河西走廊太陽輻射時空分布特征及太陽能資源評估研究

王 博，李玲萍，夏 權(quán)，姚玉壁，胡麗莉，劉明春

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州730021；2.古浪縣氣象局，甘肅 古浪733199；3.武威國家氣候觀象臺，甘肅 武威733000）

隨著傳統(tǒng)化石能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，能源問題已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開始開發(fā)可再生能源[1]。太陽能資源由于取之不盡和清潔無污染，已成為開發(fā)新能源的首選。近年來，國內(nèi)學(xué)者基于氣象站觀測資料對太陽能資源的研究做了許多工作，其中有全國性的太陽能資源評估[1-3]，也有關(guān)于西北地區(qū)[4-5]、東北地區(qū)[6]等地域性的評估，而更多的是針對某個省份及所屬轄區(qū)的評估，如新疆[7-8]、內(nèi)蒙古[9-10]、吉林[11]、湖北[12]、上海[13]等。

甘肅省河西走廊地處青藏高原北坡的中緯度地帶，屬于溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，蘊藏著豐富的太陽能資源，有利于開發(fā)利用太陽能。由于河西走廊太陽總輻射觀測站點稀疏，資料缺乏，針對該地區(qū)進行太陽輻射分析和太陽能資源評估的研究還較少[14-16]。本文充分利用河西走廊太陽輻射資料及常規(guī)氣象要素等多源數(shù)據(jù)，通過經(jīng)驗公式并采用就近原則插值得到河西走廊各站點的太陽輻射數(shù)據(jù)，以期揭示氣候變暖背景下河西走廊太陽總輻射的空間分布特征和多時間尺度變化新特征，評估該地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定度和豐富度，這對當(dāng)?shù)靥柲苜Y源開發(fā)利用研究和促進地方經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料

選取河西走廊地區(qū)有太陽輻射站的敦煌1961—2020 年和酒泉、民勤1993—2020 年逐月太陽總輻射觀測資料，河西走廊地區(qū)19 個站1961—2020 年逐月的日照百分率資料（部分月份缺失的資料采用多年平均相應(yīng)月值替代，其中肅北和臨澤資料分別從1973 和1967 年開始）。利用敦煌、酒泉和民勤各月的日太陽總輻射觀測值與同期天文輻射之比作為因變量，以日照百分率作為自變量，通過最小二乘法建立一元回歸方程并求出各月的經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)就近原則得到河西走廊其余16 個站的經(jīng)驗系數(shù)，進而得出河西走廊19 個站的太陽總輻射值。

1.2 方法

運用常規(guī)的氣候統(tǒng)計方法，對河西走廊太陽總輻射求季節(jié)、年、年代平均值和相應(yīng)距平值，分析其在不同時間尺度下的變化特征；進一步用最小二乘法對近60 年河西走廊太陽總輻射變化趨勢進行線性趨勢分析，用Morlet 小波分析不同時段變化周期，用相關(guān)系數(shù)法分析和影響太陽總輻射變化的因素。文中3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—次年2 月為冬季。

逐日太陽總輻射[17]公式為：

式中：Q 為日太陽總輻射（MJ/（m2·d））；a、b 為經(jīng)驗系數(shù)，其值大小與各種物理因子（如水汽、氣溶膠、云的光學(xué)性質(zhì)等）有關(guān)；s 為日照百分率（%）；Q0為日天文輻射（MJ/（m2·d））。各分項計算公式如下：

式中：T 為周期（24×60×60 s）；I0為太陽常數(shù)（1.367×10-3MJ/（m2·s））；π 為圓周率；ρ 為日地相對距離；ω0為日落時角（rad）；φ 為緯度（rad）；δ 為太陽赤緯（rad）；J 為計算日在一年中的日序，例如1 月1 日為1，取值范圍為1～366。

