西安太陽總輻射時空變化特征及對城市發展的響應

張宏利，張納偉銳，劉敏茹，金麗娜，張高健，樊亭麗，姚東升，劉 波

(1.陜西省西安市氣象局，西安 710016;2.中山大學地球科學系，廣州 510000;3.陜西省防雷中心，西安 710015)

太陽輻射是地球、大氣唯一的、主要的能量源泉［1］，是大氣中一切物理過程及現象形成的基本動力［2］。它在地球表面上分配的變化，會根本地改變溫度、濕度、降水和大氣環流特征［3］，即使太陽輻射有微小的變化，都可產生全球及區域尺度的各種自然反應，形成了太陽輻射變化是檢測氣候變化的一個重要指標。歷次“政府間氣候變化專門委員會”的評估報告(簡稱IPCC報告)［4-7］，都有專門的章節來闡述太陽輻射的變化來標識或推演全球的氣候變化。

在當今世界化石能源被過度開采造成能源緊張、溫室氣體的過量排放加劇了氣候變暖的大形勢下，以太陽輻射為代表的太陽能——是最能夠為人類直接利用、最清潔的能源形式［8］。因此，在研究一地能源資源時，首先考慮太陽能資源，優先研究太陽輻射。

對于太陽輻射的研究，學者們已經作過許多工作。在太陽輻射的計算方面，王炳忠等［9-10］給出了我國太陽能計算的經驗公式及總輻射分布圖;祝昌漢［11-12］進一步計算了太陽能，給出了a、b系數插值的計算方法，使其得到了廣泛應用。在太陽輻射的變化方面，Wild等［13］認為，在1990年前后有一個由全球太陽輻射變化導致的從暗變亮的轉折。陳志華［14］分析了中國區域的變化，指出1961—1989年太陽總輻射下降趨勢明顯，而從1990年開始呈現出上升的趨勢，但目前還沒有恢復到1961—1990年的平均值。李曉文等［15］不但研究了我國太陽輻射的變化，而且還對其氣候效應進行了系統的研究。楊羨敏等［16］分析了黃河流域太陽輻射的長期變化特征。

有關西安太陽輻射及其影響方面的研究，有1993年王雙環等在研究大氣污染影響因子時，對西安太陽輻射進行了分析［17］，僅是單點分析。其它的研究大多是在研究陜西、關中太陽輻射(或氣候資源)時提到西安，如1995年董亞非、李兆元在研究陜西關中地區的氣候資源時對太陽輻射進行了簡單分析［18］，1997年龐文保對陜西的延安、西安、安康3個輻射站的輻射資料進行了分析［19］，2008年吳林榮等對陜西太陽總輻射進行計算及分布特征進行分析［20］。本文根據西安及周邊近49年的資料，使用氣候學統計方法，對西安太陽總輻射的時間分布、空間分布進行了較詳盡的分析。

許多學者研究認為，城市發展引起的大氣渾濁度增加及大氣中懸浮顆粒增多，是地面太陽輻射減少的重要原因［15-21］。該研究在分析西安太陽總輻射時空變化特征時，追根溯源，進一步通過城郊對比、太陽總輻射與城區人口散點圖分析，認為西安城市發展對太陽輻射有重要影響，結合城市發展的代表因子——城區人口變化，給出了太陽總輻射對西安城市發展的響應結果。

1 資料和方法

1.1 資料的選取

為了推算得到西安全市范圍代表性好的輻射資料，在選取氣象臺站資料時，不局限于西安市現有的8個國家級臺站，同時考慮其周圍的16個國家級臺站(圖1)，資料年代取為1961年1月1日—2009年12月31日。在選取的24個臺站中，西安站、涇河站取太陽總輻射、日照百分率二要素，其余站取日照百分率要素;西安站的輻射觀測2005年12月31日后移至涇河站，因西安站與涇河站直線距離16 km，海拔高度差12.5 m，符合兩站氣象資料合并使用的條件［22］，故涇河站2006—2009年輻射資料加入西安站輻射資料序列。西安站2005年8—10月輻射資料異常，用同期多年平均值代替;西安城區人口數據取之統計匯編［23］及1990—2009年統計年鑒;太陽常數數據取之網站http://www.climate4you.com/sun/。

