西北地區(qū)太陽(yáng)輻射時(shí)空變化特征研究

摘 要：【目的】近年來(lái)受霧霾等環(huán)境污染影響，地表太陽(yáng)輻射變化劇烈。研究西北地區(qū)太陽(yáng)輻射時(shí)空變化特征對(duì)于太陽(yáng)能資源利用的部署和規(guī)劃具有重要意義?！痉椒ā炕谖鞅钡貐^(qū)1962—2012年28個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站獲得的資料，利用距平分析法、距平百分率、滑動(dòng)相關(guān)分析法、趨勢(shì)分析法，結(jié)合ArcGIS軟件，分析1962—2012年整個(gè)西北地區(qū)（新疆、青海、寧夏、陜西、甘肅）的太陽(yáng)總輻射的年際變化特征。【結(jié)果】結(jié)果表明，1962—2012年，太陽(yáng)總輻射的變化經(jīng)歷了60年代的“平穩(wěn)期”階段、70年代至80年代中期持續(xù)“下降”，之后轉(zhuǎn)折回升，“上升”階段到90年代中期便終止，隨后為“振蕩回落期”直至2012年。新疆、青海、寧夏、陜西、甘肅太陽(yáng)總輻射的年際變化趨勢(shì)與整個(gè)西北地區(qū)的變化一致?！窘Y(jié)論】太陽(yáng)總輻射的變化可能與不同省份的城市化進(jìn)程、大氣環(huán)境狀況、氣溶膠的增多，以及各個(gè)測(cè)站所處的地理位置和周圍環(huán)境有密切的關(guān)系。盡管90年代之后大氣透明度的增加有利于太陽(yáng)總輻射的增大，但這種變化能否解釋過(guò)去50年所發(fā)生的變化，目前尚無(wú)明確結(jié)論，仍需進(jìn)一步深入研究。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū)；太陽(yáng)總輻射；突變；時(shí)空變化

中圖分類號(hào)：P422.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）01-0087-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.017

Temporal and Spatial Variation Characteristics of Global Solar

Radiation in Northwest China

WEN Songnan

（ School of Surveying，Mapping and Geographic Information，Lanzhou Resources amp; Environment Voc-Tech University， Lanzhou 730021， China）

Abstract：[Purposes] In recent years， due to the impact of environmental pollution such as haze， the surface solar radiation has changed drastically. Therefore， it is of great significance to study the temporal and spatial variation characteristics of solar radiation in northwest China for the deployment and planning of solar resource utilization. [Methods] Based on the data obtained from 28 solar radiation observation stations in northwest China from 1962 to 2012， using anomaly analysis， anomaly percentage， sliding correlation analysis and trend analysis， and combined with ArcGIS software， this paper analyzes the interannual variation characteristics of global solar radiation in the whole northwest China （Xinjiang， Qinghai， Ningxia， Shaanxi and Gansu） from 1962 to 2012. [Findings] The results show that from 1962 to 2012， the change of global solar radiation experienced four stages， namely， the \"stationary period\" in the 1960s， from the 1970 s to the mid-1980 s， it continued to ' fall '， and then rebounded. The ' rise ' period ended in the mid-1990 s， followed by the ' oscillation fall ' period until 2012. The interannual variation trend of global solar radiation in Xinjiang， Qinghai， Ningxia， Shaanxi and Gansu is consistent with that of the whole northwest region.[Conclusions] The change of global solar radiation may be closely related to the urbanization process in different provinces， the atmospheric environment， the increase of aerosols， and the geographical location and surrounding environment of each station. Although the increase of atmospheric transparency after the 1990s is conducive to the increase of global solar radiation， there is no clear conclusion as to whether this change can explain the changes that have taken place in the past 50 years， which requires further in-depth study.

