新疆石河子太陽總輻射特征及相關(guān)要素分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 王 剛

1 引言

太陽照射到地平面上的輻射為太陽輻射，太陽輻射穿過大氣層而到達(dá)地面時(shí)，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對(duì)太陽輻射的吸收、反射和散射，使輻射強(qiáng)度減弱。不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度都是不相同的。近年來，由于臭氧層變薄，溫室氣體在上層大氣中的積累，會(huì)增大散射輻射，再加上新疆石河子污染日趨嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響太陽總輻射量。通過分析新疆石河子45a 的太陽總輻射資料，了解新疆石河子太陽總輻射的多年變化規(guī)律和由于空氣污染對(duì)太陽總輻射影響的程度，進(jìn)一步分析其形成的原因。

2 總輻射

水平表面上，在2π 立體角內(nèi)所接收到的太陽直接輻射和散射太陽輻射之和稱為總輻射，為投射在垂直于陽光的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)的能量，單位cal/cm2或MJ/m2。太陽總輻射量有顯著的日變化和年變化。山西省觀象臺(tái)1959～2003 年地面總輻射的資料的單位不統(tǒng)一，1985年以前的總輻射單位為cal/cm2，1986年以后改為MJ/m2，為了研究的需要將1959～1985 年的資料進(jìn)行換算，統(tǒng)一單位為MJ/m2。換算關(guān)系為1cal＝4.187J 1MJ＝1 000 000J。

2.1 太陽總輻射量的逐年變化特征

直接利用太陽總輻射量45a資料變化趨勢(shì)會(huì)包含有環(huán)流形勢(shì)年際變化的影響，若經(jīng)過5a年滑動(dòng)平均處理后，環(huán)流形勢(shì)年際變化的影響就會(huì)縮小，從而顯示長(zhǎng)期穩(wěn)定變化。制作的圖1為年總輻射量逐年曲線。通過5a滑動(dòng)平均的方法削弱振幅，濾掉過程中小的周期性振動(dòng)而顯示出較大的變化趨勢(shì)，從曲線的變化來分析總輻射量氣候變化特征。

用線性傾向的最小二乘法估計(jì)總輻射量氣候變化趨勢(shì)。自變量x 為年際變化，因變量y 為年總輻射量逐年變化，建立線性傾向方程：

其中b為年總輻射量的線性趨勢(shì)， b＞0表示年總輻射量呈上升趨勢(shì)；b＜0 表示年總輻射量呈下降走勢(shì)。

圖1 年總輻射量逐年變化趨勢(shì)圖

得出太陽總輻射氣候傾向方程：

從結(jié)果表明，太陽總輻射線性變率為-15.963MJ/m2太陽總輻射平均每10a以-159.63MJ/m2氣候傾向率下降，其間含有小波動(dòng)。即b＜0太陽總輻射總體呈明顯下降趨勢(shì)。通過5a滑動(dòng)平均曲線分析看出60年代末到70年代中期為最高峰，以后直線下降，90年代初處于低谷狀態(tài)，90年代末有所回升，2000年以后又有下降的跡象。從年總輻射量的分析看到年傾向率下降明顯，年總輻射量逐年減少。從太陽總輻射逐年變化來看68 年達(dá)到最大值大于6 800.0MJ/m2，2003 年落到最低值小于4 500.0MJ/m2。

2.2 太陽總輻射量的周期變化

小波分析是通過平移和伸縮參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的不同頻率分量采用不同持續(xù)時(shí)間的窗函數(shù)來分析資料，從而實(shí)現(xiàn)資料不同頻率分量有不同時(shí)頻分辨率，所謂小波，就是小的波形，是指它具有衰減性和波動(dòng)性，即振幅呈正負(fù)相間的震蕩形式，經(jīng)小波分解后，圖像輪廓主要體現(xiàn)在小波系數(shù)的低頻部分，而細(xì)節(jié)部分主要體現(xiàn)在高頻部分，因此可以采用不同的量化方法對(duì)不同層次的低頻系數(shù)和高頻系數(shù)進(jìn)行量化處理。小波分析是時(shí)間～頻率分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，尺度參量較大時(shí)（相當(dāng)于低頻），時(shí)域分辨率較低，頻域分辨率較高，當(dāng)尺度參量較小時(shí)（相當(dāng)于高頻）時(shí)域分辨率較高，頻域分辨率較低。因此當(dāng)尺度參量從小逐漸增大時(shí)，時(shí)頻分辨率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種特性稱為小波的“變焦”特性或多分辨率分析。窗口的面積是保持不變的，即時(shí)域分辨率的增加，必然導(dǎo)致頻域分辨率的減小。分析檢測(cè)高頻分量時(shí)，時(shí)間窗口自動(dòng)變窄，頻率窗口高度增加；分析檢測(cè)低頻特性時(shí)，時(shí)間窗口自動(dòng)變寬，頻率窗口高度減小，從而達(dá)到時(shí)～頻窗口和諧變化。

小波函數(shù)Ψ(t)可以取不同形式，本文采用墨西哥帽小波進(jìn)行變換的方法分析太陽年總輻射量的年際變化

對(duì)一個(gè)時(shí)間序列，可以用小波系數(shù)極值方法推得其中存在的周期與尺度a的關(guān)系為T=3.974a，圖2為新疆石河子市年年總輻射量小波分析圖。從圖2可以看到，小波系數(shù)分布形成正負(fù)相間的振蕩中心。這顯示了新疆石河子市45a太陽年總輻射量包含了多個(gè)周期變化。1981年以前，在高頻部分有明顯的11年周期，恰與太陽黑子活動(dòng)的11周期相符。1981～1986年變化較為急劇，1986年以后又有明顯的11年周期。從低頻部分看，1981年是一個(gè)突變點(diǎn)，在1981年之前多是正距平，之后多是負(fù)距平。

