武漢與宜昌太陽總輻射與氣象要素的關系對比研究

王麗娟　陳正洪　成馳　王俊超

摘要：利用武漢市及宜昌市2007-2008年逐時太陽總輻照量和氣象要素（氣溫、相對濕度、云量等）實況觀測資料，對比分析兩地逐時太陽總輻照量與氣象要素的關系。研究結果表明，太陽總輻照量具有明顯的季節差異，武漢總輻照量值較宜昌地區顯著偏大；兩地太陽總輻照量與各氣象要素相關性大體類似，不同的是宜昌氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關性比武漢好；詳細統計了（低、總）云量與總輻照量的相關關系，對各種天氣類型（陰、晴等）進行分析后發現（低、總）云量對總輻照量影響很大，云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負相關；最高（低）氣溫與總輻照量最大（小）值存在時間差；兩地夏冬兩季相對濕度與總輻照量呈現出較為明顯的負相關。

關鍵詞：氣象要素；云量；相關分析；太陽總輻照量

中圖分類號：P422.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）01-0073-05

太陽輻射是地球上最重要的能量來源。大氣和地面接收到的太陽輻射與地球氣候系統之間關系密切。氣候變化過程中，云、水汽、氣溶膠等因素對太陽輻射的增多和減少起著重要作用，我國學者做了一些引起這種變化的可能原因及變化對能量收支、植被生長及人類生活環境等方面影響的研究[1-3]。我國氣候多變，地形復雜，本研究選取武漢及宜昌兩地區總輻照量、（低、總）云量、水汽及氣溫等觀測資料來分析太陽總輻照量變化的特征及規律，進一步了解其與氣溫、云量等氣象要素的關系，從而結合統計方法對太陽總輻照量做出比較有效的預報。

1 資料來源與處理

由于2007年以前的太陽總輻照量資料缺失，以及從2009年開始（低、總）云量的觀測方式由原來的每日逐時改為一天4次（02：00、08：00、14：00及20：00），為保證觀測資料時間上的連續，選取的氣象資料為武漢市氣象站和宜昌市氣象站2007-2008年每日逐時（06：00-17：00）太陽總輻照量（單位：MJ/m2）及同期逐時氣象要素（氣溫、云量及相對濕度等）的觀測資料。本研究的氣象觀測資料均為北京時間，輻射為地方時滯后一些。其中粗略的分季按照3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12-2月為冬季。

2 太陽總輻照量與氣象要素的關系

首先分析武漢及宜昌地區2007-2008年太陽總輻照量情況，將兩年的總輻照量逐月相加得圖1。由圖1可見，兩地夏季（6-8月）太陽總輻照量值最大，冬季（12-2月）總輻照量值最小，即太陽輻射有較明顯的四季差異性；武漢地區逐月太陽總輻照量值大多數時間均大于宜昌地區，在2007年4-12月尤其顯著。

在太陽輻射到達地球表面的過程中，會因為云的反射和散射、氣溶膠的散射和吸收、水汽的吸收、大氣的分子散射和氣體吸收等作用而被削弱，同時這些因子在時空分布的變化也會在不同程度上引起太陽總輻照量的變化，下面分析它們之間的相互關系。

從表1和表2可以看出，武漢地區四季氣溫與總輻照量正相關且通過了顯著性檢驗。相對濕度及（低、總）云量與總輻照量相關性較好，均通過了顯著性檢驗。風速與總輻照量極弱相關，其只是間接體現了天氣系統的影響，風速均通過了0.01的顯著性檢驗，可能與統計樣本個數較少有關。此外，水汽壓與總輻照量無顯著相關，沒有通過顯著性檢驗。宜昌地區與武漢地區總的情況類似，不同的是氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關性比武漢要差，而總云量與總輻照量的相關性較好。

2.1 總輻照量與云的相關分析

云是大氣中水汽相變的產物，它對太陽輻射影響很大，且其物理形成機制及變化比較復雜，是當前研究的一個熱點及難點。在本研究所用的觀測資料中，只有（低、總）云量可以直接或間接地反映云的變化。選取宜昌及武漢市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4個時次的總云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3個時段的太陽總輻照量，按四個季節進行統計，得到各季總、低云量和太陽總輻照量的對應關系。表3和表4為武漢、宜昌兩地夏季（6-8月）太陽總輻射量與（低、總）云量的對應關系（其他季節略）。

從表3和表4可以看出，總輻照量受（低、總）云量影響很大，在統計中發現，即使是同一季節，同樣是總、低云量均為0，兩地的太陽總輻射量也有一定差異。進一步分析發現，武漢在夏季受到副熱帶高壓控制，晴好天氣多，且其處于長江流域河谷中，多湖泊，地面散熱困難，導致高溫高濕。而宜昌地區位于鄂西南地區，夏季常處在副熱帶高壓邊緣，有降水系統的活動，炎熱的午后常有雷陣雨出現，氣溫及太陽輻射都會有所減弱。

通過對總輻照量值與（低、總）云量的比較不難看出，晴天即低云量為0～4成，或總云量為0～5成，或者兩者同時出現；少云即低云量為3～4成，或總云量為4～5成，或者兩者同時出現；多云即低云量為5～8成，或總云量為6～9成，或者兩者同時出現；陰即低云量為9～10成，或總云量為10成，或者兩者同時出現。總的來說，云量的增加（減少）會引起地面太陽總輻照量的減少（增加），云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負相關。然而，云量的變化可能并不是導致這些地區太陽輻射發生變化的主要原因，大氣中的其他因素如氣溶膠等，也會對太陽輻射產生重要的影響。

