湖州地区辐射影响因子分析*

2019-03-22胡景波刘双喜

中国农业资源与区划 2019年2期

胡景波，邱杰，王磊，刘双喜

(湖州市气象局，浙江湖州 313000)

0 引言

太阳辐射是地球最重要能量来源之一，太阳辐射的变化能影响气压、温度、湿度、降水等气象要素，是造成天气、气候变化的主要原因。不同地区受纬度、海拔、云量等多种因素的影响，太阳辐射存在显著差异。太阳辐射空间分布不均匀，导致了气象要素时空分布差异，这种差异影响了人类活动和动植物生长发育。另一方面，太阳能作为一种可再生的清洁能源，越来越受到人们的关注，正在成为举足轻重的新能源之一。近些年，国内外学者对太阳辐射变化特征进行了大量的研究。喻丽[1]、李小军[2]分析了近些年中国地表太阳辐射时空变化。左晨[3]、王占林[4]分别研究了新疆和青海地区太阳总辐射的变化特征。刘昌明[5]、赵娜[6]进行了海河流域太阳辐射评估。陈震[7]、司福意[8]、程海军[9]分别分析了唐山、焦作、黄冈的太阳总辐射变化特征。唐晓萍[10]、陈飞霖[11]、陈玲[12]分析了南方地区重庆、阳江、东莞的辐射强度特征及影响因子。

太阳发射的能量入射到地球大气层内的总和称为总辐射，是衡量太阳辐射强弱的一个重要指标，也是用来衡量某一地区太阳能资源丰富程度的基本参考量。总辐射大小受到很多因素的影响，汪凯[13]分析了中国东南部太阳辐射的影响因素，颗粒物浓度也是影响太阳辐射的因素之一。大气中颗粒物浓度的增加除了对人体健康产生危害以外，还会增加大气消光性，降低能见度和到达地面的太阳辐射，胡森林[14]分析了合肥城市气溶胶浓度对太阳辐射的影响。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，与苏州、无锡隔太湖相望。湖州东部为水乡平原，农业以种植业和养殖业为主，太阳辐射对农业生产影响较大。湖州西部多山地、丘陵，近几年太阳能发电产业在此区域发展较快。考虑到辐射变化本地化分析的必要性，文章借鉴了近些年来不同区域辐射变化分析的一些方法，对湖州地区的辐射情况进行了初步分析。

1 观测数据

1.1 观测地点和观测仪器

湖州国家基本气象站是湖州市范围内唯一的国家级基本观测站，湖州站建于1956年1月，位于东经120°03′、北纬30°52′。总辐射观测不属于湖州站常规观测内容，是为了更好地开展气象服务额外增加的观测任务，因此辐射观测设备被安装在湖州站的辅助观测场内，辅助观测场位于常规观测场的西面，与常规要素观测场同样享受严格的探测环境保护。湖州国家基本气象站从2009年9月开始观测太阳总辐射，使用的观测仪器为华创公司生产的TBQ-2-B-I型总辐射表，通过辐射中心站软件每小时上传1组数据，全天24h连续观测，至今已连续观测10年。

1.2 数据完整性

在正式处理数据之前，首先进行预处理，包括删除缺测时次，剔除理论范围之外的数据。在预处理过程中，发现因为仪器故障， 2014年5月上旬至7月上旬的辐射数据异常偏低， 7月中旬至12月下旬数据连续缺测。考虑到2014年只有1—4月数据正常，无法统计辐射的季和年累计值，因此放弃了2014年的所有数据。因为夜间太阳辐射数据均为0，没有实际的研究意义，因此只挑取6—20时的数据用作统计分析。综合上述处理，最终保留了36 162个时次的数据，数据总的完整性为94.28%，具体的数据完整性统计如表1。

表1 2010—2017年数据完整性统计

2010201120122013201520162017总计实测数5 3805 3705 3725 3974 6204 7785 24536 162理论数5 4755 4755 4905 4755 4755 4905 47538 355完整性(%)98.2698.0897.8598.5884.3887.0395.8094.28

1.3 数据处理方法

将预处理之后的数据做如下计算：将同1年内的同1h数据做平均，求得不同年份6—20时的小时平均值，如图1；将所有小时辐射累加得到1d的总辐射，在此基础上得到每年的月、季、年总辐射，如图2～4。

2 结果与分析

2.1 辐射强度日变化情况

如图1所示， 2010—2017年太阳辐射日变化曲线基本一致，日出后辐射强度随着时间逐渐增大，中午前后达到全天最高，随后辐射量开始减弱，日落前后辐射强度趋于0。太阳辐射的日变化呈周期性，全天基本为抛物线型变化，左右大致对称分布。由此可见太阳高度角是影响地面辐射的重要因子。

图1 太阳辐射日变化

2.2 辐射强度月变化情况

从图2中可以看出近几年来太阳总辐射的变化趋势基本保持一致。1月份受太阳高度角偏小的影响太阳辐射最弱， 2月份开始随着太阳高度角增大而逐渐增强， 6月份太阳辐射有个明显的强度减弱，原因主要是本地区在6月中旬前后进入梅雨季节，一直处于连阴雨、少日照的天气状况。虽然太阳高度角在此阶段达到最大值，但云层和雨水的阻挡和吸收，使得太阳总辐射反而减小。梅雨结束后， 7月太阳辐射达到一年中的最大值， 8月开始由于台风的增多，云系和降水衰减了太阳辐射总量，使得太阳辐射没有随着平均温度的增加而一直增加，反而出现波动下降的趋势。进入下半年后，随着太阳高度角的减小，太阳辐射逐渐减小。

