四川省太陽能資源氣候?qū)W計算

申彥波張順謙郭 鵬王香云

1）（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

2）（中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京100081）3）（四川省氣候中心，成都610072）

四川省太陽能資源氣候?qū)W計算

申彥波1）2）*張順謙3）郭 鵬1）2）王香云1）2）

1）（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

2）（中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京100081）3）（四川省氣候中心，成都610072）

利用SMARTS模式計算晴天總輻射，充分考慮大氣對太陽輻射的削弱作用和海拔高度的影響，以四川省為例，建立了復(fù)雜自然環(huán)境條件下基于日照百分率的太陽能資源氣候?qū)W計算方程。該方法不僅物理意義明確，而且計算結(jié)果誤差明顯降低；與實測值相比，7個輻射站年地面太陽總輻射曝輻量的相對誤差均低于7%；與初始值采用天文輻射曝輻量的方法相比，無論是相對誤差值還是離散程度，均降低一半以上。該方法較好地解決了在一個地形復(fù)雜、氣候多變的區(qū)域采用同一計算方程的難題，從而有效避免了過去采用分區(qū)方法帶來的邊界不連續(xù)問題，對我國東西高差大、干濕變化明顯的特殊情況具有應(yīng)用價值。

四川??；太陽能資源；晴天總輻射；日照百分率

引 言

基于日照百分率的氣候?qū)W統(tǒng)計方法是計算地面太陽總輻射（即太陽能資源）的常用方法［1-4］，其表達(dá)式為

式（1）中，H是所要計算的地面太陽總輻射曝輻量；H0是計算所用初始值，有天文輻射曝輻量（亦稱地外太陽輻射）、理想大氣總輻射曝輻量和晴天總輻射曝輻量3種選擇；s是日照百分率；a，b是經(jīng)驗系數(shù)。

在太陽輻射穿過大氣層到達(dá)地面的過程中，由于云、氣溶膠、水汽、各種大氣成分的吸收和散射作用以及地勢的影響而被削弱。但在利用式（1）計算H時，由于s只反映日照的持續(xù)時間，而不反映太陽輻射的強(qiáng)弱，因此，大氣層對太陽輻射的削弱程度主要由初始值H0和系數(shù)a，b來反映。

近年來，隨著太陽能發(fā)電在我國的大規(guī)模應(yīng)用，基于上述方程開展太陽能資源的計算和評價工作再次受到重視，然而，很多研究［5-7］中的重點不是在初始值選擇，而是放在對a，b系數(shù)的空間處理方面，當(dāng)遇到地形復(fù)雜、氣候多變的區(qū)域時，往往難以處理或產(chǎn)生較大誤差。

王炳忠等［8］對初始值的選擇進(jìn)行了討論，重點分析了我國大地勢（海拔高度）及其他自然條件對晴天太陽總輻射的影響，并利用Gueymard研制的SMARTS（Simple Model of Atmospheric Radiative and Transfer of Sunshine）模式［9］，在確定臭氧、氣體成分、氣柱厚度（反映當(dāng)?shù)睾０胃叨龋?、氣溶膠（以能見度表示）和水汽含量的基礎(chǔ)上，相對簡單、準(zhǔn)確地計算晴天總輻射，通過對成都和峨眉山兩個單站地面太陽總輻射的計算，初步證明了該方法的合理性。

本文在該工作的基礎(chǔ)上，從一個較大的區(qū)域范圍來進(jìn)一步驗證。而對研究區(qū)域的選擇，四川省是最適宜的［10］。四川省內(nèi)不僅輻射站點較多（7個站可收集到輻射數(shù)據(jù)），而且自然環(huán)境條件極其復(fù)雜，從東部海拔僅有數(shù)百米的盆地，到西部海拔達(dá)數(shù)千米的高原山地，從東部的天無三日晴，到西部的晴朗少云，地形和氣候條件均復(fù)雜多變。如果能將文獻(xiàn)［8］所研究的方法運用到四川省，并能得到較好的效果，則可進(jìn)一步證明該方法的合理性和適用性。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心，從1981—2010年四川省156個國家級業(yè)務(wù)氣象臺站（基準(zhǔn)站、基本站和一般站）中根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和研究需要挑選出93個站點參與計算，其中7個站具有輻射觀測（分別為成都、瀘州、綿陽、攀枝花、甘孜、峨眉山和紅原，其中成都站的輻射觀測2004年遷至其附近的溫江站，瀘州站的輻射觀測2003年遷至其附近的納溪站），在四川省西部高原和東部盆地地區(qū)均有分布。