將經(jīng)驗系數(shù)a、b 值推算的酒泉、敦煌和民勤3站逐月太陽總輻射值與實際值作相關(guān)分析（表1），敦煌和民勤站各月太陽總輻射值都通過0.01 的顯著性檢驗，酒泉站1、7 月通過0.05 的顯著性檢驗，其他月份通過0.01 的顯著性檢驗，說明a、b 值能基本反映當(dāng)?shù)氐拇髿夂吞炜諣顩r，可用于各站逐日太陽總輻射的計算。因此，可利用式（1）～（5）得到其他各站歷年各月總輻射。

表1 河西走廊逐月太陽總輻射值和實際值的相關(guān)系數(shù)

采用具有氣候意義的30 a（1991—2020年）氣候平均值，對太陽能資源豐富程度和穩(wěn)定程度進行分級評估。

以太陽總輻射的年總量Qy為指標(biāo)對太陽能資源豐富度評估，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Qy≥6 300 MJ/（m2·a），資源最豐富；5 040 MJ/（m2·a）≤Qy＜6 300 MJ/（m2·a），資源很豐富；3 780 MJ/（m2·a）≤Qy＜5 040 MJ/（m2·a），資源豐富；Qy＜3 780 MJ/（m2·a），資源一般[18]。

太陽能資源穩(wěn)定程度用各月日照時數(shù)＞6 h 天數(shù)的最大值和最小值的比值來表示：

式中：D1，D2，…D12為1—12 月各月日照時數(shù)＞6 h 的天數(shù)；Max 和Min 分別為求最大值和最小值的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)；K 為太陽能資源穩(wěn)定程度指標(biāo)，其中K＜2 為穩(wěn)定，2≤K≤4 為較穩(wěn)定，K＞4 為不穩(wěn)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽總輻射的空間分布特征

從太陽總輻射空間分布（圖1a）可以看出，河西走廊總輻射的空間分布總體上從西向東遞減。各站年平均總輻射在5 762～6 398 MJ/m2，最大值出現(xiàn)在西北部的敦煌，最小值出現(xiàn)在東南部的烏鞘嶺。

圖1 河西走廊年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）及冬季（e）總輻射空間分布（單位：MJ/m2）

河西走廊春、夏、秋、冬季的平均總輻射分別為1 842、2 062、1 293、929 MJ/m2，即夏季最多，冬季最少，春季多于秋季（表1）。不同季節(jié)和年總輻射的空間分布有所不同。各站春季（圖1b）最大值出現(xiàn)在鼎新，最小值出現(xiàn)在肅南；夏季（圖1c）與年分布相似，最大值出現(xiàn)在敦煌，最小值出現(xiàn)在烏鞘嶺；秋季（圖1d）最大值出現(xiàn)在敦煌，最小值出現(xiàn)在烏鞘嶺；冬季（圖1e）最大值出現(xiàn)在烏鞘嶺，最小值出現(xiàn)在馬鬃山。

河西走廊夏、秋季和年的總輻射空間分布相似，由西向東、由北向南減少，春季和年輻射空間分布也基本相似，而冬季的輻射空間分布為隨緯度的增高而減小。說明年輻射空間分布特征的貢獻(xiàn)主要是夏、秋季，其次是春季。

2.2 太陽總輻射的時間變化特征

河西走廊太陽輻射（圖2a）變化顯著，呈單峰型。其中，5 月太陽總輻射最強，其次為6、7 月，主要原因可能是對流云系影響了到達(dá)地面的直接輻射。12月太陽總輻射最弱，其次為1、11月。

圖2 河西走廊太陽總輻射月（a）、季變化（b）

太陽總輻射存在明顯的季節(jié)變化（圖2b），表現(xiàn)為單峰型。其中，夏季太陽總輻射最強，冬季最弱，春季大于秋季。夏季太陽總輻射為冬季的2 倍以上。

從1961—2020 年太陽總輻射的逐年變化（圖3）可知，近60 年河西走廊太陽總輻射呈增加趨勢，其線型傾向率為6.3 MJ/（m2·10 a）。其中最大值出現(xiàn)在1998 年，最小值出現(xiàn)在2008 年。

