近30 a 新疆日照时数及日照百分率时空分布特点

李 晔，林 闽，曼吾拉·卡德尔 ,林 佳

（1.新疆机场集团空管业务部，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区新能源研究所，新疆 乌鲁木齐 830011）

1 引言

在人类众多的能源中，电力能源最为便捷，利用太阳能发电的光电是清洁能源的重要组成。设计太阳能电站，需预测电站不同时间、不同季节的发电量及输出功率。在影响光伏发电量的10 大因素中，排在第一位的是太阳辐射量。太阳辐射量受天气变化的影响，很难量化，但如果对某地的“日照时数”和“日照百分率”充分了解，可为太阳辐射量是否符合太阳能电站建站要求提供很好的借鉴。黄伟等[1]研究了影响光伏发电的日照时间函数和气象因素，估算出典型多云、阴天及雨天对光电出力的影响系数。杨金焕[2]等分析当地全年太阳能辐射强度的规律，模拟日照强度对光电出力的影响。以上研究从不同角度证明了日照时数和日照百分率对太阳辐射量的多少具有较好的指示意义。

新疆地处中纬度欧亚大陆腹地，在中国四类太阳辐射地区划分中属于最丰富带和很丰富带[3]（新疆不同区域）。在气候条件比较符合的同时，新疆生态脆弱和地广人稀的特点，也是建设光电站的理想地点。近几十年的气候变化研究表明[4]，近年中国天山地区年均气温上升趋势明显，同时中国西部有降水量增加和沙尘日数减少的趋势[5]，气温、降水量和沙尘的气候变化会带动日照时数的气候变化，同时天山山脉的不同区域、不同气象要素对气候变化的响应不同[6]。因此，对新疆地区日照时数和日照百分率的时空分布及气候变化特征研究，有利于全面认识新疆的光能在天山南北的分布差异，为光伏电站的设立提供数据依据，减少碳排放对人们生产、生活造成损失。

2 概况和资料的选取

2.1 概况

天山呈东西走向横亘于新疆维吾尔自治区中部，西起中国与中亚五国边界，东至哈密市以东，南临中国最大的沙漠塔克拉玛干沙漠，北部是古尔班通古特沙漠，天山山脊平均海拔高度为4000 m。此地形特点使新疆境内海拔落差大，气候种类多且复杂多变。根据地貌和气候特点简单分区，将天山以北称北疆，天山以南为南疆，天山余脉以东为东疆。

2.2 资料的选取

所用资料为新疆34 个测站的每日日照时数和日照百分率数据，其中南疆测站15 个，北疆测站11个，东疆测站8 个。时段为1991-2020 年共30 a。定义年平均值为30 a 的平均，对日照时数进行比较时换算为每日的日照时数，这样便于直观理解。春季为3-5 月，夏季为6-8 月，秋季为9-11 月，冬季为12月-次年2 月。

利用ArcGIS10.5 软件采用范克里金插值法绘制天山地区各日照时数、日照百分率的空间分布图。根据施能等[7]的方法，计算了日照时数的气候趋势系数，采用回归法检验变化趋势的显著性，当趋势系数的绝对值P<0.05,认为气候变化显著。运用Morlet 小波分析法分析日照时数的周期变化特征。计算Pearson 系数判断南疆夏季日照时数减少、东疆近10 a 日照时数显著减少与当地降水增多的相关性。

3 新疆日照时数及日照百分率的时空分布特征

3.1 日照时数及日照百分率的空间分布

从新疆地区各测站多年平均日照时数空间分布图可以看出（图1a），年日照时数呈现出明显的“东多西少”分布状态，位于偏西部的南疆和北疆日照时数少于东疆；日照时数最高在东疆红柳河测站，平均值为9.28 h/d，最低在北疆的精河站，均值为7.12 h/d，日照时数平均日均差达2.16 h/d；南疆日照时数总体略高与北疆，但南、北疆各地日照时数分布有高有低。对于北疆而言，北疆偏北部日照时数总体高于北疆西部和中部，极值在北部的阿勒泰，平均日照时数为8.21 h/d，与北疆最低值差1.09 h/d；对于南疆而言，南疆东部日照时数高于南疆西部，极值在偏东部的焉耆，平均日照时数为8.30 h/d，与南疆最低值差0.85 h。南疆沙漠以北及中天山一线日照时数均比远离沙漠的地区低。

