我國新疆地區(qū)太陽輻射時空變化分析

左晨 侯玉龍

摘要利用新疆烏魯木齊市日射站1960—2005年的逐日太陽總輻射、日照時數(shù)、低云量和水汽壓等資料，采用常規(guī)統(tǒng)計方法，分析烏魯木齊市太陽總輻射的時間變化特征并分析其原因；在太陽總輻射氣候?qū)W計算原理的基礎(chǔ)上，采用線性回歸方法建立各月的總輻射計算公式，根據(jù)回歸誤差分析和相關(guān)系數(shù)檢驗，確定適合烏魯木齊市的月太陽總輻射氣候?qū)W推算公式，進而計算全區(qū)各站點逐月太陽總輻射通量，分析新疆地區(qū)四季太陽總輻射空間分布特征。結(jié)果表明，新疆地區(qū)太陽總輻射7月達到最大值，而太陽總輻射最小值一致出現(xiàn)在12月份；各季節(jié)的太陽總輻射以夏季最大，其次為春季、秋季、冬季。新疆地區(qū)年太陽總輻射和各季節(jié)太陽總輻射均呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，這是由于日照時數(shù)減少，低云量增大引起的。新疆地區(qū)四季太陽總輻射總體呈現(xiàn)北低南高的空間分布格局。

關(guān)鍵詞日照時數(shù)；太陽輻射；時空變化；新疆地區(qū)

中圖分類號P422.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）23-0172-07

Analysis on SpatialTemporal Variation of Solar Radiation in Xinjiang Region of China

ZUO Chen1，HOU Yulong2

（1.College of Meteorology and Oceanography， PLA University of Science and Technology， Nanjing，Jiangsu 211101；2.Aerodrome Synoptic Station of Bole City， Bole，Xinjiang 833400）

AbstractBased on the daily solar radiation， daily sunshine hours， low cloud and water vapor pressure data of Urumqi Meteorological Station during 1960-2005， the temporal variation characteristics of total solar radiation in Urumqi were analyzed by the conventional statistical method. On the basis of the climatological calculation formula of solar radiation， using the linear regression method to establish the formula for calculating the total radiation in each month， which determined the suitable climatological formula for monthly solar radiation for Urumqi City by the regression error analysis and correlation coefficient test. Therefore， the ground solar radiation flux was calculated form month to month， and the spatial distribution characteristics of the solar radiation in the four seasons in Xinjiang were analyzed.The results showed that the total solar radiation in Xinjiang reached its maximum value in July， and the minimum value of total solar radiation was consistent with that in December. The total solar radiation in each season was the largest in summer， followed by spring， autumn and winter.The trend of annual and seasonal total solar radiation were decreased， which was due to the decrease of sunshine duration and the increase of low cloud amount. The spatial distribution pattern of the total solar radiation in the four seasons showed Northern lower than southern.

Key wordsSunshine hours；Solar radiation；Spatialtemporal variation；Xinjiang region

基金項目國家自然科學基金項目（41275012）。

作者簡介左晨（1992—），男，新疆博樂人，碩士研究生，研究方向：氣候變化研究。

收稿日期2017-06-21

太陽輻射是地球上生命活動最基本的能量來源[1]，是自然環(huán)境中物理過程的重要能量來源[2]。當前，面對全球性的能量危機，世界各國都在努力開發(fā)可再生清潔能源。太陽能作為一種清潔能源受到越來越多的關(guān)注，對太陽能資源的時空變化規(guī)律、開發(fā)利用的研究成為當今國內(nèi)外學者的研究熱點[3-5]。

太陽總輻射和日照時數(shù)是定量描述太陽能資源的主要指標。太陽總輻射可以用儀器直接觀測來確定，也可以用氣候?qū)W方法進行估算，此方法最早是由Angstrom[6]于1922年提出的。由于我國太陽總輻射的觀測分布不均勻，為解決此問題，并鑒于我國太陽輻射站較少，一些省、市、區(qū)甚至全國均基于氣候?qū)W方法進行計算[7-12]，因為它是根據(jù)一定區(qū)域氣象站點的實測資料建立的經(jīng)驗公式，進而在推算其他研究區(qū)域沒有實測數(shù)據(jù)地區(qū)的太陽總輻射[12-17]。左大康等[18]和翁篤鳴[19]分別提出了我國太陽總輻射氣候?qū)W計算公式。鞠曉慧等[20]分析了總輻射氣候?qū)W計算公式中系數(shù)的地理分布和季節(jié)變化特征，得到了用日照資料估算總輻射的誤差范圍。

