基于ERA-5再分析資料的黃石市太陽總輻射變化特征分析

宋 鴿，劉 翔，羅 嘉，車召貴

(湖北省公眾氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430074)

1 引言

太陽輻射是指太陽以電磁波的形式不斷地向外傳遞能量，其所傳遞的能量是地球大氣運動和光熱能的主要能量來源。傳遞到地球大氣層的太陽輻射能量巨大，每秒所產(chǎn)生的能量相當于500萬t煤。此外，太陽輻射能還具有取之不盡、用之不竭，分布廣、無處不在，清潔無污染等諸多優(yōu)點[1]，恰好滿足了人們對能源日益增長的需求，有效地利用太陽能這種可再生能源顯得尤為重要[2，3]。2011年5月份，IPCC對多種可再生能源資源(如太陽能、風(fēng)能和水電等)進行了評估，指出在所有可再生能源中太陽能資源可開發(fā)潛力是最高的[4]。我國的光伏發(fā)電并網(wǎng)的裝機容量位居世界前列，其中2021年新增裝機容量0.53億kW，太陽能發(fā)電實現(xiàn)了歷史性突破，總裝機容量達到了3.06億kW，其相當于十幾個三峽電站。

黃石市位于湖北省東南部，太陽能資源極其豐富，合理開發(fā)利用太陽能資源以緩解該地區(qū)能源短缺的供需矛盾。黃石地區(qū)缺乏長序列太陽輻射觀測站，這就使得研究黃石地區(qū)太陽總輻射的變化特征變得困難?；谌照諘r數(shù)估算太陽總輻射的氣候?qū)W經(jīng)驗公式法在一定程度上可以近似推算無長序列輻射觀測站的實際太陽總輻射[5～8]，一些學(xué)者采用該方法對湖北省區(qū)域內(nèi)太陽輻射進行研究。鄧先瑞和劉可群等[9，10]利用該方法推算得到湖北省無長序列輻射觀測站地區(qū)(包含黃石站)的太陽總輻射，并研究了湖北省區(qū)域內(nèi)太陽輻射的時空分布特征。敖銀銀等[11]利用同樣方法對隨州市太陽總輻射時空分布特征進行了研究。近年來，基于數(shù)值天氣預(yù)報中資料同化技術(shù)的再分析資料在氣候變化研究中逐漸被應(yīng)用[12～15]，該方法被認為是實際太陽總輻射的最優(yōu)反映[16～18]，而目前基于再分析資料的湖北省區(qū)域內(nèi)太陽總輻射的研究較少[19]。本文采用太陽總輻射的ERA-5再分析資料對黃石市太陽總輻射的變化特征進行分析研究。

2 資料與方法

選取歐洲中期天氣預(yù)報中心ECWMF提供的1981～2020年黃石站的ERA-5單月平均輻射資料。按春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)和冬季(12月至次年2月份)來劃分四季，采用線性傾向估計、5年滑動平均、M-K突變檢驗和累積距平4種方法[20]對近40年來黃石市太陽總輻射的變化特征進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃石市年太陽總輻射變化特征分析

如圖1所示，黃石市年太陽總輻射隨年際變化整體呈上升趨勢，氣候傾向率為53.91 MJ/(m2·10a)，未通過α=0.10的顯著性檢驗。從5年滑動平均曲線可以看出年太陽總輻射量在1983～1986年呈上升趨勢，在1987～1991年呈下降趨勢，在1992～1994年呈上升趨勢，在1995～1998年呈小幅度下降趨勢，在1999～2006年呈上升趨勢，在2007年之后呈下降趨勢。近40年來黃石市年太陽總輻射量的平均值為5065.41 MJ/m2，最大值和最小值分別為5533.88 MJ/m2和4574.69 MJ/m2，分別出現(xiàn)在2004年和1989年，極差為959.19 MJ/m2。在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4個時段，黃石市年平均太陽總輻射分別為4966.55 MJ/m2、4945.80 MJ/m2、5296.59 MJ/m2和5052.72 MJ/m2，年平均太陽總輻射隨年代際增加呈波浪起伏變化，21世紀初年平均太陽總輻射量大于歷年均值，其余各年代均低于歷年均值。

圖1 1981～2020年黃石市年太陽總輻射的年際變化

從圖2(a)可以看出，在1981～2003年(1986年和1988年除外)，UF<0，說明年太陽總輻射表現(xiàn)出下降的趨勢，其中1982～1983年，UF超出了0.05置信水平線，表現(xiàn)出顯著的下降趨勢；在2004～2020年，UF>0，說明年太陽總輻射表現(xiàn)出上升的趨勢，其中在2008～2014年，UF超出了0.05置信水平線，表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。UF與UB兩條曲線在2000年左右和2015～2018年范圍內(nèi)有3個交點，為了增加突變點的可信度，結(jié)合圖2(b)所示累積距平曲線的結(jié)果，可以看出黃石市年太陽總輻射的突變點為2000年和2015年左右。

