西藏日喀则市太阳能资源时空分布特征及资源潜力评估

尼玛拉宗，卓 嘎

（1西藏日喀则市气象局，西藏日喀则857000，2西藏自治区气象局气候中心，拉萨850000）

0 引言

日喀则市位于青藏高原西南部，平均海拔4000m，所辖18个县市。随着人口的增加，经济的发展，对能源的需求日益增加。然而，高原生态环境十分脆弱，开发利用太阳能等清洁能源，是在保护生态环境的前提下解决能源需求的科学举措。研究日喀则市太阳能资源的空间分布特征、变化趋势以及对资源进行详细评估，是科学合理开发利用太阳能资源的基础性工作。

国内对太阳能资源的研究大多集中在中原及青藏高原东北青海等太阳辐射站较多的地区，主要研究其资源属性，从太阳能总辐射、日照时数、可照时数等方面来分析研究各区域太阳能资源的丰富程度[1-3]、可利用价值[4]、日最佳利用时段及资源稳定度等时空分布特征[5-7]。西藏高原因其特殊的地理地貌及天气气候特征，太阳总辐射强、日照时数长，是世界太阳能资源最丰富的地区之一[8-11]。

多年来有不少学者从区域角度对日照时数的分布特征及变化进行了研究[12-14]。杜军等[15]利用复杂地形下太阳辐射分布式模拟模型计算了西藏太阳总辐射量；张志刚等[16]对珠峰地区短期太阳辐射特征进行了研究。但是，目前从区域角度较全面研究日喀则市太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估文章较少。因此，本研究选用日喀则市7个气象站1985—2014年的日照时数、日照百分率、最高温度和日喀则站的太阳辐射实测资料，以期较全面分析日喀则市太阳总辐射和日照时数的变化趋势及空间分布特征，对太阳能资源丰富度和稳定度等潜力进行评估，以期为日喀则市科学有效开发利用太阳能资源，提高太阳能的利用率，为农业生产的高产稳产，合理调整农业种植结构提供重大的科学依据[17]。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选取1985年1月1日—2014年12月31日的定日、江孜、拉孜、南木林、日喀则、聂拉木和帕里7站日照时数、日照百分率、最高温度等气象资料以及2010年1月1日—2014年12月31日日喀则站的日照、最高温度和辐射资料。所有资料均经过检查，部分年份缺失的资料采用多年平均相应月（年）值替代。

1.2 太阳辐射推算模型的建立

目前研究认为，日照时数主要受云量的影响，近年大气污染严重，云量和气溶胶增多，从而增强了大气对太阳光的反射及吸收作用，使太阳辐射减小，日照时数下降。应用2010年1月1日—2014年12月31日日喀则站的日照、最高温度和辐射资料与日照时数、最高温度建立日喀则月总辐射量计算方程（见表1），并将日喀则逐日日照时数、最高温度代入计算得到的日辐射量与实际观测值对比，计算得到的日辐射量与实况误差很小，通过验证计算，笔者认为计算方法可靠。因此，用该方法计算1985年1月1日—2014年12月31日定日、江孜、拉孜、南木林、聂拉木和帕里的逐日总辐射。表1中S为日照时数，Dm为最高温度，2月、5月、6月、11月和12月的方程与最高温度无法建立方程，只与日照时数建立了计算方程。

表1 日喀则市太阳日辐射量计算公式

1.3 评估方法

依据中国气象局2008年《太阳能资源评估办法》，太阳能资源丰富度、稳定度以及利用价值是最重要的太阳能资源评估指标。本研究利用日喀则市现有7个人工气象站观测的日照时数和推算的太阳总辐射资料对日喀则市太阳能资源的丰富程度、利用价值和稳定程度进行分析。用年均太阳总辐射、日照时数和日照百分率评价太阳能资源的丰富程度；用每天日照时数大于6 h作为太阳能利用价值指标；一年中各月日照时数大于6 h的天数最大值与最小值之比来反映太阳能资源的稳定度，比值越小，说明太阳能资源越稳定，越利于太阳能资源的开发利用。

笔者分别计算出7个站点30年年均总辐射、四季太阳总辐射、四季日照时数，计算各站点近30年各月日照时数＞6 h的天数，用日照时数＞6 h天数最大值比最小值得到太阳能资源稳定度K，见公式(1)，其等级（见表2）。参照太阳能资源丰富度区划指标（见表3），利用克里格插值法对日喀则市总辐射、日照时数和太阳能资源稳定度进行空间插值，得到了太阳能资源的空间分布特征，对全市太阳能资源分布情况进行了区划。

