近30年中國太陽總輻射時空特征及趨勢分析

喻麗　王姝蘇　褚榮浩　顧俊杰　潘亮東

摘要[目的]研究近30年我國太陽總輻射時空分布特征及長期變化趨勢。[方法]利用全國62個站點1986—2015年太陽總輻射實測資料，分析了總輻射時空分布以及變化趨勢。[結果]我國太陽年總輻射總體呈現出較為明顯的波動上升趨勢，而季節總輻射上升幅度從大到小依次為春季、夏季、冬季、秋季；太陽總輻射呈現出西北高、東南低，內陸高、沿海低，高原高、平原低，干燥區高、濕潤區低的空間分布特征，青藏高原、川黔渝山地分別為我國太陽總輻射高值和低值區；春夏兩季太陽總輻射的增加是全年總輻射上升的主要原因；1996—2005年總輻射量的顯著增加是導致30年來我國總輻射量增加的重要原因之一。[結論]該研究可為我國太陽能資源的有效利用提供重要科學依據。

關鍵詞太陽總輻射；時空分布特征；變化趨勢；中國

中圖分類號S161.1；P467文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）33-0192-05

Temporal and Spatial Characteristics and Trend Analysis of Total Solar Radiation in China in Recent 30 Years

YU Li1，WANG Shusu1，CHU Ronghao2 et al

（1.Dafeng District Meteorological Bureau of Yancheng City，Yancheng，Jiangsu 224100；2.College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210044）

Abstract[Objective]The research aimed to study the temporal，spatial distribution characteristics and the longterm trend of the total solar radiation in China during nearly 30 years.[Method]The spatial and temporal distribution of total solar radiation and the trend of change were analyzed by using the total solar radiation data of 62 stations in China from 1986 to 2015.[Result]The annual total solar radiation in China showed a obvious trend of rising volatility，but the seasonal increase in total radiation from large to small，followed by spring，summer，winter，autumn；The total solar radiation mainly shows the spatial distribution characteristics of high northwest，low southeast，high inland，low coastal，high plateau，low plain and high dry area and low humid area.From both the annual and the seasonal radiation results，a stable high value was shown in the Tibet Plateau，a stable low value was shown in the mountainous area of Sichuan and Chongqing.The increase of total solar radiation in spring and summer was the main reason for the increase of total radiation in the whole year.The significant increase of total radiation in 1996-2005 was one of the important reasons for the increase of total radiation in China in 30 years.[Conclusion]The study can provide scientific basis for the effective use of solar energy resource in China.

Key wordsTotal solar radiation；Temporal and spatial distribution characteristics；Change trend；China

太陽輻射是地表能量的主要來源，是驅動天氣、氣候形成和演變的基本動力。太陽總輻射、散射輻射、直接輻射等在人類日常生活、農業、工業、建筑節能分析等相關應用中發揮著關鍵作用，到21世紀后期，太陽能備受關注，成為舉足輕重的新能源之一[1-2]。近幾十年來世界范圍內絕大多數地區的太陽輻射變化趨勢幾乎都歷經了從下降到上升的過程，即為地球的“變暗”和“變亮”。研究發現，20世紀50—90年代太陽輻射由于受到人類活動和城市化的影響明顯下降，這一過程被稱為“全球變暗”[3-12]；20世紀90年代以后，全球包括中國在內的大部分站點太陽輻射呈現總體上升趨勢，即所謂的“全球變亮”階段[7-8，13]，造成這種現象的原因主要是云量與城市氣溶膠濃度的下降提升了無云大氣層的透明度，同時全球已從1991年Pinatubo火山爆發的影響中恢復[14-15]。Liepert[16]和De等[17]研究德國與荷蘭等國家太陽輻射變化特征發現，西歐地區太陽輻射在逐年降低，其中太陽輻射降低較為明顯的地域通常位于主要城市附近，原因是城市的發展使得空氣污染加劇，削弱了進入地表的太陽輻射。Wild等[18]研究分析歐洲1985—2005年輻射資料發現，32個網格中有26個網格的太陽輻射是上升的，占總數的81%。關于中國太陽輻射長期變化特征，學者們也進行了大量研究[19-21]。如王雅婕等[19]分析1961—2003年全國30個觀測站太陽總輻射實測值發現，1961—1989年中國太陽輻射呈總體下降趨勢，尤其是春夏兩季下降明顯，但1990—2003年輻射又有略微回升。馬金玉等[22]研究1961—2009年全國57個站實測資料得出，輻射總體呈下降趨勢，按年代際來看，20世紀60—70年代主要呈上升趨勢，70年代以后輻射開始減少，80年代以后是輻射下降高峰時段，下降趨勢一直持續到90年代初期，之后個別站點太陽輻射值呈現小幅增加。

