江蘇省太陽能資源評估

曾燕，王珂清，謝志清，苗茜

(江蘇省氣候中心，江蘇南京210008)

江蘇省太陽能資源評估

曾燕，王珂清，謝志清，苗茜

(江蘇省氣候中心，江蘇南京210008)

采用1:25萬DEM數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象站觀測資料，實現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽總輻射量分布式模擬，并分析了江蘇省太陽總輻射量的時空分布規(guī)律。結(jié)果表明:江蘇省氣候平均太陽總輻射量為4 749 MJ/m2，呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點，連云港市最高(5 063 MJ/m2)，無錫市最低(4 514 MJ/m2)。太陽總輻射量在年內(nèi)變化特點為，5月最高，12月最低。結(jié)合常規(guī)氣象站日照時數(shù)觀測資料，從年日照時數(shù)、年日照時數(shù)≥6 h的天數(shù)以及日照時數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值分析了江蘇省太陽能資源的穩(wěn)定度特征，其總體規(guī)律依然是西南至東北走向，即江蘇省東北部地區(qū)太陽能資源開發(fā)利用優(yōu)勢最高。

江蘇省;太陽總輻射;太陽能;資源評估

0 引言

太陽能資源是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源。我國太陽輻射資源比較豐富，開發(fā)利用的前景非常廣闊(王炳忠，1983;王炳忠等，1998)。受氣候、地理等環(huán)境的影響，我國太陽輻射資源的分布具有明顯的地域性(鞠曉慧等，2006;曹雯和申雙和，2008;蔡子穎等，2009;尹靜秋等，2011)。因此，要合理地開發(fā)利用太陽輻射資源，首先必須了解各地區(qū)太陽輻射的詳細分布情況(Maxwell，1998)。

江蘇省位于中緯度亞洲大陸東岸，東臨黃海，地處長江、淮河下游，地勢平坦，江、河、湖水網(wǎng)交織，屬亞熱帶和暖溫帶過渡氣候帶，季風特征明顯，自然條件優(yōu)越，氣候資源豐富。全省面積10.3萬km2，平原面積約占全省總面積的68%，所有平原的海拔高度都在45 m以下，其中50%在10 m甚至5 m以下。由于全省只有3個太陽輻射觀測站，僅僅依靠其觀測資料描述太陽輻射資源的空間分布是遠遠不夠的，還應結(jié)合相應的太陽輻射擬合模型。

地表接收太陽總輻射的多少是天空與地面因素綜合作用的結(jié)果，除受大氣狀況、天文因子、地理因子影響外，在實際地形下，還受地形起伏造成的坡度、坡向和地形遮蔽的影響，使得地表太陽總輻射的計算變得非常復雜。李占清和翁篤鳴(1987，1988)為解決地形對輻射的遮蔽影響問題，在日照計算方面做出了開創(chuàng)性的嘗試。Dozier and Frew(1990)、李新等(1996，1999)先后嘗試利用數(shù)字高程模型(DEM)進行了山地太陽輻射計算的理論研究和區(qū)域試驗。Qiu et al.(2008)、曾燕等(2005a，2005b，2008)依據(jù)起伏地形下太陽輻射構(gòu)成機理，從起伏地形下太陽總輻射3個構(gòu)成成分——直接輻射、散射輻射、周圍地形反射輻射入手，基于DEM建立了依托常規(guī)氣象站觀測資料的太陽總輻射分布式模型。

本文利用太陽總輻射分布式模型，實現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽輻射資源的計算，并對其時空分布規(guī)律進行了探討，該結(jié)果可作為基礎數(shù)據(jù)，為江蘇省太陽輻射資源的開發(fā)利用提供指導。

1 資料與研究方法

1.1 資料

研究所用數(shù)據(jù)資料主要有常規(guī)氣象觀測資料、基礎地理信息資料和遙感資料。各種資料的詳細說明如下。

氣象資料:1961—2008年江蘇省及其周邊78個氣象站逐日觀測資料，含日照百分率、日照時數(shù)和太陽輻射量3種要素，其中日照百分率和日照時數(shù)資料為全部78個站(70個站位于江蘇境內(nèi))，太陽輻射量(總輻射、直接輻射、散射輻射)資料為11個站(3個站位于江蘇境內(nèi))。

基礎地理信息資料:江蘇省1:25萬DEM數(shù)據(jù)，分辨率為100 m×100 m。

遙感資料:1981—2000年逐月NOAA-AVHRR通道1和2觀測數(shù)據(jù)，分辨率為8 km×8 km，取自“NOAA/NASA Pathfinder AVHRR Land Data Set”。

