湖州地區(qū)輻射影響因子分析*

胡景波，邱 杰，王 磊，劉雙喜

(湖州市氣象局，浙江湖州 313000)

0 引言

太陽輻射是地球最重要能量來源之一，太陽輻射的變化能影響氣壓、溫度、濕度、降水等氣象要素，是造成天氣、氣候變化的主要原因。不同地區(qū)受緯度、海拔、云量等多種因素的影響，太陽輻射存在顯著差異。太陽輻射空間分布不均勻，導(dǎo)致了氣象要素時空分布差異，這種差異影響了人類活動和動植物生長發(fā)育。另一方面，太陽能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到人們的關(guān)注，正在成為舉足輕重的新能源之一。近些年，國內(nèi)外學(xué)者對太陽輻射變化特征進(jìn)行了大量的研究。喻麗[1]、李小軍[2]分析了近些年中國地表太陽輻射時空變化。左晨[3]、王占林[4]分別研究了新疆和青海地區(qū)太陽總輻射的變化特征。劉昌明[5]、趙娜[6]進(jìn)行了海河流域太陽輻射評估。陳震[7]、司福意[8]、程海軍[9]分別分析了唐山、焦作、黃岡的太陽總輻射變化特征。唐曉萍[10]、陳飛霖[11]、陳玲[12]分析了南方地區(qū)重慶、陽江、東莞的輻射強(qiáng)度特征及影響因子。

太陽發(fā)射的能量入射到地球大氣層內(nèi)的總和稱為總輻射，是衡量太陽輻射強(qiáng)弱的一個重要指標(biāo)，也是用來衡量某一地區(qū)太陽能資源豐富程度的基本參考量?？傒椛浯笮∈艿胶芏嘁蛩氐挠绊?，汪凱[13]分析了中國東南部太陽輻射的影響因素，顆粒物濃度也是影響太陽輻射的因素之一。大氣中顆粒物濃度的增加除了對人體健康產(chǎn)生危害以外，還會增加大氣消光性，降低能見度和到達(dá)地面的太陽輻射，胡森林[14]分析了合肥城市氣溶膠濃度對太陽輻射的影響。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，與蘇州、無錫隔太湖相望。湖州東部為水鄉(xiāng)平原，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，太陽輻射對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。湖州西部多山地、丘陵，近幾年太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)在此區(qū)域發(fā)展較快?？紤]到輻射變化本地化分析的必要性，文章借鑒了近些年來不同區(qū)域輻射變化分析的一些方法，對湖州地區(qū)的輻射情況進(jìn)行了初步分析。

1 觀測數(shù)據(jù)

1.1 觀測地點和觀測儀器

湖州國家基本氣象站是湖州市范圍內(nèi)唯一的國家級基本觀測站，湖州站建于1956年1月，位于東經(jīng)120°03′、北緯30°52′?？傒椛溆^測不屬于湖州站常規(guī)觀測內(nèi)容，是為了更好地開展氣象服務(wù)額外增加的觀測任務(wù)，因此輻射觀測設(shè)備被安裝在湖州站的輔助觀測場內(nèi)，輔助觀測場位于常規(guī)觀測場的西面，與常規(guī)要素觀測場同樣享受嚴(yán)格的探測環(huán)境保護(hù)。湖州國家基本氣象站從2009年9月開始觀測太陽總輻射，使用的觀測儀器為華創(chuàng)公司生產(chǎn)的TBQ-2-B-I型總輻射表，通過輻射中心站軟件每小時上傳1組數(shù)據(jù)，全天24h連續(xù)觀測，至今已連續(xù)觀測10年。

1.2 數(shù)據(jù)完整性

在正式處理數(shù)據(jù)之前，首先進(jìn)行預(yù)處理，包括刪除缺測時次，剔除理論范圍之外的數(shù)據(jù)。在預(yù)處理過程中，發(fā)現(xiàn)因為儀器故障， 2014年5月上旬至7月上旬的輻射數(shù)據(jù)異常偏低， 7月中旬至12月下旬?dāng)?shù)據(jù)連續(xù)缺測。考慮到2014年只有1—4月數(shù)據(jù)正常，無法統(tǒng)計輻射的季和年累計值，因此放棄了2014年的所有數(shù)據(jù)。因為夜間太陽輻射數(shù)據(jù)均為0，沒有實際的研究意義，因此只挑取6—20時的數(shù)據(jù)用作統(tǒng)計分析。綜合上述處理，最終保留了36 162個時次的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總的完整性為94.28%，具體的數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計如表1。

表1 2010—2017年數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計

2010201120122013201520162017總計實測數(shù)5 3805 3705 3725 3974 6204 7785 24536 162理論數(shù)5 4755 4755 4905 4755 4755 4905 47538 355完整性(%)98.2698.0897.8598.5884.3887.0395.8094.28

