1961—2010年杭州太陽總輻射及日照時數(shù)氣候變化

張立波 婁偉平

(1.紹興市氣象局，浙江紹興312000;2.新昌縣氣象局，浙江 新昌312500)

0 引言

太陽輻射是地－氣系統(tǒng)各種物理和生化過程的主要能量來源，是驅(qū)動大氣環(huán)流的根本動力，是決定天氣氣候形成及其演變的重要因子。到達地面的太陽總輻射除受天文因子影響外，還受云量、水汽和大氣氣溶膠等大氣因子影響。近年來，氣候與環(huán)境的變化已受到越來越多的關(guān)注，其會引起大氣化學成分和物理結(jié)構(gòu)的改變，進而影響到太陽輻射狀況的變化，日照時數(shù)是太陽輻射能最直接的反映，探討氣候與環(huán)境變化對太陽輻射和日照時數(shù)的影響具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外不少學者就不同區(qū)域太陽輻射的變化及其影響因素進行了分析研究，得出了許多有意義的結(jié)論。國外已有研究表明，20世紀90年代初期以前全球多個區(qū)域太陽輻射呈顯著減少趨勢，但這種普遍減少趨勢在20世紀90年代以后并未持續(xù)，甚至呈普遍上升趨勢，但不同區(qū)域有所差異［1－6］。國內(nèi)學者對中國的研究表明，1961—1990年中國太陽輻射呈減少趨勢［7－8］，但1990年以后這種減少趨勢在中國大部分地區(qū)并未繼續(xù)下去［9－11］。多數(shù)學者認為云量和氣溶膠的變化可能是近年來全球太陽輻射變化的主要原因［12－14］。

杭州是浙江省省會，位于中國東南沿海北部，是長江三角洲經(jīng)濟圈的中心城市之一，其主要氣候特征有光照充足、雨熱同季、四季分明等。改革開放以來，由于杭州工業(yè)的快速發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴張和汽車擁有量的迅速增加，能源消耗也不斷增長，向空氣中排放了大量的污染物，對其氣候和環(huán)境產(chǎn)生了不容忽視的影響。目前，浙江省現(xiàn)有的輻射觀測站有兩個，都是國家二級輻射觀測站，但僅杭州站有自1961年以來完整的輻射觀測資料和日照資料，目前將這些資料用于氣候變化的研究報道還很少見。為此，本文通過分析杭州太陽總輻射和日照時數(shù)的演變趨勢和變化差異及其影響因子，以期為浙江省乃至長三角地區(qū)氣候變化研究提供參考，為合理開發(fā)利用太陽能資源提供依據(jù)。

1 資料與方法

本文所用的杭州氣象站資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供，包括逐日太陽總輻射、日照時數(shù)、降水量、平均水汽壓、平均風速、總云量、低云量和3種主要視程障礙天氣現(xiàn)象(輕霧、霧、霾)日數(shù)資料，時間1961—2010年。春季用3—5月，夏季用6—8月，秋季用9—11月，冬季用12—2月。以距平超過標準差的2倍作為異常，以標準差的1.5～2倍為接近異常來分析太陽總輻射和日照時數(shù)的異常特征。氣候傾向率采用線性方程擬合［15］，其統(tǒng)計檢驗采用隨機Monte Carlo顯著性檢驗［16］。為檢測氣象要素序列的變化是否有突變，采用Yamamoto檢驗方法［17］。1993年杭州站太陽總輻射由人工觀測改為自動觀測。參照文獻［18］中的方法，取紹興、蕭山、富陽、海寧、桐鄉(xiāng)和德清為參考站，采用Potter法對杭州1961—2010年總輻射資料進行均一性檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近50 a杭州總輻射資料沒有出現(xiàn)間斷點，1993年的輻射儀器換型對總輻射資料影響不大，這與文獻［19］中的結(jié)論也基本一致。為了全面、客觀地給出杭州站太陽總輻射和日照時數(shù)的變化事實，本文分別對1961—2010年、1961—1992年及1993—2010年3個時段的變化情況進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽總輻射和日照時數(shù)氣候變化