1.2 太陽總輻射分布式模型

起伏地形下，地表接收的太陽總輻射Qαβ(曾燕等，2008)可表示為

式中:Qbαβ為起伏地形下太陽直接輻射;Qdαβ為起伏地形下太陽散射輻射;Qrαβ為起伏地形下周圍地形反射輻射。

式中:Q0αβ為起伏地形下天文輻射，根據(jù)起伏地形下天文輻射模型(曾燕等，2005a)計算獲得;Q0為水平面天文輻射，采用理論公式(左大康等，1991)計算;Rb為起伏地形下天文輻射與水平面天文輻射之比，又稱轉(zhuǎn)換因子，表示局地地形對太陽直接輻射的影響(曾燕等，2005a);Qb為水平面直接輻射，為不考慮地形影響時地表接收的太陽直接輻射量。

式中:aG、bG、a、b、c分別為經(jīng)驗系數(shù);s為日照百分率;Q0含義同(2)式。

式中:V為地形開闊度，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)計算獲得(Qiu et al.，2008);Q0與Rb含義同(2)式;Qd為水平面散射輻射，是不考慮地形因子影響情況下地表接收的太陽散射輻射量。

式中:aG、bG、a、b、c、s含義同(3)式;Q0含義同(2)、(3)式。

水平面直接輻射Qb與散射輻射Qd之和等于水平面總輻射Q(Iqbal，1983)，即:

式中:Q為水平面太陽總輻射，指不考慮地形影響情況下地面接收到的太陽總輻射量。

式中:V含義同(4)式;αs為地表反照率，采用Valiente給出的公式計算地表反照率(Valiente et al.，1995):

式中:ρCH1、ρCH2為NOAA-AVHRR通道1和2的觀測值。

1.3 模型經(jīng)驗系數(shù)的確定

(3)與(5)式中的經(jīng)驗系數(shù)aG、bG、a、b、c需用實測資料擬合確定。其中:aG、bG由水平面月太陽總輻射量資料結(jié)合月平均日照百分率資料來確定;a、b、c由水平面月太陽直接輻射/散射輻射量資料結(jié)合月平均日照百分率資料來確定。氣象站均設置在水平開闊地段，因此其觀測的太陽輻射資料即為水平面結(jié)果。由于江蘇省具有水平面太陽總輻射Q觀測資料的氣象站僅淮安、南京、呂泗3個，具有水平面太陽直接Qb觀測資料的氣象站僅南京1個，所以采用與周邊莒縣、臨沂、濟寧、合肥、上海、杭州、寶山、慈溪8個氣象站太陽輻射數(shù)據(jù)集群的方式來建立擬合模型，充分考慮模型經(jīng)驗系數(shù)的時空穩(wěn)定性，建立“局地分月模型”。即:通過自動搜索程序，將局部區(qū)域位置鄰近的幾個站(3～5個站)同一個月份的多年太陽輻射觀測數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)集，依據(jù)模型(6)確定該局部1—12月經(jīng)驗系數(shù)aG和bG，依據(jù)模型(3)或(5)確定1—12月經(jīng)驗系數(shù)a、b和c，以誤差最小為原則，確定最優(yōu)數(shù)據(jù)集，并以此獲得各站最優(yōu)1—12月經(jīng)驗系數(shù)aG、bG、a、b和c(表略)。

使用IDW(inverse distance weight)插值法，對11站經(jīng)驗系數(shù)進行空間內(nèi)插，像元分辨率設定為100 m×100 m，獲得1—12月經(jīng)驗系數(shù)aG、bG、a、b和c的空間分布，并以此讀取獲得其余67個站對應的經(jīng)驗系數(shù)。

1.4 模擬結(jié)果誤差分析

江蘇省境內(nèi)僅有3個臺站具有總輻射觀測資料，即淮安、南京、呂泗。為了驗證太陽總輻射分布式模型的模擬精度，現(xiàn)將3個臺站實測的1961—2008年氣候平均逐月太陽總輻射量與模擬量進行比較分析。由表1可以看出，與觀測值比較，淮安站最大相對誤差為10.10%，最小相對誤差為0.71%;南京站最大相對誤差為6.55%，最小相對誤差為1.57%;呂泗站最大相對誤差為11.60%，最小相對誤差為0.16%。除個別月份外，3站大部分月份相對誤差小于5%，各站平均相對誤差均小于5%。由此證明，太陽總輻射分布式模型的模擬精度較高，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 江蘇省氣候平均逐月太陽總輻射模擬結(jié)果的相對誤差Table 1 Relative error of simulated normals of monyhly global solar radiation in Jiangsu%