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

將預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)做如下計算：將同1年內(nèi)的同1h數(shù)據(jù)做平均，求得不同年份6—20時的小時平均值，如圖1； 將所有小時輻射累加得到1d的總輻射，在此基礎(chǔ)上得到每年的月、季、年總輻射，如圖2～4。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻射強(qiáng)度日變化情況

如圖1所示， 2010—2017年太陽輻射日變化曲線基本一致，日出后輻射強(qiáng)度隨著時間逐漸增大，中午前后達(dá)到全天最高，隨后輻射量開始減弱，日落前后輻射強(qiáng)度趨于0。太陽輻射的日變化呈周期性，全天基本為拋物線型變化，左右大致對稱分布。由此可見太陽高度角是影響地面輻射的重要因子。

圖1 太陽輻射日變化

2.2 輻射強(qiáng)度月變化情況

從圖2中可以看出近幾年來太陽總輻射的變化趨勢基本保持一致。1月份受太陽高度角偏小的影響太陽輻射最弱， 2月份開始隨著太陽高度角增大而逐漸增強(qiáng)， 6月份太陽輻射有個明顯的強(qiáng)度減弱，原因主要是本地區(qū)在6月中旬前后進(jìn)入梅雨季節(jié)，一直處于連陰雨、少日照的天氣狀況。雖然太陽高度角在此階段達(dá)到最大值，但云層和雨水的阻擋和吸收，使得太陽總輻射反而減小。梅雨結(jié)束后， 7月太陽輻射達(dá)到一年中的最大值， 8月開始由于臺風(fēng)的增多，云系和降水衰減了太陽輻射總量，使得太陽輻射沒有隨著平均溫度的增加而一直增加，反而出現(xiàn)波動下降的趨勢。進(jìn)入下半年后，隨著太陽高度角的減小，太陽輻射逐漸減小。

圖2 太陽輻射月變化

2.3 輻射強(qiáng)度季節(jié)變化情況

如圖3所示，可以看出太陽輻射強(qiáng)度有明顯的季節(jié)變化，夏季太陽輻射平均值最高，春季次之，秋季只比冬季略高，甚至近幾年兩者幾乎持平。理論上來說，冬季太陽高度角較低，太陽輻射量應(yīng)該與秋季有較大差距，但從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，兩者相差不大，為了探究具體原因，額外分析了近4年湖州國家基本氣象站的月報表。發(fā)現(xiàn)近幾年秋季的日照時數(shù)相比歷史同期基本都偏少，降水日數(shù)和降水量都偏多，加上冬季日照時數(shù)相比歷史同期要偏多。綜合以上原因，造成了秋冬兩季太陽輻射差距較小。

圖3 太陽輻射季節(jié)變化

2.4 總輻射強(qiáng)度年變化情況

從圖4可以看出，除了2015年以外，其余年份的年輻射總量基本穩(wěn)定。2014年5月至2016年春季，爆發(fā)了歷史持續(xù)時間最長的極強(qiáng)厄爾尼諾事件。受其影響， 2015年極端天氣氣候事件多發(fā)。2015年10月下旬至11月中旬，湖州市遭遇歷史罕見的秋季長期連陰雨天氣，降水日數(shù)之多、日照時數(shù)之少均居歷史同期首位。由于這次陰雨寡照時段分布在10月和11月，在月數(shù)據(jù)里并不能明顯地體現(xiàn)出來，如果只看輻射總量，很容易忽略這一情況。近兩年輻射總量稍有下降，考慮到可能存在的輻射年際變化，并不能就此認(rèn)為本地區(qū)的輻射會處于下降趨勢中，還需要更多年份的數(shù)據(jù)加以分析。

圖4 太陽總輻射年變化

3 總輻射強(qiáng)度影響因子

3.1 總輻射與總、低云量的關(guān)系

湖州站月報表中云的觀測周期為6 h，分別是8、14、20時，可以把3次的云量做平均，代表當(dāng)天的平均云量。用2017年逐日太陽輻射強(qiáng)度和2017年逐日的平均總、低云量分別作相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)太陽輻射強(qiáng)度和總云量、低云量均呈反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.59和-0.70，兩者均通過了α=0.05相關(guān)性檢驗，說明低云量對輻射的影響更大。

3.2 總輻射與相對濕度的關(guān)系

利用湖州站2017年觀測的小時相對濕度，取6—20時的數(shù)據(jù)求平均，求得每天白天的平均相對濕度。剔除掉有降水的日子，將白天的平均相對濕度和太陽總輻射做相關(guān)性分析，結(jié)果相關(guān)系數(shù)為-0.65，兩者負(fù)相關(guān)性比較明顯。

