西安太阳总辐射时空变化特征及对城市发展的响应

2013-05-14张宏利张纳伟锐刘敏茹金丽娜张高健樊亭丽姚东升

生态学报 2013年7期

张宏利，张纳伟锐，刘敏茹，金丽娜，张高健，樊亭丽，姚东升，刘波

(1.陕西省西安市气象局，西安 710016;2.中山大学地球科学系，广州 510000;3.陕西省防雷中心，西安 710015)

太阳辐射是地球、大气唯一的、主要的能量源泉［1］，是大气中一切物理过程及现象形成的基本动力［2］。它在地球表面上分配的变化，会根本地改变温度、湿度、降水和大气环流特征［3］，即使太阳辐射有微小的变化，都可产生全球及区域尺度的各种自然反应，形成了太阳辐射变化是检测气候变化的一个重要指标。历次“政府间气候变化专门委员会”的评估报告(简称IPCC报告)［4-7］，都有专门的章节来阐述太阳辐射的变化来标识或推演全球的气候变化。

在当今世界化石能源被过度开采造成能源紧张、温室气体的过量排放加剧了气候变暖的大形势下，以太阳辐射为代表的太阳能——是最能够为人类直接利用、最清洁的能源形式［8］。因此，在研究一地能源资源时，首先考虑太阳能资源，优先研究太阳辐射。

对于太阳辐射的研究，学者们已经作过许多工作。在太阳辐射的计算方面，王炳忠等［9-10］给出了我国太阳能计算的经验公式及总辐射分布图;祝昌汉［11-12］进一步计算了太阳能，给出了a、b系数插值的计算方法，使其得到了广泛应用。在太阳辐射的变化方面，Wild等［13］认为，在1990年前后有一个由全球太阳辐射变化导致的从暗变亮的转折。陈志华［14］分析了中国区域的变化，指出1961—1989年太阳总辐射下降趋势明显，而从1990年开始呈现出上升的趋势，但目前还没有恢复到1961—1990年的平均值。李晓文等［15］不但研究了我国太阳辐射的变化，而且还对其气候效应进行了系统的研究。杨羡敏等［16］分析了黄河流域太阳辐射的长期变化特征。

有关西安太阳辐射及其影响方面的研究，有1993年王双环等在研究大气污染影响因子时，对西安太阳辐射进行了分析［17］，仅是单点分析。其它的研究大多是在研究陕西、关中太阳辐射(或气候资源)时提到西安，如1995年董亚非、李兆元在研究陕西关中地区的气候资源时对太阳辐射进行了简单分析［18］，1997年庞文保对陕西的延安、西安、安康3个辐射站的辐射资料进行了分析［19］，2008年吴林荣等对陕西太阳总辐射进行计算及分布特征进行分析［20］。本文根据西安及周边近49年的资料，使用气候学统计方法，对西安太阳总辐射的时间分布、空间分布进行了较详尽的分析。

许多学者研究认为，城市发展引起的大气浑浊度增加及大气中悬浮颗粒增多，是地面太阳辐射减少的重要原因［15-21］。该研究在分析西安太阳总辐射时空变化特征时，追根溯源，进一步通过城郊对比、太阳总辐射与城区人口散点图分析，认为西安城市发展对太阳辐射有重要影响，结合城市发展的代表因子——城区人口变化，给出了太阳总辐射对西安城市发展的响应结果。

1 资料和方法

1.1 资料的选取

为了推算得到西安全市范围代表性好的辐射资料，在选取气象台站资料时，不局限于西安市现有的8个国家级台站，同时考虑其周围的16个国家级台站(图1)，资料年代取为1961年1月1日—2009年12月31日。在选取的24个台站中，西安站、泾河站取太阳总辐射、日照百分率二要素，其余站取日照百分率要素;西安站的辐射观测2005年12月31日后移至泾河站，因西安站与泾河站直线距离16 km，海拔高度差12.5 m，符合两站气象资料合并使用的条件［22］，故泾河站2006—2009年辐射资料加入西安站辐射资料序列。西安站2005年8—10月辐射资料异常，用同期多年平均值代替;西安城区人口数据取之统计汇编［23］及1990—2009年统计年鉴;太阳常数数据取之网站http://www.climate4you.com/sun/。