Keywords： northwest China; global solar radiation; mutation; temporal and spatial variation

收稿日期：2024-06-12

基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2022A-200）；蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（Y2021C-04）；甘肅省教育廳創(chuàng)新基金項(xiàng)目“祁連山國(guó)家公園植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空變化分析及預(yù)測(cè)”（2024A-271）。

作者簡(jiǎn)介：溫松楠（1995—），女，碩士，講師，研究方向：遙感與GIS應(yīng)用。

0 引言

隨著全球工業(yè)化的迅速發(fā)展，?人類大量燃燒礦物燃料，全球溫室氣體濃度快速上升。大氣中各種氣體比例與成分的變化，致使全球及局部氣候特征發(fā)生了明顯變化（如氣溫、太陽(yáng)輻射、水汽壓、日照時(shí)數(shù)等）。其中，地面太陽(yáng)輻射的變化與大氣成分、水汽含量及大氣懸浮物的變化等密切相關(guān)［1］。

太陽(yáng)輻射對(duì)海陸溫度差異、冰凍圈消退、地球大氣能量平衡，以及人類活動(dòng)具有重大影響，也是地球表層最終的能量來(lái)源［2-3］。受到大氣層的吸收和散射的影響，到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射變化很大［4］。太陽(yáng)輻射也是太陽(yáng)能中最能被人類直接利用的能源形式。在不可再生資源被人類大量利用，造成能源供給緊張的當(dāng)今時(shí)代，急需尋求一種可再生的、清潔的能源來(lái)代替化石燃料、煤炭等有限資源，以保證社會(huì)的長(zhǎng)期發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高［5］。在這種形勢(shì)下，太陽(yáng)輻射作為一種清潔的、可大量利用的再生資源越來(lái)越受到人們的關(guān)注［6］。

對(duì)于太陽(yáng)輻射變化特征的一系列研究表明，從60年代到80年中期地球表面太陽(yáng)輻射以平均每年0.32%的速率在下降，從1983—2001年地表太陽(yáng)輻射以每年0.1%的速率在上升［7］。自80年代后期地表太陽(yáng)輻射發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，停止了1950年開(kāi)始的“變暗”轉(zhuǎn)為“變亮”［8］。

本研究利用1962—2012年的太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料研究我國(guó)西北地區(qū)（新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西） 連續(xù)50年的太陽(yáng)總輻射時(shí)空變化特征，以期為太陽(yáng)能資源利用的部署和規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

西北地區(qū)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)示意如圖1所示。其中，阿勒泰、塔城、伊寧、和田、哈密、敦煌、西寧、銀川、西安等9個(gè)輻射站點(diǎn)為二級(jí)站，若羌、玉樹(shù)、吐魯番三個(gè)輻射站點(diǎn)為三級(jí)站。此外還增設(shè)了12個(gè)三級(jí)觀測(cè)站（奇臺(tái)、焉耆、庫(kù)車、阿克蘇、酒泉、民勤、剛察、固原、延安、果洛、天水、安康）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的資料均來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。采用所有觀測(cè)站的逐年、月資料，其中總輻射序列從1962—2012年，保證研究資料在時(shí)間序列、站點(diǎn)數(shù)目和觀測(cè)指標(biāo)上的一致性。

2 研究方法

2.1 距平分析法

距平計(jì)算公式為式（1）。

Si=Xi- [x]" "（1）

式中：lt;E：＼2023田田＼2-＼河南科技202501＼Image＼image3.pdfgt;為距平，lt;E：＼2023田田＼2-＼河南科技202501＼Image＼image4.pdfgt;為序列中第i個(gè)對(duì)應(yīng)的值， [x]為均值。利用該方法可以計(jì)算出某一值偏離均值的距離，得到整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)某一現(xiàn)象的波動(dòng)狀況，判斷其變化趨勢(shì)。

2.2 距平百分率分析法

距平百分率計(jì)算公式為式（2）。

Si=（Xi- [x]）/[x]*100% （2）

式中各變量代表的意義同（式）1。此方法可以更明顯地突出一組數(shù)據(jù)偏離均值的程度。

2.3 滑動(dòng)相關(guān)分析方法

為剔除偶然因素的影響，采用5年滑動(dòng)平均值，得出滑動(dòng)曲線圖形，以判斷太陽(yáng)輻射在整個(gè)時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)。其公式為式（3）。

