宁波太阳总辐射估算及其变化特征分析

2014-02-05何利德

浙江农业科学 2014年10期

关键词：鄞州辐射量太阳辐射

何利德

（宁波市气象局，浙江宁波 315012）

宁波太阳总辐射估算及其变化特征分析

何利德

（宁波市气象局，浙江宁波 315012）

太阳辐射是地球上最基本、最重要的能量来源，研究区域内的太阳能总量及其分布特征对工农业生产和国防建设具有重要意义。本文利用太阳总辐射的气候学经验公式，依据杭州站1960-2006年逐月太阳总辐射和日照百分率建立的回归系数，对宁波鄞州站1981-2013年的太阳总辐射进行估算。基于2010-2013年的估算结果与实测值，利用SPSS统计软件建立修正方程，并应用修正后的太阳总辐射和实际观测值，对宁波鄞州站1981-2013年太阳总辐射的年际变化和年变化特征进行分析。结果表明：本研究所采用的估算方法可行，且修正后的计算值更加精确。宁波鄞州月平均太阳总辐射为357.29 MJ·m-2，月太阳总辐射在226.11～551.42MJ· m-2；月变化为双峰型，6月受梅雨天气影响为相对低值。宁波鄞州年太阳总辐射达4 287.47 MJ·m-2，属于资源丰富区。20世纪80年代中后期开始，太阳总辐射出现下降趋势，至20世纪90年代初达到最低值，其后下降趋势逐渐停顿，并有缓慢上升的态势。

太阳总辐射；日照百分率；特征分析

太阳辐射是地表最重要、最基本的能量来源，也是地球气候形成的最重要因子。随着全球经济的迅猛发展，人类对能源的需求剧增。由于常规能源的储量有限以及开发过程中排放物对环境的污染，许多国家和地区已经把太阳辐射资源作为国民经济可持续发展和改善环境质量的重要清洁能源加以开发利用。目前国内外学者对太阳辐射的计算大体可归纳为3种［1-5］：利用气候学方法计算太阳辐射的各分量；利用卫星遥感资料反演太阳辐射的有关参数；利用高程结合GIS技术模拟太阳辐射。各种方法各有优缺点，其中，气候学计算方法的经验模型在我国应用最为广泛。实践证明，以日照百分率模型为代表的气候学计算方法使用方便，在地形平坦、大气环境状况较单一的地区精度很高。

浙江省现有太阳辐射观测站数目稀少（仅杭州和洪家），远不能满足科研和工程应用的需求。宁波地区的庵东观测站已于20世纪90年代初停止了太阳辐射观测，鄞州于2010年刚设立太阳辐射观测，积累资料年限不长，因此，当前迫切需要适用于宁波市的太阳辐射量推算和扩展方法，来分析当地太阳辐射的时空变化，摸清太阳能资源分布情况。

本文利用杭州1960-2006年太阳总辐射和日照资料所建立的气候学逐月估算公式，推算宁波鄞州的太阳总辐射，结合鄞州2010-2013年的实测辐射资料进行检验和修正，从而得出较为精确的估算方法。根据估算结果，分析宁波鄞州1981-2013年太阳总辐射变化特征，为揭示大气运动、研究气候变化、评估农业生产潜力和太阳能工程设计等提供依据。

1 太阳总辐射估算公式的引用、检验和修正

1.1 太阳总辐射估算公式的引用

当前，国内太阳总辐射气候学估算的方法是在统计分析该地历年各月太阳辐射和日照百分率观测资料的基础上，利用最小二乘法拟合出公式中的各月经验系数，并据此计算相邻各地月太阳总辐射。杭州观测站是国家基准气候站和国家二级辐射观测站，地理坐标为30°13'33″N，120°09'54″E，海拔高度41.7 m。鲍倩倩等［6］利用日照百分率采用下式计算太阳总辐射：

式中：a、b为经验系数，n为月份，各月系数不同；S为月日照百分率（%），W为月天文辐射量（MJ·m-2）。月天文辐射总量由日天文辐射量累加而得，日天文辐射量的计算公式如下：

式中：W0为日天文辐射总量（MJ·m-2· d-1）；I0为太阳常数（13.67×10-4MJ·m-2· s-1）；T为周期（24×60×60 s）；ρ为日地相对距离；φ为地理纬度；ω0为日落时角；δ为太阳赤纬。

