格爾木太陽輻射氣候特征及其與氣象因子的關系

祁貴明， 李海鳳

(青海省格爾木市氣象局，青海格爾木 816000)

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格爾木太陽輻射氣候特征及其與氣象因子的關系

祁貴明， 李海鳳

(青海省格爾木市氣象局，青海格爾木 816000)

利用1981—2015年太陽能輻射資料和同期氣象資料，采用氣象統(tǒng)計學方法，對近35年格爾木太陽能輻射變化規(guī)律及其與氣象因子的相關性進行分析。結果表明，近35年來格爾木直接輻射的總體走勢與年總輻射相近，但直接輻射的變幅大于總輻射。近35年雖然總輻射的變化趨勢不明顯，但直接輻射占總輻射的百分率存在明顯的階段性變化；總輻射年變化曲線呈雙峰型，且春季比秋季多。月太陽總輻射主要與日照、總云量、水汽壓、相對濕度、蒸發(fā)量、低云量等因素相關，其中日照、總云量與總輻射相關性較好。

太陽輻射；氣候特征；氣象因子；格爾木

太陽輻射是地表最基本、最重要的能量來源，是植物光合作用、蒸騰作用、土壤蒸發(fā)、水文循環(huán)、天氣氣候形成的主要驅動因子，其變化會改變溫度、濕度、降水、大氣環(huán)流和水文循環(huán)等過程[1]。太陽輻射及其變化的研究在國內外一直備受重視[2-4]，Abakumova等[2]分析1960—1987年前蘇聯(lián)地區(qū)太陽輻射減少的原因，發(fā)現(xiàn)云量的增加和大氣能見度的降低是太陽輻射減少的主要原因；江凱等[4]探討近半個世紀以來我國東南部太陽輻射的變化特征，并分析了太陽輻射變化的影響因素以及對區(qū)域氣候的影響，結果表明，該地區(qū)地表總太陽輻射自1961年以來呈下降趨勢，且其太陽輻射的變化很可能是受到低云量變化的影響。由于受到云、氣溶膠、海拔、緯度等諸多因素的影響，我國各地區(qū)地表太陽輻射存在很大的時空差異[5-9]。研究地表太陽輻射的時空變化規(guī)律，不僅有助于了解區(qū)域氣候變化規(guī)律，還可以間接推斷該地區(qū)的大氣組成及其變化，反演大氣氣溶膠的光學厚度及其變化，從而可分析污染物等大氣環(huán)境狀況。

格爾木空氣稀薄，干燥少雨，日照時間長，太陽能資源十分豐富，年日照時數(shù)2937～3267 h，日照百分率達62%～85%，年太陽總輻射量6000 MJ/m2以上，屬太陽能資源一類區(qū)，太陽能資源僅次于西藏。筆者利用1981—2015年格爾木太陽能輻射資料和同期氣象觀測資料，采用氣象統(tǒng)計學方法，對近35年格爾木太陽能輻射變化規(guī)律及其與氣象因子的相關性進行分析，以期為研究大氣環(huán)境狀況、開發(fā)利用太陽能資源提供依據(jù)。

1 太陽輻射變化特征分析

1.1 年際變化 由圖1可見，2007年前總輻射變化趨勢不明顯，但變幅很大，年太陽總輻射量的最大值在1990年，為7 204.8 MJ/m2，次大值為1995年的7 193.7 MJ/m2，最小值出現(xiàn)在1983年，為6 500.1 MJ/m2，次小值為1998年的6 604.5 MJ/m2；1981—1997年除1981—1983和1989年為負距平外，其余13年均為正距平；1998—2015年除2004、2006、2009和2013年為正距平外，其余14年均為負距平。直接輻射與總輻射具有較好的正相關，近35年來格爾木直接輻射的總體走勢與年總輻射相近，但直接輻射的變幅大于總輻射。1981—1993年多為負距平，直接輻射相對較?。?994—2007年除1996、1998和2003年為負距平外，均為正距平，但變幅較大；2008—2015年正負距平交替，直接輻射變化幅度大，尤其是2012—2014年變化尤為顯著。直接輻射最大值出現(xiàn)在1997年，為4 986.2 MJ/m2；最小值出現(xiàn)在1983年，為3 672.0 MJ/m2?？傮w上，直接輻射20世紀90年代以來在緩慢增加，2011年后又有小幅度下降。散射輻射的變化趨勢與直接輻射相反，1981—1992年均為正距平，1993—2015年除1996、2009和2012年為正距平外，其余20年均為負距平。散射輻射最大值出現(xiàn)在1992年，為2 929.7 MJ/m2；最小是1997年，為2 147.2 MJ/m2。

經(jīng)計算，近35年格爾木總輻射、散射輻射和直接輻射的氣候傾向率分別為-5.1、-13.9、9.0 MJ/(m2·a)，即總輻射和散射輻射均呈減少趨勢，而直接輻射呈增加趨勢。經(jīng)信度檢驗，總輻射的變化趨勢不明顯，直接輻射通過95%的顯著性檢驗，散射輻射通過99.9%的顯著性檢驗，說明近35年散射輻射的逐年減少和直接輻射的逐年增加是顯著的。