[x]5= （xi-2+xi-1+xi+xi+1+xi+2）/5" " （3）

式中各變量代表的意義同式（1）。

2.4 趨勢(shì)分析方法

利用最小二乘法擬合一元線性方程為式（4），

y=ax+b" （4）

式中：a表示太陽(yáng)輻射氣候傾向率。a的正負(fù)代表太陽(yáng)輻射的上升或下降，a絕對(duì)值的大小則表示上升與下降的幅度。

3 太陽(yáng)總輻射的時(shí)空變化特征

3.1 年際時(shí)間序列變化

1962—2012年的太陽(yáng)總輻射變化如圖2所示。由圖2可知，年平均值為186.76 W·m-2，除1975、1979年外都呈正距平，其高值主要集中在60年代。西北地區(qū)近50年太陽(yáng)總輻射總體呈降低趨勢(shì)，雖然在20世紀(jì)80年代末期到90年代初期出現(xiàn)了回升的狀態(tài)，但并沒(méi)有達(dá)到60年代太陽(yáng)輻射的最大值，最后呈震蕩下降。這一過(guò)程可總結(jié)為“平穩(wěn)期-下降回升期-上升期-振蕩回落期”4個(gè)階段。出現(xiàn)這4個(gè)階段變化的原因離不開(kāi)各氣象要素的變化，尤其是氣溫的變化，90年代以來(lái)，由于全球火山噴發(fā)出現(xiàn)了相對(duì)平靜的時(shí)期，全球太陽(yáng)的總輻射也出現(xiàn)回落期。

3.2 年際空間變化特征

按照西北地區(qū)各省份的行政邊界對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，劃分為5個(gè)子區(qū)域（新疆、青海、寧夏、甘肅、陜西）。對(duì)各個(gè)子區(qū)域內(nèi)的太陽(yáng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)記錄的太陽(yáng)總輻射按照年代順序求每年平均值，形成了一個(gè)從1962—2012年的時(shí)間序列觀測(cè)值。按照劃分的子區(qū)域得出每個(gè)研究區(qū)的距平百分率，經(jīng)過(guò)對(duì)比各個(gè)省份的年太陽(yáng)總輻射距平百分率的變化。在1962—1968年全部區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)總輻射相對(duì)較高，總體處于“變亮”趨勢(shì)。1969—1987年各省太陽(yáng)總輻射處于振蕩下降的狀態(tài)，其中寧夏在1983—1987年出現(xiàn)了一個(gè)峰值，最大太陽(yáng)輻射值大于前一階段的平均值。陜西省在1984年總輻射發(fā)生了突變，與整個(gè)研究時(shí)間序列值相比呈現(xiàn)歷史期最低值，在1989年歷史期次低值出現(xiàn)，值為-15.01；新疆、青海、陜西太陽(yáng)總輻射在持續(xù)降低，青海在1986年明顯“變暗”。1988—1996年各省份逐漸“變亮”，太陽(yáng)總輻射稍有回升，處于振蕩增大的狀態(tài)，較前一時(shí)間段每個(gè)子區(qū)域都出現(xiàn)了“變亮”的現(xiàn)象，但其均值并沒(méi)有高于第一階段。

從總體趨勢(shì)看，新疆、青海、寧夏、陜西、甘肅的太陽(yáng)總輻射的變化符合西北地區(qū)從1962—2012年的總體變化趨勢(shì)，雖然各個(gè)省份在某年出現(xiàn)突變現(xiàn)象，但依然可以將該省的太陽(yáng)總輻射按照距平百分率劃分為4個(gè)階段即“平穩(wěn)期—下降回升期—上升期—振蕩回落期”（如圖3所示）。

