武漢與宜昌太陽總輻射與氣象要素的關(guān)系對比研究

王麗娟　陳正洪　成馳　王俊超

摘要：利用武漢市及宜昌市2007-2008年逐時(shí)太陽總輻照量和氣象要素（氣溫、相對濕度、云量等）實(shí)況觀測資料，對比分析兩地逐時(shí)太陽總輻照量與氣象要素的關(guān)系。研究結(jié)果表明，太陽總輻照量具有明顯的季節(jié)差異，武漢總輻照量值較宜昌地區(qū)顯著偏大；兩地太陽總輻照量與各氣象要素相關(guān)性大體類似，不同的是宜昌氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢好；詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了（低、總）云量與總輻照量的相關(guān)關(guān)系，對各種天氣類型（陰、晴等）進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)（低、總）云量對總輻照量影響很大，云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)；最高（低）氣溫與總輻照量最大（?。┲荡嬖跁r(shí)間差；兩地夏冬兩季相對濕度與總輻照量呈現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：氣象要素；云量；相關(guān)分析；太陽總輻照量

中圖分類號：P422.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）01-0073-05

太陽輻射是地球上最重要的能量來源。大氣和地面接收到的太陽輻射與地球氣候系統(tǒng)之間關(guān)系密切。氣候變化過程中，云、水汽、氣溶膠等因素對太陽輻射的增多和減少起著重要作用，我國學(xué)者做了一些引起這種變化的可能原因及變化對能量收支、植被生長及人類生活環(huán)境等方面影響的研究[1-3]。我國氣候多變，地形復(fù)雜，本研究選取武漢及宜昌兩地區(qū)總輻照量、（低、總）云量、水汽及氣溫等觀測資料來分析太陽總輻照量變化的特征及規(guī)律，進(jìn)一步了解其與氣溫、云量等氣象要素的關(guān)系，從而結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法對太陽總輻照量做出比較有效的預(yù)報(bào)。

1 資料來源與處理

由于2007年以前的太陽總輻照量資料缺失，以及從2009年開始（低、總）云量的觀測方式由原來的每日逐時(shí)改為一天4次（02：00、08：00、14：00及20：00），為保證觀測資料時(shí)間上的連續(xù)，選取的氣象資料為武漢市氣象站和宜昌市氣象站2007-2008年每日逐時(shí)（06：00-17：00）太陽總輻照量（單位：MJ/m2）及同期逐時(shí)氣象要素（氣溫、云量及相對濕度等）的觀測資料。本研究的氣象觀測資料均為北京時(shí)間，輻射為地方時(shí)滯后一些。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。

2 太陽總輻照量與氣象要素的關(guān)系

首先分析武漢及宜昌地區(qū)2007-2008年太陽總輻照量情況，將兩年的總輻照量逐月相加得圖1。由圖1可見，兩地夏季（6-8月）太陽總輻照量值最大，冬季（12-2月）總輻照量值最小，即太陽輻射有較明顯的四季差異性；武漢地區(qū)逐月太陽總輻照量值大多數(shù)時(shí)間均大于宜昌地區(qū)，在2007年4-12月尤其顯著。

在太陽輻射到達(dá)地球表面的過程中，會因?yàn)樵频姆瓷浜蜕⑸?、氣溶膠的散射和吸收、水汽的吸收、大氣的分子散射和氣體吸收等作用而被削弱，同時(shí)這些因子在時(shí)空分布的變化也會在不同程度上引起太陽總輻照量的變化，下面分析它們之間的相互關(guān)系。

從表1和表2可以看出，武漢地區(qū)四季氣溫與總輻照量正相關(guān)且通過了顯著性檢驗(yàn)。相對濕度及（低、總）云量與總輻照量相關(guān)性較好，均通過了顯著性檢驗(yàn)。風(fēng)速與總輻照量極弱相關(guān)，其只是間接體現(xiàn)了天氣系統(tǒng)的影響，風(fēng)速均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，可能與統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)較少有關(guān)。此外，水汽壓與總輻照量無顯著相關(guān)，沒有通過顯著性檢驗(yàn)。宜昌地區(qū)與武漢地區(qū)總的情況類似，不同的是氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢要差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性較好。

