新疆石河子太阳总辐射特征及相关要素分析

（新疆石河子气象局，石河子市，832000） 王 刚

1 引言

太阳照射到地平面上的辐射为太阳辐射，太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，使辐射强度减弱。不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。近年来，由于臭氧层变薄，温室气体在上层大气中的积累，会增大散射辐射，再加上新疆石河子污染日趋严重，从而严重影响太阳总辐射量。通过分析新疆石河子45a 的太阳总辐射资料，了解新疆石河子太阳总辐射的多年变化规律和由于空气污染对太阳总辐射影响的程度，进一步分析其形成的原因。

2 总辐射

水平表面上，在2π 立体角内所接收到的太阳直接辐射和散射太阳辐射之和称为总辐射，为投射在垂直于阳光的单位面积上单位时间内的能量，单位cal/cm2或MJ/m2。太阳总辐射量有显著的日变化和年变化。山西省观象台1959～2003 年地面总辐射的资料的单位不统一，1985年以前的总辐射单位为cal/cm2，1986年以后改为MJ/m2，为了研究的需要将1959～1985 年的资料进行换算，统一单位为MJ/m2。换算关系为1cal＝4.187J 1MJ＝1 000 000J。

2.1 太阳总辐射量的逐年变化特征

直接利用太阳总辐射量45a资料变化趋势会包含有环流形势年际变化的影响，若经过5a年滑动平均处理后，环流形势年际变化的影响就会缩小，从而显示长期稳定变化。制作的图1为年总辐射量逐年曲线。通过5a滑动平均的方法削弱振幅，滤掉过程中小的周期性振动而显示出较大的变化趋势，从曲线的变化来分析总辐射量气候变化特征。

用线性倾向的最小二乘法估计总辐射量气候变化趋势。自变量x 为年际变化，因变量y 为年总辐射量逐年变化，建立线性倾向方程：

其中b为年总辐射量的线性趋势， b＞0表示年总辐射量呈上升趋势；b＜0 表示年总辐射量呈下降走势。

图1 年总辐射量逐年变化趋势图

得出太阳总辐射气候倾向方程：

从结果表明，太阳总辐射线性变率为-15.963MJ/m2太阳总辐射平均每10a以-159.63MJ/m2气候倾向率下降，其间含有小波动。即b＜0太阳总辐射总体呈明显下降趋势。通过5a滑动平均曲线分析看出60年代末到70年代中期为最高峰，以后直线下降，90年代初处于低谷状态，90年代末有所回升，2000年以后又有下降的迹象。从年总辐射量的分析看到年倾向率下降明显，年总辐射量逐年减少。从太阳总辐射逐年变化来看68 年达到最大值大于6 800.0MJ/m2，2003 年落到最低值小于4 500.0MJ/m2。

2.2 太阳总辐射量的周期变化

小波分析是通过平移和伸缩参数对数据的不同频率分量采用不同持续时间的窗函数来分析资料，从而实现资料不同频率分量有不同时频分辨率，所谓小波，就是小的波形，是指它具有衰减性和波动性，即振幅呈正负相间的震荡形式，经小波分解后，图像轮廓主要体现在小波系数的低频部分，而细节部分主要体现在高频部分，因此可以采用不同的量化方法对不同层次的低频系数和高频系数进行量化处理。小波分析是时间～频率分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，尺度参量较大时（相当于低频），时域分辨率较低，频域分辨率较高，当尺度参量较小时（相当于高频）时域分辨率较高，频域分辨率较低。因此当尺度参量从小逐渐增大时，时频分辨率就会发生相应的变化，这种特性称为小波的“变焦”特性或多分辨率分析。窗口的面积是保持不变的，即时域分辨率的增加，必然导致频域分辨率的减小。分析检测高频分量时，时间窗口自动变窄，频率窗口高度增加；分析检测低频特性时，时间窗口自动变宽，频率窗口高度减小，从而达到时～频窗口和谐变化。

小波函数Ψ(t)可以取不同形式，本文采用墨西哥帽小波进行变换的方法分析太阳年总辐射量的年际变化

对一个时间序列，可以用小波系数极值方法推得其中存在的周期与尺度a的关系为T=3.974a，图2为新疆石河子市年年总辐射量小波分析图。从图2可以看到，小波系数分布形成正负相间的振荡中心。这显示了新疆石河子市45a太阳年总辐射量包含了多个周期变化。1981年以前，在高频部分有明显的11年周期，恰与太阳黑子活动的11周期相符。1981～1986年变化较为急剧，1986年以后又有明显的11年周期。从低频部分看，1981年是一个突变点，在1981年之前多是正距平，之后多是负距平。

