西藏日喀則市太陽(yáng)能資源時(shí)空分布特征及資源潛力評(píng)估

尼瑪拉宗，卓 嘎

（1西藏日喀則市氣象局，西藏日喀則857000，2西藏自治區(qū)氣象局氣候中心，拉薩850000）

0 引言

日喀則市位于青藏高原西南部，平均海拔4000m，所轄18個(gè)縣市。隨著人口的增加，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加。然而，高原生態(tài)環(huán)境十分脆弱，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能等清潔能源，是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下解決能源需求的科學(xué)舉措。研究日喀則市太陽(yáng)能資源的空間分布特征、變化趨勢(shì)以及對(duì)資源進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，是科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源的基礎(chǔ)性工作。

國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能資源的研究大多集中在中原及青藏高原東北青海等太陽(yáng)輻射站較多的地區(qū)，主要研究其資源屬性，從太陽(yáng)能總輻射、日照時(shí)數(shù)、可照時(shí)數(shù)等方面來(lái)分析研究各區(qū)域太陽(yáng)能資源的豐富程度[1-3]、可利用價(jià)值[4]、日最佳利用時(shí)段及資源穩(wěn)定度等時(shí)空分布特征[5-7]。西藏高原因其特殊的地理地貌及天氣氣候特征，太陽(yáng)總輻射強(qiáng)、日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，是世界太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一[8-11]。

多年來(lái)有不少學(xué)者從區(qū)域角度對(duì)日照時(shí)數(shù)的分布特征及變化進(jìn)行了研究[12-14]。杜軍等[15]利用復(fù)雜地形下太陽(yáng)輻射分布式模擬模型計(jì)算了西藏太陽(yáng)總輻射量；張志剛等[16]對(duì)珠峰地區(qū)短期太陽(yáng)輻射特征進(jìn)行了研究。但是，目前從區(qū)域角度較全面研究日喀則市太陽(yáng)能資源空間分布特征及資源潛力評(píng)估文章較少。因此，本研究選用日喀則市7個(gè)氣象站1985—2014年的日照時(shí)數(shù)、日照百分率、最高溫度和日喀則站的太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)資料，以期較全面分析日喀則市太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)及空間分布特征，對(duì)太陽(yáng)能資源豐富度和穩(wěn)定度等潛力進(jìn)行評(píng)估，以期為日喀則市科學(xué)有效開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源，提高太陽(yáng)能的利用率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供重大的科學(xué)依據(jù)[17]。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選取1985年1月1日—2014年12月31日的定日、江孜、拉孜、南木林、日喀則、聶拉木和帕里7站日照時(shí)數(shù)、日照百分率、最高溫度等氣象資料以及2010年1月1日—2014年12月31日日喀則站的日照、最高溫度和輻射資料。所有資料均經(jīng)過(guò)檢查，部分年份缺失的資料采用多年平均相應(yīng)月（年）值替代。

1.2 太陽(yáng)輻射推算模型的建立

目前研究認(rèn)為，日照時(shí)數(shù)主要受云量的影響，近年大氣污染嚴(yán)重，云量和氣溶膠增多，從而增強(qiáng)了大氣對(duì)太陽(yáng)光的反射及吸收作用，使太陽(yáng)輻射減小，日照時(shí)數(shù)下降。應(yīng)用2010年1月1日—2014年12月31日日喀則站的日照、最高溫度和輻射資料與日照時(shí)數(shù)、最高溫度建立日喀則月總輻射量計(jì)算方程（見(jiàn)表1），并將日喀則逐日日照時(shí)數(shù)、最高溫度代入計(jì)算得到的日輻射量與實(shí)際觀測(cè)值對(duì)比，計(jì)算得到的日輻射量與實(shí)況誤差很小，通過(guò)驗(yàn)證計(jì)算，筆者認(rèn)為計(jì)算方法可靠。因此，用該方法計(jì)算1985年1月1日—2014年12月31日定日、江孜、拉孜、南木林、聶拉木和帕里的逐日總輻射。表1中S為日照時(shí)數(shù)，Dm為最高溫度，2月、5月、6月、11月和12月的方程與最高溫度無(wú)法建立方程，只與日照時(shí)數(shù)建立了計(jì)算方程。