2.1 總輻照量與云的相關(guān)分析

云是大氣中水汽相變的產(chǎn)物，它對太陽輻射影響很大，且其物理形成機(jī)制及變化比較復(fù)雜，是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)及難點(diǎn)。在本研究所用的觀測資料中，只有（低、總）云量可以直接或間接地反映云的變化。選取宜昌及武漢市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4個(gè)時(shí)次的總云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3個(gè)時(shí)段的太陽總輻照量，按四個(gè)季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各季總、低云量和太陽總輻照量的對應(yīng)關(guān)系。表3和表4為武漢、宜昌兩地夏季（6-8月）太陽總輻射量與（低、總）云量的對應(yīng)關(guān)系（其他季節(jié)略）。

從表3和表4可以看出，總輻照量受（低、總）云量影響很大，在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，即使是同一季節(jié)，同樣是總、低云量均為0，兩地的太陽總輻射量也有一定差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，武漢在夏季受到副熱帶高壓控制，晴好天氣多，且其處于長江流域河谷中，多湖泊，地面散熱困難，導(dǎo)致高溫高濕。而宜昌地區(qū)位于鄂西南地區(qū)，夏季常處在副熱帶高壓邊緣，有降水系統(tǒng)的活動，炎熱的午后常有雷陣雨出現(xiàn)，氣溫及太陽輻射都會有所減弱。

通過對總輻照量值與（低、總）云量的比較不難看出，晴天即低云量為0～4成，或總云量為0～5成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；少云即低云量為3～4成，或總云量為4～5成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；多云即低云量為5～8成，或總云量為6～9成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；陰即低云量為9～10成，或總云量為10成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)。總的來說，云量的增加（減少）會引起地面太陽總輻照量的減少（增加），云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)。然而，云量的變化可能并不是導(dǎo)致這些地區(qū)太陽輻射發(fā)生變化的主要原因，大氣中的其他因素如氣溶膠等，也會對太陽輻射產(chǎn)生重要的影響。

2.2 總輻照量與氣溫的相關(guān)分析

一般而言，到達(dá)地面的太陽輻射的減少或增加勢必引起氣溫發(fā)生相應(yīng)的變化，但由于城市“熱島效應(yīng)”等諸多因素，到達(dá)地面的太陽短波輻射并不一定能決定氣溫變化的方向。實(shí)際觀測與理論計(jì)算都表明，大氣的加熱主要是通過地表對大氣的長波輻射[4]。挑選差異較為明顯的冬夏兩季，單純從氣溫與總輻照量日變化圖（圖2、圖3）分析發(fā)現(xiàn)，武漢、宜昌情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但是兩者有一定的時(shí)間差。這可能有兩方面的原因：一是總輻照量采用地方時(shí)間較北京時(shí)間滯后一些；二是由于當(dāng)太陽輻射達(dá)到最大值時(shí)，近地面空氣除了吸收來自太陽的短波輻射，還吸收了來自地面的長波輻射（地面反射的太陽輻射），熱量達(dá)到最大值，氣溫才能達(dá)到最高值。氣溫最高值一般出現(xiàn)在午后，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在相同的情況。endprint

