基于NOAA_AVHRR卫星产品的西北地区太阳辐射变化趋势研究

温松楠 李 净 李 龙

（1.兰州资源环境职业技术大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730021；2.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

太阳辐射是大气运动的主要动力和天气、气候形成的重要原因，它对海陆温度差异、冰冻圈消退、地球大气能量平衡以及人类活动起着决定性的作用，因此，研究到达地面太阳辐射的中长期变化，具有直接的气候意义［1-2］。

近几十年来，全球范围内大部分地区的太阳总辐射的变化趋势都经历着上升或下降的过程，也被称为地球的“变暗”到“变亮”［3］，全球“变暗”和“变亮”现象还有一些不确定因素，主要是由于缺乏长时间序列的太阳辐射观测，尤其是稀少站点的观测不能代表整个空间上的连续变化趋势，而目前对于太阳辐射变化趋势的研究主要是利用区域上地面辐射站点的观测数据［4］，由于这些研究都是利用站点数据，而且站点在整个研究区域分布很稀疏，所以无法研究太阳辐射在整个空间上的变化趋势。

地面太阳辐射卫星产品对于太阳辐射在空间上的变化趋势研究提供了一个不错的选择［5-6］，目前常用的太阳辐射卫星产品主要有ISCCP-FD（国际卫星云气候计划-通量数据）［7-8］、UMD-SRB（马里兰大学-短波辐射收支）［9］、GEWEX-SRB（全球能量与水循环试验-地表能量收支）［10］、GLASS（全球陆表特征参量）［11］、CERES（云和地球辐射能量系统）［12］、FLASHFLUX（融 合CERES处 理 系 统 和MODIS观测数据）［13］、CM-SAF-SIS（卫星应用设施气候监测-太阳短波辐射）［14-15］。Zhang等［16］采用全球1 151个站点地面观测数据来评估GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB以及CERES-EBAF四种卫星产品，并对其影响因素进行分析，得出结论为GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB三种卫星产品高估了太阳辐射，CERES-EBA卫星产品太阳辐射偏差相对较小。但在我国目前还没有利用时空连续的卫星产品对太阳辐射变化趋势进行研究，虽然ISCCP-FD、UMD-SRB、GEWEX-SRB、GLASSDSR、CERES-EBAF这些卫星产品可以覆盖全球，但是这些卫星产品时间序列较短且分辨率较低，无法研究地面太阳辐射的长期变化特征。NOAA卫星能够提供时空连续的较长时间序列的太阳辐射数据且分辨率较高，因此本研究基于NOAA卫星产品对西北地区1986—2015年地面太阳辐射的时空变化特征进行研究，采用Mann-Kendall非参数法对太阳辐射的变化趋势做了检验。

1 数据来源及处理

本研究所用的NOAA/AVHRR卫星太阳辐射产品 来 源 于http：//www.cmsaf.eu/EN/Home/，选 取 了1986—2015年的月辐射数据，时间连续性很好，月辐射数据的缺失值利用临近年同月的数据补充，通过平均值合成得到年辐射产品，空间分辨率为0.25°；地面观测数据选取了西北地区25个太阳辐射观测站点（见图1）的月总辐射数据和年总辐射数据，来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//data.cma.cn/site/index.html），用于验证卫星太阳辐射产品。研究选取的25个辐射站中，酒泉、刚察、果洛、塔城、焉耆、阿克苏1993年1月之后建站，延安、安康站1990年1月之后建站，这些站点在研究时间段没有辐射观测数据；西安站2006年1月迁至泾河站，西安站2005年的太阳辐射缺测；兰州站2005年1月迁至榆中站。

图1 西北地区25个辐射站点分布图

2 研究方法

利用Mann-Kendall非参数趋势检验方法来研究。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据（x1，x2，x3，…，xn），是n个独立的、随机变量同分布的样本；假设H1是双边检验。对于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的。定义检验统计量S的计算公式如式（1）。

式中：sign()为符号函数。当xi-xj小于、等于或大于零时，sign (xi-xj)分别为-1、0或1。S为正态分布，其均值为0，方差为Var(S)=n(n-1)( 2n+5)/18。

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则原假设Hi是不可接受的，即在置信水平α上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64、2.32时表示分别通过了信度90%、95%、99%显著性检验［17］。