鲍倩倩等［6］通过最小二乘法分析1960-2006年该站各月太阳总辐射和日照百分率的观测值，按照公式（Eg）n回归得出各月的经验系数a和b，见表1。

表1 杭州站各月太阳总辐射估算经验系数

鄞州观测站是国家基本气象站，也是宁波的代表站，位于29°47'00″N，121°33'00″E，海拔高度5.0 m。由于杭州站与鄞州站所在的地理位置、地理条件相近，在相同季节影响该地区的天气状况和条件大致相同，因此本文利用杭州站1960-2006年各月太阳总辐射和日照观测资料，采用单站单月的方式来估算宁波鄞州1981-2013年太阳总辐射值并待检验。

1.2 太阳总辐射估算公式的检验

根据杭州站数据所建立的各月太阳总辐射估算经验公式，将宁波鄞州1981-2013年的逐月日照百分率和天文辐射总量代入（Eg）n公式，求得宁波鄞州1981-2013年的逐月太阳总辐射计算值。提取2010-2013年的计算值与实测值进行对比分析。图1为宁波鄞州2010-2013年逐月太阳总辐射计算值与实测值的散点图，相关系数R2为0.982 7。

经独立样本T检验、独立样本非参数检验与Kolmogorov-Smirnov Z检验，结果均显示，实测值与统计值之间差异不显著。为了检验估算经验公式的误差情况，以宁波鄞州2010-2013年的逐月太阳总辐射计算值与实测值作为两独立样本进行验证，计算绝对百分误差和平均绝对百分误差，结果见表2。月绝对百分误差最大值为20.67%，最小为0.00%，大于10.00%（同类研究中的误差标准为10.00%）的月数为6个，占12.5%，独立样本的平均绝对误差为4.69%（同类研究中的误差标准为5.00%）。

图1 宁波鄞州2010-2013年逐月太阳总辐射计算值与实测值的散点分布

表2 鄞州2010-2013年各月太阳总辐射计算值与实测值的绝对误差%

综上可知，利用杭州站所建立的各月太阳总辐射估算经验公式来推算宁波鄞州逐月太阳总辐射是可行的。但估算经验公式的月绝对百分误差大于同类研究中误差标准的比重较大，T检验的临界置信水平为0.750，估算公式有待修正。

1.3 太阳总辐射估算公式的修正

利用宁波鄞州2010-2013年的逐月太阳总辐射计算值与实测值两套独立样本，应用SPSS统计软件进行回归分析，建立修正方程：

修正方程的相关系数r为0.991，并通过了0.001水平的显著性检验。

利用公式对宁波鄞州1981-2013年逐月太阳总辐射计算值进行修正，得到最终的逐月太阳总辐射值，再次提取2010-2013年最终的逐月太阳总辐射修正值与实测值进行对比分析。独立样本T检验的结果显示，修正后的置信水平提高到0.918，临界置信水平提高到0.999；独立样本非参数检验的结果显示，Mann-Whitney U检验的渐近显著性提高到0.982；Moses极限反应检验控显著性水平提高到0.500。

计算各绝对百分误差，结果（表3）显示，月绝对百分误差最大为19.64%，最小为0.10%，大于10.00%的月数为2，占4.17%，独立样本的平均绝对误差为3.79%。修正后的月绝对百分误差大于同类研究中误差标准的比重明显减少，T检验的临界置信水平显著提高，因此经过修正的太阳总辐射更加精确。

