西北四省太阳能资源分布与长期变化趋势分析

李春华，朱飙

（1.兰州资源环境职业技术大学 气象学院，兰州 730021；2.甘肃省气象局，兰州 730020）

0 引言

随着全球能源危机和大气污染问题日益突出，新能源日益受到重视。在各种新能源中，风能、太阳能具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点，受到世界各国高度重视。近年来，我国也大力提倡发展节能环保、新能源等产业，其中新能源产业重点发展风能、太阳能热利用［1-5］和光伏/光热发电、生物质能等。西北四省的风能、太阳能发电装机容量发展迅速，但风能、太阳能存在能量密度低、因地而异、因时而变等不足。我国西北地区地形复杂，气候类型多样，是西北干旱区、东部季风区、青藏高原高寒气候区的交汇地，同时是气候变化敏感区和生态环境脆弱区。同时，该地区是我国风能资源丰富区，气温日差较大，太阳辐射强，太阳能资源总体明显优于全国其他地区。

相关科研工作者对我国西北地区太阳能资源开展了相关研究。保广裕等［6］分析了青海省全境太阳曝辐量变化规律及分布特征，发现青海省年太阳总曝辐量由西北向东南逐渐递减，全省年太阳总曝辐量超过6 000 MJ/m2的有42个站点，占全省站点总数的84%。日太阳曝辐量在4—8 月最高，日辐射持续时间从3 月开始增加，9 月开始减少。朱飙等［7］利用甘肃省6 个辐射站的资料，采用气候学方法计算评估了甘肃省太阳能资源，并给出了甘肃省太阳能参数的空间分布图。结果表明，甘肃省中部、西部地区太阳能资源丰富。刘孝敏等［8］以甘肃省典型气象年数据为研究对象，分析甘肃省太阳能资源的时空分布特征，并分析了甘肃省太阳能热利用潜力和节能减排效益。达选芳等［9］在对甘肃省太阳总曝辐量预报进行订正研究中发现，总云量对太阳辐射的衰减作用贡献最大，其次为相对湿度。大气透过率与气温呈显著正相关，而与相对湿度、气压、总云量呈显著负相关。吴林荣等［10］分析了陕西省太阳总曝辐量和日照时数的时空变化特征，结果表明，陕西省太阳总曝辐量和日照时数一致呈现从北向南递减趋势，且在渭北高原一带存在太阳总曝辐量和日照时数的次高值区。研究结果可为区域气候变化研究、农业生产及太阳能资源利用提供参考依据。韩世涛等［11］对宁夏太阳能资源进行评估分析，结果表明，宁夏属于太阳能资源较丰富区，太阳能可利用时间较长，资源较稳定，开发利用总体条件较好。周扬等［12］用统计分析和插值相结合的方法，以太阳总曝辐量和日照时数作为评价指标，分析了西北四省近50年来太阳能资源的时空变化特征。

上述研究虽然详细介绍了我国西北地区太阳能资源，但结论主要集中在对太阳能资源的量化分析上，未对全球变暖背景下该地区太阳能资源的长期变化趋势进行分析。加之西北地区地域广大，各地受到不同的天气系统影响，太阳辐射必然存在差异［13］。因此，在对我国西北四省太阳总曝辐量特征进行分析的基础上，进一步对太阳总曝辐量的多年变化趋势进行分析，对于认识西北四省太阳能资源的长期趋势与光伏电厂建成后长期收益与投资风险防范上有一定的参考价值。

1 资料和分析方法

1.1 资料

采用西北四省268个站点1978—2017年的月曝辐量数据，数据来源于国家气象信息中心，已经过质量控制，并按照规范进行归档［14］。文中涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2022）4307号的中国地图，使用Golden Software公司Surfer 8.0软件绘制，底图无修改。

1.2 方法

太阳能资源通常用年太阳总曝辐量来表示，由于太阳总曝辐量观测站点比较稀疏、资料缺乏，为获得未开展该项观测地区的总曝辐量，通常采用气象地面站观测的日照时数、气温等数据资料。考虑区域地形状况，基于经验统计方法和太阳辐射大气衰减物理过程的太阳总曝辐量综合估算模型进行推算，前人对此作了深入研究［15-18］，其方法目前依然为使用。近年来，周勇等［19］对比分析12个基于日照百分率和12 个基于温度的日总太阳曝辐量计算模型在我国不同气候区的适用性。采用估算值精度高的Hybrid 模型计算年太阳曝辐量，模型的基本公式为［20］

