基于云圖特征量的太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)方法

蒲　肅，陳　娜，劉　抗，王有生，張文波（.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅蘭州73000；.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

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基于云圖特征量的太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)方法

蒲肅1，陳娜2，劉抗1，王有生1，張文波1
（1.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅蘭州730020；2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

摘要：利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽(yáng)總輻射逐小時(shí)觀測(cè)資料，研究了敦煌太陽(yáng)總輻射量與云量、紅外亮溫、大氣可降水、可見(jiàn)光反射率等云圖特征量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)敦煌地區(qū)太陽(yáng)總輻射值的衰減值和總輻射理論值的日變化規(guī)律基本一致,敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見(jiàn)光反射率、大氣可降水等特征量和太陽(yáng)總輻射衰減率具有很好的相關(guān)性。進(jìn)而將云圖特征量作為預(yù)報(bào)因子，利用多元線性回歸方程，建立太陽(yáng)總輻射量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型。利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽(yáng)總輻射衰減率對(duì)方程進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。12個(gè)月太陽(yáng)總輻射衰減率預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致,表明基于云圖特征量的太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)方法具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：云圖；特征量；太陽(yáng)總輻射；預(yù)報(bào)方法

地表太陽(yáng)總輻射量的預(yù)測(cè)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題?；谔?yáng)能幾何方程，可以利用確定性模型評(píng)估無(wú)云情況下的太陽(yáng)輻射量[1]然而地表太陽(yáng)輻射量不僅受地理因素和季節(jié)的影響，而且與大氣透明度、水汽含量、氣溶膠、云與太陽(yáng)的相對(duì)位置等密切相關(guān)[2]，在預(yù)報(bào)的過(guò)程中，太陽(yáng)輻射的衰減量與云層的關(guān)系最為密切[1，3]。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能預(yù)報(bào)方法的研究發(fā)展很快。一些研究通過(guò)衛(wèi)星云圖預(yù)測(cè)出地面太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，再根據(jù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)光伏電站的發(fā)電情況[4，5]，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)報(bào)技術(shù)的研究還處于起步階段[6]，基于衛(wèi)星云圖資料的外推方法鮮見(jiàn)研究，現(xiàn)有的只考慮到云量的多少對(duì)太陽(yáng)總輻射的影響，并沒(méi)有系統(tǒng)的研究云圖特征量和太陽(yáng)總輻射變化之間的關(guān)系。

甘肅敦煌地區(qū)降水稀少、空氣干燥、晴天多、日照充足，土地資源充足，是研究太陽(yáng)輻射變化，并發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電研究的典型區(qū)域。根據(jù)政府相關(guān)規(guī)劃，甘肅河西地區(qū)將建設(shè)多個(gè)大型光伏發(fā)電基地。本文擬通過(guò)敦煌云圖特征量和太陽(yáng)總輻射逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析云圖特征量變化對(duì)地面太陽(yáng)總輻射變化的影響，建立基于云圖特征量因子的太陽(yáng)總輻射衰減率預(yù)報(bào)方程。本研究有利于提高太陽(yáng)總輻射預(yù)報(bào)水平，為節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

1　資料及處理方法

1.1太陽(yáng)總輻射理論值、實(shí)測(cè)值及衰減值

由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，太陽(yáng)相對(duì)于地平面的位置不斷變化，使得到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量也不斷變化。如果不考慮大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射造成的衰減，那么可以根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的變化規(guī)律計(jì)算出敦煌地面逐時(shí)次的太陽(yáng)總輻射值，這是太陽(yáng)總輻射的理論值。計(jì)算公式如下：

式中：GSC為太陽(yáng)常數(shù)；λ為日地距離訂正系數(shù)；δ為赤緯角；φ為緯度；τt時(shí)角；n為一年中的日序號(hào)（如1月1日，n=1）。時(shí)角上午為負(fù)，下午為正，τt=15°z-7.5°，z為離正午的時(shí)間（h）。