表2 太阳能资源稳定度指标

稳定度指标反映太阳能资源全年变幅的大小，比值越小，说明太阳能资源全年变化越稳定，受天气变化影响越少，越利于太阳能资源的开发利用。

式中：K为太阳能资源稳定程度指标；Day1,Day2,…,Day12分别为1—12月各月日照时数大于6 h的天数。单位：天；max()、min()分别是求最大值和最小值的函数。

1.4 统计分析

利用Excel对各类数据进行处理分析。

线性xi表示样本量为n的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立一元线性回归方程(2)。

式中：b为回归系数，代表气候变量xi的趋势倾向。当b＞0时，说明随着时间ti的增加，气候变量xi呈上升的趋势；当b＜0时，说明随着时间ti的增加，气候变量xi呈下降的趋势；b×10称为气候变化倾向率,表征气候要素上升或下降的速率，单位为某要素单位/10 a。

2 结果与分析

2.1 太阳能资源的时间演变特征

从日喀则市年均太阳总辐射和年均日照时数（1985—2014年）的变化趋势（见图1）来看，年均太阳总辐射和年均日照时数变化趋势基本一致，总体趋于下降趋势，年均日照时数减少趋势更明显。近30年中太阳总辐射和日照时数在1985年—1990s中期前变化幅度较小。1996—2008年之间变化幅度较大，减少趋势明显，2009—2014年出现较明显增加趋势；近30年中，2012年日照时数最高，达3135.1 h，2008年降到最低，为2872.4 h；太阳总辐射最低值出现在2000年，为7325 MJ/m2；2000年之后，年均太阳总辐射开始增加。

表3 太阳能资源丰富度区划指标

图1 日喀则市日照时数和太阳总辐射的年际变化

从1990s中期开始随着日喀则市社会经济的发展，城市人口密度增大，汽车等机动车增多，大气透明度下降，其中云量、大气湿度和气溶胶是影响太阳辐射的主要因子[18]。日喀则市太阳总辐射降低可能与环境的改变和人类的活动有一定的关系。

2.2 太阳能资源四季变化特征

根据气候学划分，春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四季。本研究利用日喀则市各站总辐射推算数据和日照时数数据，分别计算日喀则市各站四季太阳总辐射和日照时数值，用克里克插值法对四季太阳总辐射和日照时数进行空间插值，得到四季太阳能总辐射和日照时数空间分布特点（见图2）。图2反映了日喀则市四季太阳总辐射分布状况。春季太阳总辐射在619～750 MJ/m2之间，日喀则市西部、沿江部分县区太阳总辐射较高，高值出现在定日(750 MJ/m2)，低值区位于南部边缘聂拉木(619 MJ/m2)；夏季太阳总辐射在530～729 MJ/m2之间，太阳总辐射相对较高的是日喀则(729 MJ/m2)，低值区位于南部边缘帕里(530 MJ/m2)；秋季的太阳总辐射在455～562 MJ/m2之间，空间分布上与全年总辐射较为一致，秋季最高值出现在日喀则西部定日(562 MJ/m2)，最低值出现在日喀则市聂拉木(455 MJ/m2)；冬季太阳总辐射在429～527 MJ/m2之间，大部分地方太阳总辐射比较低，太阳总辐射的高值区出现在定日(527 MJ/m2)，最低出现在聂拉木(429 MJ/m2)。日喀则市四季日照时数（图略）的空间分布与太阳总辐射分布情况基本一致，最高值一般出现在西部定日一带,春、夏、秋、冬四季最高值分别高达236 h、177 h、248 h和258 h。四季最低值均出现在南部边缘聂拉木、帕里一带。

2.3 太阳能资源区划

图2 日喀则市四季太阳总辐射分布

根据日喀则市7个气象站30年逐日总辐射、日照时数和日照百分率的统计分析可知，日喀则市大部太阳辐射资源非常丰富，年均总辐射在6364～7655 MJ/m2（见表4），均在6000 MJ/m2以上，其中最大的是日喀则站(7655 MJ/m2)，最低值出现在聂拉木站(6364 MJ/m2)；各站日照时数变化较大，变化范围在2514～3399 h之间，大部分站点年均日照时数在3000 h以上。日照百分率在57%～78%之间，高值区在定日站，低值区在聂拉木站，其空间分布特征与日照时数分布基本一致。形成这种地理分布特征的主要原因是南部边缘受地形及西南暖湿气流影响，水汽相对充沛，容易形成云系[19]，而越往西北到达的水汽较少。因此，南部边缘日照时数和日照百分率低于西部及沿江一线。日喀则市日照分布的主要地理特征是西部和沿江一带高、南部边缘地区低，太阳辐射的地理分布特征是西部和沿江一带高，南部边缘地区低。影响太阳辐射的因子除云量外，还与大气光学厚度成反相关关系。大气光学厚度与太阳光线经过的大气路径有关系，所以海拔越高，空气越稀薄，太阳辐射也就越高[20]。