2 江蘇省太陽總輻射量時空分布特征

2.1 年太陽總輻射量空間分布特征

根據(jù)起伏地形下江蘇省1961—2008年1—12月氣候平均太陽總輻射量空間分布，合成全省年太陽總輻射量空間分布(圖1)，各地級市年太陽總輻射量統(tǒng)計結(jié)果見表2。由圖1可以看出，江蘇省太陽總輻射在宏觀空間分布上體現(xiàn)了云量、大氣透明度等天空因素的影響，局部紋理特征又體現(xiàn)了坡度、坡向和周圍地形相互遮蔽等地面因素對總輻射的影響。全省氣候平均年太陽總輻射量為2 978～5 657 MJ/m2，平均為4 749 MJ/m2。呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點，連云港市最高，為5 063 MJ/m2，無錫市最低，為4 514 MJ/m2。根據(jù)王炳忠(1983)的太陽能區(qū)劃指標，即根據(jù)全國年太陽總輻射量空間分布，將全國劃分為4個等級區(qū)，江蘇省位于第三等級區(qū)，屬于資源一般帶。

表2 江蘇省氣候平均年太陽總輻射量的統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistics of annual global solar radiation in Jiangsu MJ/m2

圖1 江蘇省氣候平均年太陽總輻射量的空間分布(單位:MJ/m2)Fig.1 Normals of annual global solar radiation in Jiangsu(units:MJ/m2)

2.2 太陽總輻射量月、季變化特征

圖2給出了江蘇省太陽總輻射量1—12月的變化情況。可以看出，總輻射量以5—8月為高值，又以5月為最高(532 MJ/m2)。1月、12月為低值，且以12月為最低(238 MJ/m2)。5—8月太陽高度角較高，全省總輻射量普遍較高，地形因子的影響作用減弱，氣候因子占主導地位，其中6月總輻射量較5月、7月和8月略偏低，體現(xiàn)了江淮梅雨的影響，梅雨期間日照時數(shù)下降，地表接收到的太陽總輻射量也下降。

圖2 江蘇省氣候平均太陽總輻射量的逐月變化(單位:MJ/m2)Fig.2 Monthly change of normals of global solar radiation in Jiangsu(units:MJ/m2)

以3—5月代表春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，1、2月和翌年12月為冬季，分析總輻射量的季節(jié)變化特征(圖略)。江蘇省春、夏、秋、冬氣候平均總輻射量分別為1 366、1 559、1 059和765 MJ/m2，即:夏季＞春季＞秋季＞冬季。在全省總輻射量的空間差異上，以春季為最大，秋季最小。

3 江蘇省日照與太陽能資源穩(wěn)定度特征

太陽總輻射量的空間分布反映的是一種太陽能資源的年總量情況，在太陽能資源利用時除了應具體考慮其資源總量外，還必須了解其年內(nèi)分配的穩(wěn)定情況，它往往會直接影響資源的可利用性以及利用效率，采用日照時數(shù)資料進行分析。

將江蘇省及其周邊78個站1961—2008年逐日日照時數(shù)資料進行統(tǒng)計分析，獲得各站日照時數(shù)的相關(guān)統(tǒng)計指標，并對其進行空間內(nèi)插，獲得全省空間分布圖。

圖3為江蘇省氣候平均年日照時數(shù)的空間分布。可以看出，其空間分布格局與太陽總輻射量情況大體一致，也呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點。高值區(qū)淮北東北部超過2 300 h，低值區(qū)太湖周圍為1 900 h左右。全省年日照時數(shù)為1 840～2 560 h，平均為2 128 h。

圖4給出了江蘇省氣候平均年日照時數(shù)≥6 h的天數(shù)。可以看出，其分布與年日照時數(shù)類似，東北部最高(超過220 d)，西南部最低(低于190 d)。全省年日照時數(shù)≥6 h天數(shù)為175～247 d，平均為206 d。

用日照時數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值來描述太陽能資源全年分布的變幅和太陽能資源穩(wěn)定度;其值越小，天氣氣候條件越穩(wěn)定，越有利于太陽能資源利用(王炳忠，1983)。由圖5可以看出，該指標空間分布依然是西南至東北走向，即東北部最小(1.3左右)，西南部最高(1.5～1.7);全省該指標為1.20～1.88，平均為1.43。

