邯鄲太陽輻射時空分布特征

田秀霞，張雅斌，侯艷林，宋曉輝，李 猛，薛 敏

（1.邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001；2.西安市氣象局，陜西 西安 710016）

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎。隨著全球經濟迅猛發(fā)展，能源需求成倍增長，急需開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。太陽能被認為是目前發(fā)展前景廣闊的綠色清潔能源之一，了解太陽輻射狀況對調整能源結構、促進農業(yè)發(fā)展、建設生態(tài)文明和應對氣候變化等有重大意義。研究表明，全球地面太陽輻射呈下降趨勢[1-2]，1961—1990年下降了4%[3]，亞非和歐美地區(qū)的總輻射平均每10 a減少達2%[2]，印度以20 W/（m2·10 a）的速度顯著下降[4]。Wild[5]發(fā)現(xiàn)全球太陽輻射先減少、后回升。國內學者從不同角度、應用不同方法對我國地面太陽輻射進行了分析研究。楊建瑩等[6]、崔日鮮[7]分別采用Mann-Kendall檢驗和Pettitt's test方法對華北太陽輻射進行突變和趨勢分析。文小航等[8]利用輻射觀測資料、陶蘇林等[9]應用DSRM_C模型估算方法，對我國太陽輻射分布特征進行研究，認為20世紀90年代前呈明顯下降趨勢，之后開始上升。另外，不同地區(qū)太陽輻射的變化差異比較大，大部分區(qū)域太陽總輻射呈下降趨勢[10-11]，但東北地區(qū)[12]、東南地區(qū)[13]和長江三角洲[14]的太陽輻射呈先減少后增加趨勢，格爾木[15]呈先上升后下降趨勢。

邯鄲處于華北南部，氣象觀測中沒有輻射數(shù)據(jù)，太陽輻射的趨勢變化及空間分布的研究幾乎沒有。為滿足當?shù)啬茉凑{整、農業(yè)區(qū)劃、小氣候利用、資源評價等需求，本文估算邯鄲太陽輻射，彌補了本地太陽輻射數(shù)據(jù)空缺。分析邯鄲太陽輻射時空變化規(guī)律，為當?shù)厣鐣洕沙掷m(xù)發(fā)展和農業(yè)生產布局提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 太陽輻射計算

本文選取河北省氣象局整編的邯鄲市轄區(qū)16個縣氣象觀測站1980—2017年逐日平均氣溫、氣壓、日照時數(shù)和相對濕度等觀測資料，采用Hybrid radiation模型，計算邯鄲各氣象觀測站的逐日太陽輻射。Hybrid radiation模型[17-18]是一種簡單通用的地表太陽輻射模型估算方法，計算簡單，且考慮了大氣中的輻射傳輸過程，無需局地校正，適用于不同海拔和氣候區(qū)域，在氣候變化研究、資源評價等方面得到廣泛應用[19-20]。模型主要公式為：

其中，H為日太陽輻射，Hb，clr為直接輻射，Hd，clr為散射輻射，τc為透射率，n/N是日照率。

在計算日輻射基礎上，利用線性趨勢、突變檢驗、Morlet復小波分析等統(tǒng)計方法[21-22]，對邯鄲太陽輻射進行趨勢、突變、周期和空間特征分析。

1.2 誤差檢驗公式

相關系數(shù)r、平均絕對誤差MAE、均方根誤差RMSE、確定系數(shù)R2和標準偏差S的表達式分別為：

式（3）～（7）中，yi是實測值，MAE是平均絕對誤差，RMSE是均方根誤差，fi是模擬值，是實測值的平均值，是模擬值的平均值。

1.3 突變檢驗

本文應用Pettitt's test[23]、Buishand range test[24]和Standard Normal Homogeneity Test（SNHT）[25]3種方法進行突變檢驗。

Pettitt's test方法：

式（8）～（9）中，Xi是第i序列，Ut，T是構建統(tǒng)計量，KT是檢驗統(tǒng)計量。

Buishand range test方法：

式中，Xi是第i序列，是n年平均值，σ 是標準差，Sk是構建統(tǒng)計量，R是尺度調整范圍，T是檢驗統(tǒng)計量。

SNHT方法：

式（11）～（12）中，Xi是第i序列是n年平均值，σ 是標準差，z1和z2是構建統(tǒng)計量，Tk檢驗統(tǒng)計量。

以上3種方法得到的突變點一致且通過顯著性水平檢驗，即可認為是該序列存在突變點且可信度高；任意兩種方法得到的突變點一致且同時通過顯著性水平檢驗，可以認為突變點的可信度較高；沒有經過顯著性水平檢驗，或通過顯著性水平檢驗但3種方法得到的突變點不一致，則認為突變點不可信；其他情況下突變點的可信度較低。

