浙江省太阳辐射计算及分布特征*

肖晶晶 金志凤 李 娜 李仁忠 袁德辉 毛裕定

(1.浙江省气候中心，浙江杭州310017;2.山西省气象决策服务中心，山西太原030006)

0 引言

太阳辐射是地球表面各种物理、化学和生物过程的根本驱动力，对天气、气候的形成具有决定性作用，研究太阳辐射的基本气候特征及其分布规律有着十分重要的理论和现实意义［1］。然由于观测站点少，如何准确地得到大范围、高精确的区域结果一直是研究的热点。Angstrom提出利用晴天太阳总辐射和日照百分率来计算太阳总辐射，得到了广泛的推广应用和改进，其一般形式为:Q=Q0(a+bs)［2，3］。其中Q为到达地表的太阳总辐射，Q0为起始太阳辐射，s为同时期日照百分率，a，b为经验系数。起始太阳辐射主要包括天文辐射、晴天太阳总辐射和理想大气总辐射等［4-6］，但以何种起始太阳辐射为优在不同的地区研究结果各有不同［7-9］。此外综合因子法［10］也有研究。

浙江省太阳总辐射、光合有效辐射在20世纪80年代已有计算［11-12］，但由于是全国范围的气候资源区划，结果不够精确;郭力民等提出以聚类分析法分区计算浙江省太阳总辐射［13］，结果精度较高，但过程较为繁琐;鲍倩倩等利用气候学方法得到了杭州太阳总辐射的经验公式，但没有分析全省范围的太阳总辐射［14］。浙江省太阳辐射观测站分布稀少，随着辐射理论研究的不断深入和全球气候变化的加剧，选择一种准确、适合于浙江省的太阳辐射的计算方法，分析其分布特征，具有十分重要的现实意义。

本文通过比较国内外5种太阳总辐射气候学计算值与实际观测值的方差，选择适于浙江省的经验公式对太阳总辐射和光合有效辐射的分布特征进行研究，通过分析浙江省太阳辐射资源，以期为农业产业合理布局、农业品种最优搭配等提供依据。

1 资料来源与计算方法

1.1 资料来源

气象资料取自浙江省气候中心，全省64个基本气象站点的经度(°)、纬度(°)、海拔高度(m)，以及建站以来的逐日日照时数(h)、水汽压(hPa)、云量;辐射资料取自浙江省气象信息网络中心，杭州(1964—2010)、慈溪(1964—1990)和洪家(1992—2010)3站逐月的太阳总辐射资料。根据中国气象局编制的《气象辐射观测方法》的规定，1981年1月1日前的辐射观测资料乘以系数 1.022［15］。

1.2 太阳总辐射计算方法

经验公式法 选取翁笃鸣经验公式(Qw)［5］、左大康经验公式(Qz)［4］和孙治安经验公式(Qs)［16］进行分析，计算公式如下:

翁笃鸣经验公式:

左大康经验公式:

孙治安经验公式:

其中Q(w/z/s)为计算的太阳辐射日总量(MJ·m-2·d-1)，QA为天文辐射日总量(MJ·m-2·d-1)，s为日照百分率。日天文辐射总量计算参考左大康经验公式［4］。

综合因子法 以朱志辉经验公式［10］为代表，综合考虑了水汽、海拔、天文辐射等要素，其计算月太阳总辐射和年太阳总辐射的公式分别如下:

(5)和(6)式中，X1为月(年)的日照百分率(以两位小数表示);X2为海拔高度(km);X3为月(年)平均水汽压(hPa);QA为 月(年)的天文辐射量。

模式输出 目前普遍应用的WOFOST模型的辐射子模块计算太阳总辐射方程即为埃斯屈朗方程(Ångström Formula)，其驱动输入为假定没有大气时到达地面的辐射理论值，计算结果直接通过模式程序输出［17］。

根据公式(1)—(6)及相应的文献，分别计算杭州、慈溪、洪家3站的逐月(年)太阳总辐射，计算各月不同方法的相对误差(即(计算值-观测值)/观测值)，见表1。

表1 不同公式计算的相对误差多年平均值(杭州、洪家:1992—2007年/慈溪:1964—1990年) %

表2 1—12月不同方法计算结果的方差及平均值

表中:Qw为翁笃鸣经验公式;Qz为左大康经验公式;Qz1为朱志辉经验公式;Qs为孙治安经验公式;Qq为埃斯屈朗方程。

由表1可以看出前4种在不同站点、不同月份计算时各有优劣，要分析全省的太阳辐射的分布特征，要求公式具有较好的稳定性，比较不同月份的方差，如表2。

比较1—12月相对误差的方差的平均值，可以发现 Qs＜Qz1＜Qz＜Qw＜Qq，即孙治安经验公式具有较好的稳定性，且其相对误差的平均值最小，故本文选用孙治安经验公式来计算浙江省太阳总辐射。

1.3 光合有效辐射计算方法

光合有效辐射是太阳辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，直接影响着植物的生长、发育、产量和产品质量。研究表明，周允华、刘新安等对于光合有效辐射的计算方法具有较好的适应性［18-19］，故本文选取此方法计算浙江省光合有效辐射。依据式(7)计算各地区有效辐射比例系数与总辐射的乘积即得到光合有效辐射月、年总量，计算公式如下［18］:

式中:PAR为光合有效辐射，E为平均总云量，Q为太阳总辐射，括号内为400～700 nm的光合有效辐射占总辐射的比例系数。表3为浙江省11个市的光合有效辐射占总辐射的月比例系数，基本在0.452 ～0.498 之间。