近年來，氣象學者對全球變暖背景下的烏魯木齊市氣候變化進行了研究，結(jié)果表明，新疆各地因降水量增多、氣溫上升而表現(xiàn)出不同程度的暖濕化趨勢[21-23]，但對新疆地區(qū)太陽輻射和日照時數(shù)時空變化的研究目前還較少[12]。

基于此，筆者根據(jù)氣候?qū)W原理，采用回歸分析的方法，提出適合新疆地區(qū)的太陽總輻射氣候?qū)W推算公式，確定各個氣象站點的月太陽總輻射，分析新疆地區(qū)太陽總輻射的時空分布特征，以便為研究烏魯木齊市區(qū)域氣候變化、評估氣候生產(chǎn)潛力以及太陽能工程等提供參考依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料來源

所用的烏魯木齊氣象站資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供，包括日照時數(shù)、太陽總輻射、水汽壓、低云量，時間為1960—2005年。同期氣候資料來自新疆氣候中心，包括全省11個氣象臺站的逐日實際日照時數(shù)、日平均低云量和水汽壓等氣象資料。

1.2研究方法

1.2.1太陽總輻射計算方法。

根據(jù)郎伯定理，天文輻射日總量的計算公式為：

Q0=TI0πρ2×（ω0sin φsin δ+cos φcos δsin ω0）（1）

式（1）中，Q0為太陽天文輻射總量[MJ/（m2·d）]；T為周期（24×60×60 s）；I0為太陽常數(shù)[13.67×10-4 MJ/（m2·s）]；δ為太陽赤緯，δ=0.409×sin（0.017 2J-1.39），在天赤道以北為正，以南為負，單位為弧度（rad）；J為年內(nèi)的日序，1月1日為0，12月31日為364，閏年365；ρ為日地相對距離；φ為測點地理緯度，單位為弧度（rad）；ω0為太陽時角，從真太陽時正午算起，向西為正，向東為負，單位為弧度（rad）。

其中，日地相對距離ρ由式（2）計算：

ρ2=1/[1+0.333cos （2πJ/365）]（2）

日落時的太陽時角ω0由式（3）計算：

ω0=arccos（-tan φtan δ）（3）

太陽赤緯由式（4）計算：

δ=0.006 894-0.399 512cos X+0.006 799cos 2X+0000 890sin 2X-0.002 689cos 2X+0.001 516 sin 3X（4）

X=2π（J-1）/365（5）

1.2.2經(jīng)驗公式計算方法。

目前，國內(nèi)外公認的地面太陽輻射氣候?qū)W推算公式的基本形式為：

Q=Q0×f（s，n）（6）

式（6）中，Q為地表的太陽總輻射；Q0為起始數(shù)據(jù)，也可以是天文輻射、晴天總輻射，或理想大氣總輻射；f（s，n）是以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數(shù)。研究表明，使用晴天大氣總輻射、理想大氣總輻射或天文總輻射進行計算差別不大?？紤]到天文總輻射可以直接使用經(jīng)驗公式，計算公式為：

Q=Q0×（a+bS）（7）

式（7）中，Q為地表接收的太陽總輻射；Q0為天文輻射；S為日照百分率；a、b為經(jīng)驗系數(shù)。根據(jù)新疆輻射站（烏魯木齊站）的月總輻射和日照百分率，采用最小二乘法擬合出式（7）中的各月經(jīng)驗系數(shù)a、b，即可計算出各站點的月太陽總輻射量。

使用雙因子（日照百分率、云量）的效果比用單因子日照百分率稍好，在使用單因子（日照百分率）擬合的基礎(chǔ)上，對擬合的經(jīng)驗公式進行相關(guān)系數(shù)檢驗以及計算結(jié)果進行誤差分析，在此基礎(chǔ)上，對誤差較大的數(shù)據(jù)進行對日照百分率和云量的雙因子線性回歸擬合，以期達到更好的整體擬合效果。計算公式如下：

Q=Q0×（a+bS+cx）（8）

式（8）中，Q為地表接收的太陽總輻射；Q0為天文輻射；S為日照百分率；x為第二影響因子；a、b、c為經(jīng)驗系數(shù)。

1.2.3線性擬合方法。

將式（7）變形為：

Q/Q0=a+bS（9）

方程左邊Q/Q0稱為晴空指數(shù)，S為日照百分率，a、b為經(jīng)驗系數(shù)。按照式（9）建立一元回歸方程，由于此公式依賴于總輻射和日照的相關(guān)性，該研究將對相關(guān)系數(shù)進行相關(guān)性檢驗。

