陜北榆林地區太陽能資源空間分布特征及資源潛力評估

吳林榮，杜莉麗，王娟敏，孫 嫻

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

中國太陽能資源十分豐富，全國陸地每年接受太陽輻射能相當于2.4×1013t標準煤，開發利用前景廣闊，中國已經把太陽能開發利用作為新能源開發的重點。研究表明，陜北榆林地區是太陽能資源豐富區，有著廣泛地利用前景［1－5］。孫嫻等［6］，吳林榮等［7－8］較系統地研究了陜西山地及水平面的太陽輻射時空分布，指出陜北北部尤其是長城沿線是太陽能資源開發利用的最佳區域。然而該區域卻一直沒有輻射觀測站，2007年9—10月陜西省氣象局在完成《鄂爾多斯盆地（陜西部分）能源開發利用總體規劃》項目的基礎上，在榆林的靖邊和神木縣新建了3個輻射觀測站并進行了1a時間的科學觀測，本文利用這新建3個輻射站2008年的實測輻射觀測值與氣候學模式計算值進行對比檢驗，并計算出了陜北榆林地區的季、年太陽總輻射，并對陜北榆林地區的太陽能資源潛力進行了評估，為榆林地區充分合理地開發利用太陽能資源提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

榆林市位于陜西省最北部，地處陜、甘、寧、蒙、晉5省（區）交界，地理坐標為107°28′—111°15′E，36°57′—39°34′N，地處毛烏素沙漠和黃土高原過渡地帶，風蝕沙化和水土流失嚴重，東南部黃土丘陵溝壑區是黃河中游水土流失最嚴重的地區。東臨黃河與山西相望，西連寧夏、甘肅，北鄰內蒙古鄂爾多斯市，南接延安市。黃河沿東界南下涉境400km多，古長城橫貫東西700km多。地勢由西部向東傾斜，地貌分為風沙草灘區、黃土丘陵溝壑區、梁狀低山丘陵區3大類。地貌大體以長城為界，北部為風沙草灘區，占總面積的42%，南部為黃土丘陵溝壑區占總面積的58%。平均海拔1 300m，氣候屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫10℃，年平均降水量400mm左右，四季分明，日較差大，氣象災害較多，幾乎每年都有不同程度的干旱、霜凍、暴雨、大風、冰雹等災害發生，尤以干旱、冰雹和霜凍危害嚴重。

1.2 資料來源

陜西省有延安、西安、安康3個輻射觀測站。本文選用延安代表陜北地區計算［9］，總輻射資料序列長度為1990—2008年。日照時數、日照百分率為榆林12個臺站1971—2008年的月資料。新建的靖邊、神木、神木大保當3站為2008年逐日總輻射資料，資料全部來自于陜西省氣象檔案館。

1.3 計算方法

太陽輻射的計算采用氣候學方法，即：

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，這里以天文總輻射作為背景值，則計算公式為：

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。

根據延安各月輻射和日照百分率，采用最小二乘法［10－15］擬合出陜北地區式（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。

1.4 太陽能資源評估方法

太陽能資源評估是太陽能資源開發利用的基礎，根據太陽能資源評估方法［16］，太陽能資源評估包括太陽能資源豐富程度、太陽能資源穩定程度。在此基礎上參考文獻［17］，對太陽能資源的利用價值、太陽能資源儲量、太陽能資源可利用量等進行評估。

（1）太陽能資源豐富程度。以太陽總輻射年總量為指標，等級劃分情況如表1所示。

表1 太陽能資源豐富程度等級劃分 MJ／（m2·a）

（2）太陽能資源穩定程度。以各月日照時數大于6h天數的最大值與最小值的比值表示太陽能資源穩定程度，等級劃分如表2所示：

式中：K——太陽能資源穩定程度指標，無量綱；D1，D2，…，D12——1—12月各月日照時數大于6h的天數（d）；max（）——求最大值的標準函數；min（）——求最小值的標準函數。

表2 太陽能資源穩定程度等級劃分

（3）太陽能資源利用價值。相關文獻表明［1，17］，太陽能電站對9—16時出現日照的時間利用價值較高，因此，確定以各月日照時數大于6h的天數作為太陽能發電可利用指標，反映該區域太陽能資源的利用價值。