圖1 1981—2015年格爾木太陽總輻射(a)、直接輻射(b)和散射輻射(c)年距平值變化Fig.1 Annual anomaly change of total solar radiation(a), direct radiation(b) and scattered radiation(c) in Golmud during 1981-2015

由格爾木地面太陽直接輻射占總輻射百分率的年際變化(圖2)可見，近35年雖然總輻射變化趨勢不明顯，但直接輻射占總輻射的百分率存在明顯的階段性變化。1981—1983、1990—1992年直接輻射所占百分率呈明顯減小趨勢，如1981年為61.2%，1983年銳減至56.5%，1990年為64.4%，1992年銳減至57.6%；1993—2015年直接輻射占總輻射的百分率呈逐年增加趨勢，1997年最高，達70.1%，其次為2005年的9.2%、2013年的68.0%。

圖2 1981—2015年格爾木直接輻射占總輻射百分率的年際變化Fig.2 Annual variation of percentage of direct radiation in total radiation in Golmud during 1981-2015

1.2 月變化 由圖3可見，近35年格爾木總輻射月變化呈雙峰型，從3月開始急劇增加，5月達峰值(799.9 MJ/m2)，6月略有下降后，7月又回升達次高值，9月迅速下降，12月達最小值(324.8 MJ/m2)；月總輻射主要集中在4—8月，占年總輻射的53.8%以上。從季節(jié)來看，春季比秋季多，主要由于春季3月以后太陽直射北半球，白晝時間長，秋季9月后直射南半球，晝短夜長。近35年格爾木直接輻射變化與總輻射基本相似，呈雙峰態(tài)，3—5月急劇增加，6月略有下降，7、8月又逐漸回升，8月達最大值(487.0 MJ/m2)；散射輻射呈單峰型，5月為最大，12月最小。

圖3 1981—2015年格爾木太陽總輻射、直接輻射和散射輻射月變化Fig.3 Monthly variation of total solar radiation, direct radiation and scattered radiation in Golmud during 1981-2015

1.3 日變化 分析2009年1月—2014年12月格爾木逐日逐時輻射資料發(fā)現(xiàn)，日輻射持續(xù)時間最長的是5、6和7月，輻射時間達15 h/d，但07:00和21:00的輻射量非常?。蝗蛰椛涑掷m(xù)最短的是1和12月，輻射時間為11 h/d。取20個晴天、多云和陰天個例對格爾木、諾木洪、小灶火1和7月輻射資料進行分析，其余月份晴天、多云和陰天情況下變化趨勢非常相似。由圖4可見，在晴天條件下，7月自太陽升起輻射逐步增加，逐時增量隨太陽高度角的增加而減小，至15：00輻射量達全天最大值；此后，輻射逐漸減少，減少量隨太陽高度角的變小而增加。1月輻射的日變化與7月相同，只是日出時間比7月延遲，而日落提前到來，因此輻射時數(shù)相應比7月縮短5 h；逐時輻射比7月均小，但最大值仍出現(xiàn)在15：00。在多云和陰天條件下，無論是7月還是1月，其日變化與晴天很相似，全天最大值仍出現(xiàn)在15：00。此外，由于云層對總輻射的影響，陰天1、7月各時的輻射均少于晴天。

格爾木逐小時平均輻射≥2.0 MJ/m2且逐小時最大輻射≥3.0 MJ/m2的時間3月出現(xiàn)在13：00—16：00，4月出現(xiàn)在12:00—17：00，5月出現(xiàn)在11：00—17：00，6、7和8月均出現(xiàn)在12：00—17：00，9月出現(xiàn)在13：00—16：00，10月出現(xiàn)在13：00—15：00；逐小時平均輻射極值為3.24 MJ/m2，出現(xiàn)在5月份14:00，最大輻射極值為4.05 MJ/m2，分別出現(xiàn)在5月14:00和6月15：00，1、2、11和12月均未出現(xiàn)逐小時平均輻射≥2.0 MJ/m2且逐小時最大輻射≥3.0 MJ/m2的情況，說明格爾木全年日輻射主要集中在3—10月的11：00—17：00。

2 格爾木太陽輻射與氣象因子的關系

從表1可以看出，月太陽總輻射主要與日照、總云量、水汽壓、相對濕度、蒸發(fā)量、低云量等因素相關性較好，其中日照與總輻射相關性最好。影響太陽總輻射/晴空輻射的因子主要是日照百分率(表2)，而日平均地表溫度與該比值呈顯著的正相關，主要反映的是太陽輻射對地表的加熱作用；與總云量和低云量相關系數(shù)很高，但偏相關系數(shù)卻相當?shù)?，說明總云量和低云量對該比值的作用實際上是通過影響日照百分率造成的。

由于云對太陽輻射的遮擋、吸收、散射等作用，成為影響輻射甚至影響氣候的一個重要因素。尤其在柴達木盆地更是如此。總云量愈多可明顯減少太陽總輻射和直接輻射，而使散射輻射顯著增加，其相關系數(shù)均達顯著水平，低云量總體上也起到削弱太陽總輻射和直接輻射的作用但不明顯。

