近30 a 新疆日照時(shí)數(shù)及日照百分率時(shí)空分布特點(diǎn)

李 曄，林 閩，曼吾拉·卡德爾 ,林 佳

（1.新疆機(jī)場(chǎng)集團(tuán)空管業(yè)務(wù)部，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)新能源研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

在人類眾多的能源中，電力能源最為便捷，利用太陽能發(fā)電的光電是清潔能源的重要組成。設(shè)計(jì)太陽能電站，需預(yù)測(cè)電站不同時(shí)間、不同季節(jié)的發(fā)電量及輸出功率。在影響光伏發(fā)電量的10 大因素中，排在第一位的是太陽輻射量。太陽輻射量受天氣變化的影響，很難量化，但如果對(duì)某地的“日照時(shí)數(shù)”和“日照百分率”充分了解，可為太陽輻射量是否符合太陽能電站建站要求提供很好的借鑒。黃偉等[1]研究了影響光伏發(fā)電的日照時(shí)間函數(shù)和氣象因素，估算出典型多云、陰天及雨天對(duì)光電出力的影響系數(shù)。楊金煥[2]等分析當(dāng)?shù)厝晏柲茌椛鋸?qiáng)度的規(guī)律，模擬日照強(qiáng)度對(duì)光電出力的影響。以上研究從不同角度證明了日照時(shí)數(shù)和日照百分率對(duì)太陽輻射量的多少具有較好的指示意義。

新疆地處中緯度歐亞大陸腹地，在中國(guó)四類太陽輻射地區(qū)劃分中屬于最豐富帶和很豐富帶[3]（新疆不同區(qū)域）。在氣候條件比較符合的同時(shí)，新疆生態(tài)脆弱和地廣人稀的特點(diǎn)，也是建設(shè)光電站的理想地點(diǎn)。近幾十年的氣候變化研究表明[4]，近年中國(guó)天山地區(qū)年均氣溫上升趨勢(shì)明顯，同時(shí)中國(guó)西部有降水量增加和沙塵日數(shù)減少的趨勢(shì)[5]，氣溫、降水量和沙塵的氣候變化會(huì)帶動(dòng)日照時(shí)數(shù)的氣候變化，同時(shí)天山山脈的不同區(qū)域、不同氣象要素對(duì)氣候變化的響應(yīng)不同[6]。因此，對(duì)新疆地區(qū)日照時(shí)數(shù)和日照百分率的時(shí)空分布及氣候變化特征研究，有利于全面認(rèn)識(shí)新疆的光能在天山南北的分布差異，為光伏電站的設(shè)立提供數(shù)據(jù)依據(jù)，減少碳排放對(duì)人們生產(chǎn)、生活造成損失。

2 概況和資料的選取

2.1 概況

天山呈東西走向橫亙于新疆維吾爾自治區(qū)中部，西起中國(guó)與中亞五國(guó)邊界，東至哈密市以東，南臨中國(guó)最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，北部是古爾班通古特沙漠，天山山脊平均海拔高度為4000 m。此地形特點(diǎn)使新疆境內(nèi)海拔落差大，氣候種類多且復(fù)雜多變。根據(jù)地貌和氣候特點(diǎn)簡(jiǎn)單分區(qū)，將天山以北稱北疆，天山以南為南疆，天山余脈以東為東疆。

2.2 資料的選取

所用資料為新疆34 個(gè)測(cè)站的每日日照時(shí)數(shù)和日照百分率數(shù)據(jù)，其中南疆測(cè)站15 個(gè)，北疆測(cè)站11個(gè)，東疆測(cè)站8 個(gè)。時(shí)段為1991-2020 年共30 a。定義年平均值為30 a 的平均，對(duì)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行比較時(shí)換算為每日的日照時(shí)數(shù)，這樣便于直觀理解。春季為3-5 月，夏季為6-8 月，秋季為9-11 月，冬季為12月-次年2 月。

利用ArcGIS10.5 軟件采用范克里金插值法繪制天山地區(qū)各日照時(shí)數(shù)、日照百分率的空間分布圖。根據(jù)施能等[7]的方法，計(jì)算了日照時(shí)數(shù)的氣候趨勢(shì)系數(shù)，采用回歸法檢驗(yàn)變化趨勢(shì)的顯著性，當(dāng)趨勢(shì)系數(shù)的絕對(duì)值P<0.05,認(rèn)為氣候變化顯著。運(yùn)用Morlet 小波分析法分析日照時(shí)數(shù)的周期變化特征。計(jì)算Pearson 系數(shù)判斷南疆夏季日照時(shí)數(shù)減少、東疆近10 a 日照時(shí)數(shù)顯著減少與當(dāng)?shù)亟邓龆嗟南嚓P(guān)性。

