基于NOAA_AVHRR衛(wèi)星產(chǎn)品的西北地區(qū)太陽輻射變化趨勢研究

溫松楠 李 凈 李 龍

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730021；2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

太陽輻射是大氣運動的主要動力和天氣、氣候形成的重要原因，它對海陸溫度差異、冰凍圈消退、地球大氣能量平衡以及人類活動起著決定性的作用，因此，研究到達地面太陽輻射的中長期變化，具有直接的氣候意義［1-2］。

近幾十年來，全球范圍內(nèi)大部分地區(qū)的太陽總輻射的變化趨勢都經(jīng)歷著上升或下降的過程，也被稱為地球的“變暗”到“變亮”［3］，全球“變暗”和“變亮”現(xiàn)象還有一些不確定因素，主要是由于缺乏長時間序列的太陽輻射觀測，尤其是稀少站點的觀測不能代表整個空間上的連續(xù)變化趨勢，而目前對于太陽輻射變化趨勢的研究主要是利用區(qū)域上地面輻射站點的觀測數(shù)據(jù)［4］，由于這些研究都是利用站點數(shù)據(jù)，而且站點在整個研究區(qū)域分布很稀疏，所以無法研究太陽輻射在整個空間上的變化趨勢。

地面太陽輻射衛(wèi)星產(chǎn)品對于太陽輻射在空間上的變化趨勢研究提供了一個不錯的選擇［5-6］，目前常用的太陽輻射衛(wèi)星產(chǎn)品主要有ISCCP-FD（國際衛(wèi)星云氣候計劃-通量數(shù)據(jù)）［7-8］、UMD-SRB（馬里蘭大學(xué)-短波輻射收支）［9］、GEWEX-SRB（全球能量與水循環(huán)試驗-地表能量收支）［10］、GLASS（全球陸表特征參量）［11］、CERES（云和地球輻射能量系統(tǒng)）［12］、FLASHFLUX（融 合CERES處 理 系 統(tǒng) 和MODIS觀測數(shù)據(jù)）［13］、CM-SAF-SIS（衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)施氣候監(jiān)測-太陽短波輻射）［14-15］。Zhang等［16］采用全球1 151個站點地面觀測數(shù)據(jù)來評估GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB以及CERES-EBAF四種衛(wèi)星產(chǎn)品，并對其影響因素進行分析，得出結(jié)論為GEWEX-SRB、ISCCP-FD、UMD-SRB三種衛(wèi)星產(chǎn)品高估了太陽輻射，CERES-EBA衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射偏差相對較小。但在我國目前還沒有利用時空連續(xù)的衛(wèi)星產(chǎn)品對太陽輻射變化趨勢進行研究，雖然ISCCP-FD、UMD-SRB、GEWEX-SRB、GLASSDSR、CERES-EBAF這些衛(wèi)星產(chǎn)品可以覆蓋全球，但是這些衛(wèi)星產(chǎn)品時間序列較短且分辨率較低，無法研究地面太陽輻射的長期變化特征。NOAA衛(wèi)星能夠提供時空連續(xù)的較長時間序列的太陽輻射數(shù)據(jù)且分辨率較高，因此本研究基于NOAA衛(wèi)星產(chǎn)品對西北地區(qū)1986—2015年地面太陽輻射的時空變化特征進行研究，采用Mann-Kendall非參數(shù)法對太陽輻射的變化趨勢做了檢驗。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所用的NOAA/AVHRR衛(wèi)星太陽輻射產(chǎn)品 來 源 于http：//www.cmsaf.eu/EN/Home/，選 取 了1986—2015年的月輻射數(shù)據(jù)，時間連續(xù)性很好，月輻射數(shù)據(jù)的缺失值利用臨近年同月的數(shù)據(jù)補充，通過平均值合成得到年輻射產(chǎn)品，空間分辨率為0.25°；地面觀測數(shù)據(jù)選取了西北地區(qū)25個太陽輻射觀測站點（見圖1）的月總輻射數(shù)據(jù)和年總輻射數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/site/index.html），用于驗證衛(wèi)星太陽輻射產(chǎn)品。研究選取的25個輻射站中，酒泉、剛察、果洛、塔城、焉耆、阿克蘇1993年1月之后建站，延安、安康站1990年1月之后建站，這些站點在研究時間段沒有輻射觀測數(shù)據(jù)；西安站2006年1月遷至涇河站，西安站2005年的太陽輻射缺測；蘭州站2005年1月遷至榆中站。

圖1 西北地區(qū)25個輻射站點分布圖

2 研究方法

利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗方法來研究。在Mann-Kendall檢驗中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，x3，…，xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；假設(shè)H1是雙邊檢驗。對于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的。定義檢驗統(tǒng)計量S的計算公式如式（1）。

式中：sign()為符號函數(shù)。當(dāng)xi-xj小于、等于或大于零時，sign (xi-xj)分別為-1、0或1。S為正態(tài)分布，其均值為0，方差為Var(S)=n(n-1)( 2n+5)/18。

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)Hi是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗［17］。

Hirsch等［18］專門為季節(jié)性數(shù)據(jù)定義了Mann-Kendall非參數(shù)法的多變量的延伸，因此該研究利用季節(jié)性Mann-Kendall非參數(shù)法對西北地區(qū)太陽輻射季節(jié)性變化趨勢進行分析。