圖1 西安及周邊氣象臺站分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Xi'an and its surroundings

1.2 太陽總輻射的計算與推算

西安站(含涇河站)的歷年年、月太陽總輻射直接通過1961—2009年每日的日輻射總量資料統計得出，其它22個臺站太陽總輻射通過公式(1)求得。

式中，Q表示太陽總輻射，Q0表示理想大氣輻射，Q、Q0單位為MJ/m2;S表示日照百分率，單位為%;a、b為系數。

Q0使用以下公式求得。

式中，T為一天的長度(24 h)，S0為太陽常數(1367 W/m2)，φ為當地緯度，δ為赤緯，ω0為可照時間，ρ為日地距離系數。由(2)式可求得每日理想大氣輻射，月平均值用每月15日的值代替，再乘以每月日數即可。實際計算應用(2)式原理，用臺站緯度查表［24］得出。

通過(1)式，將西安站歷年的Q、Q0、S代入，用最小二乘法算出西安站的a、b系數，其余22站的a、b系數用西安站代替。

1.3 計算結果的檢驗

通過推算方程計算得出的西安站總輻射值與觀測記錄進行比較，歷年各月絕對平均誤差為-7.2—1.3 MJ/m2，相對誤差為-0.4%—2.5%，總體上推算擬合效果較好。

2 時空變化特征

2.1 空間分布及區域劃分

采用surfer8.0軟件［25］繪出西安市及周邊年平均太陽總輻射的分布狀況圖(圖2)。從圖中可以看出，西安市及其周邊太陽總輻射呈中部低、周圍高、東部高于西部的特點。其中高值區域位于西安市的東北部，總輻射超過4800 MJ/m2以上。低值區位于西安市三環內及秦嶺北麓，總輻射低于4500 MJ/m2。西安市的東部比西部高出200—300 MJ/m2。

圖2 西安市及周邊年平均太陽總輻射等值線分布/(MJ/m2)Fig.2 The average global solar radiation contour maps in Xi'an and its surroundings

采用模糊聚類分析法［26］對西安市總輻射的變化進行分區，所得結果如圖3。本分析方法根據研究對象本身的屬性來構造模糊矩陣，在此基礎上根據一定的隸屬度來確定其分類關系。在分區中，首先對23個氣象臺站歷年各月平均太陽總輻射值進行樣本數據標準化處理，然后建立模糊相似及等價矩陣，選定λ=0.8的水平值，求取截矩陣，得到分類結果。

圖3 西安市太陽總輻射區域劃分Fig.3 Zoning map of Xi'an global solar radiation

在西安市太陽總輻射劃分的3個區中，Ⅰ區為中部區，主要包括西安市區的三環內，該區年平均總輻射為4500 MJ/m2，是西安市的太陽總輻射低值區;Ⅱ區為東部區，包括高陵、臨潼、藍田，年平均總輻射為4800 MJ/m2，是西安市太陽輻射高值區;Ⅲ區為西部區，包括長安、戶縣、周至，年平均總輻射為4600 MJ/m2，是西安市太陽輻射中值區。

2.2 時間序列變化特征

2.2.1 年際變化

圖4是西安各區域年總輻射距平百分率年際變化。圖中顯示出西安各區域年總輻射變化的一致性:在1960—1970年代保持相對高位，20世紀80年代前期開始振蕩下降，在中期達到最低，90年代前期又開始回升，到21世紀初期穩定振蕩。各區域變率有所不同，其中以東部、西部(Ⅱ區、Ⅲ區)的變化相對平穩，而中部(Ⅰ區)變幅最大的特征。

圖4 西安各區域太陽總輻射年際變化Fig.4 The map of yearly regional variation of global solar radiation in Xi'an

從總趨勢看，從1961—2009年西安的總輻射在減少，其氣候傾向率為-2.01%/10a，相關系數 r=-0.4891，︱r︱＞r0.05=0.2846，表明這種下降趨勢在0.05水平上是顯著的，但低于全國40a平均(-3.22%/10a)水平［14］。其中，中部(I區)和西部(Ⅲ區)氣候傾向率分別為-3.178%/10a和-1.936%/10a，達到統計意義上的顯著水平，而東部(Ⅱ區)變化相對較小，沒有達到統計意義上的顯著水平。21世紀初10a與20世紀60年代10a相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區的太陽總輻射平均減少分別為563、133、344 MJ/m2。