太陽能資源大規模的開發與利用，對于調整能源結構、改善空氣質量、應對氣候變化等都具有重大意義。我國太陽能資源豐富且分布廣泛，很多區域的太陽能資源優于日本和歐洲等太陽能利用發達國家，太陽能資源開發潛力很大[23-24]。此外，我國太陽總輻射分布范圍廣，區域分布、日、季節等短期以及年際與年代際等長期變化特征不盡相同，因此想要有效地利用太陽能資源，首先必須了解太陽輻射的時空分布特征及其變化趨勢，在此基礎上，確定有開發利用價值的區域以及該區域太陽能資源充足的時間段，從而充分有效地利用太陽能資源。筆者利用全國62個站點1986—2015年太陽日總輻射值，詳細分析了近30年我國太陽總輻射的時空分布及其演變特征，旨在為我國太陽能資源的有效利用提供重要的科學指導與理論依據。

1資料與方法

1.1數據來源

該研究數據來源于國家氣象信息中心1986—2015年大連、二連浩特、廣州等全國62個輻射站點太陽日總輻射實測資料，對數據進行內插訂正，以保證其有效性。輻射站點具體分布如圖1所示。

總輻射

均值差ΔQa=2-1，2006—2015年與1996—2005年總輻射均值差

ΔQb=3-2。季節按氣象季節劃分方法，即春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。該研究分季節、分年代對日總輻射趨勢變化以及變化時空格局進行深入研究，采用Mann-Kendall 方法 （M-K法） 對太陽總輻射變化趨勢進行趨勢及顯著性檢驗。

2結果與分析

2.1太陽總輻射時空分布特征

2.1.1時間變化特征。從圖2可以看出，1986—2015年中國太陽總輻射呈明顯波動上升趨勢，不同年份間變化情況有所差異。1986—1989年太陽總輻射小幅下降，這與20世紀50—90年代“全球變暗”的研究結果基本吻合[25]。20世紀90年代前期，總輻射量呈現出較為顯著的上升趨勢；1994—2015年總輻射沿趨勢線上下小幅波動，變化趨勢減弱。總體而言，1986—2015年太陽總輻射呈現出較為明顯的波動上升趨勢，這與20世紀90年代以后“全球變亮”的研究結果基本一致[26]。

從圖3可以看出，近30年中國各季節太陽總輻射均呈小幅上升趨勢，總體趨勢表現為春季>夏季>冬季>秋季，秋冬兩季上升趨勢與春夏兩季相比并不明顯。與全年總輻射量相比，四季太陽總輻射的長期變化特征尤其是春夏兩季與年總輻射變化趨勢較為接近，說明春夏兩季總輻射的增加是全年輻射上升的主要原因。

2.1.2空間分布特征。

太陽總輻射是地表接收的太陽輻射能量的總和，在輻射平衡中起著重要作用，因受到地形、季風、海拔和經緯度等因素的作用，中國太陽總輻射量具有明顯的空間分布特征。從圖4可看出，近30年我國全年太陽總輻射量總體介于3 309.00～7 580.00 MJ/（m2·d），總體呈現出西北高、東南低，內陸高、沿海低，高原高、平原低，干燥區高、濕潤區低的空間分布特征。

青藏高原由于地勢高、氣候干燥、空氣稀薄、大氣透明度高，成為穩定的高值區，最高中心出現在獅泉河以及雅魯藏布江一帶，達7 500.00 MJ/（m2·d）以上。次高值區經過南疆地區后繼續向東北和柴達木盆地延伸，一直到達甘肅西北部、內蒙西部以及新疆東部的三省交界地帶。內蒙中北部、騰格里沙漠以西甘蒙兩省交界處以及云南香格里拉地區也伴有5 976.00～6 510.00 MJ/（m2·d）的高值分布，造成上述分布特征的主要原因是西北沙漠地區云量少，導致大氣逆輻射較弱，大氣對太陽輻射的削弱作用減弱，且降水量少；而香格里拉地區總輻射量多是因為地處川、滇、藏三省交匯處，海拔高且位于橫斷山脈迎風坡，到達地面的太陽輻射較多。