Hirsch等［18］专门为季节性数据定义了Mann-Kendall非参数法的多变量的延伸，因此该研究利用季节性Mann-Kendall非参数法对西北地区太阳辐射季节性变化趋势进行分析。

对于p季节n个独立随机的观测值，建立如式（3）的矩阵。

季节性Mann-Kendall非参数法定义每个季节的检验统计量Sg的计算公式如式（4）。

式中：g=1，2，…，p。

季节性Mann-Kendall非参数法检验统计量S'的计算公式如式（5）。

3 卫星产品的验证

3.1 卫星产品的实测验证

本研究采用平均偏差(MBE)和均方根误差(RMSE)两种精度评价指标结合实测值对卫星产品进行验证，计算公式如式（6）、式（7）和式（8）。

式中：xi表示第i个站点卫星产品太阳辐射值；Yi表示第i个实测值；n为站点个数。MBE、MBE%和RMSE越小，表示卫星产品太阳辐射值越接近实测值。

利用实测值对卫星产品月辐射值的验证结果如表1所示，从MBE%和RMSE可以看出，25个站点的平均MBE%控制在20%以内，RMSE保持在5～25 Wm-2之间，实测值验证结果表明，卫星产品与实测数据的偏差在合理的范围内，可用于太阳辐射趋势变化研究。

表1 卫星产品月辐射值的验证结果

3.2 卫星产品趋势的验证

本研究利用西北地区25个辐射站点1986—2015年的观测数据进一步来验证NOAA卫星的辐射产品质量。由于卫星传感器的光谱响应范围与地面观测仪器的光谱响应范围存在差异，导致计算的太阳辐射值也存在差异，为了减少这种差异，本研究选择在卫星产品中提取25个与地面辐射站点位置相同的太阳辐射值进行比较。除1988年少数年份外，其余年份地面观测数据与卫星产品的变化趋势基本一致，1986—2015年每10年的变化趋势表现为90年代前下降，90年代后缓慢上升，地面观测数据与卫星产品每10年太阳辐射的变化趋势大体上吻合（见图2），卫星产品辐射值确实与实测值在某些站点存在一定的差异，对于需要太阳辐射作为输入辐射数据的定量模型而言，这个差异会带来一定的误差，但本研究针对的是太阳辐射的变化趋势，此误差不影响太阳辐射的分布趋势研究，因此利用NOAA卫星产品可以评价太阳辐射时空变化趋势。

图2 地面观测数据与卫星产品变化曲线

4 结果分析

4.1 卫星产品太阳辐射的年变化

本研究首先将1986—2015年的太阳总辐射卫星产品按每10年分成三个时间段，分别得到1986—1995年、1996—2005年、2006—2015年的太阳辐射平均值，再分别计算1996—2005年与1986—1995年的均值差、2006—2015年与1996—2005年的均值差、2006—2015年与1986—1995年的均值差，依次得到1986—2005年每10年的太阳辐射变化趋势图、1996—2015年每10年的太阳辐射变化趋势图和1986—2015年每10年的太阳辐射变化趋势图（见图3）。1986—2005年太阳辐射的变化趋势呈现每10年上升0.32 Wm-2趋势，1986—2015年西北地区太阳总辐射每10年的变化趋势值在-6.7～13.8 Wm-2之间波动，太阳总辐射平均变化趋势为每10年上升0.95 Wm-2，1986—2015年西北地区太阳辐射呈现整体上升的趋势，这与陶苏林等［19］研究得出的1981—2014年西北地区太阳辐射增加趋势明显相一致。太阳辐射上升的地区出现在新疆喀什、伊宁、塔城、阿勒泰地区，青海的果洛、玉树，宁夏银川，陕西延安以及甘肃兰州。下降区出现在新疆的乌鲁木齐、若羌，陕西西安，青海的格尔木地区以及甘肃敦煌地区，80年代中期发生在西北地区以及各个省份太阳辐射由“降低”到“升高”变化中，太阳辐射降低可能与当地工业化进程、人为气溶胶的排放相关，大气中污染物浓度增加，大气对太阳辐射的削弱作用变强，到达地面的太阳辐射减少。但对于90年代中期的太阳辐射的上升现象目前还缺乏直接的证据［20］。尽管90年代之后大气透明度的增加有利于达到地面太阳辐射量的增大，但这种变化能否解释30年太阳辐射所发生的变化，目前尚无明确的结论，需进一步深入研究。本研究利用Mann-Kendall非参数法对西北地区卫星产品太阳辐射变化趋势进行检验，得到Z=0.856 369＞0，由于Z的绝对值都小于1.28，没有通过90%的显著性检验，所以1986—2015年西北地区太阳辐射变化趋势不显著。

