基于云圖特征量的太陽輻射預報方法

蒲　肅，陳　娜，劉　抗，王有生，張文波（.甘肅省氣象服務中心，甘肅蘭州73000；.蘭州工業(yè)學院，甘肅蘭州730050）

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基于云圖特征量的太陽輻射預報方法

蒲肅1，陳娜2，劉抗1，王有生1，張文波1
（1.甘肅省氣象服務中心，甘肅蘭州730020；2.蘭州工業(yè)學院，甘肅蘭州730050）

摘要：利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射逐小時觀測資料，研究了敦煌太陽總輻射量與云量、紅外亮溫、大氣可降水、可見光反射率等云圖特征量的關系，發(fā)現(xiàn)敦煌地區(qū)太陽總輻射值的衰減值和總輻射理論值的日變化規(guī)律基本一致,敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見光反射率、大氣可降水等特征量和太陽總輻射衰減率具有很好的相關性。進而將云圖特征量作為預報因子，利用多元線性回歸方程，建立太陽總輻射量統(tǒng)計預報模型。利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射衰減率對方程進行預報效果檢驗。12個月太陽總輻射衰減率預測結(jié)果與實測值變化趨勢基本一致,表明基于云圖特征量的太陽輻射預報方法具有較好的應用前景。

關鍵詞：云圖；特征量；太陽總輻射；預報方法

地表太陽總輻射量的預測是一個十分復雜的問題。基于太陽能幾何方程，可以利用確定性模型評估無云情況下的太陽輻射量[1]然而地表太陽輻射量不僅受地理因素和季節(jié)的影響，而且與大氣透明度、水汽含量、氣溶膠、云與太陽的相對位置等密切相關[2]，在預報的過程中，太陽輻射的衰減量與云層的關系最為密切[1，3]。目前，發(fā)達國家對太陽能預報方法的研究發(fā)展很快。一些研究通過衛(wèi)星云圖預測出地面太陽輻照強度，再根據(jù)預測模型預測光伏電站的發(fā)電情況[4，5]，我國對太陽能光伏發(fā)電預報技術的研究還處于起步階段[6]，基于衛(wèi)星云圖資料的外推方法鮮見研究，現(xiàn)有的只考慮到云量的多少對太陽總輻射的影響，并沒有系統(tǒng)的研究云圖特征量和太陽總輻射變化之間的關系。

甘肅敦煌地區(qū)降水稀少、空氣干燥、晴天多、日照充足，土地資源充足，是研究太陽輻射變化，并發(fā)展太陽能光伏發(fā)電研究的典型區(qū)域。根據(jù)政府相關規(guī)劃，甘肅河西地區(qū)將建設多個大型光伏發(fā)電基地。本文擬通過敦煌云圖特征量和太陽總輻射逐小時觀測數(shù)據(jù)，分析云圖特征量變化對地面太陽總輻射變化的影響，建立基于云圖特征量因子的太陽總輻射衰減率預報方程。本研究有利于提高太陽總輻射預報水平，為節(jié)能減排和環(huán)境保護做出貢獻。

1　資料及處理方法

1.1太陽總輻射理論值、實測值及衰減值

由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，太陽相對于地平面的位置不斷變化，使得到達地面的太陽輻射量也不斷變化。如果不考慮大氣層對太陽輻射造成的衰減，那么可以根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的變化規(guī)律計算出敦煌地面逐時次的太陽總輻射值，這是太陽總輻射的理論值。計算公式如下：

式中：GSC為太陽常數(shù)；λ為日地距離訂正系數(shù)；δ為赤緯角；φ為緯度；τt時角；n為一年中的日序號（如1月1日，n=1）。時角上午為負，下午為正，τt=15°z-7.5°，z為離正午的時間（h）。

太陽總輻射實測資料是敦煌國家基準氣象站2012年逐小時太陽輻射的實況監(jiān)測資料。

現(xiàn)實情況中，太陽輻射經(jīng)過大氣層會出現(xiàn)衰減，這種衰減既包括云對太陽輻射的衰減，還包括霧霾、灰塵造成的衰減。在本研究中只考慮云層對太陽輻射的衰減，既認，為太陽總輻射衰減值的這種不規(guī)律的變化都是由云的變化引起的。計算出敦煌站逐小時的太陽總輻射理論值之后，用它減去敦煌站逐小時太陽總輻射實際觀測值，即可得到太陽輻射通過大氣層時的衰減值。