1.2 基于SMARTS模式的晴天總輻射計算

利用文獻(xiàn)［8］中所述方法計算地面太陽總輻射的核心，是基于SMARTS模式計算出四川省各個氣象站所在地各月的晴天總輻射曝輻量。對此，模式中所需的常規(guī)氣象要素諸如氣溫、氣壓、相對濕度等輸入?yún)?shù)，可直接由氣象臺站實測數(shù)據(jù)獲得。但模式中需要的整層水汽含量、大氣渾濁度和大氣臭氧含量等則要通過其他途徑獲取。

對于整層水汽含量，采用文獻(xiàn)［11］中計算氣候平均態(tài)整層水汽含量的方程，利用各氣象臺站30年平均水汽壓和氣壓實測數(shù)據(jù)，計算各站點的整層水汽含量。

SMARTS模式中提供了5種計算大氣渾濁度參數(shù)的選項，本文采用能見度來反映大氣渾濁度。根據(jù)氣象臺站能見度數(shù)據(jù)的觀測情況，采用每日02：00，08：00，14：00和20：00（北京時，下同）的數(shù)據(jù)求平均獲得能見度日平均值，對于只有08：00，14：00和20：00 3次觀測的臺站則除以3作為日平均值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計多年平均值。事實上，能見度數(shù)據(jù)的質(zhì)量仍然是本文能夠使用的站點數(shù)量的限制性因素，經(jīng)過嚴(yán)格挑選，最終參與計算的氣象臺站為93個。

由于臭氧對太陽輻射的影響僅限于紫外波段，因此大氣臭氧含量對地面太陽總輻射曝輻量的影響相對較小。在本次計算中，為了盡可能多地考慮各影響因素的變化，本文采用NASA網(wǎng)站（http：∥macuv.gsfc.nasa.gov／index.md）所提供的 OMI（ozone monitoring instrument）2004—2010年的臭氧含量格點數(shù)據(jù)參與計算。

利用以上計算或選取的關(guān)鍵參數(shù)，基于SMARTS模式，即可獲得各氣象臺站各月的晴天總輻射曝輻量。

1.3 地面太陽總輻射計算

根據(jù)各個氣象站各月的晴天總輻射曝輻量，再配合各個輻射站月實測地面太陽總輻射曝輻量與日照百分率，不難根據(jù)式（1）擬合出相應(yīng)的計算方程。如圖1所示，由四川省7個輻射站多年平均（1981—2010年平均）的月晴天總輻射曝輻量H1、月地面太陽總輻射曝輻量H和月日照百分率s擬合的回歸方程為

式（2）的決定系數(shù)R2達(dá)到0.95。

圖1 四川省7個輻射站日照百分率與H／H1的相關(guān)關(guān)系Fig.1 The correlation between percentage of sunshine andH／H1at seven radiation stations in Sichuan Province

式（2）與已有研究［12-14］的不同之處在于，過去的計算方程是將四川省的東部盆地與西部高原分開處理。這樣做雖可避開不同氣候以及高原地勢的影響，但同時也帶來如何劃分站點的問題，尤其是分界線附近的站點。如峨眉山站若將其歸入東部盆地區(qū)，則難以反映海拔3000 m的高度；若將其劃入西部高原區(qū)，其近旁的氣象站不好處理。對此，有的研究曾不考慮峨眉山站，有的研究雖將其統(tǒng)一進(jìn)行處理（劃入東部或西部），但計算結(jié)果誤差較大。這些都是式（1）中初始值采用天文輻射曝輻量所帶來的弊端。而采用SMARTS模式輸出的晴天總輻射曝輻量，不僅反映了水汽、氣溶膠及其他大氣成分等氣象因素的消光作用，而且包含了海拔高度這一地理因素的影響，從而避免上述弊端。

2 效果檢驗

2.1 與實測值對比

為了驗證式（2）的合理性，首先應(yīng)用實測值對計算值進(jìn)行檢驗。表1是7個輻射站1981—2010年30年平均的年地面太陽總輻射曝輻量計算值與實測值的對比。由表1中可以看出，7個站年地面太陽總輻射曝輻量相對誤差均低于7%，最高為攀枝花的6.26%，最低為瀘州的－0.67%，這一誤差水平明顯低于以往關(guān)于四川省同類研究［10，13-15］。