图1 西安及周边气象台站分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Xi'an and its surroundings

1.2 太阳总辐射的计算与推算

西安站(含泾河站)的历年年、月太阳总辐射直接通过1961—2009年每日的日辐射总量资料统计得出，其它22个台站太阳总辐射通过公式(1)求得。

式中，Q表示太阳总辐射，Q0表示理想大气辐射，Q、Q0单位为MJ/m2;S表示日照百分率，单位为%;a、b为系数。

Q0使用以下公式求得。

式中，T为一天的长度(24 h)，S0为太阳常数(1367 W/m2)，φ为当地纬度，δ为赤纬，ω0为可照时间，ρ为日地距离系数。由(2)式可求得每日理想大气辐射，月平均值用每月15日的值代替，再乘以每月日数即可。实际计算应用(2)式原理，用台站纬度查表［24］得出。

通过(1)式，将西安站历年的Q、Q0、S代入，用最小二乘法算出西安站的a、b系数，其余22站的a、b系数用西安站代替。

1.3 计算结果的检验

通过推算方程计算得出的西安站总辐射值与观测记录进行比较，历年各月绝对平均误差为-7.2—1.3 MJ/m2，相对误差为-0.4%—2.5%，总体上推算拟合效果较好。

2 时空变化特征

2.1 空间分布及区域划分

采用surfer8.0软件［25］绘出西安市及周边年平均太阳总辐射的分布状况图(图2)。从图中可以看出，西安市及其周边太阳总辐射呈中部低、周围高、东部高于西部的特点。其中高值区域位于西安市的东北部，总辐射超过4800 MJ/m2以上。低值区位于西安市三环内及秦岭北麓，总辐射低于4500 MJ/m2。西安市的东部比西部高出200—300 MJ/m2。

图2 西安市及周边年平均太阳总辐射等值线分布/(MJ/m2)Fig.2 The average global solar radiation contour maps in Xi'an and its surroundings

采用模糊聚类分析法［26］对西安市总辐射的变化进行分区，所得结果如图3。本分析方法根据研究对象本身的属性来构造模糊矩阵，在此基础上根据一定的隶属度来确定其分类关系。在分区中，首先对23个气象台站历年各月平均太阳总辐射值进行样本数据标准化处理，然后建立模糊相似及等价矩阵，选定λ=0.8的水平值，求取截矩阵，得到分类结果。

图3 西安市太阳总辐射区域划分Fig.3 Zoning map of Xi'an global solar radiation

在西安市太阳总辐射划分的3个区中，Ⅰ区为中部区，主要包括西安市区的三环内，该区年平均总辐射为4500 MJ/m2，是西安市的太阳总辐射低值区;Ⅱ区为东部区，包括高陵、临潼、蓝田，年平均总辐射为4800 MJ/m2，是西安市太阳辐射高值区;Ⅲ区为西部区，包括长安、户县、周至，年平均总辐射为4600 MJ/m2，是西安市太阳辐射中值区。

2.2 时间序列变化特征

2.2.1 年际变化

图4是西安各区域年总辐射距平百分率年际变化。图中显示出西安各区域年总辐射变化的一致性:在1960—1970年代保持相对高位，20世纪80年代前期开始振荡下降，在中期达到最低，90年代前期又开始回升，到21世纪初期稳定振荡。各区域变率有所不同，其中以东部、西部(Ⅱ区、Ⅲ区)的变化相对平稳，而中部(Ⅰ区)变幅最大的特征。

图4 西安各区域太阳总辐射年际变化Fig.4 The map of yearly regional variation of global solar radiation in Xi'an

从总趋势看，从1961—2009年西安的总辐射在减少，其气候倾向率为-2.01%/10a，相关系数 r=-0.4891，︱r︱＞r0.05=0.2846，表明这种下降趋势在0.05水平上是显著的，但低于全国40a平均(-3.22%/10a)水平［14］。其中，中部(I区)和西部(Ⅲ区)气候倾向率分别为-3.178%/10a和-1.936%/10a，达到统计意义上的显著水平，而东部(Ⅱ区)变化相对较小，没有达到统计意义上的显著水平。21世纪初10a与20世纪60年代10a相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的太阳总辐射平均减少分别为563、133、344 MJ/m2。

