基于MK检验的延安站30年辐射量特征分析

王重洋，弓 卫，畅蓬博

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

0 引言

近年来全球气候变暖日益严重,极端天气事件频发,影响了人类的生产和生活。陕西北部地区太阳能资源较为丰富,该地区近几年开发建设了很多大型光伏基地,太阳辐射的变化直接影响这些工程的收益。

本文选取陕西省延安站30 年辐射数据作为研究对象,探讨其辐射量年际变化特征及其突变（M-K）检验,有助于理解延安地区太阳能资源更深层次的变化规律,同时对陕西北部地区应用太阳能资源有举足轻重的意义。

1 研究区域概况

延安位于陕西北部,地处黄土高原的中南部。北部与榆林连接,南部与铜川、咸阳、渭南三市相接,东部与山西临汾、吕梁相望,西部与甘肃庆阳相邻。全市总占地面积为37037 km2。延安属于暖温带半湿润气候区,春季干燥少雨,气候多变,有大风、扬沙天气；夏季炎热多雨,有时伴有冰雹,无酷热期；秋季气温下降迅速,多湿润、阴雨天气；冬季少雨雪,多西北风,干冷明朗。

延安地区年日照时数大致为2418 h,日照百分比大致为55%,年太阳总辐射量在5000 MJ/m2以上（见图1）,太阳能资源较为丰富,并且具有开发价值。

图1 延安市水平面总辐射空间变化分布图

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本文选取延安气象观测站1990年～2019年的逐月辐射量观测资料,数据来源为国家气象信息中心,且数据质量经过严格控制。

2.2 研究方法

Mann-Kendall趋势检验法（M-K）是一种应用广泛的统计检验方法,可用于预测温度,降水和气压等气象要素的长期变化趋势[1]。非参数检验方法也称无分布检验,变化要素不一定具备正态分布特征,也不会受到少数异常值的影响,定量化程度高,检测范围宽,干扰度小,计算简单,因此适用于具有非正态分布特征的变化趋势分析,如气象要素等。设A1,A2,…,An为时间序列变量,n为样本个数,则统计量S可被定义[2]为：

式中：sgn代表符号函数；

S代表正态分布,均值等于0,其方差计算如式（3）所示。

Mann-Kendall统计量公式中不同S区间对应Z值为：

接着,运用M-K检验法进行突变分析。

综上所述,在M-K法趋势检验中,代入具体的置信水平a值大小,若|Z|≥Z1-a/2,则假设不成立。当Z＞0时,则表示幅度增加,当Z＜0时,则表示幅度减少。当|Z|≥1.28时,表示显著性检验大于90%,当|Z|≥1.64时,表示显著性检验大于95%,当|Z|≥2.32时,表示显著性检验大于99%[2]。

然后,使用M-K检验法进行时间序列突变分析,结构如式（5）所示：

统计量的计算公式：

式中：E（Sk）表示均值,Var（Sk）表示方差,按式（7）计算：

时间序列按照An,An-1,…,A1顺序排列,且根据上述方法,使对UBk和UFk曲线进行绘制,在置信区间|U|≤1.96中,若UBk和UFk两曲线出现交点,则交点为该时间序列突变点,且输入置信度水平为0.95。

3 辐射量量时间变化特征

3.1 辐射量年际变化特征及其突变（M-K）检验

延安站1990年～2019年近30年的年均辐射量为5049 MJ/m2,整体来看呈增加趋势（见图2）,且辐射量增加趋势显著。

图2 延安站年平均辐射量变化趋势

通过延安站近30 年的辐射量数据对延安站年均辐射量进行M-K突变检验,结果见图3,延安站辐射量的UF曲线在2000 年以前介于0～1.96之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势。2000 年以后UF曲线超过临界值,表明辐射量增加趋势十分明显。在0.05 的置信度水平下,延安站辐射量在2014 年左右发生突变。

图3 延安站年平均辐射量M-K检验

3.2 辐射量季节变化特征及其突变（M-K）检验

为了进一步研究延安站辐射量变化特点及趋势,对站点的季节辐射量数据分别进行研究,分析不同季节辐射量的振荡周期,见图4。

图4 延安站不同季节辐射量M-K检验

如图4（a）,在春季期间,延安站辐射量的UF曲线在1993年以前介于-1.96～0 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈下降趋势；1993 年～2004 年之间UF值介于0～1.96 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；2004 年以后UF曲线超过临界值,表明辐射量增加趋势十分明显；在0.05的置信度水平下,延安站辐射量在2001年、2002 年与2005年发生突变。

如图4（b）,在夏季期间,延安站辐射量的UF曲线在 1990 年 ～1991年、1997年 ～2005年与 2015年以后介于0～1.96 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；1992年～1996年与2006年～2014年UF值介于-1.96～0之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈下降趋势；在0.05的置信度水平下,延安站辐射量在2014年发生突变。

如图4（c）,在秋季期间,延安站辐射量的UF曲线在1990年～2000年、2002年 ～2003年 与 2016年以后 介于0～1.96之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；2001年与2004年～2015年UF值介于-1.96～0之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈下降趋势；在0.05的置信度水平下,延安站辐射量在1991年～1992年、1995年～1998年、2016年～2018年发生连续突变。

如图4（d）,在冬季期间,延安站辐射量的UF曲线在2002 之前介于0～1.96 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；2003年以后UF曲线超过临界值,表明辐射量增加趋势十分明显；在0.05 的置信度水平下,延安站辐射量在2002 年发生突变。

4 结论

本文对延安站近30 年辐射量进行线性回归分析,结合M-K检验对太阳辐射量的变化趋势进行分析,并对太阳辐射量不同季节变化转折点进行判断,得到以下主要结论：

（1）M-K突变检验显示,延安站太阳辐射量在2014年发生突变,2000 年以前整体呈上升趋势,并于2014 年以后达到显著上升水平。

（2）通过对比各个季节的M-K突变检验结果,延安站在2014 年发生的突变主要与夏季突变有关,与其他季节无必然联系。

因此,在延安地区利用太阳能资源时应着重考虑季节性气候变化对太阳能资源的影响。