陜西省太陽輻射及其日照時數的時空變化特征

吳林榮,王娟敏,劉海軍,孫嫻

(1.陜西省氣象臺,陜西西安 710014;2.陜西省氣候中心,陜西西安 710014)

太陽輻射是地球生態系統最主要和最直接的能量來源,影響到地球上所有的物理、生物和化學過程,是維持地表溫度,促進地球上的水、大氣、生物活動和變化的主要動力。太陽輻射能量在地表上的分配變化會根本改變云覆蓋、溫度、濕度、降水和大氣環流特征,而且還伴隨著熱力和動力過程,與地表水分循環密切相關。太陽輻射及日照也直接與植物生長發育密切相關,影響和決定了植物生產力、蛋白質含量,特別是經濟林果的著色及其糖分含量。因此,分析太陽輻射及日照時數變化對了解區域氣候及其對農業生產的影響具有重要意義[1-6]。通過分析陜西太陽總輻射、日照時數的時空變化特征,可以在一定程度上揭示太陽輻射的分布規律,彌補太陽輻射觀測站點較少的不足,為氣候變化及其農業生產提供參考依據。測總輻射、凈輻射等項目,時段1961—2006年;延安、安康市為三級站,只觀測總輻射,時段 1990—2006年。為了統一,本研究分析這3站的總輻射資料。日照時數、日照百分率為陜西省98個臺站1961—2006年的月資料。太陽輻射的計算采用目前國內外通用的氣候學方法,即公式(1)[7-11]來計算

1 資料方法

式中:Q——地表受到的太陽總輻射;Q0——起始數據(或稱背景值),Q0可以是天文輻射、晴天大氣總輻射或理想大氣總輻射;f(s,n)——以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數。

研究表明,使用晴天大氣總輻射、理想大氣總輻射或天文總輻射進行計算差別不大[12-16],用日照百分率比云量效果好,雙因子略好,但相差不大。考慮到天文總輻射可以直接用公式計算,確定計算公式為:

采用資料全部來自陜西省氣象檔案館。陜西省P有3個太陽輻射觀測站,西安市為國家二級站,觀

式中:Q——地表受到的太陽總輻射;Q0——天文輻射;S——日照百分率;a,b——系數。

根據延安、西安、安康市這3站的各月輻射和日照百分率,采用最小二乘法[17-21]擬合出公式(2)中各月的經驗系數a,b;然后計算出各地的地面月平均太陽總輻射,通過累加進而推算出各地季、年太陽總輻射,并在Sufer 8.0中采用克立格插值法完成全省范圍的太陽輻射空間插值。

2 結果分析

2.1 陜西省太陽總輻射變化特征

2.1.1 陜西省太陽總輻射時間變化特征 總體而言,陜西太陽輻射量有從南向北逐漸增加的趨勢。在年內,延安總輻射值在5月份到達到最大,而西安、安康地區在7月份最大;3個站總輻射值最小的月份均出現在12月;陜北地區的4—8月、關中、陜南地區的5—8月是太陽總輻射較為豐富的時期(圖1)。

圖1 延安、西安、安康市平均總輻射年內變化

分析表明,西安地區年總輻射20世紀60—80年代中期呈現持續下降的趨勢,20世紀80年代中期至90年代中期出現了短暫的增加趨勢,20世紀90年代中期以來,總輻射又呈現出下降的趨勢。延安市從20世紀90年代開始呈現出增加的趨勢。1961年以來,西安市年總輻射年際差異較大,最大年份(1966年)總輻射可達5 174.6 MJ/m2,最少年份(1984年)僅有 3 501.1 MJ/m2,相差1 673.5 MJ/m2。總輻射這種年際差異會給太陽能的持續穩定開發利用造成一定的困難(圖2)。2.1.2 陜西省太陽總輻射空間變化特征 根據最小二乘法的擬合結果,將陜西省98個臺站的對應天文輻射、日照百分率分別代入相應的區域擬合方程[22],最終計算出陜西各地的月太陽總輻射,進而推算出季、年太陽總輻射,并將計算結果在Surfer 8.0軟件中采用克立格插值法完成全省范圍的太陽輻射空間插值。結果表明,陜北地區年內太陽總輻射基本是5月或6月達到最大值;而關中和陜南地區的年內太陽總輻射則呈現出一致性的7月最大;從空間上來看,各月太陽總輻射的分布存在兩個高值地區,一是陜北長城沿線,二是關中北部、陜北南部地區,且各月太陽總輻射均以陜南西部山區為最低。

