寧波太陽總輻射估算及其變化特征分析

何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

寧波太陽總輻射估算及其變化特征分析

何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

太陽輻射是地球上最基本、最重要的能量來源，研究區域內的太陽能總量及其分布特征對工農業生產和國防建設具有重要意義。本文利用太陽總輻射的氣候學經驗公式，依據杭州站1960-2006年逐月太陽總輻射和日照百分率建立的回歸系數，對寧波鄞州站1981-2013年的太陽總輻射進行估算。基于2010-2013年的估算結果與實測值，利用SPSS統計軟件建立修正方程，并應用修正后的太陽總輻射和實際觀測值，對寧波鄞州站1981-2013年太陽總輻射的年際變化和年變化特征進行分析。結果表明：本研究所采用的估算方法可行，且修正后的計算值更加精確。寧波鄞州月平均太陽總輻射為357.29 MJ·m-2，月太陽總輻射在226.11～551.42MJ· m-2；月變化為雙峰型，6月受梅雨天氣影響為相對低值。寧波鄞州年太陽總輻射達4 287.47 MJ·m-2，屬于資源豐富區。20世紀80年代中后期開始，太陽總輻射出現下降趨勢，至20世紀90年代初達到最低值，其后下降趨勢逐漸停頓，并有緩慢上升的態勢。

太陽總輻射；日照百分率；特征分析

太陽輻射是地表最重要、最基本的能量來源，也是地球氣候形成的最重要因子。隨著全球經濟的迅猛發展，人類對能源的需求劇增。由于常規能源的儲量有限以及開發過程中排放物對環境的污染，許多國家和地區已經把太陽輻射資源作為國民經濟可持續發展和改善環境質量的重要清潔能源加以開發利用。目前國內外學者對太陽輻射的計算大體可歸納為3種［1-5］：利用氣候學方法計算太陽輻射的各分量；利用衛星遙感資料反演太陽輻射的有關參數；利用高程結合GIS技術模擬太陽輻射。各種方法各有優缺點，其中，氣候學計算方法的經驗模型在我國應用最為廣泛。實踐證明，以日照百分率模型為代表的氣候學計算方法使用方便，在地形平坦、大氣環境狀況較單一的地區精度很高。

浙江省現有太陽輻射觀測站數目稀少（僅杭州和洪家），遠不能滿足科研和工程應用的需求。寧波地區的庵東觀測站已于20世紀90年代初停止了太陽輻射觀測，鄞州于2010年剛設立太陽輻射觀測，積累資料年限不長，因此，當前迫切需要適用于寧波市的太陽輻射量推算和擴展方法，來分析當地太陽輻射的時空變化，摸清太陽能資源分布情況。

本文利用杭州1960-2006年太陽總輻射和日照資料所建立的氣候學逐月估算公式，推算寧波鄞州的太陽總輻射，結合鄞州2010-2013年的實測輻射資料進行檢驗和修正，從而得出較為精確的估算方法。根據估算結果，分析寧波鄞州1981-2013年太陽總輻射變化特征，為揭示大氣運動、研究氣候變化、評估農業生產潛力和太陽能工程設計等提供依據。

1 太陽總輻射估算公式的引用、檢驗和修正

1.1 太陽總輻射估算公式的引用

當前，國內太陽總輻射氣候學估算的方法是在統計分析該地歷年各月太陽輻射和日照百分率觀測資料的基礎上，利用最小二乘法擬合出公式中的各月經驗系數，并據此計算相鄰各地月太陽總輻射。杭州觀測站是國家基準氣候站和國家二級輻射觀測站，地理坐標為30°13'33″N，120°09'54″E，海拔高度41.7 m。鮑倩倩等［6］利用日照百分率采用下式計算太陽總輻射：

式中：a、b為經驗系數，n為月份，各月系數不同；S為月日照百分率（%），W為月天文輻射量（MJ·m-2）。月天文輻射總量由日天文輻射量累加而得，日天文輻射量的計算公式如下：