2.1.1 太陽總輻射和日照時數(shù)月變化

杭州太陽總輻射和日照時數(shù)的年內(nèi)變化十分相似(圖1)，盛夏(7—8月)最大，冬季最小;多年平均最大值均出現(xiàn)在7月份，分別為553.6 MJ/m2和222.5 h，最小值分別出現(xiàn)在2月份和1月份，為216 MJ/m2和102.7 h;6月受江淮梅雨帶影響，杭州降水量和云量較多，導致太陽總輻射和日照時數(shù)偏低，在年內(nèi)變化曲線上6月份出現(xiàn)明顯回落。月太陽總輻射和日照時數(shù)的年內(nèi)變化基本都表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征，這與太陽高度角變化基本一致，但略有滯后。

由杭州各月太陽總輻射和日照時數(shù)線性趨勢分析(表1)可知，近50 a(1961—2010年)除4—6月外，其余各月太陽總輻射全部呈減少趨勢，但除1月和8月外，其它月份的趨勢減少并不顯著;近50 a日照時數(shù)除4—5月呈微弱增加趨勢外，其它各月均呈減少趨勢，其中1月、6—9月及11月趨勢減少顯著;計算兩者的“趨勢系數(shù)差”(日照時數(shù)的趨勢系數(shù)減太陽總輻射的趨勢系數(shù))，12個月全部都是負值，表明近50 a杭州各月日照時數(shù)相對于太陽總輻射在減少，即日照時數(shù)減少比太陽總輻射明顯或日照時數(shù)增加沒有太陽總輻射明顯。

圖1 1961—2010年杭州站月平均太陽總輻射和日照時數(shù)

表1 杭州月、季、年太陽總輻射和日照時數(shù)趨勢系數(shù)及氣候傾向率(太陽總輻射單位:(MJ/m2)/10a，日照時數(shù)單位:h/10a)

對各時段而言，太陽總輻射和日照時數(shù)在1961—1992年普遍呈負趨勢，僅在4—5月呈弱增加趨勢，1—3月及7—9月趨勢減少顯著，以8月份減少最多;1993年以后，除秋季(9—11月)各月下降趨勢有所增加外，其余各月太陽總輻射和日照時數(shù)下降趨勢大都減弱或上升趨勢有所增強，尤其是日照時數(shù)于3月份及太陽總輻射于3，4，6和12月都由負趨勢轉(zhuǎn)為弱增加趨勢。

2.1.2 太陽總輻射和日照時數(shù)的年及四季變化

圖2給出年太陽總輻射和日照時數(shù)時間變化曲線，由圖看出，近50 a杭州年太陽總輻射和年日照時數(shù)都呈波動下降趨勢，氣候傾向率分別為41.4(MJ/m2)/10 a和 85.9 h/10 a(表 1)，以年日照時數(shù)下降更明顯，這是由于年日照時數(shù)在1961—1992年及1993—2010年兩個時段都表現(xiàn)為顯著下降趨勢，而年太陽總輻射在1993年以后呈波動變化，下降趨勢減弱所致。各季節(jié)(圖略)的情況是，春季太陽總輻射和日照時數(shù)在1961—1992年均呈下降趨勢，1993年以后則同步轉(zhuǎn)為波動上升趨勢。夏、秋、冬3季日照時數(shù)在近50 a始終呈下降趨勢，氣候傾向率分別為40.9 h/10 a，20.9 h/10 a，21.5 h/10 a，到 21 世紀前10 a降至最低;而同期太陽總輻射與年太陽總輻射的變化相似，在1961—1992年顯著下降，1993年以后呈波動變化，下降趨勢明顯減弱。