日喀则市地域面积大，所辖18个县区，但气象观测站点少，只有7个人工气象观测站，1个太阳辐射观测（2010年建站），太阳总辐射值是通过推算得到的。表4中的日照时数、日照百分率和太阳总辐射，并不能反映整个日喀则市太阳能资源的空间分布。对于观测资料区以外的太阳能资源的分布情况，通过空间插值得以确定。对日喀则市各站点的日照时数和太阳总辐射进行空间插值,并结合表2中太阳能区划标准，得到了日喀则市太阳能资源空间分布（见图3）。

由图3可知，日喀则市大部太阳能资源非常丰富，太阳总辐射与日照时数的分布情况基本一致；其中太阳总辐射基本趋势是由日喀则南部边缘向西部和沿江一线逐渐增加，到日喀则市沿江一线的日喀则和西部定日县一带达到最高，最低值出现在日喀则市南部边缘聂拉木和帕里一带；日照时数最高值位于日喀则市西部，日照时间最长的可达3399 h。其次，年均日照时数相对较高的市是日喀则市沿江中东段，其年均日照时数均在3000 h以上。根据太阳能资源丰富度区划指标（见表3），日喀则市大部属于太阳能资源丰富区，定日、江孜、日喀则和拉孜的太阳能资源最为丰富，属于为资源最丰富区(57.1%)；南木林、聂拉木和帕里太阳能资源很丰富，属于资源很丰富区(42.9%)。

表4 日喀则市7个站点太阳总辐射、日照时数和日照百分率的30年平均值

图3 日喀则市太阳总辐射和日照时数空间分布

2.4 太阳能资源利用价值评估

按照《太阳能资源评估办法》标准规定，把各月日照时数大于6 h的天数作为太阳能利用价值的评估指标,如一天中日照时数如大于6 h，太阳能就具有利用价值，否则就不具有利用价值。本研究统计了日喀则市30年（1985—2014年）7个气象观测站日照时数大于6 h的天数，通过求平均得到各地年日照时数大于6 h的天数为263～327天，最少的是日喀则市的帕里站，30年平均为263天；最多的是定日站，30年年平均为327天。帕里和聂拉木小于300天；日喀则、江孜、拉孜和南木林站大于300天而小于320天；定日站大于320天。

总的来说，日喀则市西部的定日一带30年平均每年大于6 h的天数均在320天以上。太阳能资源可利用价值最高；沿江的日喀则和江孜一带，30年平均每年大于6 h的天数均在310～320天之间，太阳能可利用价值较高；南部边缘的帕里一带30年中平均每年大于6 h的天数仅为263天，太阳能资源可利用价值相对较低。总之，日喀则市大部太阳能资源非常丰富，具有特别高的潜在利用价值。

2.5 太阳能资源稳定程度评估

在太阳能资源评估中资源稳定度是最重要的评估指之一，按照1.3节中的稳定度公式，求出了日喀则市7个气象站1985—2014年的太阳能稳定度平均值K。用克里格插值法对各站点的K值进行空间插值（见图4）得出，日喀则市除南部边缘和沿江南木林太阳能资源较稳定，K值在2～4之间之外，其余大部K值小于2，属于太阳能资源稳定区。

图4 太阳能资源稳定度的空间分布

总之，从日喀则市太阳能资源丰富度与稳定程度的分布情况分析，日喀则市南部边缘太阳总辐射最小、日照时间最短且资源相对不稳定，而西部和沿江一线太阳能总辐射最高、日照时间最长，太阳能资源亦较为稳定，属于可开发利用区域。除南木林K值较大之外，其余大部资源稳定度和资源丰富度分布基本相同。