3 新疆日照時(shí)數(shù)及日照百分率的時(shí)空分布特征

3.1 日照時(shí)數(shù)及日照百分率的空間分布

從新疆地區(qū)各測(cè)站多年平均日照時(shí)數(shù)空間分布圖可以看出（圖1a），年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出明顯的“東多西少”分布狀態(tài)，位于偏西部的南疆和北疆日照時(shí)數(shù)少于東疆；日照時(shí)數(shù)最高在東疆紅柳河測(cè)站，平均值為9.28 h/d，最低在北疆的精河站，均值為7.12 h/d，日照時(shí)數(shù)平均日均差達(dá)2.16 h/d；南疆日照時(shí)數(shù)總體略高與北疆，但南、北疆各地日照時(shí)數(shù)分布有高有低。對(duì)于北疆而言，北疆偏北部日照時(shí)數(shù)總體高于北疆西部和中部，極值在北部的阿勒泰，平均日照時(shí)數(shù)為8.21 h/d，與北疆最低值差1.09 h/d；對(duì)于南疆而言，南疆東部日照時(shí)數(shù)高于南疆西部，極值在偏東部的焉耆，平均日照時(shí)數(shù)為8.30 h/d，與南疆最低值差0.85 h。南疆沙漠以北及中天山一線日照時(shí)數(shù)均比遠(yuǎn)離沙漠的地區(qū)低。

圖1 新疆地區(qū)30 a 平均日照時(shí)數(shù)（a）、日照百分率（b）空間分布圖

新疆多年平均日照百分率空間分布圖（圖1b）同年日照時(shí)數(shù)分布圖大體相同，東疆地區(qū)日照百分率平均值高達(dá)78%，在光照充足的同時(shí)氣候條件也非常穩(wěn)定，但吐魯番測(cè)站除外。氣候條件表現(xiàn)與日照時(shí)數(shù)相差較大的測(cè)站均在南疆沙漠邊緣和中天山附近，如和田、塔中，雖然天氣條件相對(duì)穩(wěn)定，但日照時(shí)數(shù)并不理想。

圖2 是新疆地區(qū)不同季節(jié)各測(cè)站日照時(shí)數(shù)的空間分布，春季，日照時(shí)數(shù)整體偏多，高值區(qū)位于東疆，次高區(qū)為北疆，南疆相對(duì)偏少。夏季日照時(shí)數(shù)的高值中心處于東疆和北疆，尤其是北疆北部日照時(shí)數(shù)均達(dá)10 h/d 以上；南疆地區(qū)雖然整體夏季日照時(shí)數(shù)偏低，但也有10.4 h/d 的高值中心，位于喀什地區(qū)，低值中心在環(huán)塔克拉瑪干沙漠南部。秋季的日照時(shí)數(shù)最大區(qū)仍在東疆，北疆北部日照時(shí)數(shù)顯著減少，南疆日照時(shí)數(shù)降幅不大。相對(duì)其他三季而言，冬季日照時(shí)數(shù)最少，北疆西部為日照時(shí)數(shù)低點(diǎn)，南疆日照時(shí)數(shù)相比秋季變化不大。

圖2 新疆地區(qū)不同季節(jié)日照時(shí)數(shù)的空間分布(a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

對(duì)不同氣候區(qū)日照時(shí)數(shù)、日照百分率的極值以及各季日照時(shí)數(shù)、日照百分率在全年的占比進(jìn)行比較（表1），北疆、東疆的日照時(shí)數(shù)和日照百分率極值均落在同樣地區(qū)，而南疆最高、最低的日照時(shí)數(shù)和日照百分率極值并不在同一地區(qū)，表明南疆日照能量不穩(wěn)定；夏季日照時(shí)數(shù)占全年日照時(shí)數(shù)的比重最高，冬季最低；東疆四季日照時(shí)數(shù)在全年的分布比較均勻；北疆冬、夏兩季日照時(shí)數(shù)占全年日照時(shí)數(shù)的比重相差大，分別為32.9%和15.9%，南疆次之。