图5 西安各分区各季太阳总辐射年际变化Fig.5 The annual variations of global solar radiation for different seasons in certain parts of Xi'an

2.2.2 季节变化

图5给出各区域不同季节的总辐射距平百分率年际变化曲线。冬季各区域在1960年代变化处在高位，1970年代初开始下降，从1970年代末至2009年趋于平稳，但大都在平均线以下，东部(Ⅱ区)、西部(Ⅲ区)表现尤为明显;春季1960年代初期处于高位，在1960年代中期—1980年代初期变幅均不大，到1990年代后期有一个上升趋势;夏季1960年代—1970年代中期变化处于高位，中部(Ⅰ区)变幅明显高于其它两区。1970年代中期下降后到1990年代初变化处于相对平稳的低位，其后平稳变化，到21世纪初开始下降;秋季1960—1980年代变化幅度很大，从1990年代初开始一直较为平稳。

为了比较各区域的不同变化，表1给出了各区域不同季节太阳总辐射气候倾向率［27］。由表1可见，中部(I区)和西部(Ⅲ区)的变化基本上一致，均呈显著下降趋势，而中部(I区)比西部(Ⅲ区)下降幅度更大一些。下降的主要时段为冬、夏季，下降幅度较大，由此导致全年平均也呈显著下降趋势;东部(Ⅱ区)虽呈下降趋势但变化较小，在春季还略有上升。

表1 1961—2009年西安各区域太阳总辐射气候倾向率/(MJ·m-2·10a-1)Table 1 The regional climate trend rate of global solar radiation in Xi'an from 1961—2009

2.2.3 突变检验及阶段分析

(1)突变分析

采用滑动t检验法对西安市太阳总辐射的变化进行突变检验［28］，取n1=n2=10，则t0.01=2.88，绘制结果图。由图6可见，t统计量分别在1977年和1992年超过了0.01显著性水平的临界值。其中第1次为正值，第2次为负值，表明西安市太阳总辐射在1970年代末期发生了一次显著减少的突变，而在1990年代初又发生了一次增加的突变。这一结果与全球和全国在1990年代发生显著性增加变化趋势基本一致［13，16，29-33］。

图6 西安年太阳总辐射的滑动t检验Fig.6 The sliding t test of global solar radiation in Xi'an

(2)阶段分析

为了进一步分析西安两次突变前后的情况，将1961—2009年分为3个时间段:即1961—1976年及1992—2009年的相对平稳期，1977—1991年下降期。3个时段各区域的气候倾向率见表2。

由表2可见，在1961—1976年西安各区域年太阳总辐射气候倾向率有增有减，但幅度均不大;在1977—1991年，全市均明显减少，检验总体上达到统计意义上的0.05显著水平;而在1992年以后区域间出现了分化，西部(Ⅲ区)减幅较大，东部(Ⅱ区)和中部(I区)略有增加，但检验均没有达到统计意义上的0.1显著水平。

表2 三时段西安各区域年太阳总辐射气候倾向率/(MJ·m-2·10a-1)Table 2 The regional climate trend rate of global solar radiation in Xi'an of certain parts for three connected periods