3.3 不同省份的季節(jié)變化

為進(jìn)一步研究西北地區(qū)太陽(yáng)總輻射時(shí)空變化特征，對(duì)1962—2012年各個(gè)測(cè)站的值以季節(jié)為單位，以各省份的行政邊界為研究區(qū)進(jìn)行劃分，分析

不同季節(jié)不同年份不同區(qū)域太陽(yáng)總輻射的時(shí)空變化特征，再把每個(gè)季節(jié)距平百分率的變化與全年整個(gè)時(shí)間序列的變化進(jìn)行比較，得出季節(jié)變化與年際變化的內(nèi)在關(guān)系。西北地區(qū)不同季節(jié)各個(gè)省份年際變化的距平百分率曲線如圖4所示。

由圖4（a）可知，西北地區(qū)不同省份在1962—1975年變化幅度不大，相對(duì)穩(wěn)定。這一時(shí)間段內(nèi)，陜西的太陽(yáng)總輻射變化最大，不同年份之間的差距比較明顯，但絕大多數(shù)年份太陽(yáng)總輻射都大于均值，距平百分率變化范圍為：-15.93～37.33。1976年開(kāi)始下降，至1992年轉(zhuǎn)為上升，到1995年停止了增加趨勢(shì)，進(jìn)入回落階段，之后又趨于平穩(wěn)；寧夏在這個(gè)時(shí)間序列內(nèi)出現(xiàn)了歷史最高值，陜西出現(xiàn)了歷史最低值，其余各省份處于波動(dòng)下降，但最大值未超過(guò)前一時(shí)期的最大輻射值。由圖4（b）可知，變化情況與春季類似，從60年代到70年代初期，大多省份都處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，并在均值以上變動(dòng)，其后開(kāi)始下降，直到80年代末期，出現(xiàn)了一個(gè)上升趨勢(shì)，到90年代中期進(jìn)入回落階段，甘肅、寧夏已降落至均值并在這一值附近變動(dòng)，陜西卻偏離均值繼續(xù)上升，到2007年回到均值附近，青海、新疆在穩(wěn)定一段時(shí)間后繼續(xù)降低遠(yuǎn)離均值，并在2010年再次回升。由圖4（c）可知，各省份從1962年到70年代初期，均呈增加的趨勢(shì)，除甘肅在1962年前后和1967年附近低于均值外，其余各省太陽(yáng)總輻射都大于均值，寧夏、陜西分別在1967年與1972年出現(xiàn)歷史期最大值，在70年代初期到末期，各省份太陽(yáng)總輻射均處于下落狀態(tài)，最終低于均值。80年代到90年代初期各地區(qū)進(jìn)入了第一次上升階段，至均值附近波動(dòng)。其中，陜西省的變化最為突出，從整個(gè)時(shí)期的最低值增大至這一階段的最高值，距平百分率的變化范圍為：-28%～17%，90年代到2012年各省份變化都不明顯，只有甘肅在大多數(shù)年份間高于均值，其余地區(qū)在低于均值的某一值附近擺動(dòng)。由圖4（d）可知，各省份變化趨勢(shì)與夏季類似，陜西年際間的變化率比較大，但趨勢(shì)變化非常小。

為詳細(xì)比較各區(qū)域的不同，計(jì)算得出了各區(qū)域不同季節(jié)太陽(yáng)總輻射的太陽(yáng)輻射氣候傾向率見(jiàn)表1。由表1可知，新疆、青海、寧夏、陜西變化基本一致，都呈下降趨勢(shì)，且都在平均值附近變動(dòng)，并由此導(dǎo)致了全年平均呈顯著下降趨勢(shì)。其中，新疆在冬季下降幅度最大，并通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)，呈顯著下降狀態(tài)，高于全年整個(gè)時(shí)間序列的平均下降值；青海、陜西下降幅度最大的季節(jié)為秋季，前者通過(guò)了90%的信度檢驗(yàn)，其余各季節(jié)都沒(méi)達(dá)到90%的可信度水平，后者雖然相對(duì)在秋季下降最明顯，但四個(gè)季節(jié)都未能通過(guò)90%可信度檢驗(yàn)；甘肅各季節(jié)太陽(yáng)總輻射總體上有所增加，夏季和秋季都略高于平均值，春季下降幅度最大，夏季為上升最快的季節(jié)，并達(dá)到4個(gè)季節(jié)的最大值卻低于全年平均，以后又出現(xiàn)了持續(xù)下降的趨勢(shì)，冬季已降至平均線以下，但全部季節(jié)和整個(gè)時(shí)間序列的全年平均值都未能通過(guò)90%的可信度檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