安徽農業科學2017年

川黔渝地區由于山地分布較多，且為四川盆地所在區域，成為穩定的低值區，最低值小于3 900.00 MJ/（m2·d）。以此極低值區為中心向東延伸經湖北、江西至長江中下游地區，向東南一直延伸到湖南直至兩廣、福建地區，從而形成次低值區。其他相對低值區主要位于我國東北地區和新疆西北部額爾齊斯河地區。由于東北三省地處我國高緯度地區，冬季太陽高度低、日照時數少，且夏季降雨時段較多、太陽總輻射小。新疆額爾齊斯河流域地處阿爾泰山與塔爾巴哈臺山之間，大氣擴散條件差，從而削弱到達地表的太陽輻射，導致總輻射低于新疆其他區域。此外，我國華北平原南部全年總輻射值較低，北部輻射值相對較高，部分地區仍低于全國均值[5 113.69 MJ/（m2·d）]。

隨著季節的演變，全國總輻射量的空間分布也發生著相應變化。春季（圖5a），總輻射量最高值區域為西藏獅泉河地區，達2 200.42 MJ/（m2·d），西藏其余地區總輻射量基本介于1 850.00～2 100.00 MJ/（m2·d）的高值區，且延伸至柴達木盆地、嘉峪關以西直至新甘蒙三省交匯處。另一相對高值區介于1 600.00～1 850.00 MJ/（m2·d），主要包括云南、寧夏、新疆以及內蒙大部地區、青海東部、西藏東南部和甘肅中部等地區，但新疆準格爾盆地和喀什地區輻射值又出現相應減少。全國范圍內的低值區基本位于30°N以南、100°E以東區域內。太陽總輻射最低值出現在廣州，為863.92 MJ/（m2·d），由此低值中心向外擴散，向北到達江西西南部、湖南大部以及福建莆田、福州、寧德沿海一帶，向西北到達廣西、貴州、重慶大部分區域以及四川瀘州、宜賓、成都沿線一帶。

夏季（圖5b），全國總輻射值呈現普遍上升趨勢。在強大夏季東南季風的影響下，總輻射空間分布分割線基本呈東

北—西南走向。最高值出現在西藏獅泉河和拉薩、青海柴達木盆地、新甘蒙交匯處以及新疆準格爾盆地以西地區，最高值達2 298.14 MJ/（m2·d）；高于1 600.00 MJ/（m2·d）的高值區從滇藏交匯處出發，沿東北向經過四川西北部，進入甘肅大部地區以及寧夏全境，之后進入陜西北部以及山西大部地區，最后向東北方延伸直至京津冀后到達東北區域。夏季低值區主要位于我國西南、華南、華東、華中以及華北大部分地區，最低值位于成都，為1 200.11 MJ/（m2·d）。除此之外，東北三江平原、長白山地區以及遼東半島以北的營口、鞍山地區也是相對低值區域。

秋季（圖5c），與春夏兩季相比，秋季太陽總輻射有所下降。最高值與最低值中心配置形勢與全年總輻射基本一致。青藏高原兩高值中心雖仍維持，但其范圍進一步擴大，沿喜馬拉雅山脈一帶分布，最高值達1 747.18 MJ/（m2·d）。其次介于1 350.00～1 600.00 MJ/（m2·d）的高值中心區域主要包括青海與西藏大部、甘肅東北以及南疆地區。與全年總輻射分布類似，低值中心位于川渝黔山地，且陜西西南部與四川交界處也處于低值中心范圍內，最低值為637.86 MJ/（m2·d），并以此為中心向東部和東南部延伸以及北部延伸。

冬季（圖5d），我國各地太陽總輻射普遍降至全年最低，但青藏高原高值中心及川渝黔山地的低值中心保持不變。以昆侖山、唐古拉山、橫斷山三大山脈作為輻射高低值的隔離帶，總輻射高值帶主要位于三大山脈以南的滇藏全境、青海東南地區以及四川西部地區。進而形成2個最高值點：西藏境內與不丹接壤的藏南地區以及云南北部與川藏交界處，最高值達1 402.29 MJ/（m2·d）。而低值中心位于川渝黔大部地區，最低值為376.18 MJ/（m2·d）。新疆準格爾盆地與塔里木盆地也出現2個小低值區，主要原因是由于沙漠地區氣候干燥，空氣渾濁，到達地面的太陽輻射遭到削弱。另一個小低值區出現在我國東北黑龍江與松花江流域，這是由于此區域處于我國最高緯度區，冬季日照時間少、太陽輻射小。