2.2 總輻照量與氣溫的相關分析

一般而言，到達地面的太陽輻射的減少或增加勢必引起氣溫發生相應的變化，但由于城市“熱島效應”等諸多因素，到達地面的太陽短波輻射并不一定能決定氣溫變化的方向。實際觀測與理論計算都表明，大氣的加熱主要是通過地表對大氣的長波輻射[4]。挑選差異較為明顯的冬夏兩季，單純從氣溫與總輻照量日變化圖（圖2、圖3）分析發現，武漢、宜昌情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但是兩者有一定的時間差。這可能有兩方面的原因：一是總輻照量采用地方時間較北京時間滯后一些；二是由于當太陽輻射達到最大值時，近地面空氣除了吸收來自太陽的短波輻射，還吸收了來自地面的長波輻射（地面反射的太陽輻射），熱量達到最大值，氣溫才能達到最高值。氣溫最高值一般出現在午后，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在相同的情況。endprint

2.3 總輻照量與相對濕度的相關分析

目前，水汽對短波太陽輻射的吸收僅相當于氣溶膠對太陽直接輻射削弱的50%左右[4]，但水汽仍然是影響太陽輻射大氣傳輸的一個重要因子，描述水汽含量時常用相對濕度作為大氣中水汽含量的表征。通過冬夏季情況的比較來分析總輻照量與相對濕度的關系，首先分析2007-2008年夏季（6-8月）的情況，武漢市兩年逐時總輻照量的均值是1.08 MJ/m2，相對濕度的均值是67%，宜昌市兩年逐時總輻照量均值是1.09 MJ/m2，相對濕度的均值是71%；再分析2007-2008年冬季（12-2月）的情況，武漢市兩年逐時總輻照量的均值是0.79 MJ/m2，相對濕度的均值是62%，宜昌市逐時總輻照量的均值是0.57 MJ/m2，相對濕度的均值是66%。結果表明，宜昌地區冬夏季相對濕度均值總是大于武漢，這可能是由宜昌地區的地理特點決定的。控制水汽壓及風速，兩地2007-2008年總輻照量與相對濕度偏相關分析的結果見表5。總體來說，偏相關系數與相關系數相差不大，不同的是宜昌夏季總輻照量與相對濕度的相關性要好于武漢，因此可以確定相對濕度是總輻照量的一個主要影響因素。

分析夏季時武漢及宜昌地區的總輻照量與相對濕度數據，結果見圖4，可見2007-2008兩年間武漢、宜昌兩地太陽總輻照量各季逐時變化與相對濕度變化呈負相關，且通過0.01的顯著性檢驗。

3 小結與討論

按季節對武漢、宜昌兩地進行逐時太陽總輻照量與氣象要素相關分析，發現兩地情況大致類似，氣溫與總輻照量呈正相關且通過顯著性檢驗。相對濕度及（低、總）云量與總輻照量相關性較好，均通過了顯著性檢驗。此外，水汽壓與總輻照量無顯著相關，沒有通過顯著性檢驗。不同的是宜昌地區氣溫、相對濕度及低云量與總輻照量的相關性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關性較好。

云量是影響太陽輻射的最重要的因子之一。本文著重分析了（低、總）云量對太陽總輻照量的重要影響，選取宜昌及武漢市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4個時次的總云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3個時段的太陽總輻照量，按照四個季節進行統計發現：區分晴、陰天氣的情況下，兩地總的來說都遵循著云量的增加（減少）會引起地面太陽總輻照量的減少（增加），云量與太陽總輻照量存在比較明顯的負相關。但值得一提的是，云量和太陽輻射之間關系很復雜，難以解釋。由于數據有限，本文僅分析了（低、總）云量對太陽輻射的影響，還有氣溶膠、下墊面性質等諸多影響因素尚未引入分析，因此該地區太陽輻射變化的確切影響機制，尚需要進一步的研究。

氣溫與總輻照量的相關性不大，實際觀測與理論計算都表明，大氣的加熱主要是通過地表對大氣的長波輻射，湍流熱交換及潛熱交換過程來實現[5，6]。但單純分析冬夏兩季日變化，武漢、宜昌兩地情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但兩者有一定的時間差，這是因為當太陽輻射達到最大值時，近地面空氣除了吸收來自太陽的短波輻射，還吸收了來自地面的長波輻射，熱量達到最大值，氣溫才能達到最高值，最高氣溫一般出現在午后。同樣地，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在時間差。這些情況說明氣溫不單受太陽輻射的影響，還與下墊面的地理特征等有關。通過相對濕度與總輻照量偏相關分析及對比兩者2007-2008年隨時間變化圖可以發現，相對濕度與總輻照量呈負相關。

本研究資料僅限于武漢及宜昌兩站每日逐時的太陽總輻照量和氣象要素的資料，太陽輻射是大范圍長期作用的因素，僅兩站短期資料可能難以精確反映普遍規律。

上述氣象要素與太陽總輻照量之間復雜、不穩定的關系，并非本研究的研究區域所特有，而是當前國內外研究中所面臨的共同難點[7]，其中可能包含了比較復雜但也相當重要的科學問題，值得進行深入的分析。

參考文獻：

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[3] 李曉文，李維亮，周秀驥.中國近30年太陽輻射狀況研究[J].應用氣象學報，1998，9（1）：24-31.

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[7] WILD M，GILGEN H，ROESCH A，et al.From dimming to brightening：Decadal changes in solar radiation at earths surface[J].Science，2005，308：847-850.endprint