邯郸太阳辐射时空分布特征

田秀霞，张雅斌，侯艳林，宋晓辉，李 猛，薛 敏

（1.邯郸市气象局，河北 邯郸 056001；2.西安市气象局，陕西 西安 710016）

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。随着全球经济迅猛发展，能源需求成倍增长，急需开发可持续发展的清洁能源。太阳能被认为是目前发展前景广阔的绿色清洁能源之一，了解太阳辐射状况对调整能源结构、促进农业发展、建设生态文明和应对气候变化等有重大意义。研究表明，全球地面太阳辐射呈下降趋势[1-2]，1961—1990年下降了4%[3]，亚非和欧美地区的总辐射平均每10 a减少达2%[2]，印度以20 W/（m2·10 a）的速度显著下降[4]。Wild[5]发现全球太阳辐射先减少、后回升。国内学者从不同角度、应用不同方法对我国地面太阳辐射进行了分析研究。杨建莹等[6]、崔日鲜[7]分别采用Mann-Kendall检验和Pettitt's test方法对华北太阳辐射进行突变和趋势分析。文小航等[8]利用辐射观测资料、陶苏林等[9]应用DSRM_C模型估算方法，对我国太阳辐射分布特征进行研究，认为20世纪90年代前呈明显下降趋势，之后开始上升。另外，不同地区太阳辐射的变化差异比较大，大部分区域太阳总辐射呈下降趋势[10-11]，但东北地区[12]、东南地区[13]和长江三角洲[14]的太阳辐射呈先减少后增加趋势，格尔木[15]呈先上升后下降趋势。

邯郸处于华北南部，气象观测中没有辐射数据，太阳辐射的趋势变化及空间分布的研究几乎没有。为满足当地能源调整、农业区划、小气候利用、资源评价等需求，本文估算邯郸太阳辐射，弥补了本地太阳辐射数据空缺。分析邯郸太阳辐射时空变化规律，为当地社会经济可持续发展和农业生产布局提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 太阳辐射计算

本文选取河北省气象局整编的邯郸市辖区16个县气象观测站1980—2017年逐日平均气温、气压、日照时数和相对湿度等观测资料，采用Hybrid radiation模型，计算邯郸各气象观测站的逐日太阳辐射。Hybrid radiation模型[17-18]是一种简单通用的地表太阳辐射模型估算方法，计算简单，且考虑了大气中的辐射传输过程，无需局地校正，适用于不同海拔和气候区域，在气候变化研究、资源评价等方面得到广泛应用[19-20]。模型主要公式为：

其中，H为日太阳辐射，Hb，clr为直接辐射，Hd，clr为散射辐射，τc为透射率，n/N是日照率。

在计算日辐射基础上，利用线性趋势、突变检验、Morlet复小波分析等统计方法[21-22]，对邯郸太阳辐射进行趋势、突变、周期和空间特征分析。

1.2 误差检验公式

相关系数r、平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE、确定系数R2和标准偏差S的表达式分别为：

式（3）～（7）中，yi是实测值，MAE是平均绝对误差，RMSE是均方根误差，fi是模拟值，是实测值的平均值，是模拟值的平均值。

1.3 突变检验

本文应用Pettitt's test[23]、Buishand range test[24]和Standard Normal Homogeneity Test（SNHT）[25]3种方法进行突变检验。

Pettitt's test方法：

式（8）～（9）中，Xi是第i序列，Ut，T是构建统计量，KT是检验统计量。

Buishand range test方法：

式中，Xi是第i序列，是n年平均值，σ 是标准差，Sk是构建统计量，R是尺度调整范围，T是检验统计量。

SNHT方法：

式（11）～（12）中，Xi是第i序列是n年平均值，σ 是标准差，z1和z2是构建统计量，Tk检验统计量。

以上3种方法得到的突变点一致且通过显著性水平检验，即可认为是该序列存在突变点且可信度高；任意两种方法得到的突变点一致且同时通过显著性水平检验，可以认为突变点的可信度较高；没有经过显著性水平检验，或通过显著性水平检验但3种方法得到的突变点不一致，则认为突变点不可信；其他情况下突变点的可信度较低。