2 太陽輻射計算效果分析

河北樂亭輻射站1996—2013年太陽輻射日實測值與模型計算結果進行誤差檢驗，結果見表1。相關系數(shù)r均＞0.9，均方根誤差RMSE較小，平均絕對誤差MAE ＜1.8 MJ/m2，確定系數(shù)R2超過0.787，RMSE與（S/2）之差為負值。相對而言，5—7月的RMSE、MAE和S誤差檢驗效果稍差，可能與夏季降水多、濕度大、日照少等因素有關?？傊?，模型誤差檢驗結果在可接受的范圍之內，評估效果較好。

表1 太陽輻射模型的（以樂亭為例）誤差檢驗

3 邯鄲太陽輻射空間分布特征

年太陽輻射全市平均值為5 100 MJ/m2，與同緯度的山東省年太陽輻射接近[7]。從邯鄲近38 a年太陽輻射區(qū)域分布（圖1）可知：西北部武安最少，除東部的曲周、大名、雞澤3個縣太陽輻射略少外，其他縣年太陽輻射在5 044～5 281 MJ/m2，依照太陽能資源豐富程度評估，屬于太陽能資源很豐富地區(qū)[26]，適合大規(guī)模開發(fā)太陽能，以增加可再生能源的利用率。

圖1 1980—2017年邯鄲年太陽輻射分布（單位：MJ/m2）

分析邯鄲市1980—2017年季節(jié)太陽輻射值分布可知，春季太陽輻射為1 607～1 711 MJ/m2，夏季太陽輻射為1 581～1 756 MJ/m2，春季和夏季基本處在同一水平，空間分布與年太陽輻射的分布趨勢基本一致，是大力開發(fā)太陽能資源的好季節(jié)。秋季太陽輻射為980～1 054 MJ/m2，明顯比春、夏季太陽輻射少。冬季太陽輻射為701～793 MJ/m2，一年之中最少，不到夏季太陽輻射的一半?？h域間季節(jié)太陽輻射的差異幅度，夏季最大，約175 MJ/m2，秋季最小，僅為74 MJ/m2。這可能與季節(jié)性日照多少、降水、云量及地理分布等[16]有關。

4 邯鄲太陽輻射趨勢變化特征

4.1 太陽輻射線性趨勢

分析年太陽輻射趨勢變化可知（圖2a），確定系數(shù)R2為0.531，方程擬合較好。邯鄲年太陽輻射約以180 MJ/（m2·10 a）的速度減少，比全國太陽總輻射的下降趨勢偏高[9]。對年太陽輻射做九點二項式系數(shù)平滑（圖2a），結果顯示：邯鄲年太陽輻射顯著減少主要發(fā)生在1980—2002年，持續(xù)23 a。2003—2012年為穩(wěn)定期。2013年至今處于緩慢增長期，這與以往研究結果有所不同[9]。從年代際變化曲線（圖2a）可以看到，20世紀80年代約為5 400 MJ/（m2·a），90年代為5 150 MJ/（m2·a），21世紀以來維持在4 900 MJ/（m2·a）。

為更好地了解季節(jié)太陽輻射變化，對春、夏、秋、冬四季做線性擬合（圖2b～2e），結果表明，春季太陽輻射減少最慢，趨勢系數(shù)為-1.95 MJ/（m2·a）（沒有通過0.01的顯著性檢驗），下降趨勢不顯著；夏、秋、冬季均通過0.01的顯著性檢驗，氣候傾向率分別為-71.6、-48.0、-41.5 MJ/（m2·10 a）。夏季太陽輻射減少最快，對年太陽輻射的下降貢獻最大，夏、秋、冬太陽輻射的減少是導致年太陽輻射整體呈下降趨勢的重要原因。分析春、夏、秋、冬年代際變化（圖2b～2e）可知，太陽輻射的季節(jié)變化趨勢復雜。2000年之前春季太陽輻射減少，2000年之后呈緩慢增加趨勢。20世紀80年代—21世紀前10 a夏季太陽輻射呈減少趨勢，但21世紀10年代之后略微增加，溫度升高加劇，導致O3濃度增加。近10 a秋、冬季太陽輻射呈減少趨勢，這可能與河北南部秋冬季節(jié)的大氣污染和總云量有關，秋冬季大氣污染加重，大氣對太陽輻射的削弱作用增強，且總云量增加，到達地面的太陽輻射減少[27]。

