基于NOAA_AVHRR衛星產品的西北地區太陽輻射變化趨勢研究

溫松楠 李 凈 李 龍

（1.蘭州資源環境職業技術大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730021；2.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

太陽輻射是大氣運動的主要動力和天氣、氣候形成的重要原因，它對海陸溫度差異、冰凍圈消退、地球大氣能量平衡以及人類活動起著決定性的作用，因此，研究到達地面太陽輻射的中長期變化，具有直接的氣候意義［1-2］。

近幾十年來，全球范圍內大部分地區的太陽總輻射的變化趨勢都經歷著上升或下降的過程，也被稱為地球的“變暗”到“變亮”［3］，全球“變暗”和“變亮”現象還有一些不確定因素，主要是由于缺乏長時間序列的太陽輻射觀測，尤其是稀少站點的觀測不能代表整個空間上的連續變化趨勢，而目前對于太陽輻射變化趨勢的研究主要是利用區域上地面輻射站點的觀測數據［4］，由于這些研究都是利用站點數據，而且站點在整個研究區域分布很稀疏，所以無法研究太陽輻射在整個空間上的變化趨勢。

地面太陽輻射衛星產品對于太陽輻射在空間上的變化趨勢研究提供了一個不錯的選擇［5-6］，目前常用的太陽輻射衛星產品主要有ISCCP-FD（國際衛星云氣候計劃-通量數據）［7-8］、UMD-SRB（馬里蘭大學-短波輻射收支）［9］、GEWEX-SRB（全球能量與水循環試驗-地表能量收支）［10］、GLASS（全球陸表特征參量）［11］、CERES（云和地球輻射能量系統）［12］、FLASHFLUX（融 合CERES處 理 系 統 和MODIS觀測數據）［13］、CM-SAF-SIS（衛星應用設施氣候監測-太陽短波輻射）［14-15］。Zhang等［16］采用全球1 151個站點地面觀測數據來評估GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB以及CERES-EBAF四種衛星產品，并對其影響因素進行分析，得出結論為GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB三種衛星產品高估了太陽輻射，CERES-EBA衛星產品太陽輻射偏差相對較小。但在我國目前還沒有利用時空連續的衛星產品對太陽輻射變化趨勢進行研究，雖然ISCCP-FD、UMD-SRB、GEWEX-SRB、GLASSDSR、CERES-EBAF這些衛星產品可以覆蓋全球，但是這些衛星產品時間序列較短且分辨率較低，無法研究地面太陽輻射的長期變化特征。NOAA衛星能夠提供時空連續的較長時間序列的太陽輻射數據且分辨率較高，因此本研究基于NOAA衛星產品對西北地區1986—2015年地面太陽輻射的時空變化特征進行研究，采用Mann-Kendall非參數法對太陽輻射的變化趨勢做了檢驗。

1 數據來源及處理

本研究所用的NOAA/AVHRR衛星太陽輻射產品 來 源 于http：//www.cmsaf.eu/EN/Home/，選 取 了1986—2015年的月輻射數據，時間連續性很好，月輻射數據的缺失值利用臨近年同月的數據補充，通過平均值合成得到年輻射產品，空間分辨率為0.25°；地面觀測數據選取了西北地區25個太陽輻射觀測站點（見圖1）的月總輻射數據和年總輻射數據，來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma.cn/site/index.html），用于驗證衛星太陽輻射產品。研究選取的25個輻射站中，酒泉、剛察、果洛、塔城、焉耆、阿克蘇1993年1月之后建站，延安、安康站1990年1月之后建站，這些站點在研究時間段沒有輻射觀測數據；西安站2006年1月遷至涇河站，西安站2005年的太陽輻射缺測；蘭州站2005年1月遷至榆中站。

圖1 西北地區25個輻射站點分布圖

2 研究方法

利用Mann-Kendall非參數趨勢檢驗方法來研究。在Mann-Kendall檢驗中，原假設H0為時間序列數據（x1，x2，x3，…，xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；假設H1是雙邊檢驗。對于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的。定義檢驗統計量S的計算公式如式（1）。

式中：sign()為符號函數。當xi-xj小于、等于或大于零時，sign (xi-xj)分別為-1、0或1。S為正態分布，其均值為0，方差為Var(S)=n(n-1)( 2n+5)/18。

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設Hi是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗［17］。