3 对城市发展的响应

3.1 城郊比较

由于城市的发展，城市中污染物的浓度的增加，大气透明度的降低，使到达城市地表面的太阳总辐射发生变化。通过图3的西安市太阳总辐射分区可以看出，西安的城市发展程度对太阳总辐射影响是明显的。西安城区(Ⅰ区)城市发展程度高于东部和西部(Ⅱ区、Ⅲ区)，所以城区年太阳总辐射值小于西部和东部100—300 MJ/m2，这与林正云等［34］分析福州城市发展对太阳辐射影响的结论是一致的。为了进一步验证，选取与西安城区毗连、城市发展水平低、自然环境良好的郊县——蓝田县作为区域气候背景，绘制西安城区的西安站与郊县的蓝田站太阳总辐射历年差值面积图。从图7看出，1961年到1975年，差值面积有正有负，正负面积相当，说明此阶段城市发展水平低，对太阳总辐射没有影响。从1976年到2009年差值面积一致为负值，且负值面积很大，有5次差值的峰值达到或超过800 MJ/m2，说明此阶段城市发展水平逐步增高，随着净化城市环境措施(搬出污染企业、煤改气、植绿大行动等)高潮起落，形成了在太阳总辐射对城市发展较好响应的前提下(为一致的负值面积)，影响程度有峰有谷。

图7 城区西安站与郊区蓝田站年太阳辐射差值面积Fig.7 The annual solar radiation Difference between the area map city of Xi'an station and the suburb of Lan Tian station

3.2 与城市发展的数量关系

衡量城市发展非常重要的指标是城市人口增长以及城市用地面积的增加，而后者往往与城市人口之间存在着很强的相关性［35］。因此，在讨论城市太阳总辐射与城市发展的关系时，重点考察太阳总辐射与城市城区人口之间的关系。在考虑人为影响太阳总辐射时，20世纪90年代到2009年太阳常数本身也存在下降趋势［36］，为此使用太阳常数数据，通过无量纲及比例处理，修正已有西安城区太阳总辐射历年数值，引入西安城区人口数据，进行数量关系分析。

由图8可以看出，西安市城区人口由1961年的217万人增加到2009年的555万人，在最近的50a增加了2.9倍，并在最近20a，其增长率达到7.3万人/a。通过全年太阳总辐射与城市人口数量的散点图(图9)，发现年太阳总辐射与人口数量之间有较强的相关性，相关系数为-0.4760，达到了0.01的显著性水平检验。

图8 西安城区人口历年变化Fig.8 Xi'an urban population changes over the years

图9 西安城区历年太阳总辐射与人口散点Fig.9 Xi'an City calendar year global solar radiation and population Scatter

制作西安四季的太阳总辐射与城市人口散点图(图10)，进行数量关系分析，发现四季的太阳总辐射与城市人口存在负相关关系，冬、夏两季相关性好，相关系数分别为-0.5392、-0.4605，超过了0.01的显著性水平检验，而春、秋相关性较差，达不到相关的显著性水平检验，说明西安城市发展对太阳总辐射季节影响为冬、夏季远大于春、秋季，且冬季大于夏季，春、秋影响不明显。

图10 西安历年太阳总辐射与城区人口散点Fig.10 Xi'an City Four Seasons global solar radiation and Population Scatter

随着西安城市的发展，城区人口快速增长，工业生产和人们生活所排放的大气污染物的逐年增加，引起的大气浑浊度增加及大气中悬浮颗粒增多，使地面的太阳总辐射量减少;由于冬季的降水量比夏季少，相对城区上空大气污染物浓度比夏季大，造成了对太阳总辐射的的影响程度冬季大于夏季。

4 结论与讨论

(l)西安的太阳辐射总体上可以分为3个区:中部(Ⅰ 区)低值区、东部(Ⅱ区)高值区、西部(Ⅲ区)中值区。各区无论从资源量、季节分布和年际变化上都有差异。

(2)1961—2009年西安的太阳总辐射变化总体上呈减少趋势，线性倾向率为-2.01%/10a，特别是1977—1991年阶段，减少趋势更显著，减少幅度以中部(Ⅰ区)最大。突变分析表明，西安的太阳总辐射在1977年和1992年分别发生过一次减少和增加的突变。

(3)西安太阳总辐射在各季节变化上，夏季、冬季变化幅度最大，春季、秋季变化相对较小。

(4)综合分析表明，西安东部区域拥有西安最好的太阳辐射资源量，其季节分布也较为均衡;中部区域资源量最少，且变化幅度较大;西部区域的资源量小于东部而大于中部，变化幅度较小。

(5)太阳总辐射对西安城市发展有较好的响应，代表西安城市发展程度的城区人口数量与太阳总辐射有较强关系，冬季、夏季表现比较显著，影响程度冬季大于夏季。主要原因为城市发展带来的大气污染物的增加，从而影响太阳总辐射量的明显减少。季节影响分析上，春季、秋季的相关性较差，检验通不过相关显著性水平，其原因有待于进一步探讨。

致谢:西安市气象局罗慧博士对写作给予帮助，特此致谢。

［1］Ma J Y，Liu J M，Li S K，Liang H，Jiang C Y，Wang B Z.Effective photosynthetic radiation characteristic analysis based on observations of research.Journal of Natural Resources，2007，22(5):673-682.