图2 太阳辐射月变化

2.3 辐射强度季节变化情况

如图3所示，可以看出太阳辐射强度有明显的季节变化，夏季太阳辐射平均值最高，春季次之，秋季只比冬季略高，甚至近几年两者几乎持平。理论上来说，冬季太阳高度角较低，太阳辐射量应该与秋季有较大差距，但从数据分析结果来看，两者相差不大，为了探究具体原因，额外分析了近4年湖州国家基本气象站的月报表。发现近几年秋季的日照时数相比历史同期基本都偏少，降水日数和降水量都偏多，加上冬季日照时数相比历史同期要偏多。综合以上原因，造成了秋冬两季太阳辐射差距较小。

图3 太阳辐射季节变化

2.4 总辐射强度年变化情况

从图4可以看出，除了2015年以外，其余年份的年辐射总量基本稳定。2014年5月至2016年春季，爆发了历史持续时间最长的极强厄尔尼诺事件。受其影响， 2015年极端天气气候事件多发。2015年10月下旬至11月中旬，湖州市遭遇历史罕见的秋季长期连阴雨天气，降水日数之多、日照时数之少均居历史同期首位。由于这次阴雨寡照时段分布在10月和11月，在月数据里并不能明显地体现出来，如果只看辐射总量，很容易忽略这一情况。近两年辐射总量稍有下降，考虑到可能存在的辐射年际变化，并不能就此认为本地区的辐射会处于下降趋势中，还需要更多年份的数据加以分析。

图4 太阳总辐射年变化

3 总辐射强度影响因子

3.1 总辐射与总、低云量的关系

湖州站月报表中云的观测周期为6 h，分别是8、14、20时，可以把3次的云量做平均，代表当天的平均云量。用2017年逐日太阳辐射强度和2017年逐日的平均总、低云量分别作相关性分析，发现太阳辐射强度和总云量、低云量均呈反相关，相关系数分别为-0.59和-0.70，两者均通过了α=0.05相关性检验，说明低云量对辐射的影响更大。

3.2 总辐射与相对湿度的关系

利用湖州站2017年观测的小时相对湿度，取6—20时的数据求平均，求得每天白天的平均相对湿度。剔除掉有降水的日子，将白天的平均相对湿度和太阳总辐射做相关性分析，结果相关系数为-0.65，两者负相关性比较明显。

3.3 总辐射与部分气象要素极值的关系

分析了湖州站2017年所有的观测数据，选出了3个可能相关性较高的气象要素极值，分别是日最高温度、日最小相对湿度、日最高地面温度。分别使用2017年逐日太阳辐射与上述3类极值数据做相关性分析。结果与日最高温度相关系数为0.68，与日最小相对湿度相关系数为-0.69，与最高地面温度相关系数为0.76，均通过了α=0.05相关性检验，结果说明这3个极值一定程度上可以作为当天太阳辐射强度的参考。

3.4 总辐射与颗粒物浓度的关系

有学者认为大气的污染程度也是影响太阳辐射强度的因素之一，它们对太阳辐射强度的衰减主要是通过气溶胶粒子的吸收与散射作用。为了检验两者在该地区的相关程度，该文利用湖州站2017年PM10、PM2.5和PM1的日平均值数据，与太阳辐射强度做相关性分析。湖州站的大气成分观测仪器型号为Grimm180，观测地点与太阳辐射相差不到100m，都在观测站大院内。考虑到有降雨时颗粒物浓度和太阳辐射的数值都会降低，导致相关性结论不准确，因此将有雨量的日子剔除。两者相关性结果如表2、3所示。

表2 太阳辐射不同季节与气溶胶粒子浓度相关性

春夏秋冬PM10-0.44 0.24 -0.28 -0.19 PM2.5-0.45 0.27 -0.22 -0.14 PM1-0.44 0.28 -0.20 -0.13

由表2可见，在湖州地区，两者一年四季的相关性并不相同。春季、秋季和冬季的太阳辐射与气溶胶粒子浓度有不同程度的负相关性，即颗粒物浓度越高，太阳辐射越低。图5为12月21—26日一次较长时间霾天气过程中颗粒物浓度与日辐射总量的变化关系，这次过程中，颗粒物浓度与辐射量的反相关表现得很明显，呈现有规律的此长彼降的变化。27日下午天气转雨，云量增长，两者同时下降。

图5 一次霾天气过程颗粒物浓度和日辐射总量变化

夏季两者存在相关系数在0.25左右的正相关，这与之前的研究结论有差距。具体分析了湖州地区夏季3个月的颗粒物浓度变化情况，发现在夏季高温时段，长时间无雨的情况下颗粒物难以扩散，浓度会明显增加，就会出现温度越高，太阳辐射越大，颗粒物浓度也越大的情况。当这种情况在夏季多次发生时，从数据上来看，两者就会产生一定的正相关。综上，初步认为在湖州地区，大气成分中PM10、PM2.5和PM1的值与太阳辐射的相关性应该按季节具体分析，不能简单考略为全年太阳辐射的影响因子。