ 李三愛，居輝，池寶亮.作物生產(chǎn)潛力研究進(jìn)展［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2005，26(2):160-111.