德令哈地区太阳总辐射变化特征分析

德令哈地区太阳总辐射变化特征分析

刘存花   杨锷  支鹏宇

海西州气象局，德令哈  817000

摘要：本文选取德令哈地区1981年1月-2021年12月近41a日照时数观测资料，采用Angstrom-Prescott模型计算德令哈地区太阳总辐射，用线性趋势法、Mann-Kendall等方法分析德令哈地区总辐射年际、各季节变化特征。结果表明：德令哈1981-2021年的年平均日照时数2987.8h，年太阳总辐射量5952.85MJ/m2左右，四季日照时数呈下降趋势，夏季下降趋势最大，秋季次之，冬春季变化较小；总辐射年际变化亦呈下降趋势，2011-2021年下降趋势最为显著；将1981-2021年德令哈地区太阳总辐射按每10a划分为4个阶段，德令哈地区的太阳总辐射逐月最大值出现在3月、4月，最小值出现在12月。利用Mann—Kendall突变检验法对德令哈地区1981-2021年年总辐射和四季时间序列进行突变检验，德令哈地区年总辐射未发生突变；进入汛期，受降水天气影响，太阳辐射略有减少，夏季各月太阳总辐射能总体变化不明显，为全年次高值，德令哈地区为二类太阳能丰富区，降水偏少，晴天日数偏多,年日照时数在3000h以上，因此太阳能利用时间长，所产生效益也相应更大，是光伏产业可综合开发利用较高的地区。

关键词： 日照时数；太阳总辐射；变化特征

太阳辐射是地球上最基本、最重要的能源。它在地表上能量分配的变化,会改变温度、湿度、降水和大气环流特征，是天气和气候形成及变化的基础[1], 太阳辐射( Solar Radiation，SR)作为气候系统的重要因素之一，也在近半个世纪表现出明显的波动现象。太阳辐射能量的变化与分布对气候有着重要影响，在全球变暖的大背景下，太阳辐射作为影响气温的主要因素之一，分析其分布与变化对太阳能的开发与利用、农业生产的规划及合理布局、森林植物资源的可持续发展等有重要的指导意义。陈志华、杜尧东分别从年际波动角度对新疆及广东地区太阳辐射量进行了探讨,指出了年太阳辐射总量逐年下降的现象[2-3];周晋对北京地区太阳辐射量变化的影响因子进行了研究,指出近43a日照时数、散射辐射的变化与太阳总辐射量下降的相关性明显[4];吕宁和杨胜朋对我国1998～2002年太阳辐射的区域分布变化进行了分析,结果表明我国太阳辐射分布不均,季节变化显著[5-6]；许建明利用西北地区15个甲级辐射站1961～2007年的总辐射资料，发现总辐射的长期变化经历了“维持”“变暗”“变亮”和“回落”4个阶段[7]。

1 资料和方法

利用1981～2021年1～12月德令哈国家气象观测站（97°22'33"E,37°22'28"N，海拔高度2982.8米）的日照观测资料，采用Angstrom-Prescott模型[8]计算德令哈地区太阳总辐射，用线性趋势法、Mann-Kendall等方法分析德令哈地区总辐射年际变化特征、各季节变化趋势。季节的划分按：春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12-次年2月[9]。

Angstrom-Prescott模型,太阳辐射计算应用最广泛的气候学公式为：

…………………………………………………………………………（1）

Q和Q0分别为太阳总辐射和天文太阳总辐射（MJ/ m2）,a、b为经验系数，s为日照百分率（%）。

[1]

天文总辐射日总量按公式（2）计算：

)………………………………（2）

式（2）中，Q0为天文辐射日总量（J/M2）；I0为太阳常数（I01367/M2）；是日地距离修正系数；δ为太阳赤纬（rad）；为地理纬度（rad）；ωs为日落时角（rad）； n

是日期序数。

、δ、ωs可分别用下式计算：

……………………………………………………………………（3）

   ………………………………………………………………（4）

   ……………………………………………………………（5）

S0为可照时数;S为日照百分率;分别用下式计算

   ……………………………………………………………………………（6）

     ……………………………………………………………………………（7）2 德令哈地区辐射变化特征分析

2.1德令哈地区日照年变化特征

1981～2021年41a德令哈地区的年平均日照时数2987.8h，日照时数在2559.6～3179.5h之间，呈波动下降趋势，每年以10.309h的速率下降，最大值出现在1994年（3179.5h），最小值出现在2019年（2559.6h）（图1）。