2 太阳辐射计算效果分析

河北乐亭辐射站1996—2013年太阳辐射日实测值与模型计算结果进行误差检验，结果见表1。相关系数r均＞0.9，均方根误差RMSE较小，平均绝对误差MAE ＜1.8 MJ/m2，确定系数R2超过0.787，RMSE与（S/2）之差为负值。相对而言，5—7月的RMSE、MAE和S误差检验效果稍差，可能与夏季降水多、湿度大、日照少等因素有关。总之，模型误差检验结果在可接受的范围之内，评估效果较好。

表1 太阳辐射模型的（以乐亭为例）误差检验

3 邯郸太阳辐射空间分布特征

年太阳辐射全市平均值为5 100 MJ/m2，与同纬度的山东省年太阳辐射接近[7]。从邯郸近38 a年太阳辐射区域分布（图1）可知：西北部武安最少，除东部的曲周、大名、鸡泽3个县太阳辐射略少外，其他县年太阳辐射在5 044～5 281 MJ/m2，依照太阳能资源丰富程度评估，属于太阳能资源很丰富地区[26]，适合大规模开发太阳能，以增加可再生能源的利用率。

图1 1980—2017年邯郸年太阳辐射分布（单位：MJ/m2）

分析邯郸市1980—2017年季节太阳辐射值分布可知，春季太阳辐射为1 607～1 711 MJ/m2，夏季太阳辐射为1 581～1 756 MJ/m2，春季和夏季基本处在同一水平，空间分布与年太阳辐射的分布趋势基本一致，是大力开发太阳能资源的好季节。秋季太阳辐射为980～1 054 MJ/m2，明显比春、夏季太阳辐射少。冬季太阳辐射为701～793 MJ/m2，一年之中最少，不到夏季太阳辐射的一半。县域间季节太阳辐射的差异幅度，夏季最大，约175 MJ/m2，秋季最小，仅为74 MJ/m2。这可能与季节性日照多少、降水、云量及地理分布等[16]有关。

4 邯郸太阳辐射趋势变化特征

4.1 太阳辐射线性趋势

分析年太阳辐射趋势变化可知（图2a），确定系数R2为0.531，方程拟合较好。邯郸年太阳辐射约以180 MJ/（m2·10 a）的速度减少，比全国太阳总辐射的下降趋势偏高[9]。对年太阳辐射做九点二项式系数平滑（图2a），结果显示：邯郸年太阳辐射显著减少主要发生在1980—2002年，持续23 a。2003—2012年为稳定期。2013年至今处于缓慢增长期，这与以往研究结果有所不同[9]。从年代际变化曲线（图2a）可以看到，20世纪80年代约为5 400 MJ/（m2·a），90年代为5 150 MJ/（m2·a），21世纪以来维持在4 900 MJ/（m2·a）。

为更好地了解季节太阳辐射变化，对春、夏、秋、冬四季做线性拟合（图2b～2e），结果表明，春季太阳辐射减少最慢，趋势系数为-1.95 MJ/（m2·a）（没有通过0.01的显著性检验），下降趋势不显著；夏、秋、冬季均通过0.01的显著性检验，气候倾向率分别为-71.6、-48.0、-41.5 MJ/（m2·10 a）。夏季太阳辐射减少最快，对年太阳辐射的下降贡献最大，夏、秋、冬太阳辐射的减少是导致年太阳辐射整体呈下降趋势的重要原因。分析春、夏、秋、冬年代际变化（图2b～2e）可知，太阳辐射的季节变化趋势复杂。2000年之前春季太阳辐射减少，2000年之后呈缓慢增加趋势。20世纪80年代—21世纪前10 a夏季太阳辐射呈减少趋势，但21世纪10年代之后略微增加，温度升高加剧，导致O3浓度增加。近10 a秋、冬季太阳辐射呈减少趋势，这可能与河北南部秋冬季节的大气污染和总云量有关，秋冬季大气污染加重，大气对太阳辐射的削弱作用增强，且总云量增加，到达地面的太阳辐射减少[27]。