圖5 西安各分區各季太陽總輻射年際變化Fig.5 The annual variations of global solar radiation for different seasons in certain parts of Xi'an

2.2.2 季節變化

圖5給出各區域不同季節的總輻射距平百分率年際變化曲線。冬季各區域在1960年代變化處在高位，1970年代初開始下降，從1970年代末至2009年趨于平穩，但大都在平均線以下，東部(Ⅱ區)、西部(Ⅲ區)表現尤為明顯;春季1960年代初期處于高位，在1960年代中期—1980年代初期變幅均不大，到1990年代后期有一個上升趨勢;夏季1960年代—1970年代中期變化處于高位，中部(Ⅰ區)變幅明顯高于其它兩區。1970年代中期下降后到1990年代初變化處于相對平穩的低位，其后平穩變化，到21世紀初開始下降;秋季1960—1980年代變化幅度很大，從1990年代初開始一直較為平穩。

為了比較各區域的不同變化，表1給出了各區域不同季節太陽總輻射氣候傾向率［27］。由表1可見，中部(I區)和西部(Ⅲ區)的變化基本上一致，均呈顯著下降趨勢，而中部(I區)比西部(Ⅲ區)下降幅度更大一些。下降的主要時段為冬、夏季，下降幅度較大，由此導致全年平均也呈顯著下降趨勢;東部(Ⅱ區)雖呈下降趨勢但變化較小，在春季還略有上升。

表1 1961—2009年西安各區域太陽總輻射氣候傾向率/(MJ·m-2·10a-1)Table 1 The regional climate trend rate of global solar radiation in Xi'an from 1961—2009

2.2.3 突變檢驗及階段分析

(1)突變分析

采用滑動t檢驗法對西安市太陽總輻射的變化進行突變檢驗［28］，取n1=n2=10，則t0.01=2.88，繪制結果圖。由圖6可見，t統計量分別在1977年和1992年超過了0.01顯著性水平的臨界值。其中第1次為正值，第2次為負值，表明西安市太陽總輻射在1970年代末期發生了一次顯著減少的突變，而在1990年代初又發生了一次增加的突變。這一結果與全球和全國在1990年代發生顯著性增加變化趨勢基本一致［13，16，29-33］。

圖6 西安年太陽總輻射的滑動t檢驗Fig.6 The sliding t test of global solar radiation in Xi'an

(2)階段分析

為了進一步分析西安兩次突變前后的情況，將1961—2009年分為3個時間段:即1961—1976年及1992—2009年的相對平穩期，1977—1991年下降期。3個時段各區域的氣候傾向率見表2。

由表2可見，在1961—1976年西安各區域年太陽總輻射氣候傾向率有增有減，但幅度均不大;在1977—1991年，全市均明顯減少，檢驗總體上達到統計意義上的0.05顯著水平;而在1992年以后區域間出現了分化，西部(Ⅲ區)減幅較大，東部(Ⅱ區)和中部(I區)略有增加，但檢驗均沒有達到統計意義上的0.1顯著水平。

表2 三時段西安各區域年太陽總輻射氣候傾向率/(MJ·m-2·10a-1)Table 2 The regional climate trend rate of global solar radiation in Xi'an of certain parts for three connected periods

3 對城市發展的響應

3.1 城郊比較

由于城市的發展，城市中污染物的濃度的增加，大氣透明度的降低，使到達城市地表面的太陽總輻射發生變化。通過圖3的西安市太陽總輻射分區可以看出，西安的城市發展程度對太陽總輻射影響是明顯的。西安城區(Ⅰ區)城市發展程度高于東部和西部(Ⅱ區、Ⅲ區)，所以城區年太陽總輻射值小于西部和東部100—300 MJ/m2，這與林正云等［34］分析福州城市發展對太陽輻射影響的結論是一致的。為了進一步驗證，選取與西安城區毗連、城市發展水平低、自然環境良好的郊縣——藍田縣作為區域氣候背景，繪制西安城區的西安站與郊縣的藍田站太陽總輻射歷年差值面積圖。從圖7看出，1961年到1975年，差值面積有正有負，正負面積相當，說明此階段城市發展水平低，對太陽總輻射沒有影響。從1976年到2009年差值面積一致為負值，且負值面積很大，有5次差值的峰值達到或超過800 MJ/m2，說明此階段城市發展水平逐步增高，隨著凈化城市環境措施(搬出污染企業、煤改氣、植綠大行動等)高潮起落，形成了在太陽總輻射對城市發展較好響應的前提下(為一致的負值面積)，影響程度有峰有谷。