图2 新疆石河子年总辐射量资料小波分析图

2.3 太阳总辐射量的季节变化

地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化，冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间长。到达地面的太阳辐射从图3太阳总辐射量四季变化可见，夏季太阳总辐射量最大，冬季太阳总辐射量最小。

图3 太阳总辐射四季逐年变化图

用线性倾向的最小二乘法估计总辐射量各季节趋势。得出各季节太阳总辐射气候倾向方程：

从结果表明，各季节年总辐射量平均值比较为夏季＞春季＞秋季＞冬季。太阳总辐射各季节线性倾向变率均为负值，说明各季节太阳总辐射都有不同程度的衰减，夏季太阳总辐射气候倾向率下降最多为-54.301MJ/m2/10a，夏季与春季波动较大，其中夏季太阳总辐射在1967、1986年有突变，整个夏季总辐射最多达2075.75MJ/m2；而冬季与秋季上下波动不明显，在60年代变化较大外，其余年份变化较为平缓。从5a滑动平均的变化显示，60年代中期到70年代中期各季节年总辐射量平均值较高，70年代后期开始步入下降趋势，80 年代与90 年代后期略有上升，但总的趋势是下降，到2003年处于低谷状态。

2.4 日照时数的年代变化

日照是气候形成的重要因素，日照时数也是表征气候变化的主要气象要素之一，是指太阳照射到地面所经历的时间，以小时为单位。随着全球气候的改变，各地区日照也随之发生了显著变化，用新疆石河子50a 日照时数的逐年值来分析变化趋势，对了解变化规律及气候特征有着重要作用。

图4 年日照时逐年变化图

对新疆石河子市1954～2003年的年日照时数资料进行一元回归分析，可以得到年日照时数随时间变化的统计方程y=-8.7 456x+2 771.8，其中y代表年日照时数，x是时间序数，从年日照时数变化曲线图3中可以看出，新疆石河子市年日照时数变化总趋势是趋于减少的，且减少的趋势非常明显，平均每10a约减少近90h，1981年以前的年日照时数基本都在2 400h以上，减少趋势不是很明显；从1982年开始，日照时数开始明显减少，其中有四年降到2 200h左右，到2003 年达到最低值2 135.4h。此分析与太阳总辐射的周期变化相吻合。

3 原因分析

太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。散射不吸收辐射能，而是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播，经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。因此，太阳辐射通过大气时，如果空气中存在较多的尘埃或雾粒，因散射的结果，使太阳辐射削弱。阴雨天，多雾天，烟霾天太阳的透明度很差，参与反射作用的质点增多，散射辐射增强太阳辐射被削弱很多；而晴朗天气，大气透明度好，空气中参与反射作用的杂质少，因而散射辐射减弱，太阳辐射被削弱的少。

能见度的观测有一定的人为因素，但省观象台观测能见度10km的目标物较为明显，易于观测，有一定的可信度。利用新疆石河子市1954～2003年地面实测的能见度低于10km烟、霾、轻雾次数累加资料，分析了新疆石河子空气污染长期变化情况和对太阳辐射的影响。50年代中期以后到60年代中期能见度较差，60年代中期以后至70年代初能见度低于10km烟、霾、轻雾次数最少均少于200次，这与太阳总辐射分析中60年代中期以后至70年代初最大相对应，70年代中期以来随年代推移，其变化不太明显，到90年代后一段时间能见度低于10km烟、霾、轻雾次数减少，90年代以后能见度低于10km烟、霾、轻雾次数逐年增加，到90年代末期以后均大于400次。从线性倾向方程y=3.3 635x+239.31分析，能见度低于10km烟、霾、轻雾次数不断增加，多年平均在239次以上，而近几年已多达500多次，说明污染程度日趋严重。

4 结论

城市化进程的加快必然导致能见度的恶化，主要原因是人类活动排放的废气杂质直接进入大气，大气的悬浮微粒增多，使轻雾、雨、烟和霾现象增加。能见度恶化可以表明，空中尘埃量增多，空气日益恶浊.这种大气状况的改变，导致散射辐射增多，能见度恶化，日照时数减少，使太阳总辐射大大衰减，说明到达地面的太阳总辐射量的减弱与大气透明度降低、混浊度提高即空气污染物逐渐增多有较密切的关系。