［2］Shi Y L.Resource Science.Beijing:Higher Education Press，2006:10-15.

［3］Wang S，Tang Y，Zhao Q R，Wu C X，Zhang G X.The characteristics of the global solar radiation's climate variations in Jiangsu province and its sectional analysis//The Proceedings of the 27thChina's Meteorological Annual Conference.Beijing:The Publication of Meteorology，2010:182-191.

［4］IPCC.Climate Change 1990:The IPCC Scientific Assessment.Cambridge:Cambridge University Press，1990.

［5］IPCC.Climate Change 1995:The Science of Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press，1996.

［6］IPCC.Climate Change 2001:The Scientific Basis:Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press，2001.

［7］IPCC.Climate Change 2007:the Physical Science Basis:Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press，2007.

［8］Wang X F，Zhu Y，Fan L Z，Yang P W，Yang X P.Spatial-temporal variations of solar global radiation in Yunnan Province during 1961—2007.Advances in Climate Change Research，2009，5(1):29-34.

［9］Wang B Z，Zhang F G，Li L X.Solar energy resources in China.Acta Energiae Solaris Sinica，1980，1(1):1-9.

［10］Wang B Z.Solar energy resources division in China.Acta Energiae Solaris Sinica，1983，4(3):221-228.

［11］Zhu C H.A further discussion on the method of calculating total radiation in climatological study(1).Journal of Nanjing Institute of Meteorology，1982，5(1):15-24.

［12］Zhu C H.A further discussion on the climatological calculating method of total radiation(II).Journal of Nanjing Institute of Meteorology，1982，5(2):96-206.

［13］Wild M，Gilgen H，Roesch A，Ohmura A，Long C N，Dutton E G，Forgan B，Kallis A，Russak V，Tsvetkov A.From dimming to brightening:decadal changes in solar radiation at Earth's surface.Science，2005，308(5723):847-850.

［14］Chen Z H.The Research of the China's Ground Solar Radiation Condition from 1957—2000［D］.Beijing:Graduate School of Chinese Academy of Sciences，2005:69-71.

［15］Li X W，Li W L，Zhou X J.Analysis of the solar radiation variation of China in recent 30 years.Quarterly Journal of Applied Meteorology，1998，9(1):24-31.

［16］Yang X M，Zeng Y，Qiu X F，Jiang A J.The climatic change of global solar radiation over the Yellow River Basin during 1960—2000.Journal of Applied Meteorological Science，2005，16(2):243-248.

［17］Wang S H，He J.Xi'an City's impact on solar radiation.Journal of Shaanxi Meteorology，1993，(2):5-8.

［18］Dong Y F，Li Z Y.The analysis on climate and resource characteristics in central Shaanxi area.Journal of Shaanxi Meteorology，1995，(6):34-36.

［19］Pang W B.The laws of solar radiation variations on Shaanxi Province.Journal of Shaanxi Meteorology，1997，(5):24-27.

［20］Wu L R，Jiang Z H，Lu Y P，Du J W，Qiao L.The calculation methods and distributive character of solar radiation in Shaanxi province.Scientia Meteorologica Sinica，2009，29(2):2187-2191.

［21］Du C L，Shen X Y，Chen W M，Shi S H.Urban climate and solar radiation changes in China in recent 43 years.Journal of Nanjing Institute of Meteorology，2008，31(2):200-207.

［22］The China Meteorology Bureau.Ground Meteorological Observation Norms.Beijing:Meteorology Press，2003:120-120.

