成都地區(qū)太陽輻射變化趨勢及其影響因子分析

1.西寧市氣象局，青海西寧 810003；2.青海省氣象信息中心，青海西寧 810002；3.大通縣氣象局，青海大通 810100

摘 要：根據(jù)1988—2007年成都地區(qū)太陽輻射、總云量、低云量和能見度的數(shù)據(jù)資料，利用MATLAB軟件，采用線性回歸法、M-K突變檢驗(yàn)法、相關(guān)性檢驗(yàn)的方法，探討了成都地區(qū)太陽輻射的變化趨勢，指明了年太陽輻射發(fā)生突變的年份，并分析了成都地區(qū)太陽輻射變化的影響因子。結(jié)果表明：成都地區(qū)近20年年太陽輻射整體呈明顯上升的趨勢，上升幅度為21.68 MJ/m2/a，年太陽輻射在1994年發(fā)生突變，突變前、后的年太陽輻射相差101.74 MJ/m2；近15年的總云量和低云量呈顯著下降趨勢，能見度呈上升趨勢；相關(guān)分析表明，總云量是年、夏季、秋季、冬季太陽輻射的主要影響因子，且各因子之間存在明顯的負(fù)相關(guān)；能見度是影響月太陽輻射和春季太陽輻射的主要因素，兩者存在明顯的正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：太陽輻射；成都地區(qū)；影響因子

中圖分類號：P422.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

成都市地處四川盆地西部，成都平原腹地，位于104°06′E，30°67′N，境內(nèi)地勢平坦，加上成都屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，所以成都地區(qū)太陽輻射總量要小于西部地區(qū)。選取1988—2007年成都市的太陽輻射、總云量、低云量、能見度等氣象數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)主要取自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)和成都天氣網(wǎng)。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源及處理

成都市地處四川盆地西部，成都平原腹地，位于104°06′E，30°67′N，境內(nèi)地勢平坦，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，所以成都地區(qū)太陽輻射總量要小于西部地區(qū)。本文選取1988—2007年成都市的太陽輻射、總云量、低云量、能見度等氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要取自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)和成都天氣網(wǎng)。為便于分析成都地區(qū)年太陽輻射的季節(jié)變化特征，按照傳統(tǒng)氣象學(xué)上對于四季的劃分，定義春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至翌年2月。

1.2 研究工具及方法

1.2.1 MATLAB

MATLAB平臺(tái)主要用于數(shù)據(jù)分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)值計(jì)算、繪制函數(shù)曲線。本文所有的數(shù)據(jù)分析都是基于MATLAB平臺(tái)利用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的。

1.2.2 線性回歸法

利用線性回歸法可以分析某一氣象要素在某一時(shí)間段的變化趨勢。用y表示樣本為n的某一氣象要素，x表示樣本的時(shí)間序列號，建立x與y的線性回歸方程：

yi=a+bxi，i=1，2，3，…，n（1）

式（1）中，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，bgt;0說明隨著時(shí)間x的變化y呈上升趨勢，其中a和b可以利用最小二乘法計(jì)算出來了，計(jì)算公式為：

（2）

利用回歸系數(shù)b與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系，可以求出時(shí)間xi與變量yi之間的相關(guān)系數(shù)r：

（3）

式（3）中，相關(guān)系數(shù)的顯著性需檢驗(yàn)，選擇t檢驗(yàn)法進(jìn)行判斷，現(xiàn)定義其統(tǒng)計(jì)量為：

（4）

式（4）中r為相關(guān)系數(shù)，而統(tǒng)計(jì)量T遵從自由度v=（

n-2）的t分布。給定顯著水平α，可以查t分布表得到Tα，

若|T|gt;Tα，則認(rèn)為y的變化趨勢是顯著的。當(dāng)然，如果取不同的顯著水平，則y變化的顯著性也是不同的，本文選取α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

1.2.3 M-K突變檢驗(yàn)

本文采用Mann—Kendall法進(jìn)行太陽輻射變化趨勢的突變分析。序列x為具有n個(gè)樣本數(shù)量的時(shí)間序列，定義某一秩序列：

SK=ri（k=2，3，…，n）（5）

其中，ri滿足以下要求：

（6）

定義統(tǒng)計(jì)量：

（7）

式（7）中，E（sk）、V（sk）分別為累計(jì)數(shù)sk的平均值和方差。

同理，可以求出x的逆序列所對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量UBk。如果UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間就是突變開始的時(shí)間。

1.2.4 相關(guān)性檢驗(yàn)

通過計(jì)算兩組氣候變量之間的Person相關(guān)系數(shù)，然后查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，比較其大小來檢驗(yàn)變量間的獨(dú)立性。已知2個(gè)變量：

x1，x2，…，xn

y1，y2，…，yn

給出2個(gè)變量間的相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式：

（8）

式（8）中的相關(guān)系數(shù)r代表的是概率值，取值[-1，1]。當(dāng)r＞0時(shí)，說明2個(gè)變量存在正相關(guān)；當(dāng)r＜0時(shí)，