图1   1981～2021年德令哈地区日照时数年际变化

2.2德令哈地区日照时数四季变化特征

1981-2021年德令哈地区春季日照时数平均最大，冬季最小。日照时数最大值出现在夏季877.2h，最小值冬、夏两季603.3h（表1）。对四季进行各季日照时数变化分析，四季日照时数呈下降趋势，夏季下降趋势最大，春秋季变化较小，冬季下降趋势最小（图2）。

表1  1981-2021年德令哈地区各季日照时数（单位：h）

图2   1981～2021年德令哈地区日照时数四季变化

2.3 计算德令哈地区太阳总辐射

依据Angstrom-Prescott模型计算得出德令哈地区1981-2021年太阳总辐射，最大值6200.61 MJ/m2，出现在1992年；次大值出现在1994年，6199.37 MJ/m2；最小值出现在2019年，5409.89 MJ/m2；次小值出现在2021年，5536.37 MJ/m2。

表2德令哈地区1981-2021年太阳总辐射Rs（MJ/ m2）

2.4 德令哈地区总辐射年际变化特征

1981-2021年德令哈地区年太阳总辐射总体呈现下降趋势，年太阳总辐射平均值的气候倾向率为-12.879，下降趋势明显，年平均太阳总辐射5952.85 MJ/m2。1981 -1996属于德令哈地区年太阳总辐射偏多期；1997-2007年德令哈地区的年太阳总辐射波动较大；2008-2021年太阳总辐射基本低于平均值。近40a年中，德令哈地区的太阳总辐射最大值出现在1992年6200.61 MJ/m2；最小值出现在2019年5409.89 MJ/m2，最高值与最低值差值为790.72 MJ/m2（图3）。

图3  1981～2021德令哈地区太阳总辐射年际变化

2.5德令哈地区总辐射月变化特征

将1981-2021年德令哈地区太阳总辐射按每10a划分为4个阶段，即1981-1990年，1991-2000年，2001-2010年，2011-2021年。有（图4）可知：1981-1990年，月总辐射最大值、最小值分别出现在3月、12月；1991-2000年，月总辐射最大值、最小值分别出现在4月、12月；2001-2010年，月总辐射最大值、最小值分别出现在4月、12月；2011-2021年月总辐射最大值、最小值分别出现在3月、12月。在41年中，德令哈地区的太阳月总总辐射最大值出现在3月、4月，最小值出现在12月。

图4  1981～2021年德令哈太阳总辐射月变化

图4

1981～2021年德令哈地区太阳总辐射月变化

3 年总辐射和各季辐射的突变分析

3.1  Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall（简称M-K）法是一种非参数统计检验方法，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，结构简单，计算简便，可以明确突变开始的时间，是一种常用的突变检验方法。

3.1.1 德令哈地区近40a年总辐射变化趋势M-K突变分析

利用Mann—Kendall突变检验法对德令哈地区1981-2021年总辐射和四季时间序列进行突变趋势检验,统计量曲线如图5，图6所示。

图5  1981～2021年德令哈太阳总辐射M-K法统计量曲线

（直线为α=0.05的显著性水平临界值值）

由图5可知：UF曲线从1981-1996年基本都小于0，可知德令哈市20世纪80年代至20世纪90年代中期年总辐射处于下降趋势， 1997年的统计量UF值为0.25，说明有上升趋势；1997年后德令哈市年总辐射仍处于下降趋势。按照M-K法，在±1.96信度线间UF和UB无交点，德令哈市年总辐射未发生突变。

图a（春季）                     图b（夏季）

图c（秋季）                              图d（冬季）

图6  1981～2021年四季太阳总辐射M-K法统计量曲线

（直线为α=0.05的显著性水平临界值值）

春 季：由图6(a)可知： 20世纪80年代总辐射开始处于下降趋势，德令哈地区春季总辐射开始有下降趋势，并一直延续到21世纪，且下降趋势较明显，按照M-K法，在±1.96信度线间UF和UB，相交于3个点，分别是1986年、2003年、2019年。