式中：W0為日天文輻射總量（MJ·m-2· d-1）；I0為太陽常數（13.67×10-4MJ·m-2· s-1）；T為周期（24×60×60 s）；ρ為日地相對距離；φ為地理緯度；ω0為日落時角；δ為太陽赤緯。

鮑倩倩等［6］通過最小二乘法分析1960-2006年該站各月太陽總輻射和日照百分率的觀測值，按照公式（Eg）n回歸得出各月的經驗系數a和b，見表1。

表1 杭州站各月太陽總輻射估算經驗系數

鄞州觀測站是國家基本氣象站，也是寧波的代表站，位于29°47'00″N，121°33'00″E，海拔高度5.0 m。由于杭州站與鄞州站所在的地理位置、地理條件相近，在相同季節影響該地區的天氣狀況和條件大致相同，因此本文利用杭州站1960-2006年各月太陽總輻射和日照觀測資料，采用單站單月的方式來估算寧波鄞州1981-2013年太陽總輻射值并待檢驗。

1.2 太陽總輻射估算公式的檢驗

根據杭州站數據所建立的各月太陽總輻射估算經驗公式，將寧波鄞州1981-2013年的逐月日照百分率和天文輻射總量代入（Eg）n公式，求得寧波鄞州1981-2013年的逐月太陽總輻射計算值。提取2010-2013年的計算值與實測值進行對比分析。圖1為寧波鄞州2010-2013年逐月太陽總輻射計算值與實測值的散點圖，相關系數R2為0.982 7。

經獨立樣本T檢驗、獨立樣本非參數檢驗與Kolmogorov-Smirnov Z檢驗，結果均顯示，實測值與統計值之間差異不顯著。為了檢驗估算經驗公式的誤差情況，以寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽總輻射計算值與實測值作為兩獨立樣本進行驗證，計算絕對百分誤差和平均絕對百分誤差，結果見表2。月絕對百分誤差最大值為20.67%，最小為0.00%，大于10.00%（同類研究中的誤差標準為10.00%）的月數為6個，占12.5%，獨立樣本的平均絕對誤差為4.69%（同類研究中的誤差標準為5.00%）。

圖1 寧波鄞州2010-2013年逐月太陽總輻射計算值與實測值的散點分布

表2 鄞州2010-2013年各月太陽總輻射計算值與實測值的絕對誤差%

綜上可知，利用杭州站所建立的各月太陽總輻射估算經驗公式來推算寧波鄞州逐月太陽總輻射是可行的。但估算經驗公式的月絕對百分誤差大于同類研究中誤差標準的比重較大，T檢驗的臨界置信水平為0.750，估算公式有待修正。

1.3 太陽總輻射估算公式的修正

利用寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽總輻射計算值與實測值兩套獨立樣本，應用SPSS統計軟件進行回歸分析，建立修正方程：

修正方程的相關系數r為0.991，并通過了0.001水平的顯著性檢驗。

利用公式對寧波鄞州1981-2013年逐月太陽總輻射計算值進行修正，得到最終的逐月太陽總輻射值，再次提取2010-2013年最終的逐月太陽總輻射修正值與實測值進行對比分析。獨立樣本T檢驗的結果顯示，修正后的置信水平提高到0.918，臨界置信水平提高到0.999；獨立樣本非參數檢驗的結果顯示，Mann-Whitney U檢驗的漸近顯著性提高到0.982；Moses極限反應檢驗控顯著性水平提高到0.500。

計算各絕對百分誤差，結果（表3）顯示，月絕對百分誤差最大為19.64%，最小為0.10%，大于10.00%的月數為2，占4.17%，獨立樣本的平均絕對誤差為3.79%。修正后的月絕對百分誤差大于同類研究中誤差標準的比重明顯減少，T檢驗的臨界置信水平顯著提高，因此經過修正的太陽總輻射更加精確。