3 结论与讨论

本研究利用日喀则市7个气象站近30年来日照时数和推算的太阳总辐射数据，较全面分析了西藏日喀则市太阳能资源时空分布特征和资源潜力，得出了如下结论：

（1）日喀则市太阳能资源丰富度来开看，西部的定日县和沿江一线的江孜县、日喀则及拉孜县属于太阳能资源最为丰富区，沿江的南木林县、南部边缘地区聂拉木和帕里，日照时数相对较低，属于太阳能资源很丰富区；近30年来日喀则市日照时数和年总辐射均呈下降趋势，其变化趋势基本相同,但日照时数减少趋势比较明显；从太阳能利用价值来看，7个气象站近30年中各年日照时数大于6 h的天数在263～327天之间，小于300天有2个站点，分别是帕里和聂拉木；大于300天而小于320天站点有4个，分别是日喀则、江孜、拉孜站和南木林站；大于320天以上的站点有1个，为定日站；日喀则市太阳能资源稳定度在1～4之间，除南部边缘和沿江的南木林站K值在2～4之间，属于太阳能资源较稳定区外，其余大部K值小于2，属于太阳能资源稳定区。

（2）本研究利用逐日日照时数、日最高气温与日辐射量建立方程推算日太阳辐射量。计算的结果与实际观测值误差很小，经检验，结果比较可靠，这对计算无太阳辐射观测站的辐射数据，是一种新的尝试，具有一定的现实意义。

（3）从太阳能资源丰富程度、利用价值、稳定度几个指标来分析，日喀则市除南部外，大部地方太阳能资源非常丰富且稳定，利用价值高，适合大规模光电开发，发展光伏农业产业潜力巨大。

（4）日喀则市面积大，但有10年以上气象观测数据的气象站点少，有待今后利用更多的自动气象站数据，推算太阳辐射，提高太阳辐射空间插值精度。以便更加细致、准确的分析太阳能资源分布特征，为充分利用太阳能资源，发展农牧业生产提供科学依据。

[1]许建明,何金海,阎风霞.1961—2007年西北地区地面太阳辐射长期变化特征研究[J].气候与环境研究,2010,15(1):89-96.

[2]陈志华.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大气物理研究所,2005:4-5.

[3]周秉荣,李凤霞,颜亮东,等.青海省太阳总辐射估算模型研究[J].中国农业气象,2011,32(4):495-499.

[4]郭军,任国玉.天津地区近40年日照时数变化特征及其影响因素[J].气象科技,2006,34(4):415-420.

[5]贺芳芳,顾旭东,徐家良.20世纪90年代以来上海地区光能资源变化研究[J].自然资源学报,2006,21(4):559-566.

[6]刘义花,汪青春,王振宇,等.1971年—2007年青海省日照时数的时空分布特征[J].资源科学,2011,33(5):1010-1016.

[7]吕宁,刘荣高,刘纪远.1998—2002年中国地表太阳辐射的时空变化分析[J].地理信息科学学报,2009,11(5):623-630.

[8]宋善允,等.西藏气候[M].北京:气象出版社,2013:344-349.

[9]杜军,周明君,罗布次仁,等.近50年拉萨日照时数的变化特征[J].气象科技,2007,35(6):818-821.

[10]陈有虞.青藏高原那曲地区的辐射状况及其年变化特征[J].高原气象,1985,4(4):50-66.

[11]戴加洗,李鹏杰,苏宏德.唐古拉山地区辐射状况和冷热源的探讨[A].青藏高原气象论文集[C].北京:科学出版社,1977.

[12]杜军,边多,胡军.西藏近35年日照时数的变化特征及其影响因素[J].地理学报,2007,62(5):492-500.

[13]唐小萍,李亚兵.拉萨40a日照变化特征分析[J].西藏科技,2003,3(119):56-58.

[14]周长艳,杨秀海,旦增顿珠,等.“日光城”拉萨日照时数的变化特征[J].资源科学,2008,30(7):1100-1104.

[15]杜军,杨志刚,刘建栋.西藏自治区太阳能资源区划[M].北京:气象出版社,2011:8-12.

[16]张志刚,秦翔,何立富,等.2007年春末夏初珠穆朗玛峰地区辐射特征分析[J].高原气象,2009,28(3):516-522.

[17]胡毅,李萍,杨建功,等.应用气象学[M].北京:气象出版社,2005:6.

[18]白建辉,王庚辰.影响太阳总辐射各主要因子的分析[J].高原气象,1994,13(4):487-488.

[19]杨秀海,卓嘎,罗布,等.珠峰地区天气气候特征分析[J].冰川冻土,2012,34(2):336-245.

[20]周秉荣,颜亮东,校瑞香.三江源地区太阳辐射与日照空间分布特征[J].资源科学,2012,30(11):2074-2079.