寧波太陽(yáng)總輻射估算及其變化特征分析

何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

寧波太陽(yáng)總輻射估算及其變化特征分析

何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

太陽(yáng)輻射是地球上最基本、最重要的能量來(lái)源，研究區(qū)域內(nèi)的太陽(yáng)能總量及其分布特征對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。本文利用太陽(yáng)總輻射的氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)杭州站1960-2006年逐月太陽(yáng)總輻射和日照百分率建立的回歸系數(shù)，對(duì)寧波鄞州站1981-2013年的太陽(yáng)總輻射進(jìn)行估算?；?010-2013年的估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件建立修正方程，并應(yīng)用修正后的太陽(yáng)總輻射和實(shí)際觀測(cè)值，對(duì)寧波鄞州站1981-2013年太陽(yáng)總輻射的年際變化和年變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：本研究所采用的估算方法可行，且修正后的計(jì)算值更加精確。寧波鄞州月平均太陽(yáng)總輻射為357.29 MJ·m-2，月太陽(yáng)總輻射在226.11～551.42MJ· m-2；月變化為雙峰型，6月受梅雨天氣影響為相對(duì)低值。寧波鄞州年太陽(yáng)總輻射達(dá)4 287.47 MJ·m-2，屬于資源豐富區(qū)。20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，太陽(yáng)總輻射出現(xiàn)下降趨勢(shì)，至20世紀(jì)90年代初達(dá)到最低值，其后下降趨勢(shì)逐漸停頓，并有緩慢上升的態(tài)勢(shì)。

太陽(yáng)總輻射；日照百分率；特征分析

太陽(yáng)輻射是地表最重要、最基本的能量來(lái)源，也是地球氣候形成的最重要因子。隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求劇增。由于常規(guī)能源的儲(chǔ)量有限以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中排放物對(duì)環(huán)境的污染，許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)把太陽(yáng)輻射資源作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境質(zhì)量的重要清潔能源加以開(kāi)發(fā)利用。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)輻射的計(jì)算大體可歸納為3種［1-5］：利用氣候?qū)W方法計(jì)算太陽(yáng)輻射的各分量；利用衛(wèi)星遙感資料反演太陽(yáng)輻射的有關(guān)參數(shù)；利用高程結(jié)合GIS技術(shù)模擬太陽(yáng)輻射。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，氣候?qū)W計(jì)算方法的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谖覈?guó)應(yīng)用最為廣泛。實(shí)踐證明，以日照百分率模型為代表的氣候?qū)W計(jì)算方法使用方便，在地形平坦、大氣環(huán)境狀況較單一的地區(qū)精度很高。

浙江省現(xiàn)有太陽(yáng)輻射觀測(cè)站數(shù)目稀少（僅杭州和洪家），遠(yuǎn)不能滿足科研和工程應(yīng)用的需求。寧波地區(qū)的庵東觀測(cè)站已于20世紀(jì)90年代初停止了太陽(yáng)輻射觀測(cè)，鄞州于2010年剛設(shè)立太陽(yáng)輻射觀測(cè)，積累資料年限不長(zhǎng)，因此，當(dāng)前迫切需要適用于寧波市的太陽(yáng)輻射量推算和擴(kuò)展方法，來(lái)分析當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射的時(shí)空變化，摸清太陽(yáng)能資源分布情況。

本文利用杭州1960-2006年太陽(yáng)總輻射和日照資料所建立的氣候?qū)W逐月估算公式，推算寧波鄞州的太陽(yáng)總輻射，結(jié)合鄞州2010-2013年的實(shí)測(cè)輻射資料進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，從而得出較為精確的估算方法。根據(jù)估算結(jié)果，分析寧波鄞州1981-2013年太陽(yáng)總輻射變化特征，為揭示大氣運(yùn)動(dòng)、研究氣候變化、評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和太陽(yáng)能工程設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

1 太陽(yáng)總輻射估算公式的引用、檢驗(yàn)和修正

1.1 太陽(yáng)總輻射估算公式的引用

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W估算的方法是在統(tǒng)計(jì)分析該地歷年各月太陽(yáng)輻射和日照百分率觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法擬合出公式中的各月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并據(jù)此計(jì)算相鄰各地月太陽(yáng)總輻射。杭州觀測(cè)站是國(guó)家基準(zhǔn)氣候站和國(guó)家二級(jí)輻射觀測(cè)站，地理坐標(biāo)為30°13'33″N，120°09'54″E，海拔高度41.7 m。鮑倩倩等［6］利用日照百分率采用下式計(jì)算太陽(yáng)總輻射：

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，n為月份，各月系數(shù)不同；S為月日照百分率（%），W為月天文輻射量（MJ·m-2）。月天文輻射總量由日天文輻射量累加而得，日天文輻射量的計(jì)算公式如下：