圖2 新疆石河子年總輻射量資料小波分析圖

2.3 太陽總輻射量的季節(jié)變化

地球處于運(yùn)行軌道的不同位置時(shí)，太陽光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季變化，冬季太陽低于地平線的時(shí)間長(zhǎng)，而夏季則高于地平線的時(shí)間長(zhǎng)。到達(dá)地面的太陽輻射從圖3太陽總輻射量四季變化可見，夏季太陽總輻射量最大，冬季太陽總輻射量最小。

圖3 太陽總輻射四季逐年變化圖

用線性傾向的最小二乘法估計(jì)總輻射量各季節(jié)趨勢(shì)。得出各季節(jié)太陽總輻射氣候傾向方程：

從結(jié)果表明，各季節(jié)年總輻射量平均值比較為夏季＞春季＞秋季＞冬季。太陽總輻射各季節(jié)線性傾向變率均為負(fù)值，說明各季節(jié)太陽總輻射都有不同程度的衰減，夏季太陽總輻射氣候傾向率下降最多為-54.301MJ/m2/10a，夏季與春季波動(dòng)較大，其中夏季太陽總輻射在1967、1986年有突變，整個(gè)夏季總輻射最多達(dá)2075.75MJ/m2；而冬季與秋季上下波動(dòng)不明顯，在60年代變化較大外，其余年份變化較為平緩。從5a滑動(dòng)平均的變化顯示，60年代中期到70年代中期各季節(jié)年總輻射量平均值較高，70年代后期開始步入下降趨勢(shì)，80 年代與90 年代后期略有上升，但總的趨勢(shì)是下降，到2003年處于低谷狀態(tài)。

2.4 日照時(shí)數(shù)的年代變化

日照是氣候形成的重要因素，日照時(shí)數(shù)也是表征氣候變化的主要?dú)庀笠刂?，是指太陽照射到地面所?jīng)歷的時(shí)間，以小時(shí)為單位。隨著全球氣候的改變，各地區(qū)日照也隨之發(fā)生了顯著變化，用新疆石河子50a 日照時(shí)數(shù)的逐年值來分析變化趨勢(shì)，對(duì)了解變化規(guī)律及氣候特征有著重要作用。

圖4 年日照時(shí)逐年變化圖

對(duì)新疆石河子市1954～2003年的年日照時(shí)數(shù)資料進(jìn)行一元回歸分析，可以得到年日照時(shí)數(shù)隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)方程y=-8.7 456x+2 771.8，其中y代表年日照時(shí)數(shù)，x是時(shí)間序數(shù)，從年日照時(shí)數(shù)變化曲線圖3中可以看出，新疆石河子市年日照時(shí)數(shù)變化總趨勢(shì)是趨于減少的，且減少的趨勢(shì)非常明顯，平均每10a約減少近90h，1981年以前的年日照時(shí)數(shù)基本都在2 400h以上，減少趨勢(shì)不是很明顯；從1982年開始，日照時(shí)數(shù)開始明顯減少，其中有四年降到2 200h左右，到2003 年達(dá)到最低值2 135.4h。此分析與太陽總輻射的周期變化相吻合。

3 原因分析

太陽輻射通過大氣時(shí)遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時(shí)，都要發(fā)生散射。散射不吸收輻射能，而是改變輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播，經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。因此，太陽輻射通過大氣時(shí)，如果空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，因散射的結(jié)果，使太陽輻射削弱。陰雨天，多霧天，煙霾天太陽的透明度很差，參與反射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)太陽輻射被削弱很多；而晴朗天氣，大氣透明度好，空氣中參與反射作用的雜質(zhì)少，因而散射輻射減弱，太陽輻射被削弱的少。

能見度的觀測(cè)有一定的人為因素，但省觀象臺(tái)觀測(cè)能見度10km的目標(biāo)物較為明顯，易于觀測(cè)，有一定的可信度。利用新疆石河子市1954～2003年地面實(shí)測(cè)的能見度低于10km煙、霾、輕霧次數(shù)累加資料，分析了新疆石河子空氣污染長(zhǎng)期變化情況和對(duì)太陽輻射的影響。50年代中期以后到60年代中期能見度較差，60年代中期以后至70年代初能見度低于10km煙、霾、輕霧次數(shù)最少均少于200次，這與太陽總輻射分析中60年代中期以后至70年代初最大相對(duì)應(yīng)，70年代中期以來隨年代推移，其變化不太明顯，到90年代后一段時(shí)間能見度低于10km煙、霾、輕霧次數(shù)減少，90年代以后能見度低于10km煙、霾、輕霧次數(shù)逐年增加，到90年代末期以后均大于400次。從線性傾向方程y=3.3 635x+239.31分析，能見度低于10km煙、霾、輕霧次數(shù)不斷增加，多年平均在239次以上，而近幾年已多達(dá)500多次，說明污染程度日趨嚴(yán)重。

4 結(jié)論

城市化進(jìn)程的加快必然導(dǎo)致能見度的惡化，主要原因是人類活動(dòng)排放的廢氣雜質(zhì)直接進(jìn)入大氣，大氣的懸浮微粒增多，使輕霧、雨、煙和霾現(xiàn)象增加。能見度惡化可以表明，空中塵埃量增多，空氣日益惡濁.這種大氣狀況的改變，導(dǎo)致散射輻射增多，能見度惡化，日照時(shí)數(shù)減少，使太陽總輻射大大衰減，說明到達(dá)地面的太陽總輻射量的減弱與大氣透明度降低、混濁度提高即空氣污染物逐漸增多有較密切的關(guān)系。