將式（8）變形為：

Q/Q0=a+bS+cx（10）

式（10）中，x為第2個擬合因子，a、b、c為經(jīng)驗系數(shù)。按照式（10）建立二元回歸方程。

1.2.4誤差分析方法。

太陽總輻射Q的氣候?qū)W計算值相對于太陽總輻射實測值的相對誤差以及多年平均相對誤差可表示為：

wr=（Q-Q0）/Q0（11）

w=nwri/n（12）

對于二元回歸方程仍可采用類似的方法對氣候?qū)W計算值與太陽總輻射實測值的相對誤差和年平均誤差進行比較分析。用選定的新疆地區(qū)不同太陽總輻射的氣候?qū)W計算公式，計算1960—2005年烏魯木齊站月太陽總輻射量值，根據(jù)烏魯木齊站計算值與實測值的最小誤差，確定適合新疆地區(qū)月太陽總輻射的氣候?qū)W計算公式，然后將一元擬合和二元擬合的效果進行比較，選擇更合適的擬合方程，提高整體擬合效果。

2太陽總輻射時間變化

2.1月變化特征

從圖1可以看出，1960—2005年烏魯木齊市月太陽總輻射大體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，其中1、2、10、11和12月太陽總輻射下降趨勢明顯?？偟膩碚f，盛夏最大（7—8月），冬季最小，多年平均最大值均出現(xiàn)在7月（712.9 MJ/m2），12月最?。?42.7 MJ/m2）?？梢?，12個月的太陽總輻射的基本變化都為從7月向前向后減少的變化特征，這與太陽高度角的變化是一致的。

2.2四季以及年際變化特征

從圖2可看出，四季太陽總輻射除冬季外，46年來烏魯木齊市太陽總輻射變化平穩(wěn)，但冬季呈現(xiàn)明顯的下降趨勢（下降幅度超過了20%）。而太陽總輻射年際變化也呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢（圖3）。

影響太陽總輻射的主要因子是大氣透明度和太陽高度角，就固定地點而言，由于太陽高度角變化穩(wěn)定，因此太陽總輻射主要由大氣透明度決定。而大氣透明度主要取決于大氣中的水汽、凝結(jié)核、塵埃雜質(zhì)。由于缺乏與太陽總輻射相匹配的長序列氣溶膠資料，在此重點分析大氣水汽壓、云量對太陽總輻射的影響。從圖4可以看出，46年來烏魯木齊市平均水汽壓變化不大，呈現(xiàn)非常平穩(wěn)的變化趨勢（除1974年），這是由于新疆地處西北內(nèi)陸，干旱少雨，空氣含水量少，削弱太陽輻射的主要因子為大氣中的固體顆粒。由于總云量的季節(jié)分配與大氣環(huán)流密切相關(guān)，春季的總云量為全年最多（60%～70%），秋季為最少。烏魯木齊市低云量的年際變化具有明顯的上升趨勢，大于大氣100 m厚的云就相對于黑體，所以低云量的這種變化趨勢應(yīng)該是對烏魯木齊市年太陽總輻射總量年際變化的下降趨勢有很大的影響。

3擬合過程和誤差分析

3.1月總輻射公式的建立和檢驗

根據(jù)輻射站歷年各月的總輻射和統(tǒng)計出的日照百分率，采用最小二乘法擬合（線性擬合）出式（7）中各月的經(jīng)驗系數(shù)。建立Q/Q0關(guān)于S的函數(shù)時發(fā)現(xiàn)（圖5），采用日照百分率直接擬合模擬效果總體較好，能較準確地描述日照時數(shù)與太陽總輻射之間的關(guān)系，其中只有1、4和12月擬合效果較差（均超過了9%）。為了進一步檢驗方程的精度，對計算結(jié)果進行誤差分析，根據(jù)1960—2005年輻射站的方程計算值與實測值之間的多年平均相對誤差（w），結(jié)果顯示，除了1、4和12月平均相對誤差超過9%外，其余各站各月的相對誤差均控制在9%以下。整體來說，誤差相對較小，方程精度較高（表1）。