圖3 河西走廊太陽總輻射年際變化

河西走廊4 個季節(jié)的太陽總輻射變化曲線顯示，夏、秋、冬季太陽總輻射呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-5.0、-0.03、-0.3 MJ/（m2·10 a）；春季呈增加趨勢，氣候傾向率為11.6 MJ/（m2·10 a）。說明近60年河西走廊太陽總輻射的增加趨勢主要是春季太陽總輻射增加的貢獻(xiàn)。在不同年代，四季的太陽總輻射變化（表2）也存在明顯差異。20 世紀(jì)60 年代，夏季的正距平最大，秋季最小，表明四季中夏季的貢獻(xiàn)最大；70 年代四季都為負(fù)距平，貢獻(xiàn)最大的是春季；80年代秋季為正距平，其他3 個季節(jié)為負(fù)距平，春季負(fù)距平最大，即80 年代春季貢獻(xiàn)最大；90 年代4 個季節(jié)都為正距平；21 世紀(jì)00 年代春、夏季為正距平，秋、冬季為負(fù)距平，秋、冬季貢獻(xiàn)最大，且剛好相互抵消；21 世紀(jì)10 年代夏季為負(fù)距平，其他3 個季節(jié)為正距平，其中春季貢獻(xiàn)最大，同時發(fā)現(xiàn)春、夏季貢獻(xiàn)為同期最大，冬季為同期最小。

表2 河西走廊各年代太陽總輻射距平/（MJ/m2）

從各年代太陽總輻射距平（表2）可知，20 世紀(jì)80 年代太陽總輻射最少，從20 世紀(jì)90 年代起維持正距平，且20 世紀(jì)90 年代太陽總輻射最強，21 世紀(jì)10 年代次之。表明年太陽總輻射與河西走廊氣候變暖同步[14]，氣候變暖氣候背景下河西走廊降水呈增多趨勢，降水的增多有效抑制了大氣污染物，有利于太陽總輻射的增強。

2.3 太陽總輻射的周期變化特征

近60 年，河西走廊年總輻射（圖4a）在各年代都存在周期振蕩，除了21 世紀(jì)10 年代都表現(xiàn)出2～3和5～6 a 的短周期振蕩，20 世紀(jì)80 年代存在8～10 a 周期變化，20 世紀(jì)60 年代中期到70 年代初、21 世紀(jì)10 年代存在14～19 a 的長周期。各個季節(jié)的總輻射（圖4b～4e）表現(xiàn)出不同的周期振蕩。河西走廊地區(qū)年、季總輻射的顯著周期表現(xiàn)為2～3、5～6 a 短周期振蕩及8～10 a 的長周期振蕩。

圖4 河西走廊年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）及冬季（e）總輻射小波分析

2.4 太陽總輻射變化影響因素分析

太陽總輻射的分布是多因子作用的結(jié)果。選取浮塵日數(shù)等9 個可能影響太陽輻射的氣象要素，嘗試從相關(guān)系數(shù)的角度研究影響太陽輻射的氣象因子，資料選取有輻射觀測資料的敦煌、酒泉和民勤3個氣象站點，結(jié)果見表3。

表3 河西走廊太陽總輻射變化與各影響因子的相關(guān)系數(shù)

太陽輻射量與各氣象要素相關(guān)性分析表明，浮塵、揚沙、沙塵暴日數(shù)與輻射量大多呈負(fù)相關(guān)，說明低能見度對太陽輻射的遮擋作用；氣溫和輻射量總體呈正相關(guān)，表明太陽輻射對溫度的正反饋；相對濕度和太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，說明水汽含量偏多，使得氣溶膠濃度偏高，對太陽輻射有一定的阻擋或散射作用；降水量和太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，降水一方面影響了水汽含量，另一方面影響了日照時數(shù)，對太陽輻射有削弱作用?？傇屏?、低云量與輻射量絕大多數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明云層遮擋對太陽輻射的重要影響。