图2 1980—2017年邯郸年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）、冬（e）太阳辐射趋势

4.2 线性趋势空间差异

从邯郸年太阳辐射趋势的空间分布（表2）可以得到，肥乡和磁县下降趋势最明显，趋势值＞30 MJ/（m2·a），广平、临漳、涉县和邯郸下降率很小，4站年际变化趋势均没有通过0.05的显著性检验，下降趋势不显著。

表2 1980—2017年邯郸16个气象观测站太阳辐射时间序列的变化率 MJ/（m2·a）

分析季节变化率（表2）可知，广平、邯郸、临漳、涉县的春季太阳辐射变化率为正值，呈上升趋势；其他县变化率为负值，除肥乡通过0.05的显著性检验外，其他均没通过检验，说明春季太阳辐射大部分县虽有减少趋势，但减少趋势并不显著。夏、秋、冬3个季节中，各县季节太阳辐射变化率均为负值，表明太阳辐射的3个季节均呈减少趋势。磁县、肥乡、峰峰、鸡泽、曲周均通过显著性水平检验，夏、秋、冬3季和年下降趋势明显；广平、邯郸、临漳、涉县各季节的太阳辐射趋势变化均没有通过显著性检验，减少不显著。

邯郸16个县的年和季节太阳辐射分布有差异，除春季个别站为正值外，各站的变化率均为负值，总体呈下降态势。年和季节太阳辐射变化趋势也不尽相同，以某站代替某区域的研究方法，已经不能满足当地政府在农业产业结构调整、太阳能利用、小气候利用等方面对太阳辐射精细化需求。

5 太阳辐射突变年和周期

5.1 突变年

做突变检验时，多种方法同时使用，可以相互验证突变点真伪，增强突变点分析效果。本文采用Pettitt's test、Buishand range test、SNHT 3种方法进行突变检验。由表3可知，春季，3种方法得到的p值均＞0.01，检验统计量没有通过0.01的显著性检验，表明春季突变点不可信，可认为不存在突变点。夏、秋季，3种方法得到的p值均＜0.01，并且突变年份一致，表明夏、秋季存在突变点且十分可信的，夏季突变点是1995年，秋季突变点是1999年。分析冬季太阳辐射序列，Pettitt's test和SNHT方法得到p值均＜0.01，突变年一致，均为2001年，Buishand range test方法得到p=0.019，没有通过0.01的显著性检验，突变年为2000年，3种方法得到的突变年不一致，判断冬季太阳辐射序列可能在2001年发生突变。同理，年序列于1996年发生突变的可信度较大。总之，春季没有突变点，夏、秋季的突变点分别是1995、1999年，冬季和年序列分别在2001和1996年发生突变，可见，太阳辐射发生突变期约为1995—2001年，突变年之后，下降趋势减缓。

表3 太阳辐射的时间序列突变检验结果

5.2 主要周期

图3a是年太阳辐射的小波功率谱，图中红色越深，小波功率越大。影响锥外周期特征存在较大不确定性，不做分析。影响锥内黑实线包围的区域对应周期特征为2～4 a的短周期振荡，出现在1997—2008年，在时频空间上通过了0.05的显著性检验，表明该时段内年太阳辐射波动以2～4 a周期为主。20世纪80年代存在2个黑实线包围的闭合区，对应的振荡周期为准3 a和准6 a，位于影响锥附近或外侧，从局地小波频谱图（图3b）上可以看到，准6 a没有通过0.05的显著性检验，表明该周期的不确定性很大。