Hirsch等［18］專門為季節性數據定義了Mann-Kendall非參數法的多變量的延伸，因此該研究利用季節性Mann-Kendall非參數法對西北地區太陽輻射季節性變化趨勢進行分析。

對于p季節n個獨立隨機的觀測值，建立如式（3）的矩陣。

季節性Mann-Kendall非參數法定義每個季節的檢驗統計量Sg的計算公式如式（4）。

式中：g=1，2，…，p。

季節性Mann-Kendall非參數法檢驗統計量S'的計算公式如式（5）。

3 衛星產品的驗證

3.1 衛星產品的實測驗證

本研究采用平均偏差(MBE)和均方根誤差(RMSE)兩種精度評價指標結合實測值對衛星產品進行驗證，計算公式如式（6）、式（7）和式（8）。

式中：xi表示第i個站點衛星產品太陽輻射值；Yi表示第i個實測值；n為站點個數。MBE、MBE%和RMSE越小，表示衛星產品太陽輻射值越接近實測值。

利用實測值對衛星產品月輻射值的驗證結果如表1所示，從MBE%和RMSE可以看出，25個站點的平均MBE%控制在20%以內，RMSE保持在5～25 Wm-2之間，實測值驗證結果表明，衛星產品與實測數據的偏差在合理的范圍內，可用于太陽輻射趨勢變化研究。

表1 衛星產品月輻射值的驗證結果

3.2 衛星產品趨勢的驗證

本研究利用西北地區25個輻射站點1986—2015年的觀測數據進一步來驗證NOAA衛星的輻射產品質量。由于衛星傳感器的光譜響應范圍與地面觀測儀器的光譜響應范圍存在差異，導致計算的太陽輻射值也存在差異，為了減少這種差異，本研究選擇在衛星產品中提取25個與地面輻射站點位置相同的太陽輻射值進行比較。除1988年少數年份外，其余年份地面觀測數據與衛星產品的變化趨勢基本一致，1986—2015年每10年的變化趨勢表現為90年代前下降，90年代后緩慢上升，地面觀測數據與衛星產品每10年太陽輻射的變化趨勢大體上吻合（見圖2），衛星產品輻射值確實與實測值在某些站點存在一定的差異，對于需要太陽輻射作為輸入輻射數據的定量模型而言，這個差異會帶來一定的誤差，但本研究針對的是太陽輻射的變化趨勢，此誤差不影響太陽輻射的分布趨勢研究，因此利用NOAA衛星產品可以評價太陽輻射時空變化趨勢。

圖2 地面觀測數據與衛星產品變化曲線

4 結果分析

4.1 衛星產品太陽輻射的年變化

本研究首先將1986—2015年的太陽總輻射衛星產品按每10年分成三個時間段，分別得到1986—1995年、1996—2005年、2006—2015年的太陽輻射平均值，再分別計算1996—2005年與1986—1995年的均值差、2006—2015年與1996—2005年的均值差、2006—2015年與1986—1995年的均值差，依次得到1986—2005年每10年的太陽輻射變化趨勢圖、1996—2015年每10年的太陽輻射變化趨勢圖和1986—2015年每10年的太陽輻射變化趨勢圖（見圖3）。1986—2005年太陽輻射的變化趨勢呈現每10年上升0.32 Wm-2趨勢，1986—2015年西北地區太陽總輻射每10年的變化趨勢值在-6.7～13.8 Wm-2之間波動，太陽總輻射平均變化趨勢為每10年上升0.95 Wm-2，1986—2015年西北地區太陽輻射呈現整體上升的趨勢，這與陶蘇林等［19］研究得出的1981—2014年西北地區太陽輻射增加趨勢明顯相一致。太陽輻射上升的地區出現在新疆喀什、伊寧、塔城、阿勒泰地區，青海的果洛、玉樹，寧夏銀川，陜西延安以及甘肅蘭州。下降區出現在新疆的烏魯木齊、若羌，陜西西安，青海的格爾木地區以及甘肅敦煌地區，80年代中期發生在西北地區以及各個省份太陽輻射由“降低”到“升高”變化中，太陽輻射降低可能與當地工業化進程、人為氣溶膠的排放相關，大氣中污染物濃度增加，大氣對太陽輻射的削弱作用變強，到達地面的太陽輻射減少。但對于90年代中期的太陽輻射的上升現象目前還缺乏直接的證據［20］。盡管90年代之后大氣透明度的增加有利于達到地面太陽輻射量的增大，但這種變化能否解釋30年太陽輻射所發生的變化，目前尚無明確的結論，需進一步深入研究。本研究利用Mann-Kendall非參數法對西北地區衛星產品太陽輻射變化趨勢進行檢驗，得到Z=0.856 369＞0，由于Z的絕對值都小于1.28，沒有通過90%的顯著性檢驗，所以1986—2015年西北地區太陽輻射變化趨勢不顯著。