安徽農(nóng)業(yè)科學2017年

3.2雙因子擬合和誤差分析

在氣候?qū)W計算太陽總輻射中，日照百分率與低云量是2個公認的因子，為比較不同經(jīng)驗公式的擬合效果，提高精度，該研究分別采用日照百分率與水汽壓以及日照百分率和低云量做雙因子擬合，擬合的3個經(jīng)驗系數(shù)（a、b、c）列于表2和3。比較分析整體擬合效果（表4），給出了適合新疆地區(qū)月太陽總輻射的推算公式（表5）。

考慮到空氣中的水汽對太陽總輻射的消弱作用，按實際情況經(jīng)驗系數(shù)c應(yīng)該是負值，所以僅4和12月符合，其他月份均不符合實際情況（表2）。因此僅對4和12月進行相對誤差分析，在此基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)得出，4月的平均相對誤差為10.0%，12月的平均相對誤差為9.3%，與之前的單因子（日照百分率）擬合分析的4和12月的平均相對誤差（10.2%和9.1%）相比，擬合效果不好，所以明顯不符合經(jīng)驗公式的要求。

由日照百分率（S）與低云量（N）回歸擬合的各月經(jīng)驗系數(shù)（表3）可知，經(jīng)驗系數(shù)c按實際情況（低云量對太陽總輻射的消弱作用）應(yīng)該是負值，整體月份均符合實際情況。通過單因子擬合誤差與雙因子擬合誤差的比較，結(jié)果表明針對1、4和12月的平均相對誤差都得到了相應(yīng)的提高（表4），1月從原來單因子的9.2%減小至9.0%，4月從原來單因子的10.2%減小至9.1%，12月從原來單因子的9.1%減小至88%，效果較好，其余月份也有一定的提高，但提高的幅度不大。所以，鑒于前文單因子在1、4和12月擬合效果不佳的情況下，該研究決定僅在1、4和12月選用日照百分率和低云量的雙因子進行擬合的經(jīng)驗公式。

4太陽輻射空間分布

4.1月太陽總輻射空間分布

根據(jù)最終確定的月太陽總輻射推算公式，將新疆地區(qū)各個臺站的對應(yīng)天文輻射、日照百分率分別代入相應(yīng)的擬合方程，最終計算出全省各地的月太陽總輻射。結(jié)果表明，新疆地區(qū)年內(nèi)太陽總輻射基本是7月達到最大值；從空間上看，各月太陽總輻射的分布存在2個低值地區(qū)，一是新疆地區(qū)最北部一帶，二是新疆地區(qū)西北部地區(qū)；而各月太陽總輻射的高值區(qū)基本出現(xiàn)在新疆地區(qū)南部。整年太陽總輻射基本呈自南向北遞減趨勢。

4.2四季太陽總輻射和日照百分率空間分布

春季各地的總輻射量約為1 400 MJ/m2，占全年總輻射的30%（圖6a）；新疆地區(qū)最北部最低，最低值在阿勒泰達1 326 MJ/m2，西南地區(qū)的太陽總輻射最高，最高值在和田地區(qū)達到最高（1 444 MJ/m2）。夏季總輻射量是四季中最高，各地的總輻射量占全年的38%（圖6b）；新疆地區(qū)西北部最低（塔城地區(qū)，1 551 MJ/m2），烏魯木齊地區(qū)最高（1 642 MJ/m2）。秋季各地總輻射量占全年的20%，新疆除西南地區(qū)，大部分地區(qū)不足940 MJ/m2（圖6c）。冬季總輻射量為全年最低，北部地區(qū)最低，最低值出現(xiàn)在阿勒泰地區(qū)，達508 MJ/m2（圖6d）。 這種北低南高的整體分布趨勢與日照百分率的空間分布有密切關(guān)系，從圖7可以看出，新疆地區(qū)四季太陽總輻射和四季日照百分率的空間分布基本一致，說明日照百分率是影響太陽總輻射的關(guān)鍵。

5結(jié)論

（1）新疆地區(qū)太陽總輻射7月達到最大值，而在新疆地區(qū)太陽總輻射最小值一致出現(xiàn)在12月份。新疆地區(qū)年和各季節(jié)的太陽總輻射的變化趨勢基本上是呈略微的下降趨勢，這與新疆地區(qū)的日照時數(shù)（日照百分率）下降和低云量上升有直接的關(guān)系。

（2）綜合考慮計算效果和簡單實用的原則，新疆地區(qū)太陽總輻射氣候?qū)W計算公式以Q=Q0（a+bS）為主要擬合公式，在此基礎(chǔ)找出合適的雙因子（低云量）擬合作為輔助擬合公式來提高擬合精度，即Q=Q0×（a+bS+cx），從而求得全省范圍內(nèi)各月的經(jīng)驗系數(shù)a、b、c值，進而給出適合新疆地區(qū)的月太陽總輻射氣候?qū)W推算公式。