注：a1、b1、c1為1月；a2、b2、c2為7月。Note:a1,b1，c1 was Jan.;a2,b2,c2 was Jul.圖4 格爾木(a)、諾木洪(b)、小灶火(c)晴天、多云和陰天狀況下1、7月太陽總輻射日變化Fig.4 Diurnal variation of total solar radiation in Jan. and Jul. under sunny, cloudy and overcast sky conditions in Golmud(a), Nomhon(b), Xiaozaohuo(c)

月份Month日照Sunshine總云量Totalcloudcover水汽壓Watervaporpressure低云量Lowcloudcover相對濕度Relativehumidity蒸發(fā)量Evaporationcapacity降水量Rainfall氣壓Pressure平均氣溫Averagetemperature日較差Diurnalrange風速Windspeed10.713-0.61-0.47-0.41-0.260.259-0.2300.523-0.3100.299-0.02020.823-0.65-0.29-0.22-0.22-0.050-0.0700.429-0.2300.138-0.19030.683-0.72-0.21-0.21-0.250.1390.0720.360-0.1400.256-0.05040.751-0.71-0.43-0.28-0.570.191-0.1500.4140.161-0.0400.02450.719-0.50-0.60-0.47-0.690.338-0.4600.2540.3590.0740.01660.780-0.48-0.63-0.25-0.760.475-0.5100.2040.4420.2930.11670.518-0.46-0.39-0.35-0.590.361-0.460-0.1000.3310.4150.00180.814-0.71-0.66-0.52-0.770.375-0.6400.3370.1680.1520.19290.855-0.65-0.51-0.36-0.660.452-0.410-0.0500.1640.1650.138100.784-0.61-0.63-0.62-0.600.437-0.3600.034-0.1300.1090.124110.717-0.31-0.44-0.52-0.360.438-0.0800.442-0.0600.1970.366120.754-0.38-0.44-0.56-0.150.504-0.1700.184-0.3700.5670.465

表2 格爾木太陽總輻射/晴空輻射與氣象要素的相關性

Table 2 The correlation of global solar radiation in Golmud / sky radiation and meteorological factors

氣象要素Meteorologicalelements相關系數(shù)Correlationcoefficient偏相關系數(shù)Partialcorrel-ationcoefficient日白天降水量Precipitationduringtheday-0.333-0.138日平均低云量Dailyaveragelowcloudcover-0.4510.052日平均地表溫度Dailymeansurfacetemperature0.0100.302日平均風速Dailyaveragewindspeed0.0370.008日平均氣溫Dailyaveragetempera-ture-0.057-0.295日平均氣壓Dailyaverageairpres-sure0.0120.084日平均水汽壓Dailyaveragewatervaporpressure-0.301-0.012日平均相對濕度Dailyaveragerela-tivehumidity-0.5170.039日平均總云量Dailyaveragetotalcloudcover-0.671-0.010日氣溫日較差Diurnalrangeofdailytemperature0.7680.143日日照百分率Dailysunshineper-centage0.9310.313日日照時數(shù)Dailysunshinehours0.903-0.005

3 結論

(1)近35年來格爾木直接輻射的總體走勢與年總輻射相近，但直接輻射的變幅大于總輻射。

(2)近35年雖然總輻射的變化趨勢不明顯，但直接輻射占總輻射的百分率存在明顯的階段性變化；總輻射年變化曲線呈雙峰型，且春季比秋季多。

(3)月太陽總輻射主要與日照、總云量、水汽壓、相對濕度、蒸發(fā)量、低云量等因素相關；其中日照、總云量與總輻射相關性較好。

(4)總云量愈多可明顯減少太陽總輻射和直接輻射，而使散射輻射顯著增加。

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The Relationship between Solatr Radiation Climate Characteristics and Meteorological Factors in Golmud

QI Gui-ming, LI Hai-feng

(Golmud Meteorological Bureau, Golmud, Qinghai 816000)

Using solar radiation data and contemporaneous meteorological data during 1981-2015, adopting meteorological statistics method, the variation law of solar radiation in Glomud in recent 35 years and its correlation with meteorological factors were analyzed. The results showed that the overall trend of Golmud direct radiation in recent 35 years is similar to annual total radiation, but the amplitude of direct radiation is larger than total radiation. Although the variation trend of total radiation is not obvious, the percentage of direct radiation to total radiation has obvious phasic change; the annual change curve of total radiation presents double peak type,radiation in spring is more than that in autumn. Monthly total solar radiation are mainly correlated with sunshine, total colud cover, water vapor pressure, relative humidity, evaporation capacity, low cloud cover, among which, sunshine, total cloud cover are closely related to total radiation.

Solar radiation; Climate characteristics; Meteorological factors; Golmud

祁貴明(1972- )，男，青海湟中人，高級工程師，從事應用氣象服務研究。

2016-09-21

S 161.1

A

0517-6611(2016)36-0213-03