太陽(yáng)總輻射實(shí)測(cè)資料是敦煌國(guó)家基準(zhǔn)氣象站2012年逐小時(shí)太陽(yáng)輻射的實(shí)況監(jiān)測(cè)資料。

現(xiàn)實(shí)情況中，太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層會(huì)出現(xiàn)衰減，這種衰減既包括云對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減，還包括霧霾、灰塵造成的衰減。在本研究中只考慮云層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減，既認(rèn)，為太陽(yáng)總輻射衰減值的這種不規(guī)律的變化都是由云的變化引起的。計(jì)算出敦煌站逐小時(shí)的太陽(yáng)總輻射理論值之后，用它減去敦煌站逐小時(shí)太陽(yáng)總輻射實(shí)際觀測(cè)值，即可得到太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)的衰減值。

為了更好地反映云對(duì)太陽(yáng)總輻射衰減的影響，在這里引入一個(gè)概念——太陽(yáng)總輻射衰減率K。太陽(yáng)總輻射的衰減率反映了太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)的衰減情況，K定義為某時(shí)次太陽(yáng)總輻射衰減值與太陽(yáng)總輻射理論值的比值。在不同的周期內(nèi)，數(shù)值并不相同，在某個(gè)小時(shí)內(nèi)，太陽(yáng)總輻射衰減值It與太陽(yáng)總輻射理論值I的比值，即可認(rèn)為是該小時(shí)太陽(yáng)總輻射的衰減率K，表達(dá)式為：

1.2云圖特征量

云圖資料為國(guó)家衛(wèi)星氣象中心2012年逐小時(shí)云圖監(jiān)測(cè)資料，選用風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱FY2）衛(wèi)星云圖資料。將敦煌站經(jīng)緯度（40.15°N,94.68°E）轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度投影和標(biāo)稱圖坐標(biāo)，敦煌站在等經(jīng)緯度投影圖像中位置為（i=397,j=894），在標(biāo)稱圖上位置為（i=697,j=1296）。分別從標(biāo)稱圓盤圖和等經(jīng)緯度投影云圖數(shù)據(jù)文件中提取出該經(jīng)緯度的云量，亮溫，可見(jiàn)光反射率，大氣可降水等數(shù)據(jù)。

2　敦煌太陽(yáng)總輻射變化分析

圖1和圖2分別為敦煌2012年冬季（1月1～5日）和夏季期間（7月1～5日）太陽(yáng)總輻射理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。

圖1　2012年1月1～5日太陽(yáng)總輻射理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖2　2012年7月1～5日太陽(yáng)總輻射理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖中可以看出，無(wú)論是冬季還是夏季，敦煌太陽(yáng)總輻射的實(shí)際觀測(cè)值和理論值都有較大的差異。冬季太陽(yáng)總輻射理論值明顯低于夏季，冬季的最大值只有夏季的1/2，但每日的太陽(yáng)總輻射理論值變化趨勢(shì)基本一致。夜間為零，日出后隨著時(shí)間推移逐漸增大，到中午達(dá)到最大值，然后隨時(shí)間推移逐漸減小，到日落后減小為零。實(shí)測(cè)的輻射值在日際變化中大體上遵循相同的變化規(guī)律。

圖3　2012年1月1～5日太陽(yáng)總輻射理論值與衰減值對(duì)比

圖4　2012年7月1～5日太陽(yáng)總輻射理論值與衰減值對(duì)比

圖3和圖4分別為敦煌2012年冬季1月1～5日和夏季7月1～5日逐小時(shí)太陽(yáng)總輻射衰減值和太陽(yáng)總輻射理論值的對(duì)比。太陽(yáng)總輻射衰減值在一天當(dāng)中的變化規(guī)律和總輻射理論值的變化趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小，在太陽(yáng)總輻射理論值為零的時(shí)候也為零。冬季太陽(yáng)總輻射的衰減明顯小于夏季，而且冬季太陽(yáng)總輻射衰減值的曲線更為光滑，即冬季太陽(yáng)總輻射衰減值的變化更符合太陽(yáng)總輻射理論值變化的規(guī)律。這主要是因?yàn)橄啾认募?，冬季天氣情況較為穩(wěn)定，云的變化相對(duì)較少，對(duì)太陽(yáng)總輻射衰減的影響較為穩(wěn)定，所以，太陽(yáng)總輻射衰減值的變化更具規(guī)律性。