2.3 總輻照量與相對濕度的相關(guān)分析

目前，水汽對短波太陽輻射的吸收僅相當(dāng)于氣溶膠對太陽直接輻射削弱的50%左右[4]，但水汽仍然是影響太陽輻射大氣傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因子，描述水汽含量時(shí)常用相對濕度作為大氣中水汽含量的表征。通過冬夏季情況的比較來分析總輻照量與相對濕度的關(guān)系，首先分析2007-2008年夏季（6-8月）的情況，武漢市兩年逐時(shí)總輻照量的均值是1.08 MJ/m2，相對濕度的均值是67%，宜昌市兩年逐時(shí)總輻照量均值是1.09 MJ/m2，相對濕度的均值是71%；再分析2007-2008年冬季（12-2月）的情況，武漢市兩年逐時(shí)總輻照量的均值是0.79 MJ/m2，相對濕度的均值是62%，宜昌市逐時(shí)總輻照量的均值是0.57 MJ/m2，相對濕度的均值是66%。結(jié)果表明，宜昌地區(qū)冬夏季相對濕度均值總是大于武漢，這可能是由宜昌地區(qū)的地理特點(diǎn)決定的。控制水汽壓及風(fēng)速，兩地2007-2008年總輻照量與相對濕度偏相關(guān)分析的結(jié)果見表5。總體來說，偏相關(guān)系數(shù)與相關(guān)系數(shù)相差不大，不同的是宜昌夏季總輻照量與相對濕度的相關(guān)性要好于武漢，因此可以確定相對濕度是總輻照量的一個(gè)主要影響因素。

分析夏季時(shí)武漢及宜昌地區(qū)的總輻照量與相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖4，可見2007-2008兩年間武漢、宜昌兩地太陽總輻照量各季逐時(shí)變化與相對濕度變化呈負(fù)相關(guān)，且通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。

3 小結(jié)與討論

按季節(jié)對武漢、宜昌兩地進(jìn)行逐時(shí)太陽總輻照量與氣象要素相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩地情況大致類似，氣溫與總輻照量呈正相關(guān)且通過顯著性檢驗(yàn)。相對濕度及（低、總）云量與總輻照量相關(guān)性較好，均通過了顯著性檢驗(yàn)。此外，水汽壓與總輻照量無顯著相關(guān)，沒有通過顯著性檢驗(yàn)。不同的是宜昌地區(qū)氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性較好。

云量是影響太陽輻射的最重要的因子之一。本文著重分析了（低、總）云量對太陽總輻照量的重要影響，選取宜昌及武漢市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4個(gè)時(shí)次的總云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3個(gè)時(shí)段的太陽總輻照量，按照四個(gè)季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：區(qū)分晴、陰天氣的情況下，兩地總的來說都遵循著云量的增加（減少）會引起地面太陽總輻照量的減少（增加），云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)。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。由于數(shù)據(jù)有限，本文僅分析了（低、總）云量對太陽輻射的影響，還有氣溶膠、下墊面性質(zhì)等諸多影響因素尚未引入分析，因此該地區(qū)太陽輻射變化的確切影響機(jī)制，尚需要進(jìn)一步的研究。

氣溫與總輻照量的相關(guān)性不大，實(shí)際觀測與理論計(jì)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來實(shí)現(xiàn)[5，6]。但單純分析冬夏兩季日變化，武漢、宜昌兩地情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但兩者有一定的時(shí)間差，這是因?yàn)楫?dāng)太陽輻射達(dá)到最大值時(shí)，近地面空氣除了吸收來自太陽的短波輻射，還吸收了來自地面的長波輻射，熱量達(dá)到最大值，氣溫才能達(dá)到最高值，最高氣溫一般出現(xiàn)在午后。同樣地，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在時(shí)間差。這些情況說明氣溫不單受太陽輻射的影響，還與下墊面的地理特征等有關(guān)。通過相對濕度與總輻照量偏相關(guān)分析及對比兩者2007-2008年隨時(shí)間變化圖可以發(fā)現(xiàn)，相對濕度與總輻照量呈負(fù)相關(guān)。

本研究資料僅限于武漢及宜昌兩站每日逐時(shí)的太陽總輻照量和氣象要素的資料，太陽輻射是大范圍長期作用的因素，僅兩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，并非本研究的研究區(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(diǎn)[7]，其中可能包含了比較復(fù)雜但也相當(dāng)重要的科學(xué)問題，值得進(jìn)行深入的分析。

參考文獻(xiàn)：

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