為了更好地反映云對太陽總輻射衰減的影響，在這里引入一個概念——太陽總輻射衰減率K。太陽總輻射的衰減率反映了太陽輻射通過大氣層時的衰減情況，K定義為某時次太陽總輻射衰減值與太陽總輻射理論值的比值。在不同的周期內(nèi)，數(shù)值并不相同，在某個小時內(nèi)，太陽總輻射衰減值It與太陽總輻射理論值I的比值，即可認為是該小時太陽總輻射的衰減率K，表達式為：

1.2云圖特征量

云圖資料為國家衛(wèi)星氣象中心2012年逐小時云圖監(jiān)測資料，選用風云二號氣象衛(wèi)星（簡稱FY2）衛(wèi)星云圖資料。將敦煌站經(jīng)緯度（40.15°N,94.68°E）轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度投影和標稱圖坐標，敦煌站在等經(jīng)緯度投影圖像中位置為（i=397,j=894），在標稱圖上位置為（i=697,j=1296）。分別從標稱圓盤圖和等經(jīng)緯度投影云圖數(shù)據(jù)文件中提取出該經(jīng)緯度的云量，亮溫，可見光反射率，大氣可降水等數(shù)據(jù)。

2　敦煌太陽總輻射變化分析

圖1和圖2分別為敦煌2012年冬季（1月1～5日）和夏季期間（7月1～5日）太陽總輻射理論值與實測值的對比。

圖1　2012年1月1～5日太陽總輻射理論值與實測值對比

圖2　2012年7月1～5日太陽總輻射理論值與實測值對比

從圖中可以看出，無論是冬季還是夏季，敦煌太陽總輻射的實際觀測值和理論值都有較大的差異。冬季太陽總輻射理論值明顯低于夏季，冬季的最大值只有夏季的1/2，但每日的太陽總輻射理論值變化趨勢基本一致。夜間為零，日出后隨著時間推移逐漸增大，到中午達到最大值，然后隨時間推移逐漸減小，到日落后減小為零。實測的輻射值在日際變化中大體上遵循相同的變化規(guī)律。

圖3　2012年1月1～5日太陽總輻射理論值與衰減值對比

圖4　2012年7月1～5日太陽總輻射理論值與衰減值對比

圖3和圖4分別為敦煌2012年冬季1月1～5日和夏季7月1～5日逐小時太陽總輻射衰減值和太陽總輻射理論值的對比。太陽總輻射衰減值在一天當中的變化規(guī)律和總輻射理論值的變化趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小，在太陽總輻射理論值為零的時候也為零。冬季太陽總輻射的衰減明顯小于夏季，而且冬季太陽總輻射衰減值的曲線更為光滑，即冬季太陽總輻射衰減值的變化更符合太陽總輻射理論值變化的規(guī)律。這主要是因為相比夏季，冬季天氣情況較為穩(wěn)定，云的變化相對較少，對太陽總輻射衰減的影響較為穩(wěn)定，所以，太陽總輻射衰減值的變化更具規(guī)律性。

從圖中可以看出，在短期內(nèi)太陽總輻射理論值變化不大，1月1～5日每日太陽總輻射理論值的最大值在229到226kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽總輻射理論值的最大值在452到451kJ/cm2之間變化。相比較而言，輻射衰減值的變化卻比較明顯，1月1-5日每日太陽總輻射衰減值的最大值在121到78kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽總輻射衰減值的最大值在276到163kJ/cm2之間變化，其變化的幅度要明顯大于太陽總輻射理論值的變化。

從逐小時的數(shù)據(jù)對比來看，太陽總輻射衰減值和太陽總輻射理論值的變化規(guī)律并不符合，有時理論值在增大，但太陽總輻射衰減值在減小，有時理論值在減小，但太陽總輻射衰減值卻在增大。太陽總輻射衰減值的這種不規(guī)律變化正是影響太陽能光伏發(fā)電預報準確率的最主要原因。

3　云圖特征量與太陽總輻射衰減率相關性分析

3.1云量與太陽總輻射衰減率相關性分析

本研究中用于分析的云量是總云量，總云量的定義是天空在觀測時被所有的云遮蔽的總成數(shù)。從逐月分析云量與太陽總輻射衰減率之間的相關可看出，云量與太陽總輻射衰減率之間全年均為正相關，但12月份08、17兩個時次相關顯著性明顯偏弱。其余月份均可通過α=0.05的顯著性檢驗，特別是10月其相關顯著性明顯偏高，甚至可以超過α= 0.01的信度檢驗，這可能與西北地區(qū)10月多連陰雨天氣有關。也就是說，全年絕大多數(shù)時次，云量偏多時，太陽總輻射衰減率增大。

