基于MK檢驗(yàn)的延安站30年輻射量特征分析

王重洋，弓 衛(wèi)，暢蓬博

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

0 引言

近年來(lái)全球氣候變暖日益嚴(yán)重,極端天氣事件頻發(fā),影響了人類(lèi)的生產(chǎn)和生活。陜西北部地區(qū)太陽(yáng)能資源較為豐富,該地區(qū)近幾年開(kāi)發(fā)建設(shè)了很多大型光伏基地,太陽(yáng)輻射的變化直接影響這些工程的收益。

本文選取陜西省延安站30 年輻射數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,探討其輻射量年際變化特征及其突變（M-K）檢驗(yàn),有助于理解延安地區(qū)太陽(yáng)能資源更深層次的變化規(guī)律,同時(shí)對(duì)陜西北部地區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能資源有舉足輕重的意義。

1 研究區(qū)域概況

延安位于陜西北部,地處黃土高原的中南部。北部與榆林連接,南部與銅川、咸陽(yáng)、渭南三市相接,東部與山西臨汾、呂梁相望,西部與甘肅慶陽(yáng)相鄰。全市總占地面積為37037 km2。延安屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū),春季干燥少雨,氣候多變,有大風(fēng)、揚(yáng)沙天氣；夏季炎熱多雨,有時(shí)伴有冰雹,無(wú)酷熱期；秋季氣溫下降迅速,多濕潤(rùn)、陰雨天氣；冬季少雨雪,多西北風(fēng),干冷明朗。

延安地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大致為2418 h,日照百分比大致為55%,年太陽(yáng)總輻射量在5000 MJ/m2以上（見(jiàn)圖1）,太陽(yáng)能資源較為豐富,并且具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。

圖1 延安市水平面總輻射空間變化分布圖

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

本文選取延安氣象觀(guān)測(cè)站1990年～2019年的逐月輻射量觀(guān)測(cè)資料,數(shù)據(jù)來(lái)源為國(guó)家氣象信息中心,且數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制。

2.2 研究方法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法（M-K）是一種應(yīng)用廣泛的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,可用于預(yù)測(cè)溫度,降水和氣壓等氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[1]。非參數(shù)檢驗(yàn)方法也稱(chēng)無(wú)分布檢驗(yàn),變化要素不一定具備正態(tài)分布特征,也不會(huì)受到少數(shù)異常值的影響,定量化程度高,檢測(cè)范圍寬,干擾度小,計(jì)算簡(jiǎn)單,因此適用于具有非正態(tài)分布特征的變化趨勢(shì)分析,如氣象要素等。設(shè)A1,A2,…,An為時(shí)間序列變量,n為樣本個(gè)數(shù),則統(tǒng)計(jì)量S可被定義[2]為：

式中：sgn代表符號(hào)函數(shù)；

S代表正態(tài)分布,均值等于0,其方差計(jì)算如式（3）所示。

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量公式中不同S區(qū)間對(duì)應(yīng)Z值為：

接著,運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法進(jìn)行突變分析。

綜上所述,在M-K法趨勢(shì)檢驗(yàn)中,代入具體的置信水平a值大小,若|Z|≥Z1-a/2,則假設(shè)不成立。當(dāng)Z＞0時(shí),則表示幅度增加,當(dāng)Z＜0時(shí),則表示幅度減少。當(dāng)|Z|≥1.28時(shí),表示顯著性檢驗(yàn)大于90%,當(dāng)|Z|≥1.64時(shí),表示顯著性檢驗(yàn)大于95%,當(dāng)|Z|≥2.32時(shí),表示顯著性檢驗(yàn)大于99%[2]。

然后,使用M-K檢驗(yàn)法進(jìn)行時(shí)間序列突變分析,結(jié)構(gòu)如式（5）所示：

統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式：

式中：E（Sk）表示均值,Var（Sk）表示方差,按式（7）計(jì)算：

時(shí)間序列按照An,An-1,…,A1順序排列,且根據(jù)上述方法,使對(duì)UBk和UFk曲線(xiàn)進(jìn)行繪制,在置信區(qū)間|U|≤1.96中,若UBk和UFk兩曲線(xiàn)出現(xiàn)交點(diǎn),則交點(diǎn)為該時(shí)間序列突變點(diǎn),且輸入置信度水平為0.95。