（3）新疆地區(qū)各季節(jié)的太陽總輻射以夏季最大，其次為春季、秋季、冬季。除夏季太陽總輻射最高值出現(xiàn)在新疆地區(qū)的東部，春季、秋季、冬季最高值均出現(xiàn)在新疆地區(qū)的南部；而新疆地區(qū)四季太陽總輻射的最小值均出現(xiàn)在北部?？偟膩碚f，太陽總輻射呈北低南高的趨勢。

參考文獻

[1] 劉昌明，劉小莽，鄭紅星，等.海河流域太陽輻射變化及其原因分析[J].地理學報，2009，64（11）：1283-1291.

[2] 文小航，尚可政，王式功，等.1961-2000年中國太陽輻射區(qū)域特征的初步研究[J].中國沙漠，2008，28（3）：554-561.

[3] 曹雯，申雙和.我國太陽日總輻射計算方法的研究[J].南京氣象學院學報，2008，31（4）：587-591.

[4] 趙東，羅勇，高歌，等.1961年至2007年中國日照的演變及其關(guān)鍵氣候特征[J].資源科學，2010，32（4）：701-711.

[5] ALLEN R G，PEREIRA L S，RAES D，et al.Crop evapotranspiration：Guidelines for computing crop water requirements[M].Roma：FAO，1998：8-10.

[6] ANGSTROM A.Solar and terrestrial radiation[J].Quart J R Met Soc，1924，50：121-126.

[7] 溫敏，張人禾，楊振斌.氣候資源的合理開發(fā)利用[J].地球科學進展，2004，19（6）：896-902.

[8] 劉生，邱新法，王瀟宇.起伏地形下我國太陽散射輻射分布式模擬[J].南京氣象學院學報，2007，30（3）：371-376.

[9] 張宇，趙四強.關(guān)于逐日太陽輻射估算方法的探討[J].氣象，1991，17（10）：52-53.

[10] 張智，林莉，孫銀川，等.銀川市日照時數(shù)氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)研究，2006，23（2）：344-348.

[11] 董亞非，李兆元.關(guān)中地區(qū)氣候資源特征分析[J].陜西氣象，1995（6）：34-36.

[12] 劉紹民，李銀芳.新疆月太陽總輻射氣候?qū)W計算方法的研究[J].干旱區(qū)地理，1997，20（3）：75-81.

[13] 張運林，秦伯強，陳偉民，等.太湖無錫地區(qū)太陽總輻射的氣候?qū)W計算及特征分析[J].應(yīng)用氣象學報，2003，14（3）：339-347.

[14] 張雪芬，陳東，付祥健，等.河南省近40年太陽輻射變化規(guī)律及其成因探討[J].氣象，1998，25（3）：21-25.

[15] 繆啟龍，周鎖銓，吳息，等.西部山區(qū)總輻射氣候?qū)W計算及分布[J].南京氣象學院學報，1994，17（2）：177-182.

[16] 杜堯東，毛慧琴，劉愛君，等.廣東省太陽總輻射的氣候?qū)W計算及其分布特征[J].資源科學，2003，25（6）：66-70.

[17] 劉新安，范遼生，王艷華，等.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征[J].資源科學，2002，24（1）：82-87.

[18] 左大康，王懿賢，陳建綏.中國地區(qū)太陽總輻射的空間分布特征[J].氣象學報，1963，33（1）：78-95.

[19] 翁篤鳴.試論總輻射的氣候?qū)W計算方法[J].氣象學報，1964，34（3）：304-315.

[20] 鞠曉慧，屠其璞，李慶祥.我國太陽總輻射氣候?qū)W計算方法的再討論[J].南京氣象學院學報，2005，28（4）：516-521.

[21] 熱孜宛古麗·麥麥提依明，楊建軍，劉永強，等.新疆近54年氣溫和降水變化特征[J].水土保持研究，2016，23（2）：128-133.

[22] 汪寶龍.1960-2009年新疆極端氣溫和降水事件的變化研究[D].蘭州：西北師范大學，2013.

[23] 薛燕，韓萍，馮國華.半個世紀以來新疆降水和氣溫的變化趨勢[J].干旱區(qū)研究，2003，20（2）：127-130.