則說明2個(gè)變量存在負(fù)相關(guān)。

假設(shè)2個(gè)變量間存在相關(guān)性，求出相關(guān)系數(shù)，給定顯著水平α，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，比較r和rα的大小，如果rgt;rα，說明在顯著水平α上2個(gè)變量之間具有相關(guān)性。具體相關(guān)程度可以參考表1。

2 成都地區(qū)太陽輻射的變化趨勢

2.1 太陽輻射的年際變化

根據(jù)線性傾向估計(jì)的方法，畫出1988—2007年成都地區(qū)年太陽輻射總量與年份的線性回歸曲線[1]。通過曲線分析，地面接收的太陽輻射整體呈現(xiàn)上升的趨勢，線性回歸趨勢方程為y=21.68x-4，太陽輻射以每年21.68 MJ/m2的變化趨勢上升，也就是說成都地區(qū)在這一時(shí)間段內(nèi)屬于“變亮”時(shí)期，這一變化也與前人研究的全球太陽輻射變化的大背景一致。

對太陽輻射在這一時(shí)間序列的上升趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出太陽輻射與年份之間的相關(guān)系數(shù)r=0.51，統(tǒng)計(jì)量T=2.51。選顯著水平α=0.05，查t分布表得Tα=1.73，因?yàn)門gt;Tα，所以認(rèn)為變量年太陽輻射量的變化在α=0.05的水平上是顯著的。

從相關(guān)數(shù)據(jù)可知，年平均低云量隨時(shí)間變化呈下降趨勢，且這種趨勢非常明顯。從年代分析來看，年平均低云量在20世紀(jì)80年代呈下降趨勢，20世紀(jì)90年代后總云量變化緩慢，總體呈穩(wěn)定下降趨勢。年平均總云量下降趨勢緩慢，基本在平均值附近波動(dòng)?？偟膩碚f，成都地區(qū)年太陽總輻射隨時(shí)間變化呈上升趨勢，而年平均低云量和總云量隨時(shí)間變化呈下降趨勢。

2.2 太陽輻射的季節(jié)變化

2.2.1 總輻射各季節(jié)變化趨勢

成都地區(qū)夏季輻射的變化趨勢與年總輻射的變化趨勢一致，兩者的輻射最值都出現(xiàn)在1999年和2000年。這說明年太陽總輻射的總量主要取決于夏季總輻射，而太陽總輻射的年際變化也取決于夏季[2]。通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析，從時(shí)間變化來看，除了1996年，成都地區(qū)其他年份夏季太陽輻射與年太陽輻射的變化趨勢一致；從年際變化來看，19世紀(jì)20年代中后期開始，夏季輻射與年太陽輻射的變化趨勢圖形幾乎重合。結(jié)合全球地面太陽總輻射變化的背景分析得出結(jié)論：成都地區(qū)夏季太陽輻射與年太陽總輻射的變化是一致的，呈增長趨勢。

2.2.2 四季太陽輻射與低云量的趨勢對比

通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息，成都地區(qū)四季低云量呈下降趨勢。對比發(fā)現(xiàn)，夏季太陽總輻射要明顯高于其他三季，而且隨著時(shí)間的增加夏季太陽總輻射相應(yīng)增加[3]。

2.3 太陽輻射的月際變化

從整體分析來看，成都地區(qū)月平均太陽輻射呈現(xiàn)先迅速增長到峰值后又下降的趨勢，而月平均總云量和月平均低云量表現(xiàn)出下降的趨勢，不過月平均總云量的下降趨勢更明顯[4]。

分析太陽輻射的月變化發(fā)現(xiàn)，平均月總輻射表現(xiàn)出單峰形變化規(guī)律，滿足正態(tài)分布的變化特征，月總輻射經(jīng)歷了上升和下降2個(gè)階段，1—2月和2—5月太陽輻射明顯增加，到了7月初至8月初和8月后，出現(xiàn)兩次比較明顯的減少，尤其是8月后太陽輻射迅速減少，直至12月達(dá)到最小值。

通過得到的數(shù)據(jù)可知，月總云量的平均值為84%，

共有6個(gè)數(shù)據(jù)大于平均值，占總樣本數(shù)的50%，最大極值為6%，這表明月平均總云量在平均值上下波動(dòng)。月總低云量的平均值為27%，存在5個(gè)數(shù)據(jù)低于平均水平，說明在每年的12個(gè)月低云量的變化波動(dòng)較大，與月太陽總輻射的變化趨勢保持一致。