從圖中可以看出，在短期內(nèi)太陽(yáng)總輻射理論值變化不大，1月1～5日每日太陽(yáng)總輻射理論值的最大值在229到226kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽(yáng)總輻射理論值的最大值在452到451kJ/cm2之間變化。相比較而言，輻射衰減值的變化卻比較明顯，1月1-5日每日太陽(yáng)總輻射衰減值的最大值在121到78kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽(yáng)總輻射衰減值的最大值在276到163kJ/cm2之間變化，其變化的幅度要明顯大于太陽(yáng)總輻射理論值的變化。

從逐小時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，太陽(yáng)總輻射衰減值和太陽(yáng)總輻射理論值的變化規(guī)律并不符合，有時(shí)理論值在增大，但太陽(yáng)總輻射衰減值在減小，有時(shí)理論值在減小，但太陽(yáng)總輻射衰減值卻在增大。太陽(yáng)總輻射衰減值的這種不規(guī)律變化正是影響太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的最主要原因。

3　云圖特征量與太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)性分析

3.1云量與太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)性分析

本研究中用于分析的云量是總云量，總云量的定義是天空在觀測(cè)時(shí)被所有的云遮蔽的總成數(shù)。從逐月分析云量與太陽(yáng)總輻射衰減率之間的相關(guān)可看出，云量與太陽(yáng)總輻射衰減率之間全年均為正相關(guān)，但12月份08、17兩個(gè)時(shí)次相關(guān)顯著性明顯偏弱。其余月份均可通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，特別是10月其相關(guān)顯著性明顯偏高，甚至可以超過(guò)α= 0.01的信度檢驗(yàn)，這可能與西北地區(qū)10月多連陰雨天氣有關(guān)。也就是說(shuō)，全年絕大多數(shù)時(shí)次，云量偏多時(shí)，太陽(yáng)總輻射衰減率增大。

3.2紅外亮溫與太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)性分析

亮溫即亮度溫度，云圖亮溫溫度是指將衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射看成普朗克黑體輻射，并據(jù)此算出的溫度。目前采用的衛(wèi)星掃描輻射計(jì)包括4個(gè)紅外通道。下面分析各通道亮溫與太陽(yáng)總輻射衰減率的相關(guān)性。

通道1亮溫、通道2亮溫、通道3亮溫與太陽(yáng)總輻射衰減率都以負(fù)相關(guān)為主，只有個(gè)別月份存在正相關(guān)，且這些月份集中在冬、春季節(jié)。一年中一般情況下通道1、2、3亮溫越大，太陽(yáng)總輻射衰減率越小，但是冬、春季節(jié)會(huì)有通道1、2、3亮溫越大，太陽(yáng)總輻射衰減率也越大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

通道4亮溫與太陽(yáng)總輻射衰減率以負(fù)相關(guān)為主，個(gè)別月份存在正相關(guān)，這些月份集中在春末夏初、秋末時(shí)段，且出現(xiàn)正相關(guān)的時(shí)次主要集中在一天中的15～18時(shí)，即15～18時(shí)通道4亮溫越大，太陽(yáng)總輻射衰減率從越大的現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率要遠(yuǎn)高于其他時(shí)次。

3.3大氣可降水與太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)性分析

大氣可降水指晴空條件下大氣柱中水汽總含量。在有云情況下，衛(wèi)星探測(cè)到的是云頂及其以上大氣的輻射，基本探測(cè)不到云中及其以下大氣的輻射，因此，只有晴空時(shí)才能利用紅外分裂窗反演大氣可降水。