3 輻射量量時(shí)間變化特征

3.1 輻射量年際變化特征及其突變（M-K）檢驗(yàn)

延安站1990年～2019年近30年的年均輻射量為5049 MJ/m2,整體來(lái)看呈增加趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）,且輻射量增加趨勢(shì)顯著。

圖2 延安站年平均輻射量變化趨勢(shì)

通過(guò)延安站近30 年的輻射量數(shù)據(jù)對(duì)延安站年均輻射量進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3,延安站輻射量的UF曲線(xiàn)在2000 年以前介于0～1.96之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈上升趨勢(shì)。2000 年以后UF曲線(xiàn)超過(guò)臨界值,表明輻射量增加趨勢(shì)十分明顯。在0.05 的置信度水平下,延安站輻射量在2014 年左右發(fā)生突變。

圖3 延安站年平均輻射量M-K檢驗(yàn)

3.2 輻射量季節(jié)變化特征及其突變（M-K）檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究延安站輻射量變化特點(diǎn)及趨勢(shì),對(duì)站點(diǎn)的季節(jié)輻射量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行研究,分析不同季節(jié)輻射量的振蕩周期,見(jiàn)圖4。

圖4 延安站不同季節(jié)輻射量M-K檢驗(yàn)

如圖4（a）,在春季期間,延安站輻射量的UF曲線(xiàn)在1993年以前介于-1.96～0 之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈下降趨勢(shì)；1993 年～2004 年之間UF值介于0～1.96 之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈上升趨勢(shì)；2004 年以后UF曲線(xiàn)超過(guò)臨界值,表明輻射量增加趨勢(shì)十分明顯；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在2001年、2002 年與2005年發(fā)生突變。

如圖4（b）,在夏季期間,延安站輻射量的UF曲線(xiàn)在 1990 年 ～1991年、1997年 ～2005年與 2015年以后介于0～1.96 之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈上升趨勢(shì)；1992年～1996年與2006年～2014年UF值介于-1.96～0之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈下降趨勢(shì)；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在2014年發(fā)生突變。

如圖4（c）,在秋季期間,延安站輻射量的UF曲線(xiàn)在1990年～2000年、2002年 ～2003年 與 2016年以后 介于0～1.96之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈上升趨勢(shì)；2001年與2004年～2015年UF值介于-1.96～0之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈下降趨勢(shì)；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在1991年～1992年、1995年～1998年、2016年～2018年發(fā)生連續(xù)突變。

如圖4（d）,在冬季期間,延安站輻射量的UF曲線(xiàn)在2002 之前介于0～1.96 之間,表明變化曲線(xiàn)趨勢(shì)和突變不明顯,且序列呈上升趨勢(shì)；2003年以后UF曲線(xiàn)超過(guò)臨界值,表明輻射量增加趨勢(shì)十分明顯；在0.05 的置信度水平下,延安站輻射量在2002 年發(fā)生突變。

4 結(jié)論

本文對(duì)延安站近30 年輻射量進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,結(jié)合M-K檢驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)輻射量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,并對(duì)太陽(yáng)輻射量不同季節(jié)變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行判斷,得到以下主要結(jié)論：

（1）M-K突變檢驗(yàn)顯示,延安站太陽(yáng)輻射量在2014年發(fā)生突變,2000 年以前整體呈上升趨勢(shì),并于2014 年以后達(dá)到顯著上升水平。

（2）通過(guò)對(duì)比各個(gè)季節(jié)的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果,延安站在2014 年發(fā)生的突變主要與夏季突變有關(guān),與其他季節(jié)無(wú)必然聯(lián)系。

因此,在延安地區(qū)利用太陽(yáng)能資源時(shí)應(yīng)著重考慮季節(jié)性氣候變化對(duì)太陽(yáng)能資源的影響。