表1 日喀則市太陽(yáng)日輻射量計(jì)算公式

1.3 評(píng)估方法

依據(jù)中國(guó)氣象局2008年《太陽(yáng)能資源評(píng)估辦法》，太陽(yáng)能資源豐富度、穩(wěn)定度以及利用價(jià)值是最重要的太陽(yáng)能資源評(píng)估指標(biāo)。本研究利用日喀則市現(xiàn)有7個(gè)人工氣象站觀測(cè)的日照時(shí)數(shù)和推算的太陽(yáng)總輻射資料對(duì)日喀則市太陽(yáng)能資源的豐富程度、利用價(jià)值和穩(wěn)定程度進(jìn)行分析。用年均太陽(yáng)總輻射、日照時(shí)數(shù)和日照百分率評(píng)價(jià)太陽(yáng)能資源的豐富程度；用每天日照時(shí)數(shù)大于6 h作為太陽(yáng)能利用價(jià)值指標(biāo)；一年中各月日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)最大值與最小值之比來(lái)反映太陽(yáng)能資源的穩(wěn)定度，比值越小，說(shuō)明太陽(yáng)能資源越穩(wěn)定，越利于太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用。

筆者分別計(jì)算出7個(gè)站點(diǎn)30年年均總輻射、四季太陽(yáng)總輻射、四季日照時(shí)數(shù)，計(jì)算各站點(diǎn)近30年各月日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)，用日照時(shí)數(shù)＞6 h天數(shù)最大值比最小值得到太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度K，見(jiàn)公式(1)，其等級(jí)（見(jiàn)表2）。參照太陽(yáng)能資源豐富度區(qū)劃指標(biāo)（見(jiàn)表3），利用克里格插值法對(duì)日喀則市總輻射、日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度進(jìn)行空間插值，得到了太陽(yáng)能資源的空間分布特征，對(duì)全市太陽(yáng)能資源分布情況進(jìn)行了區(qū)劃。

表2 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度指標(biāo)

穩(wěn)定度指標(biāo)反映太陽(yáng)能資源全年變幅的大小，比值越小，說(shuō)明太陽(yáng)能資源全年變化越穩(wěn)定，受天氣變化影響越少，越利于太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用。

式中：K為太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度指標(biāo)；Day1,Day2,…,Day12分別為1—12月各月日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)。單位：天；max()、min()分別是求最大值和最小值的函數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

線性xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立一元線性回歸方程(2)。

式中：b為回歸系數(shù)，代表氣候變量xi的趨勢(shì)傾向。當(dāng)b＞0時(shí)，說(shuō)明隨著時(shí)間ti的增加，氣候變量xi呈上升的趨勢(shì)；當(dāng)b＜0時(shí)，說(shuō)明隨著時(shí)間ti的增加，氣候變量xi呈下降的趨勢(shì)；b×10稱為氣候變化傾向率,表征氣候要素上升或下降的速率，單位為某要素單位/10 a。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)能資源的時(shí)間演變特征

從日喀則市年均太陽(yáng)總輻射和年均日照時(shí)數(shù)（1985—2014年）的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）來(lái)看，年均太陽(yáng)總輻射和年均日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，總體趨于下降趨勢(shì)，年均日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)更明顯。近30年中太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)在1985年—1990s中期前變化幅度較小。1996—2008年之間變化幅度較大，減少趨勢(shì)明顯，2009—2014年出現(xiàn)較明顯增加趨勢(shì)；近30年中，2012年日照時(shí)數(shù)最高，達(dá)3135.1 h，2008年降到最低，為2872.4 h；太陽(yáng)總輻射最低值出現(xiàn)在2000年，為7325 MJ/m2；2000年之后，年均太陽(yáng)總輻射開(kāi)始增加。