2.2 與天文輻射計算結(jié)果對比

將式（2）的計算結(jié)果與初始值采用天文輻射曝輻量所建方程的計算結(jié)果進(jìn)行比較。初始值采用天文輻射曝輻量所建擬合方程（圖略）為

式（3）中，H2是月天文輻射曝輻量，該方程的決定系數(shù)R2為0.88。

分別計算式（2）和式（3）在7個輻射站1981—2010年平均的每月地面太陽總輻射曝輻量相對誤差δ（共84站月），并統(tǒng)計其最大值δmax、最小值δmin、絕對值的平均值和均方差δSD列于表2。由表2可以看出，初始值采用晴天總輻射曝輻量時的相對誤差統(tǒng)計值均明顯優(yōu)于采用天文輻射曝輻量，無論是誤差的量值還是離散程度，前者均不及后者的一半。

表2 式（2）和式（3）的計算值與實測值的相對誤差δ（單位：%）Table 2 The relative deviationδbetweencalculated data from equation 2，equation 3 and observed data（unit：%）

綜上所述，基于SMARTS模式得到晴天總輻射，進(jìn)而對一個區(qū)域建立類似式（2）的統(tǒng)計方程進(jìn)行太陽能資源的氣候計算，不僅減少了根據(jù)地形和氣候條件處理a，b系數(shù)的工作量，而且所得結(jié)果的誤差明顯降低，更重要的是，該方法物理意義更明確，除云之外的大氣和地理消光因素均可通過模式進(jìn)行參數(shù)化計算，從而有效減少了計算結(jié)果不確定性的來源。

3 四川省太陽能資源再計算

基于上述方法，對1981—2010年四川省太陽能資源重新進(jìn)行計算，其中4個典型月（1月、4月、7月、10月）的計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，1月地面太陽總輻射曝輻量空間分布差異最大，最大值為494 MJ·m－2（稻城），最小值為96 MJ·m－2（自貢），相差4倍以上，等值線密集，隨地勢的變化也很明顯；7月地面太陽總輻射曝輻量空間分布差異最小，最大值為677 MJ·m－2（若爾蓋），最小值為402 MJ·m－2（自貢），兩者相差68%，等值線稀疏，隨地勢的走向不十分明顯；4月和10月介于二者之間。這是因為冬季太陽高度角低，地形差異對地面太陽輻射的影響很大，夏季則正好相反。

此外，從全年各月地面太陽總輻射曝輻量的變化來看，四川省西部高原的太陽能資源相對穩(wěn)定，以理塘站為例，月地面太陽總輻射曝輻量最小值占最大值62%；東部盆地的太陽能資源波動較大，以自貢站為例，月地面太陽總輻射曝輻量最小值僅占最大值的22%。這主要是由氣候原因造成的，對于西部高原臺站而言，一年內(nèi)空氣質(zhì)量變化不大，各月太陽輻射差異較??；而對于東部盆地臺站而言，不同季節(jié)下氣候條件和空氣質(zhì)量的變化都很劇烈，成為引起地面太陽總輻射年變化的主要因素。

圖2 1981—2010年平均四川省4個季節(jié)代表月份地面太陽總輻射曝輻量（等值線，單位：MJ·m－2）Fig.2 The monthly global irradiation of Jan，Apr，Jul and Oct in Sichuan Province from 1981 to 2010（contour，unit：MJ·m－2）

4 問題與討論

4.1 氣溶膠類型選擇

本文在利用SMARTS模式計算晴天總輻射的過程中所遇到的主要問題是氣溶膠類型選擇。根據(jù)模式用戶手冊［16］說明，共有12種備選類型，包括鄉(xiāng)村、城市、海洋、對流層、大陸，考慮霾、沙塵暴等情況而設(shè)立的11種固定類型，以及一種用戶自定義類型。由于自定義計算時所需的參數(shù)很難獲得，因此只能在前11種固定類型中選用。

表3為雅安站在其他氣象參數(shù)相同、唯有氣溶膠類型分別選擇為城市和鄉(xiāng)村時各月地面太陽總輻射曝輻量計算結(jié)果。由表3可以看出，兩者的差別大，年地面太陽總輻射曝輻量相差超過6%，甚至超過表2中7個輻射站計算結(jié)果的相對誤差。

在本文的計算中，大部分氣象臺站（除個別高山站）位于城鎮(zhèn)中，具體選擇時，對一般縣城按照鄉(xiāng)村氣溶膠類型來處理，對地市一級的大中城市則按照城市氣溶膠來處理。而事實上，有很多站點的氣溶膠類型可能介于兩者之間，這是目前難以解決的問題。

表3 雅安站兩種氣溶膠類型下地面太陽總輻射曝輻量的計算結(jié)果比較Table 3 The contrast of global irradiation calculated by difference environment of aerosol in Yaan Station