表1 不同氣候區(qū)日照時(shí)數(shù)、日照百分率的極值及在全年的占比

與不同季節(jié)各測(cè)站日照百分率的空間分布（圖略）進(jìn)行比較，除夏季北疆草原的日照百分率與日照時(shí)數(shù)差距較大外，其他地區(qū)與日照時(shí)數(shù)基本相符。

上述分析表明，新疆地區(qū)日照時(shí)數(shù)和日照百分率的空間分布地區(qū)性變差明顯，新疆東部為高值區(qū)，日照時(shí)數(shù)高的同時(shí)氣候也很穩(wěn)定，且四季分布均勻；其次是天山以南地區(qū)的南疆；天山以北地區(qū)全年的日照時(shí)數(shù)略低于南疆，且四季分布不均，日照百分率不高。以上特點(diǎn)與新疆特殊的地形和氣候特征分不開。從太陽輻射能的角度衡量，東疆除吐魯番外，均為理想的光能利用區(qū)，南疆除塔克拉瑪干沙漠及緊鄰區(qū)外，光能利用也很理想，北疆因受氣候影響，太陽輻射能地區(qū)和季節(jié)差異性大，需分片區(qū)具體區(qū)分。

3.2 年日照時(shí)數(shù)及日照百分率的時(shí)間變化

圖3 是1991-2020 年新疆年日照時(shí)數(shù)的時(shí)間變化?？煽闯觯?0 a 新疆地區(qū)年日照時(shí)數(shù)總體上呈微減趨勢(shì)，減少速率為12.7 h·（10a）-1，p=0.51 未通過顯著性檢驗(yàn)。2016 年日照時(shí)數(shù)明顯偏少，對(duì)照歷史資料，2016 年年降水量為新疆1961 年以來歷史最多，在超強(qiáng)厄爾尼諾事件背景下，全疆平均降水量偏多近5 成，造成了日照時(shí)數(shù)的最低年。1997 年為新疆區(qū)域氣候變暖拐點(diǎn)[8]，當(dāng)年日照時(shí)數(shù)為近30 a 最高，自1997 年后，新疆區(qū)域四季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，很明顯日照時(shí)數(shù)并沒有同氣溫同步變化。對(duì)30 a 日照時(shí)數(shù)進(jìn)行周期分析(圖4），有20 a 和10-12 a 的周期，2000-2005 年、2015-2016 年左右處在周期的負(fù)位相，1997-1999 年、2017-2018 年左右處在的周期的正位相。

圖3 1991-2020 年新疆地區(qū)年日照時(shí)數(shù)的時(shí)間變化（單位：h）

圖4 30 a 新疆日照時(shí)數(shù)（a）Morkt 小波指數(shù)分布和(b)方差變化

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，前15 a（1991-2005 年）日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)，尤其是90 年代（1991～2000 年）上升速率達(dá)118.7 h·（10a）-1，而后15 a 呈下降趨勢(shì)，尤其是后10 a（2011-2020）下降速率為212.9 h·（10a）-1。上升、下降趨勢(shì)的抵消可能是造成趨勢(shì)變化的顯著性檢驗(yàn)均為不顯著的原因。

分析1991-2020 年的日照百分率（圖略），氣候趨勢(shì)總體呈增加趨勢(shì)，變化很微小，但個(gè)別年份陡增陡減，反映出極端天氣對(duì)日照百分率的影響。

從新疆不同季節(jié)日照時(shí)數(shù)的時(shí)間變化可看出(圖5)，四季日照時(shí)數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，春、夏、秋、冬季的減少速率分別為7.5 h·（10a）-1、7.9 h·（10a）-1、2.5 h·（10a）-1、11.8 h·（10a）-1，冬季減少趨勢(shì)相對(duì)顯著。近10a（2011～2020 年）春季日照時(shí)數(shù)以193.8h·（10a）-1的速率減少（圖略），認(rèn)為是春季日照時(shí)數(shù)減少的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)，此年代夏季日照時(shí)數(shù)也有減少趨勢(shì)，而秋、冬季節(jié)是弱增加趨勢(shì)。

圖5 新疆多年平均四季日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)（單位：h）（a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