圖2 杭州年太陽總輻射(a)和年日照時數(shù)(b)的時間變化曲線

綜上所述，近50 a春季太陽總輻射和日照時數(shù)變化趨勢一致，太陽總輻射在1993年以后存在較明顯的“變亮期”;近50 a年及夏、秋、冬3季太陽總輻射的下降趨勢弱于同期日照時數(shù)的下降，年及夏、秋、冬3季太陽總輻射在1993年以后呈波動變化，1993—2010年及1961—1992年兩時段均值差別不大，沒有出現(xiàn)明顯的“變亮期”。

2.1.3 太陽總輻射和日照時數(shù)的異常分析及突變檢測

用Yamamoto檢驗方法對杭州年及四季太陽總輻射和日照時數(shù)的時間序列進行了突變檢驗，結(jié)果表明，年太陽總輻射在1975年以后明顯減少，其它時段太陽總輻射沒有突變;年及夏季日照時數(shù)分別在1971和1973年后明顯減少，其它時段日照時數(shù)沒有突變。

對近50 a杭州年及四季太陽總輻射和日照時數(shù)的異常情況進行分析，結(jié)果表明，四季太陽總輻射和日照時數(shù)異?；蚪咏惓Ｆ嗄攴荻喟l(fā)生在20世紀70年代中期以前，異常或接近異常偏少年份多發(fā)生在20世紀70年代中期以后，此外，年及春、夏、秋3季太陽總輻射在20世紀90年代中期的偏多也較為明顯。近50 a年太陽總輻射異常偏多年份出現(xiàn)過2次，分別在1967和1995年，前者是由于夏、秋、冬3季太陽總輻射偏多所造成的，而后者則主要是由于春、夏兩季偏多所致;年太陽總輻射異常偏少年份出現(xiàn)在1977年，是由于四季太陽總輻射都偏少造成的;年日照時數(shù)異常偏多年份出現(xiàn)在1963年，主要由春季日照偏多所致，近50 a年日照時數(shù)未出現(xiàn)異常偏少年份。

2.2 影響太陽總輻射和日照時數(shù)的主要氣候要素分析

影響太陽總輻射和日照時數(shù)變化的主要因子是太陽高度角和大氣透明度。就某一固定地點來說，太陽高度角的變化相對穩(wěn)定，因此，太陽總輻射和日照時數(shù)變化主要由大氣透明度決定。大氣透明度取決于大氣中所含水汽、水汽凝結(jié)物和塵埃雜質(zhì)等的多少，因此，水汽壓、降水量、云量和霧霾等視程障礙現(xiàn)象與大氣透明度關(guān)系密切。已有研究表明［7－11］，大氣透明度、云量、降水量和水汽壓等對太陽總輻射和日照時數(shù)變化都有很大影響，由于缺乏與太陽總輻射和日照時數(shù)相匹配的長序列氣溶膠資料，本文重點分析云量、降水量、水汽壓和視程障礙現(xiàn)象對太陽總輻射和日照時數(shù)的影響。所包含的因子有總云量、低云量、降水量、雨日、平均水汽壓、輕霧日數(shù)、霧日數(shù)和霾日數(shù)，共8個。

表2給出近50 a杭州年及四季各氣候因子的變化趨勢，由表可見，近50 a杭州平均水汽壓除冬季外，全都呈下降趨勢。各季降水量和雨日變化趨勢基本一致，春、秋季減少，雨日比降水量減少更明顯;夏、冬季增加，降水量較雨日增加更顯著;在年降水量增加的同時，年雨日卻呈減少趨勢。總云量除春季顯著減少外，其它各季正負趨勢變化都不明顯;低云量大都呈增加趨勢，年及夏季顯著增加，僅在春季呈弱減少趨勢。近50 a杭州各季輕霧日和霾日顯著增多，但霧日卻有所減少。