夏 季：由图6（b)可知：德令哈地区夏季总辐射在20世纪80年代前中期有升有降，且持续时间都比较短暂，且在1986年达到最高点2.44；之后到21世纪，UF曲线一直处于下降趋势，说明德令哈地区夏季总辐射一直处于下降的趋势依据M-K检验法，在±1.96信度线间UF和UB无交点，夏季太阳总辐射无突变。

秋 季：由图6（c)可知：20世纪80年代的前6年总辐射处于下降趋势，随即转入上升趋势并持续到1993年；其后总辐射呈下降趋势，这种趋势一直持续到21世纪.按照MK法，在±1.96信度线间UF和UB有没有交点，秋季太阳总辐射无突变。

冬季：由图6（d)可知：20世纪80年代前半段至90年代末，冬季总辐射处于上升趋势，后半段2001年的突变统计量为-0.12,总辐射进入下降趋势，并在20世纪20年代下降趋势较为明显，这种下降的趋势一直延续到21世纪.按照MK法，在±1.96信度线间UF和UB相交于1个点，为2001年.在0.05的显著水平下，德令哈地区冬季总辐射在2001年发生突变。

四 结论

①德令哈市地区为海西东部地区，年太阳总辐射量5952.85MJ/m2左右，1981-2021年的年平均日照实数2987.8h，大于平均值的22a，小于平均值的19a，总体来说，大于平均值的年份较多。四季日照时数呈下降趋势，夏季下降趋势最大，趋势倾向率-4.5014，秋季次之，趋势倾向率-2.8612；冬季下降趋势最小，倾向率-1.394，春季次之，倾向率-1.5521。

② 德令哈地区1981-2021年太阳总辐射, 最大值出现在1992年，最小值出现在2019年。德令哈地区的年太阳总辐射平均值的气候倾向率为-12.879，下降趋势明显。德令哈地区月总辐射际变化最大值在3月、4月，最小值出现在12月份。

 ③利用Mann—Kendall突变检验法对德令哈市1981-2021年年总辐射和四季时间序列进行突变检验，德令哈市20世纪80年代至20世纪20年代年总辐射处于下降趋势，在±1.96信度线间UF和UB无交点，故德令哈市年总辐射未发生突变。

④德令哈地区太阳总辐射季节变化明显，变化曲线呈单峰型，3-4月为峰值，1月、12月处于最小值。从12月份开始太阳总辐射开始增加，到3-4月份达到最高值，进入汛期，受降水天气影响，太阳辐射略有减少，夏季各月太阳总辐射能总体变化不明显，为全年次高值，进入11月太阳辐射能明显减小，并在冬季1月达到全年最小值，与日照时数的变化特较为吻合。

参考文献:

[1] 祁栋林,李晓东等.1980-2010年青藏高原柴达木盆地太阳辐射变化特征研究,青海:安徽农业气象,2013:4484—4488.

[2]陈志华，近40a来新疆地区太阳辐射状况研究[J].干旱区地理，2005，28(6):734-739.

[3]杜尧东，毛慧琴，刘爱君等，广东省太阳总辐射的气侯学计算及其分布特征[J].资源科学，2003.25(6）)：66-70.

[4]周晋，晏刚，吴业正.北京地区的太阳辐射分析[J].太阳能学报，2005，26(5):712-716.

[5]吕宁.刘荣高.刘纪远1998-2002年中国地表太阳辐射的时空变化分析[期刊论文]-地球信息科学2009(05）

[6]杨胜朋.王可丽，吕世华近40年来中国大陆总辐射的演变特征[期刊论文]-太阳能学报2007(03).

[7]许建明，何金海，阎风霞.1961-2007年西北地区地面太阳辐射长期变化特征研究[J].气候与环境研究，2010，15(1）：89-96.

[8]何振亚  中原地理研究1982年02期

[9] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社，2003.

基金项目：青海省海西州自筹项目2022ZC15。

作者简介：刘存花，女，本科，副高，从事气象服务工作。

通讯作者:杨锷,男,本科,工程师,从事气象服务工作。