圖2 1980—2017年邯鄲年（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）、冬（e）太陽輻射趨勢

4.2 線性趨勢空間差異

從邯鄲年太陽輻射趨勢的空間分布（表2）可以得到，肥鄉(xiāng)和磁縣下降趨勢最明顯，趨勢值＞30 MJ/（m2·a），廣平、臨漳、涉縣和邯鄲下降率很小，4站年際變化趨勢均沒有通過0.05的顯著性檢驗，下降趨勢不顯著。

表2 1980—2017年邯鄲16個氣象觀測站太陽輻射時間序列的變化率 MJ/（m2·a）

分析季節(jié)變化率（表2）可知，廣平、邯鄲、臨漳、涉縣的春季太陽輻射變化率為正值，呈上升趨勢；其他縣變化率為負值，除肥鄉(xiāng)通過0.05的顯著性檢驗外，其他均沒通過檢驗，說明春季太陽輻射大部分縣雖有減少趨勢，但減少趨勢并不顯著。夏、秋、冬3個季節(jié)中，各縣季節(jié)太陽輻射變化率均為負值，表明太陽輻射的3個季節(jié)均呈減少趨勢。磁縣、肥鄉(xiāng)、峰峰、雞澤、曲周均通過顯著性水平檢驗，夏、秋、冬3季和年下降趨勢明顯；廣平、邯鄲、臨漳、涉縣各季節(jié)的太陽輻射趨勢變化均沒有通過顯著性檢驗，減少不顯著。

邯鄲16個縣的年和季節(jié)太陽輻射分布有差異，除春季個別站為正值外，各站的變化率均為負值，總體呈下降態(tài)勢。年和季節(jié)太陽輻射變化趨勢也不盡相同，以某站代替某區(qū)域的研究方法，已經不能滿足當?shù)卣谵r業(yè)產業(yè)結構調整、太陽能利用、小氣候利用等方面對太陽輻射精細化需求。

5 太陽輻射突變年和周期

5.1 突變年

做突變檢驗時，多種方法同時使用，可以相互驗證突變點真?zhèn)?，增強突變點分析效果。本文采用Pettitt's test、Buishand range test、SNHT 3種方法進行突變檢驗。由表3可知，春季，3種方法得到的p值均＞0.01，檢驗統(tǒng)計量沒有通過0.01的顯著性檢驗，表明春季突變點不可信，可認為不存在突變點。夏、秋季，3種方法得到的p值均＜0.01，并且突變年份一致，表明夏、秋季存在突變點且十分可信的，夏季突變點是1995年，秋季突變點是1999年。分析冬季太陽輻射序列，Pettitt's test和SNHT方法得到p值均＜0.01，突變年一致，均為2001年，Buishand range test方法得到p=0.019，沒有通過0.01的顯著性檢驗，突變年為2000年，3種方法得到的突變年不一致，判斷冬季太陽輻射序列可能在2001年發(fā)生突變。同理，年序列于1996年發(fā)生突變的可信度較大?？傊杭緵]有突變點，夏、秋季的突變點分別是1995、1999年，冬季和年序列分別在2001和1996年發(fā)生突變，可見，太陽輻射發(fā)生突變期約為1995—2001年，突變年之后，下降趨勢減緩。

表3 太陽輻射的時間序列突變檢驗結果

5.2 主要周期

圖3a是年太陽輻射的小波功率譜，圖中紅色越深，小波功率越大。影響錐外周期特征存在較大不確定性，不做分析。影響錐內黑實線包圍的區(qū)域對應周期特征為2～4 a的短周期振蕩，出現(xiàn)在1997—2008年，在時頻空間上通過了0.05的顯著性檢驗，表明該時段內年太陽輻射波動以2～4 a周期為主。20世紀80年代存在2個黑實線包圍的閉合區(qū)，對應的振蕩周期為準3 a和準6 a，位于影響錐附近或外側，從局地小波頻譜圖（圖3b）上可以看到，準6 a沒有通過0.05的顯著性檢驗，表明該周期的不確定性很大。