表3 太陽(yáng)能資源豐富度區(qū)劃指標(biāo)

圖1 日喀則市日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)總輻射的年際變化

從1990s中期開(kāi)始隨著日喀則市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口密度增大，汽車等機(jī)動(dòng)車增多，大氣透明度下降，其中云量、大氣濕度和氣溶膠是影響太陽(yáng)輻射的主要因子[18]。日喀則市太陽(yáng)總輻射降低可能與環(huán)境的改變和人類的活動(dòng)有一定的關(guān)系。

2.2 太陽(yáng)能資源四季變化特征

根據(jù)氣候?qū)W劃分，春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四季。本研究利用日喀則市各站總輻射推算數(shù)據(jù)和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算日喀則市各站四季太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)值，用克里克插值法對(duì)四季太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行空間插值，得到四季太陽(yáng)能總輻射和日照時(shí)數(shù)空間分布特點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。圖2反映了日喀則市四季太陽(yáng)總輻射分布狀況。春季太陽(yáng)總輻射在619～750 MJ/m2之間，日喀則市西部、沿江部分縣區(qū)太陽(yáng)總輻射較高，高值出現(xiàn)在定日(750 MJ/m2)，低值區(qū)位于南部邊緣聶拉木(619 MJ/m2)；夏季太陽(yáng)總輻射在530～729 MJ/m2之間，太陽(yáng)總輻射相對(duì)較高的是日喀則(729 MJ/m2)，低值區(qū)位于南部邊緣帕里(530 MJ/m2)；秋季的太陽(yáng)總輻射在455～562 MJ/m2之間，空間分布上與全年總輻射較為一致，秋季最高值出現(xiàn)在日喀則西部定日(562 MJ/m2)，最低值出現(xiàn)在日喀則市聶拉木(455 MJ/m2)；冬季太陽(yáng)總輻射在429～527 MJ/m2之間，大部分地方太陽(yáng)總輻射比較低，太陽(yáng)總輻射的高值區(qū)出現(xiàn)在定日(527 MJ/m2)，最低出現(xiàn)在聶拉木(429 MJ/m2)。日喀則市四季日照時(shí)數(shù)（圖略）的空間分布與太陽(yáng)總輻射分布情況基本一致，最高值一般出現(xiàn)在西部定日一帶,春、夏、秋、冬四季最高值分別高達(dá)236 h、177 h、248 h和258 h。四季最低值均出現(xiàn)在南部邊緣聶拉木、帕里一帶。

2.3 太陽(yáng)能資源區(qū)劃

圖2 日喀則市四季太陽(yáng)總輻射分布

根據(jù)日喀則市7個(gè)氣象站30年逐日總輻射、日照時(shí)數(shù)和日照百分率的統(tǒng)計(jì)分析可知，日喀則市大部太陽(yáng)輻射資源非常豐富，年均總輻射在6364～7655 MJ/m2（見(jiàn)表4），均在6000 MJ/m2以上，其中最大的是日喀則站(7655 MJ/m2)，最低值出現(xiàn)在聶拉木站(6364 MJ/m2)；各站日照時(shí)數(shù)變化較大，變化范圍在2514～3399 h之間，大部分站點(diǎn)年均日照時(shí)數(shù)在3000 h以上。日照百分率在57%～78%之間，高值區(qū)在定日站，低值區(qū)在聶拉木站，其空間分布特征與日照時(shí)數(shù)分布基本一致。形成這種地理分布特征的主要原因是南部邊緣受地形及西南暖濕氣流影響，水汽相對(duì)充沛，容易形成云系[19]，而越往西北到達(dá)的水汽較少。因此，南部邊緣日照時(shí)數(shù)和日照百分率低于西部及沿江一線。日喀則市日照分布的主要地理特征是西部和沿江一帶高、南部邊緣地區(qū)低，太陽(yáng)輻射的地理分布特征是西部和沿江一帶高，南部邊緣地區(qū)低。影響太陽(yáng)輻射的因子除云量外，還與大氣光學(xué)厚度成反相關(guān)關(guān)系。大氣光學(xué)厚度與太陽(yáng)光線經(jīng)過(guò)的大氣路徑有關(guān)系，所以海拔越高，空氣越稀薄，太陽(yáng)輻射也就越高[20]。