表3 鄞州2010-2013年各月太陽總輻射修正值與實測值的絕對誤差%

2 太陽總輻射變化特征分析

2.1 寧波鄞州太陽總輻射年際變化特征

寧波鄞州33 a的年太陽總輻射為4 287.47 MJ· m-2；極端最大年太陽總輻射為4 871.92 MJ· m-2，出現在2013年；極端最小年太陽總輻射為3 625.21 MJ·m-2，出現在1991年。無論是修正后的推算值還是實際觀測值，均與該站的年日照時數有一致的變化趨勢。從寧波鄞州33 a太陽總輻射的年際變化來看（圖2），其中線性趨勢的相關系數R2為0.103 3（R=0.321 4），小于置信度5%的Rc值0.344 2（相關系數檢驗臨界值），因此其呈現的變化趨勢不可信；而多項式變化趨勢的相關系數R2為0.485 8（R=0.697 0），大于置信度1%的Rc值0.442 8，且與5 a滑動平均的變化趨勢基本一致，因此多項式呈現的變化趨勢可信。從多項式擬合的變化曲線看，鄞州站從20世紀80年代中后期開始，太陽總輻射出現下降趨勢，至20世紀90年代初達到最低值，其后下降趨勢逐漸停頓，并有緩慢上升的態勢。這與全球太陽輻射所經歷的從“暗”到“亮”的逆轉現象有相似之處。

2.2 寧波鄞州太陽總輻射月標變化特征

圖2 寧波鄞州太陽總輻射的年際變化

寧波鄞州33 a的月平均太陽總輻射為357.29 MJ·m-2；極端最大月太陽總輻射為724.84 MJ· m-2，出現在2013年7月；極端最小月太陽總輻射為128.61 MJ·m-2，出現在1993年12月。從33 a月際變化來看，寧波鄞州太陽總輻射量表現出明顯的年變化，大體呈雙峰型季節分布（7月最大，5月為另一高峰值），7月后逐漸減少；夏季輻射量占全年的34.1%，冬季占全年的16.4%，春秋兩季介于中間，占全年的22.5%～27.0%（圖3）。各月中以7月總輻射量最大，多年平均為551.42 MJ·m-2；1月最小，多年平均為226.11 MJ·m-2。這主要受太陽高度和晝長的季節差異影響，而一年中輻射量較大的4-9月其輻射量均大于平均值，但在6月出現一個小的波谷，這是因為6月寧波市正值梅雨季節，連陰雨天氣較多，導致日照時間減少，相應到達地面的太陽總輻射也就出現下降趨勢。

圖3 寧波鄞州太陽總輻射的月際變化

3 小結與討論

利用杭州站1960-2006年實測太陽總輻射和日照百分率，逐月建立以天文輻射為基數的氣候學經驗公式來估算寧波鄞州站的太陽總輻射是可行的；經修正后的計算值更加接近實際觀測值，誤差較小。根據《太陽能資源評估辦法》中太陽總輻射的評估標準，寧波鄞州年總太陽輻射量3 780～5 040 MJ· m-2［7］，為3級，屬于資源豐富區，具有開發潛力。年內分配存在一定的不均衡性，向夏季集中，輻射量的月際最大值與最小值之比超過2.4，太陽能的開發利用需要考慮明顯的季節性變化。

太陽輻射受氣象條件影響較大，太陽總輻射計算應結合各種因素和季節分布，完善計算模擬過程，同時做好開發中的災害風險管理。

寧波鄞州近33 a太陽輻射的估算只是一種嘗試，在今后的研究中，還有待于考慮地面高程、實際坡向及地形遮蔽等對地表太陽輻射的影響，基于GIS技術構建一套適合寧波的推算太陽輻射的方法和流程，并應用該方法結合地理信息數據，對寧波市的太陽輻射資源進行精細化的區劃分析，從而為可再生能源的應用發展提供科學依據和建議。

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［7］ 中國氣象局.太陽能資源評估方法（QX/TQX/T89-2008）［M］.北京：氣象出版社，2008：1-7.

（責任編輯：高 峻）

P 422

：A

：0528-9017（2014）10-1620-04

文獻著錄格式：何利德.寧波太陽總輻射估算及其變化特征分析［J］.浙江農業科學，2014（10）：1620-1623.

2014-05-04

何利德（1976-），男，浙江鄞州人，工程師，主要從事氣象觀測和管理研究等工作。E-mail：69616193@qq.com。