圖3 1980—2017年邯鄲年太陽輻射的連續(xù)Morlet小波功率譜（a）和小波頻譜（b）

分析季節(jié)太陽輻射的小波功率譜可見，春季影響錐內存在準4～7 a周期震蕩且顯著，主要發(fā)生在1991—2007年，該時段內年太陽輻射波動以4～7 a周期為主。1990年之前，存在7 a的周期，但是在影響錐外，不予考慮。1981—1991年和2010年前后還存在短周期震蕩，功率值較小。夏季主要存在準2～4 a顯著性周期震蕩，發(fā)生在1992—2008年。發(fā)生在1990—1994年的6 a振蕩周期信號弱且位于影響錐邊緣，局部小波頻譜上沒有通過顯著性檢驗。秋季，通過顯著性檢驗的主要顯著震蕩周期（2～4 a）發(fā)生在1995—2015年，表明近20 a秋季太陽輻射波動以2～4 a周期為主。冬季影響錐內存在兩個閉合的黑實線區(qū)域，左側區(qū)域對應周期特征為2～5 a，右側區(qū)域對應周期為2～3 a，分別出現(xiàn)在1985—1995年和2000—2008年，表明這兩個時段內，冬季太陽輻射的波動以短周期震蕩為主?？傊杭就?，夏、秋、冬季太陽輻射有序列均存在2～4 a短的顯著震蕩周期，但季節(jié)太陽輻射的變化模式和方向與年太陽輻射不太一致。

6 結論與討論

本文應用Hybrid radiation模型，結合氣象資料，估算邯鄲近38 a太陽輻射。采用線性傾向率、突變檢驗、復小波分解等方法，分析邯鄲太陽輻射的空間特征、變化趨勢、突變和周期，結論如下：

（1）邯鄲太陽能資源很豐富，年太陽輻射值為5 000～5 300 MJ/m2，春、夏季太陽輻射約是秋、冬季的兩倍，縣域間太陽輻射的分布差異較大。

（2）邯鄲年太陽輻射總體呈下降趨勢，下降率為-180 MJ/（m2·10 a），期間經歷了連續(xù)減少、穩(wěn)定維持和緩慢增長3個階段。邯鄲市太陽輻射的季節(jié)變化趨勢較復雜，近10 a春、夏季太陽輻射緩慢增長，秋、冬季呈減少趨勢。除個別縣的春季輻射增加外，大部分縣季節(jié)太陽輻射呈下降態(tài)勢，其中肥鄉(xiāng)、磁縣以-310 MJ/（m2·10 a）的速率減少。

（3）邯鄲春季沒有突變點，夏、秋季的突變點分別是1995、1999年，冬季、年序列突變點可能是2001、1996年，突變年之后，下降趨勢減緩。邯鄲春季太陽輻射周期為4～7 a，年和夏、秋、冬季太陽輻射為2～4 a顯著震蕩周期。

邯鄲太陽輻射的時空特征較復雜，20世紀90年代中期之前邯鄲年太陽輻射下降趨勢顯著，之后下降趨勢減緩。邯鄲太陽輻射的突變大致發(fā)生在20世紀90年代末，與京津冀1997年突變接近[16]。邯鄲年太陽輻射總體呈顯著減小趨勢，減少速率為180 MJ/（m2·10 a）。華北地區(qū)平均減少速率為77.2 MJ/（m2·10 a）[6]。相比較而言，邯鄲明顯偏大[9]。進入21世紀，邯鄲年太陽輻射變化趨勢為維持或增加，尤其是春、夏季太陽輻射增加對年太陽輻射貢獻較大，使得突變年之后邯鄲年太陽輻射下降趨勢減緩，這與陶蘇林等[9]的“華北地區(qū)春、夏季輻射量明顯下降趨勢”不太一致。短期內（2013—2017年），春、夏季太陽輻射增加，導致溫度升高，大氣中光化學反應增強，臭氧污染加重；秋、冬季太陽輻射總體的減小趨勢比全國強[11]，可能原因：一是氣候本身的變化，如風速減弱，削弱了太陽輻射[29]；二是邯鄲近幾年冬季污染嚴重，大氣中顆粒物增多，氣溶膠光學厚度大幅度降低，使得總輻射減小，導致太陽輻射變化趨勢減緩[16，28]。具體原因還需要長序列氣溶膠觀測資料進行深入分析。

致謝：本文得到中國科學院青藏高原研究所陽坤研究員和河北省氣象科學研究所魏瑞江研究員的指導，在此表示感謝！