式中：W0為日天文輻射總量（MJ·m-2· d-1）；I0為太陽(yáng)常數(shù)（13.67×10-4MJ·m-2· s-1）；T為周期（24×60×60 s）；ρ為日地相對(duì)距離；φ為地理緯度；ω0為日落時(shí)角；δ為太陽(yáng)赤緯。

鮑倩倩等［6］通過(guò)最小二乘法分析1960-2006年該站各月太陽(yáng)總輻射和日照百分率的觀測(cè)值，按照公式（Eg）n回歸得出各月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a和b，見(jiàn)表1。

表1 杭州站各月太陽(yáng)總輻射估算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

鄞州觀測(cè)站是國(guó)家基本氣象站，也是寧波的代表站，位于29°47'00″N，121°33'00″E，海拔高度5.0 m。由于杭州站與鄞州站所在的地理位置、地理?xiàng)l件相近，在相同季節(jié)影響該地區(qū)的天氣狀況和條件大致相同，因此本文利用杭州站1960-2006年各月太陽(yáng)總輻射和日照觀測(cè)資料，采用單站單月的方式來(lái)估算寧波鄞州1981-2013年太陽(yáng)總輻射值并待檢驗(yàn)。

1.2 太陽(yáng)總輻射估算公式的檢驗(yàn)

根據(jù)杭州站數(shù)據(jù)所建立的各月太陽(yáng)總輻射估算經(jīng)驗(yàn)公式，將寧波鄞州1981-2013年的逐月日照百分率和天文輻射總量代入（Eg）n公式，求得寧波鄞州1981-2013年的逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值。提取2010-2013年的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。圖1為寧波鄞州2010-2013年逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖，相關(guān)系數(shù)R2為0.982 7。

經(jīng)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)、獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)與Kolmogorov-Smirnov Z檢驗(yàn)，結(jié)果均顯示，實(shí)測(cè)值與統(tǒng)計(jì)值之間差異不顯著。為了檢驗(yàn)估算經(jīng)驗(yàn)公式的誤差情況，以寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值作為兩獨(dú)立樣本進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算絕對(duì)百分誤差和平均絕對(duì)百分誤差，結(jié)果見(jiàn)表2。月絕對(duì)百分誤差最大值為20.67%，最小為0.00%，大于10.00%（同類(lèi)研究中的誤差標(biāo)準(zhǔn)為10.00%）的月數(shù)為6個(gè)，占12.5%，獨(dú)立樣本的平均絕對(duì)誤差為4.69%（同類(lèi)研究中的誤差標(biāo)準(zhǔn)為5.00%）。

圖1 寧波鄞州2010-2013年逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)分布

表2 鄞州2010-2013年各月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差%

綜上可知，利用杭州站所建立的各月太陽(yáng)總輻射估算經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算寧波鄞州逐月太陽(yáng)總輻射是可行的。但估算經(jīng)驗(yàn)公式的月絕對(duì)百分誤差大于同類(lèi)研究中誤差標(biāo)準(zhǔn)的比重較大，T檢驗(yàn)的臨界置信水平為0.750，估算公式有待修正。

1.3 太陽(yáng)總輻射估算公式的修正

利用寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值兩套獨(dú)立樣本，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析，建立修正方程：

修正方程的相關(guān)系數(shù)r為0.991，并通過(guò)了0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。

利用公式對(duì)寧波鄞州1981-2013年逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算值進(jìn)行修正，得到最終的逐月太陽(yáng)總輻射值，再次提取2010-2013年最終的逐月太陽(yáng)總輻射修正值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，修正后的置信水平提高到0.918，臨界置信水平提高到0.999；獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，Mann-Whitney U檢驗(yàn)的漸近顯著性提高到0.982；Moses極限反應(yīng)檢驗(yàn)控顯著性水平提高到0.500。

計(jì)算各絕對(duì)百分誤差，結(jié)果（表3）顯示，月絕對(duì)百分誤差最大為19.64%，最小為0.10%，大于10.00%的月數(shù)為2，占4.17%，獨(dú)立樣本的平均絕對(duì)誤差為3.79%。修正后的月絕對(duì)百分誤差大于同類(lèi)研究中誤差標(biāo)準(zhǔn)的比重明顯減少，T檢驗(yàn)的臨界置信水平顯著提高，因此經(jīng)過(guò)修正的太陽(yáng)總輻射更加精確。

表3 鄞州2010-2013年各月太陽(yáng)總輻射修正值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差%