綜合以上分析，新疆日照時(shí)數(shù)近30 a 總體呈弱的減少趨勢(shì)，但未通過顯著性檢驗(yàn)，具體分析發(fā)現(xiàn)90年代日照時(shí)數(shù)增加，20 世紀(jì)10 年代開始減少；從四季日照時(shí)數(shù)角度分析，冬季日照時(shí)數(shù)減少速率最大，近10 a 春季日照時(shí)數(shù)減少明顯。Morlet 小波分析表明日照時(shí)數(shù)有20 a 和10-12 a 的周期變化。

3.3 新疆各氣候區(qū)日照時(shí)數(shù)時(shí)間變化特點(diǎn)

新疆北疆、東疆、南疆的日照時(shí)數(shù)時(shí)間變化各有其特點(diǎn)（圖略），近30 a 來，北疆、東疆日照時(shí)數(shù)以34.0 h·（10a）-1、68.8 h·（10a）-1的速率減少，而南疆以25.7 h·（10a）-1的速率增加；具體分析顯示，東疆近10 a（2011-2020 年）日照時(shí)數(shù)顯著減少，達(dá)408.1 h·（10a）-1。

春季北、東、南疆的日照時(shí)數(shù)隨時(shí)間變化不明顯；夏季北疆為增加趨勢(shì)，而南疆和東疆均為減少趨勢(shì)，尤其是南疆，減少速率為21.5 h·（10a）-1；秋季北疆日照時(shí)數(shù)為減少趨勢(shì)；冬季各地均無明顯變化（圖略）。

Pearson 相關(guān)適合衡量?jī)蓚€(gè)變量的觀測(cè)值成對(duì)且每對(duì)觀測(cè)值直接相互獨(dú)立的兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，越接近1 或-1，說明相關(guān)性越強(qiáng)。計(jì)算了東疆近10 a（2011-2020 年）日照時(shí)數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的降水量的Pearson 系數(shù)，數(shù)值為-0.53，說明東疆日照時(shí)數(shù)與降水量為負(fù)相關(guān)，降水增多的確是東疆日照時(shí)數(shù)減少的原因之一。同樣計(jì)算了南疆夏季日照時(shí)數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的降水量的Pearson 系數(shù)，數(shù)值為-0.15，說明日照時(shí)數(shù)與降水量為負(fù)相關(guān)，降水增多不是南疆日照時(shí)數(shù)減少的主要原因，這可能和近年來南疆夏季極端天氣增多有關(guān)[9]

以上分析表明，東疆日照時(shí)數(shù)的氣候變化呈減少趨勢(shì)，近10 a 減少顯著，Pearson 檢驗(yàn)表明降水增多是東疆日照時(shí)數(shù)減少的原因之一；南疆的日照時(shí)數(shù)氣候變化趨勢(shì)為增加，但未通過顯著性檢驗(yàn)，其中夏季的日照時(shí)數(shù)呈減少狀態(tài)；北疆日照時(shí)數(shù)氣候變化呈減少趨勢(shì)，主要是秋季日照時(shí)數(shù)減少的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）新疆日照時(shí)數(shù)和日照百分率的空間分布整體呈“東多西少”的分布狀態(tài)，隨時(shí)間變化為減少趨勢(shì)，尤其是20 世紀(jì)10 年代以后，減少趨勢(shì)更為顯著。四季的日照時(shí)數(shù)也存在減少趨勢(shì)，尤其是近10 a的春季減少速率大。Pearson 檢驗(yàn)證明隨著新疆氣候暖濕化的變化，東疆近10 a 日照時(shí)數(shù)減少與日照時(shí)數(shù)為負(fù)相關(guān)。

（2）30 a 日照時(shí)數(shù)小波分析表明，日照時(shí)數(shù)有20 a 和10-12 a 的周期變化。

（3）新疆東疆日照時(shí)數(shù)和日照百分率數(shù)值高，且四季分布均勻，從太陽輻射能的角度衡量，除吐魯番地區(qū)外，均為理想的光能利用區(qū)。

（4）南疆日照時(shí)數(shù)少于東疆多于北疆，氣候趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)，塔克拉瑪干沙漠及中天山周邊日照時(shí)數(shù)不高。

（5）北疆地形復(fù)雜造成日照時(shí)數(shù)和日照百分率差異大，尤其是草原區(qū)日照百分率低，太陽能獲取不穩(wěn)定。