［23］The Xi'an Statistical Bureau.Xi'an Historical Statistical Materials Assembly(The first volume).Beijing:China Statistical Publication，1991:10-12.

［24］Luo H M，Wu S D，Tan K G.Climatology.Beijing:The Meteorology Press，1980:242.

［25］Zeng Z X，Chen H X.How to use Surfer8.0 to draw Isoline map.Guangdong Meteorology，2006，28(3):64-65.

［26］Tang C Y，Guan X W，Zhang S M.Modern Mid-to-Long-Term Hydrological Forecast Method and Its Application.Beijing:China's Water Conservatory and Hydropower Press，2008:218-257.

［27］Hong X，Chen J P.Analysis on temperature and precipitation change tendency from 1960 to date.Jiangxi Meteorological Science and Technology，2004，27(2):20-22.

［28］Wei F Y.Modern Climate Statistical Diagnosis and Prediction Technology.Beijing:Meteorology Press，2007:58-60.

［29］Yu R C，Zhou T J，Li J，Xin X G.The research advances in three degree characteristics of the yearly climate change in eastern China in 2008.Atmospheric Sciences，32(4):893-905.

［30］Yu R C，Zhou T J，Li J，Xin X G.Progress in the studies of three-dimensional structure of interdecadal climate change over Eastern China.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，32(4):893-905.

［31］Zhou T，Gong D，Li J，Li B.Detecting and understanding the multi-decadal variability of the East Asian Summer Monsoon-Recent progress and state of affairs.Meteorologische Zeitschrift，2009，18(4):455-467.

［32］Yu R C，Zhou T J.seasonality and three-dimensional structure of the interdecadal change in East Asian monsoon.Journal of Climate，2007，20(21):5344-5355.

［33］Yu R C，Bin W，Zhou T J.Tropospheric cooling and summer monsoon weakening trend over East Asia.Geophysical Research Letters，2004，31:L22212，doi:10.1029/2004GL021270.

［34］Lin Z Y，Liu M Z，Huang Y P.The impact of urban development on solar radiation in Fuzhou city.Acta Energiae Solaris Sinica，1997，18(1):41-45.

［35］Li Z L，Wang N A，Zha J，Liu T，Zhi M.Relationship between seasonal variations of climate in Lanzhou and the urban development in the last forty years.Platuea Metrology，2007，26(2):588-589.

［36］Yang R W，Cao J，Huang W，Nian A B.Cross wavelet analysis of the relationship between total solar irradiance and sunspot number.Chinese Science Bulletin，2009，54(7):871-875.

参考文献:

［1］马金玉，刘晶淼，李世奎，梁宏，姜朝阳，王炳忠.基于试验观测的光合有效辐射特征分析.自然资源学报，2007，22(5):673-682.

［2］石玉林.资源科学.北京:高等教育出版社，2006:10-15.

［3］王苏，唐宇，赵秋荣，吴春晓，张革新.江苏省太阳总辐射气候变化特征及区划分析 //第27届中国气象学会年会气候资源应用研究分会场论文集.北京:气象出版社，2010:182-191.

［8］王学锋，朱勇，范立张，杨鹏武，杨晓鹏.1961—2007年云南太阳总辐射时空变化特征.气候变化研究进展，2009，5(1):29-34.

［9］王炳忠，张富国，李立贤.我国的太阳能资源及其计算.太阳能学报，1980，1(1):1-9.

［10］王炳忠.中国太阳能资源利用区划.太阳能学报，1983，4(3):221-228.

［11］祝昌汉.再论总辐射的气候学计算方法(一).南京气象学院学报，1982，5(1):15-24.

［12］祝昌汉.再论总辐射的气候学计算方法(二).南京气象学院学报，1982，5(2):96-206.

［14］陈志华.1957—2000年中国地面太阳辐射状况的研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2005:69-71.

［15］李晓文，李维亮，周秀骥.中国近30年太阳辐射状况研究.应用气象学报，1998，9(1):24-31.

［16］杨羡敏，曾燕，邱新法，姜爱军.1960—2000年黄河流域太阳总辐射气候变化规律研究.应用气象学报，2005，16(2):243-248.