（4）太陽能資源儲量和可利用量。太陽能資源儲量計算公式：

太陽能資源可利用量計算公式：

式中：Q1——研究區太陽能資源可利用量（kWh）。

2 結果與分析

2.1 模式精度檢驗

將延安市歷年日輻射總量換算成歷年各月總輻射，并根據各月的總輻射和日照百分率進行擬合，計算出各月的經驗系數，并對方程的相關系數作F檢驗（如表3所示）。可以看出相關系數全部都在0.6以上，F值均通過F0.01檢驗，回歸方程總體顯著。

表3 陜北月太陽輻射計算公式中各月經驗系數和統計檢驗

為了詳細評估陜北榆林地區太陽能資源的豐富程度和開發潛力，陜西省氣象局于2007年9月在神木縣錦界鎮和大保當鎮（110°01′E，38°39′N）建立了4要素輻射站，2007年10月在神木縣氣象局（110°26′E，38°49′N）和靖邊縣氣象局（108°48′E，37°37′N）建立了兩要素輻射站，整理2008年大保當、神木、靖邊3個輻射站的實測總輻射資料，同時在計算模型中提取3個站對應的模型計算值檢驗模型精度。

表4給出了實測值與計算值之間的相對誤差，圖1給出了神木、靖邊2008年太陽總輻射實際觀測值和模擬值的對比曲線，從表4和圖1中可以看出，模式對陜北榆林地區的太陽總輻射的擬合很好，各月相對誤差基本都控制在10%以內。大保當平均相對誤差為－3.8%，其中3月相對誤差最小僅0.2%，神木站平均相對誤差為－5.4%，其中5月相對誤差最小僅0.8%，靖邊平均相對誤差為－4.9%，其中5月誤差最小僅為0.2%，表明建立的太陽輻射計算模型較為精確。

表4 大保當、神木、靖邊2008年月太陽輻射計算值與實測值之間的相對誤差 %

圖1 神木、靖邊各月太陽總輻射測值與模擬值對比

2.2 榆林地區太陽能資源分布特征

根據最小二乘法的擬合結果，將陜北榆林地區12個臺站的對應天文輻射、日照百分率分別代入擬合方程，計算出榆林地區的各月太陽總輻射，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區范圍的太陽總輻射空間插值。

圖2為榆林地區各季節太陽總輻射分布狀況，從圖2中可看出，榆林地區夏季太陽輻射最大，冬季最小，春、秋兩季介于其間。春季太陽總輻射在1 515～1 586MJ／m2，夏季在1 712～1 782MJ／m2，秋季在1 007～1 061MJ／m2，冬季在724～777MJ／m2之間。同時，春、夏、秋3季太陽輻射較高的區域分布區域較廣，是太陽能利用的最佳季節。

榆林地區年太陽總輻射的空間分布如圖3所示，可以看出榆林地區年太陽總輻射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值區在長城沿線一帶，府谷、神木、榆林、佳縣、靖邊、橫山、綏德、吳堡、米脂、清澗均在5 000MJ／m2以上，最大為橫山5 162.3MJ／m2，低值區主要位于定邊西南部和子洲南部。

圖2 榆林地區4季太陽總輻射分布

圖3 榆林地區年太陽總輻射分布

2.3 資源潛力評估

2.3.1 太陽能資源豐富程度 由上述4季及年均太陽能總輻射分析可知，榆林地區太陽能資源最為豐富的地區是長城沿線地區，根據國內太陽能源資源的區劃標準（表1），榆林地區12個縣（區）均屬于太陽能資源豐富區，其中府谷—神木—榆林—橫山—靖邊大部—佳縣—米脂—吳堡—綏德—子洲北部屬于資源很豐富區，定邊—靖邊西南和子洲以南地區屬于資源豐富區（圖4）。

2.3.2 太陽能資源穩定程度 按照式（3），對研究區1971—2008年12個氣象站日照時數（日值）進行計算，得到各站點38a平均K值（表5），可見榆林地區太陽能資源穩定度K均小于2，說明榆林地區太陽能資源穩定。

2.3.3 太陽能資源利用價值 根據中國氣象局頒布的太陽能資源評估方法標準及己有的研究結果，利用各月日照時數大于6h的天數為指標，可反映一天中太陽能資源的利用價值。一天中日照時數如小于6h則認為太陽能不具有利用價值。據此，統計了研究區38a（1971—2008年）中12個氣象觀測站日照時數大于6h的天數并求平均，結果表明各站點中年均日照時數大于6h的天數均超過250d，其中，最大為府谷達到283.07d，最少為定邊也有258.77d，說明在不考慮成本、技術可行性的前提下，榆林地區太陽能資源具有較高的潛在利用價值。