式中：H为日太阳曝辐量，MJ/（m2·d）；Hb，clear为直接曝辐量，MJ/（m2·d）；Hd，clear为散射曝辐量，MJ/（m2·d）；τc为云透射率；n/N为日照率。经与曝辐量实测站点的数据进行比较，计算结果相对于实测值的平均偏差为0.011 7 MJ/（m2·d），相对偏差为0.08%，均方根误差为2.440 0 MJ/（m2·d）。

在分析西北四省太阳总曝辐量的长期变化趋势时，采用气候趋势系数进行分析。气候趋势系数为n个时刻（年）的要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数，可表示为

式中：n为年数；xi为第i年要素值；xˉ为多年平均值；当rxt为正（负）时，表示该要素在所计算的n年内有线性增（降）的趋势。

2 西北四省太阳能资源

2.1 西北四省年、季太阳总曝辐量空间分布

经计算，西北四省1978—2017 年平均年太阳总曝辐量变化范围为3 676～7 036 MJ/m2，如图1 所示，西北四省区的太阳能资源分布特征与全国太阳能资源分布西北地区的结论一致［21］。分布趋势自西北向东南逐渐递减，高值区主要在青海大部、甘肃河西西部、宁夏大部与陕西北部。其中，青海省西部海拔高、日照强，年太阳总曝辐量最高，大部分地区全年太阳总曝辐量高于6 600 MJ/m2；青海省中东部大部分地区、甘肃河西走廊地区年太阳总曝辐量为6 000～6 600 MJ/m2；甘肃河东大部，陕北南部、关中大部年太阳总曝辐量为4 800～5 400 MJ/m2。甘肃陇南地区丘陵、盆地相间，湿润多雨，同一纬度的陕南受秦岭山脉影响，加之雨量充沛，年太阳总曝辐量仅为4 200～4 800 MJ/m2，是西北四省年太阳总曝辐量的低值区［22-23］。

西北四省冬季（12月—次年2月）太阳总曝辐量为511～1 193 MJ/m2，其中青海、甘肃河西中东部、宁夏大部、陕西北部地区大于900 MJ/m2，甘肃河西西部、甘肃南部、陕西关中地区，冬季太阳总曝辐量为700～900 MJ/m2，陕南南部、甘肃南部少部分地区冬季太阳总曝辐量低于700 MJ/m2，如图2a 所示。西北四省春季（3—5 月）太阳总曝辐量为1 091～2 104 MJ/m2，自西北向东南逐渐递减，高值区域在青海大部、甘肃河西、宁夏北部地区，年太阳总曝辐量高于1 800 MJ/m2；甘肃南部偏南地区、陕西南部的汉中、安康地区，年太阳总曝辐量低于1 400 MJ/m2；甘肃河东大部、宁夏南部、陕北大部地区年太阳总曝辐量为1 400～1 800 MJ/m2，如图2b 所示。夏季（6—8月）太阳总曝辐量为1 350～2 343 MJ/m2，是全年中太阳总曝辐量最高的季节。青海大部、甘肃河西走廊及中部、宁夏大部、陕西北部地区夏季太阳总曝辐量大于1 800 MJ/m2，甘肃南部、陕南大部地区夏季太阳总曝辐量低于1 600 MJ/m2，其余地区为1 600～1 800 MJ/m2，如图2c 所示。秋季（9—11 月）太阳总曝辐量仅723～1 557 MJ/m2，相比夏季下降幅度明显，也低于春季，略高于冬季，说明西北四省太阳总辐射资源主要集中在春、夏季节。青海大部、甘肃河西走廊、宁夏北部地区秋季太阳总曝辐量均高于1 300 MJ/m2，甘肃南部、陕西南部地区太阳总曝辐量低于900 MJ/m2，其余地区秋季太阳总曝辐量为900～1 300 MJ/m2，如图2d 所示。值得注意的是，位于青海、甘肃两省交界处的祁连山地区地形复杂、海拔变化较大，加之地面日照时数观测站点少，实际中因地形遮挡，太阳总曝辐量或小于图2所示。