图1 新疆地区30 a 平均日照时数（a）、日照百分率（b）空间分布图

新疆多年平均日照百分率空间分布图（图1b）同年日照时数分布图大体相同，东疆地区日照百分率平均值高达78%，在光照充足的同时气候条件也非常稳定，但吐鲁番测站除外。气候条件表现与日照时数相差较大的测站均在南疆沙漠边缘和中天山附近，如和田、塔中，虽然天气条件相对稳定，但日照时数并不理想。

图2 是新疆地区不同季节各测站日照时数的空间分布，春季，日照时数整体偏多，高值区位于东疆，次高区为北疆，南疆相对偏少。夏季日照时数的高值中心处于东疆和北疆，尤其是北疆北部日照时数均达10 h/d 以上；南疆地区虽然整体夏季日照时数偏低，但也有10.4 h/d 的高值中心，位于喀什地区，低值中心在环塔克拉玛干沙漠南部。秋季的日照时数最大区仍在东疆，北疆北部日照时数显著减少，南疆日照时数降幅不大。相对其他三季而言，冬季日照时数最少，北疆西部为日照时数低点，南疆日照时数相比秋季变化不大。

图2 新疆地区不同季节日照时数的空间分布(a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

对不同气候区日照时数、日照百分率的极值以及各季日照时数、日照百分率在全年的占比进行比较（表1），北疆、东疆的日照时数和日照百分率极值均落在同样地区，而南疆最高、最低的日照时数和日照百分率极值并不在同一地区，表明南疆日照能量不稳定；夏季日照时数占全年日照时数的比重最高，冬季最低；东疆四季日照时数在全年的分布比较均匀；北疆冬、夏两季日照时数占全年日照时数的比重相差大，分别为32.9%和15.9%，南疆次之。

表1 不同气候区日照时数、日照百分率的极值及在全年的占比

与不同季节各测站日照百分率的空间分布（图略）进行比较，除夏季北疆草原的日照百分率与日照时数差距较大外，其他地区与日照时数基本相符。

上述分析表明，新疆地区日照时数和日照百分率的空间分布地区性变差明显，新疆东部为高值区，日照时数高的同时气候也很稳定，且四季分布均匀；其次是天山以南地区的南疆；天山以北地区全年的日照时数略低于南疆，且四季分布不均，日照百分率不高。以上特点与新疆特殊的地形和气候特征分不开。从太阳辐射能的角度衡量，东疆除吐鲁番外，均为理想的光能利用区，南疆除塔克拉玛干沙漠及紧邻区外，光能利用也很理想，北疆因受气候影响，太阳辐射能地区和季节差异性大，需分片区具体区分。

3.2 年日照时数及日照百分率的时间变化

图3 是1991-2020 年新疆年日照时数的时间变化。可看出，近30 a 新疆地区年日照时数总体上呈微减趋势，减少速率为12.7 h·（10a）-1，p=0.51 未通过显著性检验。2016 年日照时数明显偏少，对照历史资料，2016 年年降水量为新疆1961 年以来历史最多，在超强厄尔尼诺事件背景下，全疆平均降水量偏多近5 成，造成了日照时数的最低年。1997 年为新疆区域气候变暖拐点[8]，当年日照时数为近30 a 最高，自1997 年后，新疆区域四季平均气温均呈上升趋势，很明显日照时数并没有同气温同步变化。对30 a 日照时数进行周期分析(图4），有20 a 和10-12 a 的周期，2000-2005 年、2015-2016 年左右处在周期的负位相，1997-1999 年、2017-2018 年左右处在的周期的正位相。

图3 1991-2020 年新疆地区年日照时数的时间变化（单位：h）

图4 30 a 新疆日照时数（a）Morkt 小波指数分布和(b)方差变化

进一步分析发现，前15 a（1991-2005 年）日照时数呈上升趋势，尤其是90 年代（1991～2000 年）上升速率达118.7 h·（10a）-1，而后15 a 呈下降趋势，尤其是后10 a（2011-2020）下降速率为212.9 h·（10a）-1。上升、下降趋势的抵消可能是造成趋势变化的显著性检验均为不显著的原因。