表3 鄞州2010-2013年各月太阳总辐射修正值与实测值的绝对误差%

2 太阳总辐射变化特征分析

2.1 宁波鄞州太阳总辐射年际变化特征

宁波鄞州33 a的年太阳总辐射为4 287.47 MJ· m-2；极端最大年太阳总辐射为4 871.92 MJ· m-2，出现在2013年；极端最小年太阳总辐射为3 625.21 MJ·m-2，出现在1991年。无论是修正后的推算值还是实际观测值，均与该站的年日照时数有一致的变化趋势。从宁波鄞州33 a太阳总辐射的年际变化来看（图2），其中线性趋势的相关系数R2为0.103 3（R=0.321 4），小于置信度5%的Rc值0.344 2（相关系数检验临界值），因此其呈现的变化趋势不可信；而多项式变化趋势的相关系数R2为0.485 8（R=0.697 0），大于置信度1%的Rc值0.442 8，且与5 a滑动平均的变化趋势基本一致，因此多项式呈现的变化趋势可信。从多项式拟合的变化曲线看，鄞州站从20世纪80年代中后期开始，太阳总辐射出现下降趋势，至20世纪90年代初达到最低值，其后下降趋势逐渐停顿，并有缓慢上升的态势。这与全球太阳辐射所经历的从“暗”到“亮”的逆转现象有相似之处。

2.2 宁波鄞州太阳总辐射月标变化特征

图2 宁波鄞州太阳总辐射的年际变化

宁波鄞州33 a的月平均太阳总辐射为357.29 MJ·m-2；极端最大月太阳总辐射为724.84 MJ· m-2，出现在2013年7月；极端最小月太阳总辐射为128.61 MJ·m-2，出现在1993年12月。从33 a月际变化来看，宁波鄞州太阳总辐射量表现出明显的年变化，大体呈双峰型季节分布（7月最大，5月为另一高峰值），7月后逐渐减少；夏季辐射量占全年的34.1%，冬季占全年的16.4%，春秋两季介于中间，占全年的22.5%～27.0%（图3）。各月中以7月总辐射量最大，多年平均为551.42 MJ·m-2；1月最小，多年平均为226.11 MJ·m-2。这主要受太阳高度和昼长的季节差异影响，而一年中辐射量较大的4-9月其辐射量均大于平均值，但在6月出现一个小的波谷，这是因为6月宁波市正值梅雨季节，连阴雨天气较多，导致日照时间减少，相应到达地面的太阳总辐射也就出现下降趋势。

图3 宁波鄞州太阳总辐射的月际变化

3 小结与讨论

利用杭州站1960-2006年实测太阳总辐射和日照百分率，逐月建立以天文辐射为基数的气候学经验公式来估算宁波鄞州站的太阳总辐射是可行的；经修正后的计算值更加接近实际观测值，误差较小。根据《太阳能资源评估办法》中太阳总辐射的评估标准，宁波鄞州年总太阳辐射量3 780～5 040 MJ· m-2［7］，为3级，属于资源丰富区，具有开发潜力。年内分配存在一定的不均衡性，向夏季集中，辐射量的月际最大值与最小值之比超过2.4，太阳能的开发利用需要考虑明显的季节性变化。

太阳辐射受气象条件影响较大，太阳总辐射计算应结合各种因素和季节分布，完善计算模拟过程，同时做好开发中的灾害风险管理。

宁波鄞州近33 a太阳辐射的估算只是一种尝试，在今后的研究中，还有待于考虑地面高程、实际坡向及地形遮蔽等对地表太阳辐射的影响，基于GIS技术构建一套适合宁波的推算太阳辐射的方法和流程，并应用该方法结合地理信息数据，对宁波市的太阳辐射资源进行精细化的区划分析，从而为可再生能源的应用发展提供科学依据和建议。

［1］翁笃鸣.试论总辐射的气候学计算方法［J］.气象学报，1964，34（3）：304-315.

［2］曾燕，邱新法，刘昌明，等.基于DEM的黄河流域天文辐射空间分布［J］.地理学报，2003，58（6）：810-816.

［3］曹丽青，高国栋.太阳短波辐射分光谱计算模式［J］.气象科学，2004，24（2）：185-192.

［4］刘艳，高歌.中国地区云对地气系统太阳短波吸收辐射强迫的气候研究［J］.气象科学，2000，20（3）：260-269.

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

［6］鲍倩倩，杨焕强，吴书成，等.杭州太阳总辐射特征统计及气候学经验计算［J］.浙江气象，2008，29（2）：36-39.

［7］中国气象局.太阳能资源评估方法（QX/TQX/T89-2008）［M］.北京：气象出版社，2008：1-7.

（责任编辑：高峻）

P 422

：A

：0528-9017（2014）10-1620-04

文献著录格式：何利德.宁波太阳总辐射估算及其变化特征分析［J］.浙江农业科学，2014（10）：1620-1623.