2 太陽(yáng)總輻射變化特征分析

2.1 寧波鄞州太陽(yáng)總輻射年際變化特征

寧波鄞州33 a的年太陽(yáng)總輻射為4 287.47 MJ· m-2；極端最大年太陽(yáng)總輻射為4 871.92 MJ· m-2，出現(xiàn)在2013年；極端最小年太陽(yáng)總輻射為3 625.21 MJ·m-2，出現(xiàn)在1991年。無(wú)論是修正后的推算值還是實(shí)際觀測(cè)值，均與該站的年日照時(shí)數(shù)有一致的變化趨勢(shì)。從寧波鄞州33 a太陽(yáng)總輻射的年際變化來(lái)看（圖2），其中線性趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)R2為0.103 3（R=0.321 4），小于置信度5%的Rc值0.344 2（相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)臨界值），因此其呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)不可信；而多項(xiàng)式變化趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)R2為0.485 8（R=0.697 0），大于置信度1%的Rc值0.442 8，且與5 a滑動(dòng)平均的變化趨勢(shì)基本一致，因此多項(xiàng)式呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)可信。從多項(xiàng)式擬合的變化曲線看，鄞州站從20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，太陽(yáng)總輻射出現(xiàn)下降趨勢(shì)，至20世紀(jì)90年代初達(dá)到最低值，其后下降趨勢(shì)逐漸停頓，并有緩慢上升的態(tài)勢(shì)。這與全球太陽(yáng)輻射所經(jīng)歷的從“暗”到“亮”的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象有相似之處。

2.2 寧波鄞州太陽(yáng)總輻射月標(biāo)變化特征

圖2 寧波鄞州太陽(yáng)總輻射的年際變化

寧波鄞州33 a的月平均太陽(yáng)總輻射為357.29 MJ·m-2；極端最大月太陽(yáng)總輻射為724.84 MJ· m-2，出現(xiàn)在2013年7月；極端最小月太陽(yáng)總輻射為128.61 MJ·m-2，出現(xiàn)在1993年12月。從33 a月際變化來(lái)看，寧波鄞州太陽(yáng)總輻射量表現(xiàn)出明顯的年變化，大體呈雙峰型季節(jié)分布（7月最大，5月為另一高峰值），7月后逐漸減少；夏季輻射量占全年的34.1%，冬季占全年的16.4%，春秋兩季介于中間，占全年的22.5%～27.0%（圖3）。各月中以7月總輻射量最大，多年平均為551.42 MJ·m-2；1月最小，多年平均為226.11 MJ·m-2。這主要受太陽(yáng)高度和晝長(zhǎng)的季節(jié)差異影響，而一年中輻射量較大的4-9月其輻射量均大于平均值，但在6月出現(xiàn)一個(gè)小的波谷，這是因?yàn)?月寧波市正值梅雨季節(jié)，連陰雨天氣較多，導(dǎo)致日照時(shí)間減少，相應(yīng)到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射也就出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 寧波鄞州太陽(yáng)總輻射的月際變化

3 小結(jié)與討論

利用杭州站1960-2006年實(shí)測(cè)太陽(yáng)總輻射和日照百分率，逐月建立以天文輻射為基數(shù)的氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算寧波鄞州站的太陽(yáng)總輻射是可行的；經(jīng)修正后的計(jì)算值更加接近實(shí)際觀測(cè)值，誤差較小。根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估辦法》中太陽(yáng)總輻射的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，寧波鄞州年總太陽(yáng)輻射量3 780～5 040 MJ· m-2［7］，為3級(jí)，屬于資源豐富區(qū)，具有開(kāi)發(fā)潛力。年內(nèi)分配存在一定的不均衡性，向夏季集中，輻射量的月際最大值與最小值之比超過(guò)2.4，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用需要考慮明顯的季節(jié)性變化。

太陽(yáng)輻射受氣象條件影響較大，太陽(yáng)總輻射計(jì)算應(yīng)結(jié)合各種因素和季節(jié)分布，完善計(jì)算模擬過(guò)程，同時(shí)做好開(kāi)發(fā)中的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理。

寧波鄞州近33 a太陽(yáng)輻射的估算只是一種嘗試，在今后的研究中，還有待于考慮地面高程、實(shí)際坡向及地形遮蔽等對(duì)地表太陽(yáng)輻射的影響，基于GIS技術(shù)構(gòu)建一套適合寧波的推算太陽(yáng)輻射的方法和流程，并應(yīng)用該方法結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)寧波市的太陽(yáng)輻射資源進(jìn)行精細(xì)化的區(qū)劃分析，從而為可再生能源的應(yīng)用發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和建議。

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（責(zé)任編輯：高 峻）

P 422

：A

：0528-9017（2014）10-1620-04

文獻(xiàn)著錄格式：何利德.寧波太陽(yáng)總輻射估算及其變化特征分析［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（10）：1620-1623.

2014-05-04

何利德（1976-），男，浙江鄞州人，工程師，主要從事氣象觀測(cè)和管理研究等工作。E-mail：69616193@qq.com。