日喀則市地域面積大，所轄18個(gè)縣區(qū)，但氣象觀測(cè)站點(diǎn)少，只有7個(gè)人工氣象觀測(cè)站，1個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)（2010年建站），太陽(yáng)總輻射值是通過(guò)推算得到的。表4中的日照時(shí)數(shù)、日照百分率和太陽(yáng)總輻射，并不能反映整個(gè)日喀則市太陽(yáng)能資源的空間分布。對(duì)于觀測(cè)資料區(qū)以外的太陽(yáng)能資源的分布情況，通過(guò)空間插值得以確定。對(duì)日喀則市各站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)總輻射進(jìn)行空間插值,并結(jié)合表2中太陽(yáng)能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，得到了日喀則市太陽(yáng)能資源空間分布（見(jiàn)圖3）。

由圖3可知，日喀則市大部太陽(yáng)能資源非常豐富，太陽(yáng)總輻射與日照時(shí)數(shù)的分布情況基本一致；其中太陽(yáng)總輻射基本趨勢(shì)是由日喀則南部邊緣向西部和沿江一線逐漸增加，到日喀則市沿江一線的日喀則和西部定日縣一帶達(dá)到最高，最低值出現(xiàn)在日喀則市南部邊緣聶拉木和帕里一帶；日照時(shí)數(shù)最高值位于日喀則市西部，日照時(shí)間最長(zhǎng)的可達(dá)3399 h。其次，年均日照時(shí)數(shù)相對(duì)較高的市是日喀則市沿江中東段，其年均日照時(shí)數(shù)均在3000 h以上。根據(jù)太陽(yáng)能資源豐富度區(qū)劃指標(biāo)（見(jiàn)表3），日喀則市大部屬于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，定日、江孜、日喀則和拉孜的太陽(yáng)能資源最為豐富，屬于為資源最豐富區(qū)(57.1%)；南木林、聶拉木和帕里太陽(yáng)能資源很豐富，屬于資源很豐富區(qū)(42.9%)。

表4 日喀則市7個(gè)站點(diǎn)太陽(yáng)總輻射、日照時(shí)數(shù)和日照百分率的30年平均值

圖3 日喀則市太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)空間分布

2.4 太陽(yáng)能資源利用價(jià)值評(píng)估

按照《太陽(yáng)能資源評(píng)估辦法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，把各月日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)作為太陽(yáng)能利用價(jià)值的評(píng)估指標(biāo),如一天中日照時(shí)數(shù)如大于6 h，太陽(yáng)能就具有利用價(jià)值，否則就不具有利用價(jià)值。本研究統(tǒng)計(jì)了日喀則市30年（1985—2014年）7個(gè)氣象觀測(cè)站日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)，通過(guò)求平均得到各地年日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)為263～327天，最少的是日喀則市的帕里站，30年平均為263天；最多的是定日站，30年年平均為327天。帕里和聶拉木小于300天；日喀則、江孜、拉孜和南木林站大于300天而小于320天；定日站大于320天。

總的來(lái)說(shuō)，日喀則市西部的定日一帶30年平均每年大于6 h的天數(shù)均在320天以上。太陽(yáng)能資源可利用價(jià)值最高；沿江的日喀則和江孜一帶，30年平均每年大于6 h的天數(shù)均在310～320天之間，太陽(yáng)能可利用價(jià)值較高；南部邊緣的帕里一帶30年中平均每年大于6 h的天數(shù)僅為263天，太陽(yáng)能資源可利用價(jià)值相對(duì)較低。總之，日喀則市大部太陽(yáng)能資源非常豐富，具有特別高的潛在利用價(jià)值。