2.5 太陽能資源評估

河西走廊太陽能資源豐富程度（圖5a）總體上呈現(xiàn)由西北向東南遞減的趨勢。太陽能最豐富的地區(qū)位于河西走廊北部酒泉一帶，其中包括敦煌、馬鬃山、金塔和鼎新，最高可達(dá)6 382.4 MJ/m2，該地區(qū)氣候干燥，云雨天氣偏少，日照時間相對較長，使得全年均能接收到較強且穩(wěn)定的太陽輻射。其他地區(qū)年總輻射量為5 040～6 300 MJ/m2，屬于“資源很豐富”。進一步分析河西走廊各月日照時數(shù)＞6 h 的天數(shù)（表4）可知，各月日照時數(shù)＞6 h 的天數(shù)平均為296 d，日照時數(shù)＞6 h 的天數(shù)也由西北向東南遞減，馬鬃山最多，為321 d，其次是鼎新，為316 d。由此可見，河西走廊太陽能資源豐富，開發(fā)利用太陽能資源的優(yōu)勢很大。

圖5 河西走廊太陽能資源豐富度（a）和穩(wěn)定度（b）分布

表4 河西地區(qū)各月日照時數(shù)＞6 h 天數(shù) d

資源的穩(wěn)定度是太陽能開發(fā)中需要考慮的一個重要因素。由圖5b 可知，除烏鞘嶺以外，河西走廊其他地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定度均＜2，為“穩(wěn)定”。其中馬鬃山穩(wěn)定度最高，穩(wěn)定度指數(shù)為1.33。河西走廊太陽能資源穩(wěn)定程度總體表現(xiàn)為由西北向東南遞減的趨勢，與資源豐富度相一致，即資源相對豐富的地區(qū)穩(wěn)定度也相對較高。

3 結(jié)論

利用河西走廊3 個太陽輻射站和19 個氣象站數(shù)據(jù)資料，給出了該地區(qū)太陽總輻射空間分布和時間變化特征，并分析了該地區(qū)太陽總輻射的氣候影響因素，得出主要結(jié)論如下：

（1）河西走廊年太陽總輻射空間分布不均，總體呈現(xiàn)從西北向東南遞減，最大值出現(xiàn)在河西走廊西北端的敦煌，最小值出現(xiàn)在東南端的烏鞘嶺；不同季節(jié)和年總輻射的空間分布不同，春、夏、秋季和年總輻射空間分布基本相似，均為由西向東、由北向抽減少而冬季是隨緯度的增高而減小。

（2）河西走廊太陽總輻射在月和季節(jié)分布上呈單峰型，太陽總輻射5 月最強，12 月最弱，夏季最強，冬季最弱；近60 年河西走廊太陽總輻射呈增加趨勢，其線型傾向率為6.3 MJ/（m2·10 a），其中夏、秋、冬季總輻射呈減少趨勢，下降最明顯的是夏季，春季呈明顯的增加趨勢。近60 年河西走廊太陽總輻射的增加趨勢主要是春季太陽總輻射增加的貢獻(xiàn)。

（3）近60 年河西走廊總輻射各年代都存在周期振蕩。河西走廊地區(qū)年、季總輻射的顯著周期表現(xiàn)為2～3、5～6 a 的短周期及8～10 a 的長周期振蕩。

（4）太陽總輻射量與相對濕度、降水量、總云量、低云量及浮塵、揚沙、沙塵暴日數(shù)總體呈負(fù)相關(guān)，與氣溫和日照時數(shù)呈正相關(guān)。

（5）河西走廊太陽能資源豐富程度和穩(wěn)定度表現(xiàn)一致，都表現(xiàn)為由西北向東南遞減的趨勢，資源相對豐富的地區(qū)穩(wěn)定度也相對較高。

本文采用較長序列的氣象資料，利用統(tǒng)計學(xué)方法揭示了甘肅河西走廊地區(qū)的時空變化特征和影響該地區(qū)太陽輻射的氣象要素，是對前人工作的補充和深入。但河西走廊地形地貌特征多樣，加上影響輻射的實際物理機制也比較復(fù)雜，因此針對該地區(qū)的太陽輻射規(guī)律和影響因子還需進一步研究。