4.2 計算方程的適用性

任何一種方法都有其適用范圍，本文也不例外。對一個區(qū)域建立類似式（2）的統(tǒng)計方程，適用于計算多年平均的太陽能資源。首先需要計算每個輸入?yún)?shù)的多年平均值，由SMARTS模式得到多年平均的晴天總輻射；然后再利用多年平均的地面太陽總輻射和日照百分率，建立統(tǒng)計方程。即先平均再計算，進(jìn)而得到平均值。如果將該方程用于計算某一特定月（年）的總輻射曝輻量，則可能產(chǎn)生較大誤差。

5 小 結(jié)

通過以上計算和分析，研究了基于SMARTS模式計算復(fù)雜自然環(huán)境條件下區(qū)域氣候平均態(tài)太陽能資源的方法，主要結(jié)論如下：

1）利用SMARTS模式計算晴天總輻射，建立基于日照百分率的太陽能資源氣候?qū)W方程，可以充分考慮大氣對太陽輻射的削弱作用和海拔高度的影響，通過對四川省太陽能資源的氣候計算，證明該方法不僅更合乎物理機(jī)制，而且具體可行。

2）通過與采用天文輻射的方法進(jìn)行對比，顯示該方法不僅能解決在地形復(fù)雜、氣候多變的區(qū)域使用同一公式，可有效避免分區(qū)域邊界附近站點的歸屬難題，且計算值與實測值的相對誤差小，所得到的資源分布更接近實際情況。

我國東西部不僅存在著較大高差，而且干濕情況明顯不同，天文輻射本身只是緯度的函數(shù)，無法反映地勢和干濕的差別，采用本文的方法對于我國太陽能資源的計算具有實際應(yīng)用價值。由于目前缺少氣溶膠方面的參數(shù)，特別是氣候平均態(tài)參數(shù)，在考慮其對太陽輻射的影響方面，尚存不足。

致 謝：中國氣象科學(xué)研究院王炳忠研究員對較使用SMARTS模式計算給予了具體指導(dǎo)和幫助；中國氣象科學(xué)研究王亞強(qiáng)研究員提供了得自衛(wèi)星的有關(guān)氣溶膠的多年月平均數(shù)據(jù)，在此謹(jǐn)表衷心感謝。

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Climatology Calculation of Solar Energy Resource in Sichuan Province

Shen Yanbo1）2）Zhang Shunqian3）Guo Peng1）2）Wang Xiangyun1）2）

1）（CMA Public Meteorological Service Center，Beijing100081）
2）（CMA Wind and Solar Energy Resources Center，Beijing100081）
3）（Sichuan Provincial Climate Center，Chengdu610072）

Using SMARTS to calculate clear-sky global radiation，fully thinking of the weaken effects of the altitude and the atmosphere，in terms of water vapor in atmosphere，meteorological visibility and O3content，a climatology universal calculation equation on solar energy resource is established，which is based on the percentage of sunshine.This method is different from the calculation of solar energy resources using extraterrestrial radiation.Taken Sichuan Province as an example，results show that this method not only has unambiguous physical meaning，but also decreases the error of the calculating result obviously.7-station annual value relative error is less than 7%，with the highest of 6.26%for Panzhihua and the lowest of－0.67%for Luzhou，the error is significantly lower than that in previous studies of Sichuan.Contrast with results from extraterrestrial radiation，not only the quantity but also discreteness of relative error decreases by more than a half.For the distribution of solar energy resources in Sichuan，it is large in the east part and low in the west part.From the change of each month，solar energy resources in the western plateau is relatively stable，the minimum monthly solar radiation for a maximum of 62%at Litang Station；solar energy resource in the east basin is fluctuant，the minimum monthly radiant exposure is only accounted for 22%of the maximum value at Zigong Station.The climatology universal calculation equation on solar energy resource can better resolve the problem of using the same calculation equation in the region which has complex topography and climate，avoiding the boundary discontinuity，effectively which is brought by using partition method in the past，and it is useful for special regional situations of huge relative altitude between the east part and the west part of China with obvious changes of dry and wet.This statistical equation is suitable for the calculation of solar energy resources，first of all，each input parameter on average is needed.If the equation is used to calculate the total radiation exposure radiation in a special month or a special year，it will result in great error.

Sichuan Province；solar energy resource；clear-sky global radiation；percentage of sunshine

申彥波，張順謙，郭鵬，等.四川省太陽能資源氣候?qū)W計算.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（4）：493-498.

2013-07-22收到，2014-05-09收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306048）

*email：shenyb＠cma.gov.cn