圖3 江蘇省氣候平均年日照時數(shù)(單位:h)Fig.3 Normals of annual sunshine hours in Jiangsu(units:h)

圖4 江蘇省氣候平均年日照時數(shù)≥6 h的天數(shù)(單位:d)Fig.4 Normals of annual days with daily sunshine hours≥6 h in Jiangsu(units:d)

4 結(jié)論

以太陽總輻射分布式模型為基礎，基于DEM及常規(guī)氣象觀測資料，實現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽總輻射量分布式模擬。根據(jù)太陽總輻射量模擬結(jié)果和常規(guī)氣象站日照時數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，獲得江蘇省氣候平均太陽能資源的主要特征如下:

1)年太陽總輻射量為2 978～5 657 MJ/m2，平均為4 749 MJ/m2。呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點，連云港市最高，為5 063 MJ/m2，無錫市最低，為4 514 MJ/m2。在逐月變化上，最高值出現(xiàn)在5月，最低值出現(xiàn)在12月。在季節(jié)變化上，夏季最高，春季次之，冬季最小。

2)年日照時數(shù)空間分布格局與太陽總輻射量情況大體一致，也呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點。高值區(qū)淮北東北部超過2 300 h，低值區(qū)太湖周圍為1 900 h左右。全省年日照時數(shù)為1 840～2 560 h，平均為2 128 h。

3)年日照時數(shù)≥6 h的天數(shù)分布與年日照時數(shù)類似，東北部最高，超過220 d，西南部最低，低于190 d。全省年日照時數(shù)≥6 h天數(shù)為175～247 d，平均為206 d。

4)日照時數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)比值的空間分布，依然是西南至東北走向，東北部最小，為1.3左右，西南部最高，為1.5～1.7。全省該指標為1.20～1.88，平均為1.43。總體而言，江蘇的太陽能資源可利用穩(wěn)定度在東北部最好。

圖5 江蘇省氣候平均日照時數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值Fig.5 Normals of the ratio of the maximum to the minimum of monthly days with daily sunshine hours≥6 h in Jiangsu

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Solar radiation resources estimation in Jiangsu Province

ZENG Yan，WANG Ke-qing，XIE Zhi-qing，MIAO Qian
(Jiangsu Climate Center，Nanjing 210008，China)

Using the data of DEM with scale of 1:250 000 and routine meteorological observations，this paper achieves the distributed simulation of global solar radiation(GSR)of Jiangsu Province.Spatial distribution maps of normals of monthly and annual GSR with the resolution of 100 m×100 m of Jiangsu Province are generated and their spatio-temporal distribution characteristics are analyzed.The results are as follows:1)The normals of annual GSR in Jiangsu Province is 4 749 MJ/m2;2)The annual GSR has a progressive increasing trend from southwest to northeast，i.e.Lianyungang has the highest value of 5 063 MJ/m2and Wuxi the lowest value of 4 514 MJ/m2;3)GSR in Jiangsu Province reaches the highest in May and the lowest in December.The statistics of sunshine hours observations，i.e.annual sunshine hours，annual days with daily sunshine hours≥6 h and the ratio of the maximum to the minimum of monthly days with daily sunshine hours≥6 h，are used to analyze the stability of solar radiation resource in Jiangsu.Its pattern also has a southwest to northeast change trend，which is to say that the northeast region of Jiangsu has the highest predominance in solar energy utilizing.

Jiangsu Province;global solar radiation;solar energy;resource estimation

P422.1

A

1674-7097(2012)06-0658-06

2012-03-30;改回日期:2012-08-05

國家自然科學基金資助項目(41175077);科技部公益性行業(yè)科研專項(GYHY200806002);黔科合重大專項(字［2011］6003號)

曾燕(1972—)，女，吉林安圖人，博士，研究員，研究方向氣候資源評估、遙感與GIS技術(shù)應用，jlzengyan@sina.com.

曾燕，王珂清，謝志清，等.2012.江蘇省太陽能資源評估［J］.大氣科學學報，35(6):658-663.

Zeng Yan，Wang Ke-qing，Xie Zhi-qing，et al.2012.Solar radiation resources estimation in Jiangsu Province［J］.Trans Atmos Sci，35(6):658-663.(in Chinese)

(責任編輯:倪東鴻)