表2 杭州年及四季各氣候因子的趨勢系數(shù)及氣候傾向率

對近50 a年及四季太陽總輻射和日照時數(shù)與同期各氣候因子的相關(guān)系數(shù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(表略)，降水量、雨日、總云量、低云量、霧日和輕霧日與太陽總輻射和日照時數(shù)幾乎都呈顯著負相關(guān)關(guān)系，符合降水量、雨日、云量和(輕)霧日增加，太陽總輻射和日照時數(shù)減少的一般規(guī)律。除春季外，霾日數(shù)與日照時數(shù)大都呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與太陽總輻射在春季和冬季呈顯著正相關(guān)關(guān)系，在年及夏季和秋季相關(guān)關(guān)系都不明顯。平均水汽壓在年及夏季與太陽總輻射和日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，在春、秋和冬季則呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)上述對影響杭州太陽總輻射和日照時數(shù)的各因子的變化趨勢及其顯著性以及其與同站太陽總輻射和日照時數(shù)的相關(guān)性分析表明，年及四季太陽總輻射和日照時數(shù)與降水量、雨日、總云量、低云量、霧日和輕霧日多呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，也就是降水量、雨日、云量和(輕)霧日增加時，日照時數(shù)減少。由近50 a杭州降水、云量、霧日和輕霧日的趨勢分布來看，降水量、低云量和輕霧日除春季外，以正趨勢為主，雨日、總云量和霧日則以負趨勢為主，這說明中高層云量變化及雨日和霧日變化并不是杭州年及四季太陽總輻射和日照時數(shù)變化的主要原因，杭州年及夏、秋、冬3季太陽總輻射和日照時數(shù)減少主要與降水量、低云量和輕霧日的增加有密切關(guān)系，春季太陽總輻射的增加主要與降水量、雨日、總云量和低云量減少關(guān)系密切。此外，近50 a年及四季日照時數(shù)減少與霾日數(shù)增加也有一定關(guān)系。

3 結(jié)語

1)杭州太陽總輻射和日照時數(shù)的月際變化十分相似，盛夏最大，冬季最小，都表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征。1961—1992年杭州各月太陽總輻射和日照時數(shù)普遍呈減少趨勢，僅在4—5月呈弱增加趨勢，1993年以后，除秋季各月下降趨勢有所增強外，其余各月兩者下降趨勢減弱或上升趨勢有所增強。近50 a(1961—2010年)除春季各月外，其余各月太陽總輻射和日照時數(shù)全部都是負趨勢，以日照時數(shù)減少更明顯。

2)近50 a杭州年太陽總輻射和年日照時數(shù)都呈波動下降趨勢，氣候傾向率分別為41.4(MJ/m2)/10a和85.9h/10a，以年日照時數(shù)下降更明顯，這是由于年太陽總輻射下降主要出現(xiàn)在1961—1992年，1993—2010年呈波動變化，而年日照時數(shù)在上述兩個時段都表現(xiàn)為顯著下降趨勢，至21世紀前10 a降到最低。近50 a夏、秋、冬3季兩者趨勢變化與年變化一致。春季太陽總輻射和日照時數(shù)變化趨勢一致，在1961—1992年均呈下降趨勢，在1993年以后存在較明顯的“變亮期”。

3)近50 a四季太陽總輻射和日照時數(shù)異常偏少(多)年份多發(fā)生在20世紀70年代中期以后(前)，此外年及春、夏、秋3季太陽總輻射在20世紀90年代中期的偏多也較為明顯。1967和1995年太陽總輻射異常偏多，1977年異常偏少;1963年日照時數(shù)異常偏多，其主要是由春季日照偏多所致，近50 a年日照時數(shù)未出現(xiàn)異常偏少年份。突變分析表明，年太陽總輻射在1975年以后明顯減少，各季太陽總輻射沒有明顯突變;年及夏季日照時數(shù)分別在1971和1973年后明顯減少，其它時段日照時數(shù)沒有明顯突變。

4)杭州年及夏、秋、冬3季太陽總輻射和日照時數(shù)減少主要與降水量、低云量和輕霧日的增加有密切關(guān)系，春季太陽總輻射的增加主要與降水量、雨日、總云量和低云量減少關(guān)系密切。此外，霾日數(shù)變化對日照時數(shù)的影響也非常重要。

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