本研究采用距平分析、趨勢(shì)線分析等方法，結(jié)合西北地區(qū)28個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站的逐月與逐年的太陽(yáng)總輻射，對(duì)西北地區(qū)1962—2012年的太陽(yáng)總輻射變化做了詳細(xì)研究，主要結(jié)論如下。

①1962—2012年西北地區(qū)太陽(yáng)總輻射的變化共經(jīng)歷了“平穩(wěn)期—下降回升期—上升期—振蕩回落期”4個(gè)階段。

②新疆、青海、寧夏、陜西、甘肅五省的年際太陽(yáng)總輻射的變化經(jīng)歷了“平穩(wěn)期—下降回升期—上升期—振蕩回落期”4個(gè)階段。

③到達(dá)地表的太陽(yáng)總輻射的變化與大氣成分、云量、大氣中水汽的含量，以及大氣懸浮物含量等密切相關(guān)。綜合來(lái)看，引起太陽(yáng)總輻射的變化可能與不同省份的城市化進(jìn)程、大氣環(huán)境狀況、氣溶膠的增多，以及各個(gè)測(cè)站所處的地理位置和周圍環(huán)境有密切的關(guān)系。80年代中期發(fā)生在西北地區(qū)，以及各個(gè)省份太陽(yáng)輻射由“降低”到“升高”變化中，“降低”可能與當(dāng)?shù)毓I(yè)化進(jìn)程，人為氣溶膠的排放相關(guān)。但對(duì)于90年代中期的“升高“現(xiàn)象目前還缺乏直接的證據(jù)。盡管90年代之后大氣透明度的增加有利于到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射的增大，但這種變化能否解釋過(guò)去50年所發(fā)生的變化，目前尚無(wú)明確結(jié)論，仍需進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 許建明， 何金海， 閻鳳霞. 1961—2007年西北地區(qū)地面太陽(yáng)輻射長(zhǎng)期變化特征研究［J］.氣候與環(huán)境研究.2010，15（1）：89-96.

［2］CHE H Z， SHI G， ZHANG X，et al. Analysis of 40 years of solar radiation data from China，1961—2000［J］. Geophysical Research. 2005，32（6）：803-1，5.

［3］ SHI G， CHEN Z， WANG B， et al. Data quality assessment and the long-term trend of ground solar radiation in China［J］.Journal of Applied Meteorology and Climatology，2008，47（4）：1006-1016.

［4］熊燕琳，周筠珺.四川地區(qū)地面太陽(yáng)總輻射時(shí)空分布及氣象影響因素研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2020，41（12）：162-171.

［5］王娟敏，孫嫻，孫睿，等.2000—2016年中國(guó)再分析輻射資料與觀測(cè)值對(duì)比［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2020，36（6）：734-743.

［6］陳藺鴻，張彥麗，宋雨鈺.FY-4A太陽(yáng)短波輻射產(chǎn)品在黑河流域的精度分析［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2021，40（1）：292-300.

［7］WILD M ，GILGEN H， ROESCH A，et al.From dimming to brightening： decadal changes in solar radiation at earth's surface［J］.Science （80- ），2005，308（5723）：847-850.

［8］王凌鈺，周勇，劉艷峰.中國(guó)太陽(yáng)輻射時(shí)空變化趨勢(shì)研究［J］.暖通空調(diào)，2024，54（6）：103-111，64.