图2 西北四省四季太阳总曝辐量空间分布（截图）Fig.2 Seasonal solar radiation spatial distribution of the four provinces in northwestern China（screenshot）

综上所述，西北四省太阳总曝辐量四季变化明显，除青海省中部部分地方太阳总曝辐量各个季节均低于周围地区外，西北四省大部分地区太阳总曝辐量各季节分布都呈现自西北向东南递减的规律，其中绝大部分地方春、夏季节太阳总曝辐量对于全年贡献较大，占60%以上。

2.2 太阳总曝辐量月变化

由于太阳与地球距离的变化，太阳总曝辐量在一年内变化明显。选取西北四省10 个具有代表性的站，根据获取数据绘制太阳总曝辐量年内变化如图3 所示。由图3 可见，西北四省代表站太阳总曝辐量年内变化趋势一致，1—4 月快速升高、5—7 月达到最大值，8—11月快速下降、12月为最低值。

图3 西北四省代表站太阳总曝辐量年内变化Fig.3 Annual variation of total solar exposure at representative stations in the four northwestern provinces

2.3 海拔对太阳总曝辐量影响

对日照影响较大的地理因素主要包括地形坡向与海拔高度。海拔高度越高、空气越稀薄，大气对太阳辐射的削弱就越少，到达地面的太阳曝辐量越多，尤其是紫外线更强。西北地区地形复杂，祁连山脉、秦岭山脉区域海拔高度为286～4 612 m，差异巨大。太阳年总曝辐量随海拔增高略有增加，两者大致呈线性正相关，如图4所示，海拔高度平均每升高100 m，年总曝辐量大约增加46 MJ/m2。

图4 西北四省年太阳总曝辐量随海拔高度变化Fig.4 Annual solar radiation of the four provinces in northwestern varying with altitude

太阳总曝辐量随海拔高度略有增加在多年平均年太阳总曝辐量空间分布及冬、春、夏、秋太阳曝辐量的空间分布上也有体现，秦岭山脉所在位置太阳总曝辐量明显较低，而位于青海与甘肃交界处的祁连山脉大部分海拔高度高于3 500 m，因此该区域太阳总曝辐量明显较高。当然，海拔只是影响太阳总曝辐量的因素之一，气候系统［13］及其引起的当地空中云量的多寡［24］对于太阳曝辐量的影响则是主要因素。

2.4 西北四省太阳总曝辐量变化趋势

图5为西北四省各地太阳总曝辐量多年变化趋势。由图5 可见，西北区域太阳总曝辐量变化趋势表现为大部分地区以减少为主，其中以青海省中西部大部区域减少最为明显，线性趋势系数为-0.11～-0.22，甘肃河西西部与武威地区、陇南地区、陇东北部、陕北部分地区、陕南北部表现为一致增加，其中甘肃河西西部与武威地区、陕北部分地区增加趋势明显，线性趋势系数在0.07以上。

图5 西北四省年太阳总曝辐量多年变化趋势（截图）Fig.5 Variation trend of total radiation of the four provinces in northwestern in recent years（screenshot）

图6为西北四省太阳总曝辐量各季节变化趋势。西北四省冬季多年太阳总曝辐量变化趋势如图6a所示，青海西部、甘肃河西西部与河西东部、陕北大部地区、陕南少部地区表现为增加趋势，其余大部地区表现为一致减少趋势，宁夏北部、甘肃兰州及青海格尔木、德令哈、同德等地减少趋势明显。西北四省春季多年太阳总曝辐量变化趋势如图6b所示，大致以祁连山为界，祁连山以西的青海省大部总曝辐量总体表现为减少趋势，尤其是青海省南部地区减少趋势更加明显。青海省北部与祁连山以东的甘肃、宁夏、陕西除个别地方外，春季太阳总曝辐量表现为一致增加的趋势，增加趋势比较明显的区域主要在甘肃省酒泉大部、武威大部、陕北部分地区。西北四省夏季多年太阳总曝辐量变化趋势如图6c所示，表明青海、甘肃河西中部、宁夏北部、陕西中北部地区表现为一致减少，其中青海省西部地区减少趋势最明显。由于夏季曝辐量对全年的贡献最明显，所以西北四省太阳能夏季变化趋势与年变化趋势非常接近。甘肃大部、宁夏南部、陕南部分地区呈现略微增加的趋势，其中甘肃酒泉北部、武威东部、陕北个别地区增加趋势明显。西北四省秋季多年太阳总曝辐量除个别地方外均呈现减少趋势，其中青海省中西部地区减少趋势最大，甘肃中部、宁夏北部、陕北部分地区减少趋势明显，如图6d所示。其原因应与西北地区多年云量变化趋势有关。据刘柏鑫等研究［16］，近36年我国北方绝大部分地区年均云量呈增加趋势，同时各季节云量均增加，秋季北方云量增加趋势较夏季更显著。