圖4 榆林地區太陽能資源豐富程度分布

表5 榆林地區太陽能資源穩定度K

2.3.4 太陽能資源儲量和可利用量 根據式（4），榆林地區總面積為43 578km2，年平均太陽總輻射5 064MJ／m2，可計算出榆林地區太陽能資源總儲量為6.13×1013kWh。再根據式（5），按1%陸地面積，轉換效率20%計算榆林地區太陽能資源的可利用量，則可得到榆林地區太陽能資源可利用量可達1 226kWh。

3 結論

（1）榆林地區夏季太陽總輻射最大，冬季最小，春、秋兩季介于其間。春、夏、秋3季是太陽能利用的最佳季節。

（2）榆林地區年太陽總輻射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值區在長城沿線一帶，府谷、神木、榆林、佳縣、靖邊、橫山、綏德、吳堡、米脂、清澗均在5 000MJ／m2以上，最大為橫山5 162.3MJ／m2，低值區主要位于定邊西南部和子洲南部。

（3）榆林各縣（區）均屬于太陽能資源豐富區，其中府谷—神木—榆林—橫山—靖邊大部—佳縣—米脂—吳堡—綏德—子洲北部屬于資源很豐富區，定邊－靖邊西南和子洲以南地區屬于資源豐富區。

（4）榆林地區太陽能資源十分穩定，在不考慮成本、技術可行性的前提下，榆林地區太陽能資源具有較高的潛在利用價值。

（5）榆林地區太陽能資源總儲量可達6.13×1013kWh，太陽能資源可利用量可達1 226kWh。

［1］周揚，吳文祥，胡瑩，等.西北地區太陽能資源空間分布特征及資源潛力評估［J］.自然資源學報，2010，25（10）：1738－1749.

［2］韓虹，任國玉，王文，等.黃土高原地區太陽輻射時空演變特征［J］.氣候與環境研究，2008，13（1）：61－66.

［3］王偉，王玉，李纏云，等.黃土丘陵溝壑區氣候與氣候生產力變化分析：以延安市為例［J］.水土保持通報，2008，28（6）：151－154.

［4］陳志華.1957—2000年中國地面太陽輻射狀況的研究［D］.北京：中國科學院大學，大氣物理研究所，2005.

［5］姚玉壁，李耀輝，王毅榮，等.黃土高原氣候與氣候生產力對全球氣候變化的響應［J］.干旱地區農業研究，2005，23（2）：202－208.

［6］孫嫻，王娟敏，姜創業，等.陜西省山地日照時間的空間分布特征［J］.自然資源學報，2010，25（4）：625－635.

［7］吳林榮，王娟敏，劉海軍，等.陜西省太陽輻射及其日照時數的時空變化特征［J］.水土保持通報，2010，30（2）：212－214.

［8］吳林榮，江志紅，魯淵平，等.陜西省日照時數和日照百分率時空分布演變特征［J］.陜西氣象，2008（1）：18－21.

［9］吳林榮，江志紅，魯淵平，等.陜西太陽總輻射的計算及分布特征［J］.氣象科學，2009，29（2）：187－191.

［10］王炳忠，張富國，李立賢.我國的太陽能資源及其計算［J］.太陽能學報，1980，1（1）：1－9.

［11］蘇志，方旭.廣西太陽總輻射的計算及分布特征［J］.廣西氣象，2003，24（4）：32－341.

［12］劉新安，范遼生，王艷華，等.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征［J］.資源科學，2002，24（1）：82－87.

［13］沈瑱，曾燕，肖卉，等.江蘇省日照時數的氣候特征分析.氣象科學，2007，27（4）：425－429.

［14］李愛貞，劉厚鳳.氣象學與氣候學基礎［M］.北京：氣象出版社，2004：29－56.

［15］杜堯東，毛慧琴，劉愛君，等.廣東省太陽總輻射的氣候學計算及其分布特征［J］.資源科學，2003，25（6）：66－70.

［16］章毅之，王懷清，胡菊芳，等.太陽能資源評估方法［S］.中華人民共和國氣象行業標準QX／T89－2008，2008.

［17］王娟敏，孫嫻，姜創業，等.基于ArcEngine太陽能資源評估業務系統的研制及應用［J］.資源科學，2010，32（11）：2246－2252.