图3 西北地区地面太阳辐射时空变化趋势

4.2 卫星产品太阳辐射的季节变化

1986—2015年四季太阳辐射的变化趋势见图4，春季变化趋势最高值达到了每10年上升17.05 Wm-2的速度。春季太阳总辐射平均变化趋势是每10年上升4.27 Wm-2，而年变化的最大幅度为每10年增长0.95 Wm-2。夏季，除若羌、格尔木站点附近太阳总辐射变化为降低趋势外，其余大部分地区处于上升或不变的趋势，阿勒泰、塔城站点以及西安、延安站点附近有明显上升趋势，整个西北地区夏季太阳总辐射变化趋势值为每10年上升0.06 Wm-2，夏季太阳辐射变化趋势最高值达每10年上升14.94 Wm-2，最低值出现在若羌站点附近，西北地区夏季太阳总辐射变化趋势呈现缓慢上升趋势。秋季，玉树、果洛、喀什、和田附近有上升趋势，上升趋势值最高达8.83 Wm-2，秋季太阳辐射变化趋势下降最大幅度为每10年下降12.05 Wm-2，整个西北地区秋季太阳总辐射呈现明显降低趋势，但下降幅度不大，为每10年平均下降约2.29 Wm-2。冬季，除新疆和青海最南边有上升趋势外，其余地区倾向下降趋势，但是下降幅度小，下降平均幅度为每10年降低2.16 Wm-2，而新疆和青海最南边上升幅度都比较大，上升平均幅度为每10年上升2.63 Wm-2，虽然冬季大范围地区呈现下降趋势，但是由于下降幅度很小，所以综合整个西北地区，冬季太阳辐射平均变化幅度是每10年上升0.47 Wm-2。

图4 西北地区地面太阳辐射季节的时空变化趋势

1986—2015年西北地区太阳总辐射的季节性平均变化趋势为春季、夏季和冬季呈缓慢上升趋势，秋季变化呈下降趋势。利用季节性Mann-Kendall非参数法对西北地区每个季节的太阳辐射卫星产品变化趋势进行检验，得到Z=2.37＞2.32，通过了90%的显著性检验，因此西北地区太阳辐射的变化具有显著的季节性特征。太阳辐射季节性的变化主要受日照时数、云量等因素的影响，一般而言，夏季平均日照时数高，太阳辐射强，冬季平均日照时数低，太阳辐射弱，春季和秋季处于两者之间；季节性太阳辐射的变化还考虑到云量的变化，随着云量的减少，太阳辐射增加。

5 结论

本研究首先利用西北地区25个辐射站点的实测值验证了NOAA卫星太阳辐射产品的质量，然后利用这个辐射产品研究了1986—2015年西北地区太阳总辐射的时空变化趋势，并对太阳辐射进行趋势检验。通过本研究得出以下主要结论。

①1986—2015年西北地区的地面观测数据与NOAA卫星辐射产品变化趋势基本一致，因此利用NOAA卫星太阳辐射产品可以用于太阳辐射时空变化趋势的研究。

②1986—2015年西北地区太阳总辐射呈总体上升趋势，平均幅度达到每10年上升0.95 Wm-2，1986—2005年西北地区太阳总辐射达到每10年上升0.33 Wm-2的趋势，1996—2015年西北地区太阳总辐射达到每10年上升1.58 Wm-2的趋势，西北地区太阳总辐射从90年代开始呈现缓慢上升趋势。

③1986—2015年西北地区太阳总辐射的季节性平均变化趋势为春季、夏季和冬季呈缓慢上升趋势，秋季变化呈下降趋势。

④1986—2015年西北地区太阳总辐射变化在新疆喀什、伊宁、塔城、阿勒泰地区，青海的果洛、玉树，宁夏银川，陕西延安以及甘肃兰州为上升趋势，新疆的乌鲁木齐、若羌，陕西西安，青海的格尔木地区以及甘肃敦煌地区为下降趋势。