圖3 西北地區地面太陽輻射時空變化趨勢

4.2 衛星產品太陽輻射的季節變化

1986—2015年四季太陽輻射的變化趨勢見圖4，春季變化趨勢最高值達到了每10年上升17.05 Wm-2的速度。春季太陽總輻射平均變化趨勢是每10年上升4.27 Wm-2，而年變化的最大幅度為每10年增長0.95 Wm-2。夏季，除若羌、格爾木站點附近太陽總輻射變化為降低趨勢外，其余大部分地區處于上升或不變的趨勢，阿勒泰、塔城站點以及西安、延安站點附近有明顯上升趨勢，整個西北地區夏季太陽總輻射變化趨勢值為每10年上升0.06 Wm-2，夏季太陽輻射變化趨勢最高值達每10年上升14.94 Wm-2，最低值出現在若羌站點附近，西北地區夏季太陽總輻射變化趨勢呈現緩慢上升趨勢。秋季，玉樹、果洛、喀什、和田附近有上升趨勢，上升趨勢值最高達8.83 Wm-2，秋季太陽輻射變化趨勢下降最大幅度為每10年下降12.05 Wm-2，整個西北地區秋季太陽總輻射呈現明顯降低趨勢，但下降幅度不大，為每10年平均下降約2.29 Wm-2。冬季，除新疆和青海最南邊有上升趨勢外，其余地區傾向下降趨勢，但是下降幅度小，下降平均幅度為每10年降低2.16 Wm-2，而新疆和青海最南邊上升幅度都比較大，上升平均幅度為每10年上升2.63 Wm-2，雖然冬季大范圍地區呈現下降趨勢，但是由于下降幅度很小，所以綜合整個西北地區，冬季太陽輻射平均變化幅度是每10年上升0.47 Wm-2。

圖4 西北地區地面太陽輻射季節的時空變化趨勢

1986—2015年西北地區太陽總輻射的季節性平均變化趨勢為春季、夏季和冬季呈緩慢上升趨勢，秋季變化呈下降趨勢。利用季節性Mann-Kendall非參數法對西北地區每個季節的太陽輻射衛星產品變化趨勢進行檢驗，得到Z=2.37＞2.32，通過了90%的顯著性檢驗，因此西北地區太陽輻射的變化具有顯著的季節性特征。太陽輻射季節性的變化主要受日照時數、云量等因素的影響，一般而言，夏季平均日照時數高，太陽輻射強，冬季平均日照時數低，太陽輻射弱，春季和秋季處于兩者之間；季節性太陽輻射的變化還考慮到云量的變化，隨著云量的減少，太陽輻射增加。

5 結論

本研究首先利用西北地區25個輻射站點的實測值驗證了NOAA衛星太陽輻射產品的質量，然后利用這個輻射產品研究了1986—2015年西北地區太陽總輻射的時空變化趨勢，并對太陽輻射進行趨勢檢驗。通過本研究得出以下主要結論。

①1986—2015年西北地區的地面觀測數據與NOAA衛星輻射產品變化趨勢基本一致，因此利用NOAA衛星太陽輻射產品可以用于太陽輻射時空變化趨勢的研究。

②1986—2015年西北地區太陽總輻射呈總體上升趨勢，平均幅度達到每10年上升0.95 Wm-2，1986—2005年西北地區太陽總輻射達到每10年上升0.33 Wm-2的趨勢，1996—2015年西北地區太陽總輻射達到每10年上升1.58 Wm-2的趨勢，西北地區太陽總輻射從90年代開始呈現緩慢上升趨勢。

③1986—2015年西北地區太陽總輻射的季節性平均變化趨勢為春季、夏季和冬季呈緩慢上升趨勢，秋季變化呈下降趨勢。

④1986—2015年西北地區太陽總輻射變化在新疆喀什、伊寧、塔城、阿勒泰地區，青海的果洛、玉樹，寧夏銀川，陜西延安以及甘肅蘭州為上升趨勢，新疆的烏魯木齊、若羌，陜西西安，青海的格爾木地區以及甘肅敦煌地區為下降趨勢。