分析1991-2020 年的日照百分率（图略），气候趋势总体呈增加趋势，变化很微小，但个别年份陡增陡减，反映出极端天气对日照百分率的影响。

从新疆不同季节日照时数的时间变化可看出(图5)，四季日照时数均呈现减少趋势，春、夏、秋、冬季的减少速率分别为7.5 h·（10a）-1、7.9 h·（10a）-1、2.5 h·（10a）-1、11.8 h·（10a）-1，冬季减少趋势相对显著。近10a（2011～2020 年）春季日照时数以193.8h·（10a）-1的速率减少（图略），认为是春季日照时数减少的主要贡献项，此年代夏季日照时数也有减少趋势，而秋、冬季节是弱增加趋势。

图5 新疆多年平均四季日照时数变化趋势（单位：h）（a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

综合以上分析，新疆日照时数近30 a 总体呈弱的减少趋势，但未通过显著性检验，具体分析发现90年代日照时数增加，20 世纪10 年代开始减少；从四季日照时数角度分析，冬季日照时数减少速率最大，近10 a 春季日照时数减少明显。Morlet 小波分析表明日照时数有20 a 和10-12 a 的周期变化。

3.3 新疆各气候区日照时数时间变化特点

新疆北疆、东疆、南疆的日照时数时间变化各有其特点（图略），近30 a 来，北疆、东疆日照时数以34.0 h·（10a）-1、68.8 h·（10a）-1的速率减少，而南疆以25.7 h·（10a）-1的速率增加；具体分析显示，东疆近10 a（2011-2020 年）日照时数显著减少，达408.1 h·（10a）-1。

春季北、东、南疆的日照时数随时间变化不明显；夏季北疆为增加趋势，而南疆和东疆均为减少趋势，尤其是南疆，减少速率为21.5 h·（10a）-1；秋季北疆日照时数为减少趋势；冬季各地均无明显变化（图略）。

Pearson 相关适合衡量两个变量的观测值成对且每对观测值直接相互独立的两组数据之间的相关性，越接近1 或-1，说明相关性越强。计算了东疆近10 a（2011-2020 年）日照时数和与之对应的降水量的Pearson 系数，数值为-0.53，说明东疆日照时数与降水量为负相关，降水增多的确是东疆日照时数减少的原因之一。同样计算了南疆夏季日照时数和与之对应的降水量的Pearson 系数，数值为-0.15，说明日照时数与降水量为负相关，降水增多不是南疆日照时数减少的主要原因，这可能和近年来南疆夏季极端天气增多有关[9]

以上分析表明，东疆日照时数的气候变化呈减少趋势，近10 a 减少显著，Pearson 检验表明降水增多是东疆日照时数减少的原因之一；南疆的日照时数气候变化趋势为增加，但未通过显著性检验，其中夏季的日照时数呈减少状态；北疆日照时数气候变化呈减少趋势，主要是秋季日照时数减少的贡献。

4 结论

（1）新疆日照时数和日照百分率的空间分布整体呈“东多西少”的分布状态，随时间变化为减少趋势，尤其是20 世纪10 年代以后，减少趋势更为显著。四季的日照时数也存在减少趋势，尤其是近10 a的春季减少速率大。Pearson 检验证明随着新疆气候暖湿化的变化，东疆近10 a 日照时数减少与日照时数为负相关。

（2）30 a 日照时数小波分析表明，日照时数有20 a 和10-12 a 的周期变化。

（3）新疆东疆日照时数和日照百分率数值高，且四季分布均匀，从太阳辐射能的角度衡量，除吐鲁番地区外，均为理想的光能利用区。

（4）南疆日照时数少于东疆多于北疆，气候趋势呈增加趋势，塔克拉玛干沙漠及中天山周边日照时数不高。

（5）北疆地形复杂造成日照时数和日照百分率差异大，尤其是草原区日照百分率低，太阳能获取不稳定。