圖2 1981-2020年黃石市年太陽總輻射的M-K突變檢驗曲線和累積距平曲線

3.2 黃石市季太陽總輻射變化特征分析

圖3給出了1981～2020年黃石市春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射的年際變化曲線?？梢钥闯觯杭?、夏季和秋季的太陽總輻射隨年際變化整體均呈上升趨勢，氣候傾向率分別為44.99 MJ/(m2·10a)、8.715 MJ/(m2·10a)和8.195 MJ/(m2·10a)，上升速率依次為：春季>夏季>秋季，其中春季通過了α=0.01的顯著性檢驗；近40年來，春季太陽總輻射的平均值為1406.94 MJ/m2，最大值和最小值分別為1672.70 MJ/m2(2011年)和1168.44 MJ/m2(1991年)，極差為504.26 MJ/m2；夏季太陽總輻射的平均值為1651.79 MJ/m2，最大值和最小值分別為1849.32 MJ/m2(2006年)和1369.46 MJ/m2(1993年)，極差為479.85 MJ/m2；秋季太陽總輻射的平均值為1144.21 MJ/m2，最大值和最小值分別為1311.29 MJ/m2(2007年)和922.71 MJ/m2(2016年)，極差為388.58 MJ/m2。冬季的太陽總輻射隨年際變化整體呈下降趨勢，氣候傾向率為-11.79 MJ/(m2·10a)；近40年來冬季太陽總輻射的平均值為864.57 MJ/m2，最大值和最小值分別為1015.90 MJ/m2(2010年)和548.90 MJ/m2(2018年)，極差為467.00 MJ/m2。

圖3 1981～2020年黃石市四季太陽總輻射的年際變化

在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4個時段，黃石市春季、夏季、秋季和冬季平均太陽總輻射及歷年均值如表1所示?？梢钥闯龃杭竞拖募酒骄柨傒椛潆S年代增加呈波浪起伏變化，均在21世紀初和20世紀90年代取得最大和最??；秋季平均太陽總輻射從20世紀80年代至21世紀初處于升高階段，在21世紀初和20世紀80年代取得最大和最??；冬季平均太陽總輻射在20世紀90年代處于升高階段，在20世紀90年代和21世紀10年代取得最大和最小。近40年來黃石市夏季太陽總輻射歷年均值最大，春季次之，冬季最小。

表1 1981～2020年黃石市各年代的季平均太陽總輻射及歷年均值

圖4給出了1981～2020年黃石市春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射的M-K突變檢驗曲線和累積距平曲線。從圖4中可以看出春季太陽總輻射的UF與UB曲線在2004年左右、2008～2014年和2019年左右有7個交點，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定春季太陽總輻射在2004年左右發(fā)生氣候突變。夏季太陽總輻射的UF與UB曲線在2004年左右、2010～2014年和2017～2020年存在7個交點，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定夏季太陽總輻射在2004年左右發(fā)生氣候突變。秋季太陽總輻射的UF與UB曲線在1985年、2015年和2019年左右有3個交點，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定秋季太陽總輻射在1985年和2015年左右發(fā)生氣候突變。冬季太陽總輻射的UF與UB曲線在2013年左右有1個交點，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定冬季太陽總輻射未發(fā)生氣候突變。

圖4 1981～2020年黃石市四季太陽總輻射的(a1-a4)M-K突變檢驗曲線和(b1-b4)累積距平曲線

3.3 黃石市月太陽總輻射變化特征分析

從圖5可以看出，太陽總輻射隨月份變化呈單峰型分布，月太陽總輻射的平均值為422.12 MJ/m2，最大值和最小值分別為577.46 MJ/m2和為283.17 MJ/m2，分別出現(xiàn)在7月份和1月份，最大值和最小值極差為294.29 MJ/m2。4～9月份月平均太陽總輻射大于平均值，1～3月份和10～12月份月平均太陽總輻射小于平均值。

圖5 1981～2020年黃石市太陽總輻射的月變化

4 結(jié)論

(1)黃石市年太陽總輻射隨年際的變化呈上升趨勢，在21世紀初年平均太陽總輻射取得最大值，且年太陽總輻射在2000年和2015年左右發(fā)生突變。

(2)黃石市春季、夏季和秋季太陽總輻射隨年際的變化均呈上升趨勢，而冬季呈下降趨勢，其中春季上升幅度最大，且通過了α=0.01的顯著性檢驗；春季、夏季和秋季平均太陽總輻射量均在21世紀初取得最大，冬季平均太陽總輻射量在20世紀90年代取得最大；夏季太陽總輻射歷年均值最大，春季次之，冬季最??；春季和夏季太陽總輻射均在2004年左右發(fā)生氣候突變，秋季太陽總輻射在1985年和2015年左右發(fā)生氣候突變。

(3)黃石市月平均太陽總輻射隨月份變化呈單峰型分布，在7月份達到最大值。