图3 1980—2017年邯郸年太阳辐射的连续Morlet小波功率谱（a）和小波频谱（b）

分析季节太阳辐射的小波功率谱可见，春季影响锥内存在准4～7 a周期震荡且显著，主要发生在1991—2007年，该时段内年太阳辐射波动以4～7 a周期为主。1990年之前，存在7 a的周期，但是在影响锥外，不予考虑。1981—1991年和2010年前后还存在短周期震荡，功率值较小。夏季主要存在准2～4 a显著性周期震荡，发生在1992—2008年。发生在1990—1994年的6 a振荡周期信号弱且位于影响锥边缘，局部小波频谱上没有通过显著性检验。秋季，通过显著性检验的主要显著震荡周期（2～4 a）发生在1995—2015年，表明近20 a秋季太阳辐射波动以2～4 a周期为主。冬季影响锥内存在两个闭合的黑实线区域，左侧区域对应周期特征为2～5 a，右侧区域对应周期为2～3 a，分别出现在1985—1995年和2000—2008年，表明这两个时段内，冬季太阳辐射的波动以短周期震荡为主。总之，除春季外，夏、秋、冬季太阳辐射有序列均存在2～4 a短的显著震荡周期，但季节太阳辐射的变化模式和方向与年太阳辐射不太一致。

6 结论与讨论

本文应用Hybrid radiation模型，结合气象资料，估算邯郸近38 a太阳辐射。采用线性倾向率、突变检验、复小波分解等方法，分析邯郸太阳辐射的空间特征、变化趋势、突变和周期，结论如下：

（1）邯郸太阳能资源很丰富，年太阳辐射值为5 000～5 300 MJ/m2，春、夏季太阳辐射约是秋、冬季的两倍，县域间太阳辐射的分布差异较大。

（2）邯郸年太阳辐射总体呈下降趋势，下降率为-180 MJ/（m2·10 a），期间经历了连续减少、稳定维持和缓慢增长3个阶段。邯郸市太阳辐射的季节变化趋势较复杂，近10 a春、夏季太阳辐射缓慢增长，秋、冬季呈减少趋势。除个别县的春季辐射增加外，大部分县季节太阳辐射呈下降态势，其中肥乡、磁县以-310 MJ/（m2·10 a）的速率减少。

（3）邯郸春季没有突变点，夏、秋季的突变点分别是1995、1999年，冬季、年序列突变点可能是2001、1996年，突变年之后，下降趋势减缓。邯郸春季太阳辐射周期为4～7 a，年和夏、秋、冬季太阳辐射为2～4 a显著震荡周期。

邯郸太阳辐射的时空特征较复杂，20世纪90年代中期之前邯郸年太阳辐射下降趋势显著，之后下降趋势减缓。邯郸太阳辐射的突变大致发生在20世纪90年代末，与京津冀1997年突变接近[16]。邯郸年太阳辐射总体呈显著减小趋势，减少速率为180 MJ/（m2·10 a）。华北地区平均减少速率为77.2 MJ/（m2·10 a）[6]。相比较而言，邯郸明显偏大[9]。进入21世纪，邯郸年太阳辐射变化趋势为维持或增加，尤其是春、夏季太阳辐射增加对年太阳辐射贡献较大，使得突变年之后邯郸年太阳辐射下降趋势减缓，这与陶苏林等[9]的“华北地区春、夏季辐射量明显下降趋势”不太一致。短期内（2013—2017年），春、夏季太阳辐射增加，导致温度升高，大气中光化学反应增强，臭氧污染加重；秋、冬季太阳辐射总体的减小趋势比全国强[11]，可能原因：一是气候本身的变化，如风速减弱，削弱了太阳辐射[29]；二是邯郸近几年冬季污染严重，大气中颗粒物增多，气溶胶光学厚度大幅度降低，使得总辐射减小，导致太阳辐射变化趋势减缓[16，28]。具体原因还需要长序列气溶胶观测资料进行深入分析。

致谢：本文得到中国科学院青藏高原研究所阳坤研究员和河北省气象科学研究所魏瑞江研究员的指导，在此表示感谢！