3.2紅外亮溫與太陽總輻射衰減率相關性分析

亮溫即亮度溫度，云圖亮溫溫度是指將衛(wèi)星觀測到的輻射看成普朗克黑體輻射，并據(jù)此算出的溫度。目前采用的衛(wèi)星掃描輻射計包括4個紅外通道。下面分析各通道亮溫與太陽總輻射衰減率的相關性。

通道1亮溫、通道2亮溫、通道3亮溫與太陽總輻射衰減率都以負相關為主，只有個別月份存在正相關，且這些月份集中在冬、春季節(jié)。一年中一般情況下通道1、2、3亮溫越大，太陽總輻射衰減率越小，但是冬、春季節(jié)會有通道1、2、3亮溫越大，太陽總輻射衰減率也越大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

通道4亮溫與太陽總輻射衰減率以負相關為主，個別月份存在正相關，這些月份集中在春末夏初、秋末時段，且出現(xiàn)正相關的時次主要集中在一天中的15～18時，即15～18時通道4亮溫越大，太陽總輻射衰減率從越大的現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率要遠高于其他時次。

3.3大氣可降水與太陽總輻射衰減率相關性分析

大氣可降水指晴空條件下大氣柱中水汽總含量。在有云情況下，衛(wèi)星探測到的是云頂及其以上大氣的輻射，基本探測不到云中及其以下大氣的輻射，因此，只有晴空時才能利用紅外分裂窗反演大氣可降水。

大氣可降水與太陽總輻射衰減率3～8月為正相關，其余月份負相關。特別是7、8月降水相對豐沛的月份中，其正相關顯著性明顯增高，而相對顯著的負相關存在于10月。3～8月大氣可降水量偏多則太陽總輻射衰減率大，其余月份大氣可降水量偏多則太陽總輻射衰減率小。大氣可降水對太陽總輻射衰減率的影響因為時間不同有所差異，中午10～14時大氣可降水與太陽總輻射衰減率之間的相關性最為明顯，其余時次的相關性相對較弱。

3.4可見光反射率與太陽總輻射衰減率相關性分析

可見光反射率又稱反照率，在可見光云圖上，物像的色調(diào)取決于反射太陽輻射的強度。而衛(wèi)星接收到的反射太陽輻射的多少取決于兩個因素：一是入射到目標物上的太陽輻射的多少；二是目標物反照率的大小。

可見光反射率與太陽總輻射衰減率以正相關為主，只有個別月份存在負相關，負相關主要是出現(xiàn)在冬季。反射率和太陽總輻射衰減率整體上呈現(xiàn)正相關分布，也就是可見光反射率大，太陽總輻射衰減率就大，但在冬季也會偶爾出現(xiàn)可見光反射率大而太陽總輻射衰減率小的現(xiàn)象。

4　基于云圖特征量的太陽總輻射衰減率預報方程

通過各時次云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關性分析，我們基本了解了云圖特征量對太陽總輻射衰減率的影響規(guī)律，各云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關系數(shù)如圖5所示。

圖5　2012年1～12月各因子太陽總輻射衰減率相關系數(shù)

利用2013年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射衰減率對方程進行預報效果檢驗。12個月太陽總輻射衰減率預測結(jié)果與實測值變化趨勢基本一致。對比12個月，9月實測值與預測值之間的差值最小，5月最大。1、3、4、5、6、7、9、11月預測方程得出的結(jié)果小于實測值，2、8、10、12月時預測方程得出的結(jié)果要大于實測值，但預報誤差都比較小。如圖6所示。

圖6　2013年1～12月太陽總輻射衰減率預測與實際值對比

5　小結(jié)

無論是冬季還是夏季，敦煌太陽總輻射的實測值和理論值都有較大差異，太陽輻射經(jīng)過大氣層時會出明顯的衰減。敦煌太陽總輻射衰減值和理論值的日變化規(guī)律趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小。但從逐小時甚至更短時間段的數(shù)據(jù)分析，太陽總輻射衰減值和理論值的變化規(guī)律并不符合。

敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見光反射率、大氣可降水等特征量和太陽總輻射衰減率具有很好的相關性。不同特征量相關系數(shù)不同，同一特征量在不同月份相關系數(shù)變化也比較明顯，尤其在7、8月份降水相對豐沛的月份中，其相關顯著性明顯增高。由此可見，太陽總輻射的變化與云圖特征量之間存在密切相關。

基于云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關性建立預報方程，通過預報效果檢驗，證明有較高的預報準確率。這種預報方法對于改進現(xiàn)有光伏發(fā)電功率預報預測方法，提高光伏發(fā)電功率預報準確率具有重要的意義。

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中圖分類號：P422.1