3.3 總輻射與部分氣象要素極值的關(guān)系

分析了湖州站2017年所有的觀測數(shù)據(jù)，選出了3個可能相關(guān)性較高的氣象要素極值，分別是日最高溫度、日最小相對濕度、日最高地面溫度。分別使用2017年逐日太陽輻射與上述3類極值數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析。結(jié)果與日最高溫度相關(guān)系數(shù)為0.68，與日最小相對濕度相關(guān)系數(shù)為-0.69，與最高地面溫度相關(guān)系數(shù)為0.76，均通過了α=0.05相關(guān)性檢驗，結(jié)果說明這3個極值一定程度上可以作為當(dāng)天太陽輻射強(qiáng)度的參考。

3.4 總輻射與顆粒物濃度的關(guān)系

有學(xué)者認(rèn)為大氣的污染程度也是影響太陽輻射強(qiáng)度的因素之一，它們對太陽輻射強(qiáng)度的衰減主要是通過氣溶膠粒子的吸收與散射作用。為了檢驗兩者在該地區(qū)的相關(guān)程度，該文利用湖州站2017年P(guān)M10、PM2.5和PM1的日平均值數(shù)據(jù)，與太陽輻射強(qiáng)度做相關(guān)性分析。湖州站的大氣成分觀測儀器型號為Grimm180，觀測地點與太陽輻射相差不到100m，都在觀測站大院內(nèi)?？紤]到有降雨時顆粒物濃度和太陽輻射的數(shù)值都會降低，導(dǎo)致相關(guān)性結(jié)論不準(zhǔn)確，因此將有雨量的日子剔除。兩者相關(guān)性結(jié)果如表2、3所示。

表2 太陽輻射不同季節(jié)與氣溶膠粒子濃度相關(guān)性

春夏秋冬PM10-0.44 0.24 -0.28 -0.19 PM2.5-0.45 0.27 -0.22 -0.14 PM1-0.44 0.28 -0.20 -0.13

由表2可見，在湖州地區(qū)，兩者一年四季的相關(guān)性并不相同。春季、秋季和冬季的太陽輻射與氣溶膠粒子濃度有不同程度的負(fù)相關(guān)性，即顆粒物濃度越高，太陽輻射越低。圖5為12月21—26日一次較長時間霾天氣過程中顆粒物濃度與日輻射總量的變化關(guān)系，這次過程中，顆粒物濃度與輻射量的反相關(guān)表現(xiàn)得很明顯，呈現(xiàn)有規(guī)律的此長彼降的變化。27日下午天氣轉(zhuǎn)雨，云量增長，兩者同時下降。

圖5 一次霾天氣過程顆粒物濃度和日輻射總量變化

夏季兩者存在相關(guān)系數(shù)在0.25左右的正相關(guān)，這與之前的研究結(jié)論有差距。具體分析了湖州地區(qū)夏季3個月的顆粒物濃度變化情況，發(fā)現(xiàn)在夏季高溫時段，長時間無雨的情況下顆粒物難以擴(kuò)散，濃度會明顯增加，就會出現(xiàn)溫度越高，太陽輻射越大，顆粒物濃度也越大的情況。當(dāng)這種情況在夏季多次發(fā)生時，從數(shù)據(jù)上來看，兩者就會產(chǎn)生一定的正相關(guān)。綜上，初步認(rèn)為在湖州地區(qū)，大氣成分中PM10、PM2.5和PM1的值與太陽輻射的相關(guān)性應(yīng)該按季節(jié)具體分析，不能簡單考略為全年太陽輻射的影響因子。

4 結(jié)論

(1)日出后太陽輻射強(qiáng)度逐漸增大，中午時達(dá)到全天最高，正午過后開始減弱。夏季最高，春季次之，秋季比冬季略高，春夏季明顯高于秋冬季。

(2)1月太陽輻射最弱，隨后開始增強(qiáng)， 6月份受梅雨影響太陽輻射偏小。7月太陽輻射最強(qiáng)， 8月開始由于臺風(fēng)的增多，太陽輻射沒有繼續(xù)增加，又隨著太陽高度角的減小，太陽輻射逐漸減小，全年極大值一般出現(xiàn)在7-8月。

(3)太陽輻射強(qiáng)度與總云量、低云量、最小相對濕度為負(fù)相關(guān)，與日最高溫度、最高地溫、相對濕度呈正相關(guān)。晴天時，太陽輻射與顆粒物濃度PM10、PM2.5、PM1的相關(guān)性基本一致，春、秋和冬季呈負(fù)相關(guān)，夏季呈正相關(guān)。

(4)日常的天氣預(yù)報和農(nóng)業(yè)服務(wù)過程中，當(dāng)需要預(yù)報太陽輻射強(qiáng)度時，需要考慮到當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)度的年變化規(guī)律，在不同的天氣過程中還需要考慮不同的輻射影響因子。