圖2 延安、西安、安康市平均總輻射年際變化

不同地區太陽總輻射的季節差異顯著(表1),以夏季最大,冬季最小,春、秋兩季介于其間,各季太陽總輻射均以陜南西部山區最低;各季太陽總輻射都基本呈現從北到南依次遞減的趨勢,但春、夏、秋三季渭北高原地區存在一個次高值區,而冬季正好相反,以渭北高原地區最高,陜北長城沿線次高。

陜西省年太陽總輻射的空間分布如附圖5所示,可以看出陜西年太陽總輻射量介于3 830～5 163 MJ/m2之間,最高值區在陜北長城沿線一帶,代表站橫山5 162.17 MJ/m2,渭北高原地區為次高值區,代表站澄城、合陽縣分別達到5 133.1和 5 100.1 MJ/m2,最低值區主要分布于陜南西部地區,漢中的大部分縣市均不足4 200 MJ/m2,最低值站鎮巴為3 830.7 MJ/m2。

表1 陜西省代表站季節太陽總輻射 MJ/m2

2.2 日照時數變化特征

陜西日照時數年內變化過程基本呈單峰型,但不同地區峰值位相不同(圖3)。陜北在5月最大,關中、陜南在7月或8月達到最大值,最低值均出現在12月,陜北地區4—8月、關中、陜南的 5—8月是日照時數較多的時期,這與太陽總輻射的年內變化基本一致,說明日照時數是決定太陽總輻射的重要因子之一。

不同地區日照時數的季節差異顯著(表2),以夏季日照時數最大,冬季最小,春秋兩季介于其間,且各季節日照時數基本都呈自北向南遞減的趨勢,最高值均分布于陜北長城沿線,最低值則在陜南大巴山區。

陜西省年日照時數空間分布基本呈從北向南依次遞減的趨勢,最高值在陜北北部的長城沿線,最低值在陜南大巴山區附圖6。各地年日照時數變化于1 265～2 833 h之間,最小為鎮巴縣的1 265.5 h,最大為府谷縣的2 832.4 h。陜北北部年日照時數2 600～2 800 h,陜北南部年日照時數等值線呈經向分布,東部黃河沿岸為2 400～2 500 h,西部山區為2 300～2 400 h。關中東部地區年日照時數為2 100～2 400 h,澄城和合陽分別為2 500和2 490 h,為關中日照時數最多的區域,關中西部1 900～2 300 h,西安市年日照時數僅1 664 h,為關中地區日照最少的區域。陜南商洛地區年日照時數1 800～2 100 h,漢中北部、安康北部1 600～1 800 h,漢中南部、安康南部1 200～1 600 h,鎮巴年日照時數最少,僅1 266 h,為陜西省日照時數最少的區域。

圖3 陜西省代表站月日照時數年內變化

表2 陜西代表站各季節平均日照時數 h

3 結論

(1)陜西太陽輻射量有從南向北逐漸增加的趨勢,其中陜北地區4—8月,關中、陜南地區5—8月是太陽總輻射較豐富時期。

(2)各季節太陽總輻射以夏季最大,冬季最小,春、秋兩季介于其間;年太陽總輻射以陜北長城沿線最高,陜南西部山區最低,且在渭北高原地區存在次高值區。

(3)陜西日照時數年內變化過程基本呈單峰型,但不同地區峰值位相不同,陜北地區在5月最大,關中、陜南地區在7月或8月達到最大值,最低值均出現在12月,陜北地區的4—8月,關中、陜南地區的5—8月是日照時數較多的時期。

(4)陜西省年日照時數空間分布基本呈從北向南依次遞減的趨勢,最高值在陜北北部的長城沿線,最低值在陜南西部山區,且渭北高原存在日照時數次高值區,說明渭北高原一帶也是太陽能資源較為豐富的地區。

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