2.2太陽總輻射時空變化趨勢

從圖6可看出，近30年中國全年和四季太陽總輻射各站點大都呈上升趨勢；春夏兩季總輻射上升幅度較大、秋冬兩季總輻射上升幅度較小。

通過分析62個站點總輻射變化發現，全年總輻射呈顯著上升的站點有14個，不顯著上升的站點有29個，上升的站點占總數的69%，上升的站點大范圍集中在我國南方地區，東北、華北和西北的部分地區也有少數上升站點。從四季總輻射變化來看，春季有21個站點總輻射顯著上升，28個站點不顯著上升，上升的站點占比79%，此外，夏季上升的站點占比68%，春夏兩季上升的站點無明顯區域分布規律，呈零散分布。與春夏兩季相比，秋冬兩季上升幅度較小且上升的站點數相應減少，上升的站點占總數的55%左右。與全年上升的站點分布情況類似，秋冬兩季的上升站點主要集中在南方大部分地區，北方地區少量分散分布。結合以上分析可看出，春夏兩季太陽總輻射的增加是全年總輻射呈上升趨勢的主要原因。

2.3太陽總輻射時空變化格局

為進一步了解我國不同地區以及不同年代太陽總輻射的變化情況，分別計算出1996—2005年與1986—1995年總輻射均值差ΔQa、2006—2015年與1996—2005年總輻射均值差ΔQb，以此來分析全國各個區域不同年代際太陽總輻射變化幅度的時空分布格局。

由圖7a可見，與1986—1995年太陽總輻射均值相比，1996—2005年全國大部分站點太陽總輻射呈明顯上升趨勢，其中青海南部以及西藏南部的青藏高原地區上升趨勢最為明顯。全國有16個站點呈減少趨勢，占總數的26%，且輻射下降的站點主要分布在西北、華北、西南地區，河南、廣西、遼寧等地有零星下降的站點分布。

從圖7b可以看出，近10年與1996—2005年太陽總輻射均值相比，其中有32個站點總輻射呈下降趨勢，30個站點總輻射呈上升趨勢，輻射升降站點基本呈1∶1分布。下降的站點集中分布在我國華北、西北等秦嶺淮河以北的北方地區，西南部的西藏、云南、四川等地區也有個別下降的站點；而輻射上升的站點主要分布在我國東北、華東、華中、華南以及新疆東北部等區域。總體而言，太陽總輻射變化分布格局較為分散，變化值呈正負間隔分布。綜上所述，1996—2005年總輻射量的顯著增加是導致30年來我國總輻射量增加的重要原因之一。

3結論

通過對62個站點太陽日總輻射資料的統計與分析，具體闡明了我國太陽總輻射的時空分布特征以及近30年的長期變化特征，得到以下結論：

（1） 我國太陽總輻射主要分布特征是西北高東南低、內陸地區高于沿海地區、高原地區高于平原地區、干燥地區高于濕潤地區。青藏高原地區為穩定高值區，川黔渝山地為常年穩定低值區。

（2） 30年來我國太陽總輻射總體呈上升趨勢，其中20世紀90年代前期總輻射上升趨勢最為顯著。四季輻射均呈現上升趨勢，其中春季上升幅度最大，其次是夏季、冬季和秋季。春夏兩季總輻射的增加是全年總輻射呈上升趨勢的主要原因。

（3） 通過對全年和四季總輻射進行M-K檢驗，結果發現各站點大多呈上升趨勢。春夏兩季總輻射上升幅度大于秋冬兩季，表明春夏兩季太陽總輻射的增加是全年總輻射上升的主要原因。

（4） 我國全年總輻射年代變化特征： 1996—2005年與前10年相比大部分站點輻射上升，且集中分布在青海和西藏南部，而近10年與1996—2005年相比，升降站點呈1∶1分布，且分布不集中。四季總輻射變化格局依各季節而異，輻射上升最明顯的地區都為獅泉河與那曲兩站。1996—2005年總輻射量的顯著增加是導致30年來我國總輻射量增加的重要原因之一。

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