2.4 年太陽輻射的M-K突變分析

年太陽總輻射的M-K突變檢驗(yàn)如圖1所示。除1989、1991和2003年，其他年份的UF曲線都大于0，

這表明太陽總輻射整體呈上升趨勢。給定顯著水平0.05，則置信區(qū)間為[-1.96，1.96]，圖1中UF曲線和UB曲線共有2個(gè)交點(diǎn)，且這2個(gè)年份都在置信區(qū)間內(nèi)，這表明太陽輻射在1994年和2004年出現(xiàn)突變，突變前、后的年平均太陽總輻射增加101.74 MJ/m2。同時(shí)M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2004年發(fā)生了年太陽總輻射增加的突變，考慮到檢驗(yàn)的子序列只選取到2007年，所以未能對2004年之后的年太陽總輻射的突變做出正確的檢驗(yàn)。

3 影響成都地區(qū)太陽輻射的因子分析

3.1 云量與太陽輻射的相關(guān)性分析

3.1.1 總云量與太陽輻射的相關(guān)性

通過線性回歸方程得知，成都地區(qū)年平均總云量以每年1.54%的趨勢下降，總體下降的幅度較小，但其中出現(xiàn)了兩次（1989—1990年和1991—1992年）比較大的下降。

利用MATLAB軟件運(yùn)行函數(shù)后，得到年平均總云量與年太陽輻射的相關(guān)系數(shù)為-0.49，給定顯著水平α=0.05，根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，rα=0.468。因?yàn)閨r|gt;rα，由此可知，年太陽輻射與年總云量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)的線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

3.1.2 低云量與太陽輻射的相關(guān)性

利用線性回歸法繪制年平均低云量隨時(shí)間的線性回歸趨勢圖。趨勢方程為y=-0.2x+401.52，R2=0.72，這表明年平均低云量以每年2%的趨勢在下降，并且除了1988—1989年低云量略有上升，其他年份出現(xiàn)了明顯的下降。

充分利用年太陽輻射和年平均低云量的數(shù)據(jù)，計(jì)算年太陽輻射與年平均低云量的相關(guān)系數(shù)r。求得r=0.08，給出顯著水平α=0.05，根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，rα=0.468。因?yàn)閨r|lt;rα，由此可知，年太陽輻射與年總云量之間的線性關(guān)系不顯著（P＞0.05）。

3.2 能見度與太陽輻射的相關(guān)性分析

從年際變化來看，成都地區(qū)年平均能見度的變化與全球太陽總輻射的變化趨勢是一致的，呈先減后增的變化趨勢。年平均能見度隨時(shí)間的增加以每年0.24 km的趨勢在增加，除了1992年和1993年稍有減少，其他時(shí)段都在穩(wěn)定增加。

3.3 相關(guān)性分析小結(jié)

為了進(jìn)一步分析氣象因子與成都地區(qū)太陽輻射的關(guān)系，根據(jù)年、月、春季、夏季、秋季和冬季的時(shí)間序列，通過相關(guān)分析的方法求出該地區(qū)總云量、低云量、能見度與太陽輻射之間的相關(guān)系數(shù)（表2）。

綜上所述，成都地區(qū)總云量與太陽總輻射存在明顯的負(fù)相關(guān)，尤其是夏、秋、冬三季總云量與太陽總輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn)能見度是影響月太陽輻射和春季太陽輻射變化的主要因子，能見度與月太陽輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著檢驗(yàn)。而年太陽總輻射的變化主要受總云量的影響，并且通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

利用1988—2007年成都地區(qū)的太陽輻射、云量和能見度等氣象資料，分析該地區(qū)太陽輻射的變化趨勢及其影響因子，得到以下結(jié)論：

（1）成都地區(qū)太陽輻射在1988—2007年整體呈上升趨勢，這種趨勢通過了0.025的顯著性檢驗(yàn)，并且這種趨勢與全球太陽輻射的變化趨勢保持一致。對年輻射變化進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明：太陽輻射突變年份為1994年，突變前、后的年太陽總輻射增加101.74 MJ/m2。

（2）成都地區(qū)月平均太陽輻射的總體變化趨勢為先增后減，近似于正態(tài)分布，輻射最高的月份為5—8月。四季太陽輻射的變化特征表現(xiàn)為：夏季＞春季＞秋季＞冬季，而且夏季太陽輻射的變化趨勢與年太陽輻射的趨勢是一致的。

（3）云量和能見度是影響成都地區(qū)太陽輻射變化的主要因子，其中總云量對太陽輻射的影響表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，尤其是夏、秋、冬三季總云量對太陽輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著檢驗(yàn)。能見度是影響月總輻射和春季總輻射的主要因素，且兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系，能見度與月輻射的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.92。

（4）成都地區(qū)總云量和低云量總體呈下降趨勢，總云量下降趨勢顯著，低云量下降趨勢不顯著。一年中相關(guān)程度由大到小表現(xiàn)為：夏季＞冬季＞秋季＞春季。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：盛嘉譽(yù)（1996—），男，青海樂都人，助理工程師，主要從事綜合氣象觀測、氣象信息與技術(shù)保障管理工作。#通信作者：張少晨（1997—），男，青海同仁人，助理工程師，主要從事綜合觀測、氣象信息網(wǎng)絡(luò)管理工作，E-mail：zsc8722888@vip.qq.com。