圖7 城區西安站與郊區藍田站年太陽輻射差值面積Fig.7 The annual solar radiation Difference between the area map city of Xi'an station and the suburb of Lan Tian station

3.2 與城市發展的數量關系

衡量城市發展非常重要的指標是城市人口增長以及城市用地面積的增加，而后者往往與城市人口之間存在著很強的相關性［35］。因此，在討論城市太陽總輻射與城市發展的關系時，重點考察太陽總輻射與城市城區人口之間的關系。在考慮人為影響太陽總輻射時，20世紀90年代到2009年太陽常數本身也存在下降趨勢［36］，為此使用太陽常數數據，通過無量綱及比例處理，修正已有西安城區太陽總輻射歷年數值，引入西安城區人口數據，進行數量關系分析。

由圖8可以看出，西安市城區人口由1961年的217萬人增加到2009年的555萬人，在最近的50a增加了2.9倍，并在最近20a，其增長率達到7.3萬人/a。通過全年太陽總輻射與城市人口數量的散點圖(圖9)，發現年太陽總輻射與人口數量之間有較強的相關性，相關系數為-0.4760，達到了0.01的顯著性水平檢驗。

圖8 西安城區人口歷年變化Fig.8 Xi'an urban population changes over the years

圖9 西安城區歷年太陽總輻射與人口散點Fig.9 Xi'an City calendar year global solar radiation and population Scatter

制作西安四季的太陽總輻射與城市人口散點圖(圖10)，進行數量關系分析，發現四季的太陽總輻射與城市人口存在負相關關系，冬、夏兩季相關性好，相關系數分別為-0.5392、-0.4605，超過了0.01的顯著性水平檢驗，而春、秋相關性較差，達不到相關的顯著性水平檢驗，說明西安城市發展對太陽總輻射季節影響為冬、夏季遠大于春、秋季，且冬季大于夏季，春、秋影響不明顯。

圖10 西安歷年太陽總輻射與城區人口散點Fig.10 Xi'an City Four Seasons global solar radiation and Population Scatter

隨著西安城市的發展，城區人口快速增長，工業生產和人們生活所排放的大氣污染物的逐年增加，引起的大氣渾濁度增加及大氣中懸浮顆粒增多，使地面的太陽總輻射量減少;由于冬季的降水量比夏季少，相對城區上空大氣污染物濃度比夏季大，造成了對太陽總輻射的的影響程度冬季大于夏季。

4 結論與討論

(l)西安的太陽輻射總體上可以分為3個區:中部(Ⅰ 區)低值區、東部(Ⅱ區)高值區、西部(Ⅲ區)中值區。各區無論從資源量、季節分布和年際變化上都有差異。

(2)1961—2009年西安的太陽總輻射變化總體上呈減少趨勢，線性傾向率為-2.01%/10a，特別是1977—1991年階段，減少趨勢更顯著，減少幅度以中部(Ⅰ區)最大。突變分析表明，西安的太陽總輻射在1977年和1992年分別發生過一次減少和增加的突變。

(3)西安太陽總輻射在各季節變化上，夏季、冬季變化幅度最大，春季、秋季變化相對較小。

(4)綜合分析表明，西安東部區域擁有西安最好的太陽輻射資源量，其季節分布也較為均衡;中部區域資源量最少，且變化幅度較大;西部區域的資源量小于東部而大于中部，變化幅度較小。

(5)太陽總輻射對西安城市發展有較好的響應，代表西安城市發展程度的城區人口數量與太陽總輻射有較強關系，冬季、夏季表現比較顯著，影響程度冬季大于夏季。主要原因為城市發展帶來的大氣污染物的增加，從而影響太陽總輻射量的明顯減少。季節影響分析上，春季、秋季的相關性較差，檢驗通不過相關顯著性水平，其原因有待于進一步探討。

致謝:西安市氣象局羅慧博士對寫作給予幫助，特此致謝。

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