2.5 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度評(píng)估

在太陽(yáng)能資源評(píng)估中資源穩(wěn)定度是最重要的評(píng)估指之一，按照1.3節(jié)中的穩(wěn)定度公式，求出了日喀則市7個(gè)氣象站1985—2014年的太陽(yáng)能穩(wěn)定度平均值K。用克里格插值法對(duì)各站點(diǎn)的K值進(jìn)行空間插值（見(jiàn)圖4）得出，日喀則市除南部邊緣和沿江南木林太陽(yáng)能資源較穩(wěn)定，K值在2～4之間之外，其余大部K值小于2，屬于太陽(yáng)能資源穩(wěn)定區(qū)。

圖4 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度的空間分布

總之，從日喀則市太陽(yáng)能資源豐富度與穩(wěn)定程度的分布情況分析，日喀則市南部邊緣太陽(yáng)總輻射最小、日照時(shí)間最短且資源相對(duì)不穩(wěn)定，而西部和沿江一線太陽(yáng)能總輻射最高、日照時(shí)間最長(zhǎng)，太陽(yáng)能資源亦較為穩(wěn)定，屬于可開(kāi)發(fā)利用區(qū)域。除南木林K值較大之外，其余大部資源穩(wěn)定度和資源豐富度分布基本相同。

3 結(jié)論與討論

本研究利用日喀則市7個(gè)氣象站近30年來(lái)日照時(shí)數(shù)和推算的太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)，較全面分析了西藏日喀則市太陽(yáng)能資源時(shí)空分布特征和資源潛力，得出了如下結(jié)論：

（1）日喀則市太陽(yáng)能資源豐富度來(lái)開(kāi)看，西部的定日縣和沿江一線的江孜縣、日喀則及拉孜縣屬于太陽(yáng)能資源最為豐富區(qū)，沿江的南木林縣、南部邊緣地區(qū)聶拉木和帕里，日照時(shí)數(shù)相對(duì)較低，屬于太陽(yáng)能資源很豐富區(qū)；近30年來(lái)日喀則市日照時(shí)數(shù)和年總輻射均呈下降趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)基本相同,但日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)比較明顯；從太陽(yáng)能利用價(jià)值來(lái)看，7個(gè)氣象站近30年中各年日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)在263～327天之間，小于300天有2個(gè)站點(diǎn)，分別是帕里和聶拉木；大于300天而小于320天站點(diǎn)有4個(gè)，分別是日喀則、江孜、拉孜站和南木林站；大于320天以上的站點(diǎn)有1個(gè)，為定日站；日喀則市太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度在1～4之間，除南部邊緣和沿江的南木林站K值在2～4之間，屬于太陽(yáng)能資源較穩(wěn)定區(qū)外，其余大部K值小于2，屬于太陽(yáng)能資源穩(wěn)定區(qū)。

（2）本研究利用逐日日照時(shí)數(shù)、日最高氣溫與日輻射量建立方程推算日太陽(yáng)輻射量。計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值誤差很小，經(jīng)檢驗(yàn)，結(jié)果比較可靠，這對(duì)計(jì)算無(wú)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站的輻射數(shù)據(jù)，是一種新的嘗試，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）從太陽(yáng)能資源豐富程度、利用價(jià)值、穩(wěn)定度幾個(gè)指標(biāo)來(lái)分析，日喀則市除南部外，大部地方太陽(yáng)能資源非常豐富且穩(wěn)定，利用價(jià)值高，適合大規(guī)模光電開(kāi)發(fā)，發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)潛力巨大。

（4）日喀則市面積大，但有10年以上氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的氣象站點(diǎn)少，有待今后利用更多的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)，推算太陽(yáng)輻射，提高太陽(yáng)輻射空間插值精度。以便更加細(xì)致、準(zhǔn)確的分析太陽(yáng)能資源分布特征，為充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

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