图6 西北四省太阳总曝辐量各季节变化趋势（截图）Fig.6 Seasonal variation of total solar radiation of the four provinces in northwestern（screenshot）

2.5 西北四省太阳能资源区划

根据GB/T 31155—2014《太阳能资源等级 总辐射》，以年太阳能总曝辐量为指标，可将西北四省划分为太阳能资源Ⅰ类区（最丰富区，年太阳总曝辐量＞6 300 MJ/m2）、Ⅱ类区（很丰富区，年太阳总曝辐量为5 040～6 300 MJ/m2）和Ⅲ类区（丰富区，年太阳总曝辐量为3 780～5 039 MJ/m2），如图7 所示。其中，Ⅰ类区包括青海西部、北部、中部等大部分地区、甘肃河西走廊西部、中部地区；Ⅱ类区包括青海东南部、甘肃河东除南部外的大部分区域、宁夏大部、陕西北部、关中地区；Ⅲ类区主要包括甘肃南部、陕南大部。

图7 西北四省太阳能资源区划（截图）Fig.7 Solar energy resources zoning of the four provinces in northwestern China（screenshot）

综上所述，西北四省太阳能资源丰富，可开发时间长，加之西北西部干旱少雨，多为荒漠戈壁，人烟稀少，地势平坦，基本无作物种植。在此开发太阳能不占用农田，易于铺设道路，开发成本低，同时每年太阳能可利用时间长，有利于太阳能稳定、持续地开发利用。

3 结论

（1）西北四省各地的年太阳总曝辐量为3 676～7 036 MJ/m2，分布趋势自西北向东南逐渐递减，年太阳总辐射高值区主要在青海大部、甘肃河西西部、宁夏大部与陕西北部；各季年太阳总曝辐量分布形势同样是自西北向东南逐渐递减，夏季最高，春季次之，冬季最低。海拔增高会引起太阳年总曝辐量升高，两者大致呈线性正相关，海拔高度每升高100 m，年太阳总曝辐量增加约46 MJ/m2。

（2）从西北四省10个代表站太阳总曝辐量年内变化看，各地变化态势一致，1—4 月快速增高、5—7月达到最大值，8—12月快速下降、12月为最低值。

（3）西北四省各地太阳总曝辐量多年气候趋势系数为-0.22～0.18，显示该地区太阳总曝辐量总体表现为大部分地区减少，其中以青海省中西部大部区域减少最为明显，甘肃河西西部与武威地区、陇南地区、陇东北部、陕北部分地区、陕南北部表现为一致增加，其中甘肃河西西部与武威地区、陕北部分地区增加趋势明显。各季变化趋势空间分布与年类似，但秋季多年太阳总曝辐量呈现一致减少趋势的范围在四季中最大，大部区域气候趋势系数为-0.18～0.06，春季多年太阳总曝辐量呈现一致增加趋势的范围在四季中最大。

本文从区域角度分析了我国西北四省太阳能总曝辐量的空间分布特征与多年变化趋势，其中对于西北四省的太阳能资源分布特征与区划与全国太阳能资源分布西北地区结论相一致，但本文进一步补充分析了该地区太阳能的长期变化趋势，明确了从长期看，年、季太阳曝辐量增多与减少的区域，对于在目前西北地区气候暖湿化背景下该地区光伏电厂建设及建成后长期收益估算与风险防范有一定的参考价值，对今后开发利用前景具有指导作用，同时为研究区充分利用太阳能资源提供理论参考。未来，随着全球光伏产业技术发展，太阳能利用成本不断下降，转化效率不断提高，太阳能的占比将逐步提升。当然，本文虽采用了精度较高的Hybrid 模型计算太阳曝辐量，但未对复杂地形区进行额外的再次订正，后续研究将借鉴他人的研究成果，对于复杂山地的数据再进行进一步校正。