大氣可降水與太陽(yáng)總輻射衰減率3～8月為正相關(guān)，其余月份負(fù)相關(guān)。特別是7、8月降水相對(duì)豐沛的月份中，其正相關(guān)顯著性明顯增高，而相對(duì)顯著的負(fù)相關(guān)存在于10月。3～8月大氣可降水量偏多則太陽(yáng)總輻射衰減率大，其余月份大氣可降水量偏多則太陽(yáng)總輻射衰減率小。大氣可降水對(duì)太陽(yáng)總輻射衰減率的影響因?yàn)闀r(shí)間不同有所差異，中午10～14時(shí)大氣可降水與太陽(yáng)總輻射衰減率之間的相關(guān)性最為明顯，其余時(shí)次的相關(guān)性相對(duì)較弱。

3.4可見(jiàn)光反射率與太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)性分析

可見(jiàn)光反射率又稱反照率，在可見(jiàn)光云圖上，物像的色調(diào)取決于反射太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度。而衛(wèi)星接收到的反射太陽(yáng)輻射的多少取決于兩個(gè)因素：一是入射到目標(biāo)物上的太陽(yáng)輻射的多少；二是目標(biāo)物反照率的大小。

可見(jiàn)光反射率與太陽(yáng)總輻射衰減率以正相關(guān)為主，只有個(gè)別月份存在負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)主要是出現(xiàn)在冬季。反射率和太陽(yáng)總輻射衰減率整體上呈現(xiàn)正相關(guān)分布，也就是可見(jiàn)光反射率大，太陽(yáng)總輻射衰減率就大，但在冬季也會(huì)偶爾出現(xiàn)可見(jiàn)光反射率大而太陽(yáng)總輻射衰減率小的現(xiàn)象。

4　基于云圖特征量的太陽(yáng)總輻射衰減率預(yù)報(bào)方程

通過(guò)各時(shí)次云圖特征量和太陽(yáng)總輻射衰減率的相關(guān)性分析，我們基本了解了云圖特征量對(duì)太陽(yáng)總輻射衰減率的影響規(guī)律，各云圖特征量和太陽(yáng)總輻射衰減率的相關(guān)系數(shù)如圖5所示。

圖5　2012年1～12月各因子太陽(yáng)總輻射衰減率相關(guān)系數(shù)

利用2013年敦煌云圖特征量資料和太陽(yáng)總輻射衰減率對(duì)方程進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。12個(gè)月太陽(yáng)總輻射衰減率預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)比12個(gè)月，9月實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的差值最小，5月最大。1、3、4、5、6、7、9、11月預(yù)測(cè)方程得出的結(jié)果小于實(shí)測(cè)值，2、8、10、12月時(shí)預(yù)測(cè)方程得出的結(jié)果要大于實(shí)測(cè)值，但預(yù)報(bào)誤差都比較小。如圖6所示。

圖6　2013年1～12月太陽(yáng)總輻射衰減率預(yù)測(cè)與實(shí)際值對(duì)比

5　小結(jié)

無(wú)論是冬季還是夏季，敦煌太陽(yáng)總輻射的實(shí)測(cè)值和理論值都有較大差異，太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)會(huì)出明顯的衰減。敦煌太陽(yáng)總輻射衰減值和理論值的日變化規(guī)律趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小。但從逐小時(shí)甚至更短時(shí)間段的數(shù)據(jù)分析，太陽(yáng)總輻射衰減值和理論值的變化規(guī)律并不符合。

敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見(jiàn)光反射率、大氣可降水等特征量和太陽(yáng)總輻射衰減率具有很好的相關(guān)性。不同特征量相關(guān)系數(shù)不同，同一特征量在不同月份相關(guān)系數(shù)變化也比較明顯，尤其在7、8月份降水相對(duì)豐沛的月份中，其相關(guān)顯著性明顯增高。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)總輻射的變化與云圖特征量之間存在密切相關(guān)。

基于云圖特征量和太陽(yáng)總輻射衰減率的相關(guān)性建立預(yù)報(bào)方程，通過(guò)預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)，證明有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。這種預(yù)報(bào)方法對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)有光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方法，提高光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有重要的意義。

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