表3 浙江省各地区月、年光合有效辐射占总辐射量的比例系数

2 结果与分析

2.1 浙江省太阳辐射时间变化特征

分别选取浙江省11个市的太阳总辐射和光合有效辐射值，其平均值分布如图1。

图1 浙江省太阳辐射时间变化

由图1可以看出，浙江省太阳总辐射年变化呈现出明显的双峰型，7月最大，1月最小，6月为一相对小值;光合有效辐射年变化为弱双峰型或单峰型，7月份最大，1月份最小。统计浙江省64个气象基本站的太阳总辐射和光合有效辐射，分析其年变化规律:

1—5月浙江省太阳总辐射逐月增加，其中1月份增幅较小，2月增幅最大，平均增幅62.49 MJ·m-2。5 月达到第一个峰值，最大值出现在平湖站504.29 MJ·m-2。受太阳高度角和太阳直射点的北移的影响，6月太阳总辐射骤减，平均减幅17.20 MJ·m-2，其中减幅最大为嵊泗站44.87 MJ·m-2。7月达到浙江省太阳总辐射最大值，全省平均增幅156.49 MJ·m-2，增幅最大为瑞安站192.77 MJ·m-2。8—12月浙江太阳总辐射逐渐减少，其中8月、12月减幅较小，分别为 26.76 MJ·m-2和 21.48 MJ·m-2，其他月份减幅均超过70 MJ·m-2，这与北方寒冷气流开始入侵，雨季降水产生的大量的水汽与冷湿气流使得反射加强、直接辐射降低有关，另外天文辐射降低也是太阳总辐射降低的原因之一。光合有效辐射年变化规律与太阳总辐射类似，但辐射值偏低，其中1月、8月和12月偏低少于10 MJ·m-2，其他月份低幅平均达 50.17 MJ·m-2，其中7月偏低最多，达82.06 MJ·m-2。

2.2 浙江省太阳辐射空间变化特征

计算浙江63个气象站的太阳总辐射月和年值。图2、图3是浙江省年太阳总辐射和光合有效辐射的分布图。

由图2可以看出，浙江太阳总辐射呈现出东北高、西南低的分布，山区低于平地，沿海多于内陆，太阳总辐射在4332.19 ～4870.66 MJ·m-2之间，其中嵊泗为最大值，普陀、平湖等地太阳总辐射均超过4800 MJ·m-2。另外金衢盆地太阳总辐射为次最值区，最低值分布在西南遂昌、云和、丽水和北部长兴地区。光合有效辐射分布与太阳总辐射规律类似，值分布在2060.16～2310.07 MJ·m-2之间，浙北低值区南压西移。年辐射区域变化为:

1—4月太阳总辐射自沿海向内陆减小，最高值出现在浙东北的舟山嵊泗地区，为439.13 MJ·m-2;最低值出现在浙西南的开化地区，为216.22 MJ·m-2。受海拔等因素的影响，丽水地区的太阳总辐射与同纬度地区相比要低4～12 MJ·m-2。此外，龙游、遂昌、龙泉等地的太阳总辐射也偏低。5—6月浙江太阳总辐射为北高南低的分布，高值区为东北部的平湖、余姚地区，低值区偏移至温岭、乐清地区。7—8月浙江全省的总辐射值均超过了500 MJ·m-2，呈现出中间高、两头低的分布，金衢盆地-平湖地区为高值区，长兴、泰顺地区为低值区。9—12月的太阳总辐射呈现出南高北低的分布，12月尤为明显，高值区分布在庆元、泰顺和玉环地区，低值区分布在北部的长兴、桐庐地区。光合有效辐射的变化规律与太阳总辐射类似，但值偏低。

2.3 浙江省太阳总辐射年际变化特征

为了分析浙江省太阳总辐射的气候变化，选取杭州站1964—2010年逐年太阳总辐射和光合有效辐射进行分析，如图4。由图4可以看出1981年前杭州的太阳总辐射总体是下降的趋势，年际间波动较大;1981—1995年太阳总辐射缓慢增加，年际间波动较小，年增加幅度在50 MJ·m-2，1995年以后太阳总辐射出现了一次急剧上升的过程，而后变化较小。最高值出现在 1995 年，达 5173.63 MJ·m-2，最低值出现在 1977 年，为 3318.93 MJ·m-2，差值达1854.70 MJ·m-2。总体来说浙江的太阳总辐射的总体趋势是下降的，每10 a下降的幅度为20 MJ·m-2左右。光合有效辐射年际间变化趋势与太阳总辐射一致，但年际间波动变化较小，基本维持在2000 MJ·m-2。

3 结语

图4 杭州市年太阳辐射的气候变化

(1)利用已有的太阳辐射资料，与国内外五种太阳总辐射气候学方法计算值的分析对比，发现孙治安经验公式适用于浙江省太阳辐射计算。与其他方法相比，孙治安经验公式考虑了水汽压对辐射的影响，更符合浙江省空气湿度较大的实情。另外，水汽压一定程度上耦合了地理位置、海拔等因素，具有较强的综合性。与传统经验系数方法相比，该方法解决了观测站点稀少、经验系数代表性不足的缺陷，具有较强的可操作性;

(2)与同纬度其他地区相比，浙江省光能资源相对丰富，这对于农业生产是有利的。光能与水热资源匹配使得浙江农业资源也相对丰富，喜热作物和耐阴作物如茶叶在浙江省的产量和品质较高。通过分析太阳总辐射和光合有效辐射的特点可以进一步进行作物生产潜力分析［20］，为农业结构合理布局、农作物适当搭配提供科学依据;

(3)论文在分析过程中综合考虑了日照百分率、水汽压等因素，但太阳辐射与大气环境、地形、地貌等因子的相互关系是极其复杂的，如山体阴影、水体的影响等。进一步精细化分析研究中，可以引入GIS和RS技术进行网格化分析，以实现农业气候资源更好地评估与利用。

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