對于p季節(jié)n個獨立隨機的觀測值，建立如式（3）的矩陣。

季節(jié)性Mann-Kendall非參數(shù)法定義每個季節(jié)的檢驗統(tǒng)計量Sg的計算公式如式（4）。

式中：g=1，2，…，p。

季節(jié)性Mann-Kendall非參數(shù)法檢驗統(tǒng)計量S'的計算公式如式（5）。

3 衛(wèi)星產(chǎn)品的驗證

3.1 衛(wèi)星產(chǎn)品的實測驗證

本研究采用平均偏差(MBE)和均方根誤差(RMSE)兩種精度評價指標(biāo)結(jié)合實測值對衛(wèi)星產(chǎn)品進行驗證，計算公式如式（6）、式（7）和式（8）。

式中：xi表示第i個站點衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射值；Yi表示第i個實測值；n為站點個數(shù)。MBE、MBE%和RMSE越小，表示衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射值越接近實測值。

利用實測值對衛(wèi)星產(chǎn)品月輻射值的驗證結(jié)果如表1所示，從MBE%和RMSE可以看出，25個站點的平均MBE%控制在20%以內(nèi)，RMSE保持在5～25 Wm-2之間，實測值驗證結(jié)果表明，衛(wèi)星產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)的偏差在合理的范圍內(nèi)，可用于太陽輻射趨勢變化研究。

表1 衛(wèi)星產(chǎn)品月輻射值的驗證結(jié)果

3.2 衛(wèi)星產(chǎn)品趨勢的驗證

本研究利用西北地區(qū)25個輻射站點1986—2015年的觀測數(shù)據(jù)進一步來驗證NOAA衛(wèi)星的輻射產(chǎn)品質(zhì)量。由于衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)范圍與地面觀測儀器的光譜響應(yīng)范圍存在差異，導(dǎo)致計算的太陽輻射值也存在差異，為了減少這種差異，本研究選擇在衛(wèi)星產(chǎn)品中提取25個與地面輻射站點位置相同的太陽輻射值進行比較。除1988年少數(shù)年份外，其余年份地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星產(chǎn)品的變化趨勢基本一致，1986—2015年每10年的變化趨勢表現(xiàn)為90年代前下降，90年代后緩慢上升，地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星產(chǎn)品每10年太陽輻射的變化趨勢大體上吻合（見圖2），衛(wèi)星產(chǎn)品輻射值確實與實測值在某些站點存在一定的差異，對于需要太陽輻射作為輸入輻射數(shù)據(jù)的定量模型而言，這個差異會帶來一定的誤差，但本研究針對的是太陽輻射的變化趨勢，此誤差不影響太陽輻射的分布趨勢研究，因此利用NOAA衛(wèi)星產(chǎn)品可以評價太陽輻射時空變化趨勢。

圖2 地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星產(chǎn)品變化曲線

4 結(jié)果分析

4.1 衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射的年變化

本研究首先將1986—2015年的太陽總輻射衛(wèi)星產(chǎn)品按每10年分成三個時間段，分別得到1986—1995年、1996—2005年、2006—2015年的太陽輻射平均值，再分別計算1996—2005年與1986—1995年的均值差、2006—2015年與1996—2005年的均值差、2006—2015年與1986—1995年的均值差，依次得到1986—2005年每10年的太陽輻射變化趨勢圖、1996—2015年每10年的太陽輻射變化趨勢圖和1986—2015年每10年的太陽輻射變化趨勢圖（見圖3）。1986—2005年太陽輻射的變化趨勢呈現(xiàn)每10年上升0.32 Wm-2趨勢，1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射每10年的變化趨勢值在-6.7～13.8 Wm-2之間波動，太陽總輻射平均變化趨勢為每10年上升0.95 Wm-2，1986—2015年西北地區(qū)太陽輻射呈現(xiàn)整體上升的趨勢，這與陶蘇林等［19］研究得出的1981—2014年西北地區(qū)太陽輻射增加趨勢明顯相一致。太陽輻射上升的地區(qū)出現(xiàn)在新疆喀什、伊寧、塔城、阿勒泰地區(qū)，青海的果洛、玉樹，寧夏銀川，陜西延安以及甘肅蘭州。下降區(qū)出現(xiàn)在新疆的烏魯木齊、若羌，陜西西安，青海的格爾木地區(qū)以及甘肅敦煌地區(qū)，80年代中期發(fā)生在西北地區(qū)以及各個省份太陽輻射由“降低”到“升高”變化中，太陽輻射降低可能與當(dāng)?shù)毓I(yè)化進程、人為氣溶膠的排放相關(guān)，大氣中污染物濃度增加，大氣對太陽輻射的削弱作用變強，到達地面的太陽輻射減少。但對于90年代中期的太陽輻射的上升現(xiàn)象目前還缺乏直接的證據(jù)［20］。盡管90年代之后大氣透明度的增加有利于達到地面太陽輻射量的增大，但這種變化能否解釋30年太陽輻射所發(fā)生的變化，目前尚無明確的結(jié)論，需進一步深入研究。本研究利用Mann-Kendall非參數(shù)法對西北地區(qū)衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射變化趨勢進行檢驗，得到Z=0.856 369＞0，由于Z的絕對值都小于1.28，沒有通過90%的顯著性檢驗，所以1986—2015年西北地區(qū)太陽輻射變化趨勢不顯著。

圖3 西北地區(qū)地面太陽輻射時空變化趨勢

4.2 衛(wèi)星產(chǎn)品太陽輻射的季節(jié)變化

1986—2015年四季太陽輻射的變化趨勢見圖4，春季變化趨勢最高值達到了每10年上升17.05 Wm-2的速度。春季太陽總輻射平均變化趨勢是每10年上升4.27 Wm-2，而年變化的最大幅度為每10年增長0.95 Wm-2。夏季，除若羌、格爾木站點附近太陽總輻射變化為降低趨勢外，其余大部分地區(qū)處于上升或不變的趨勢，阿勒泰、塔城站點以及西安、延安站點附近有明顯上升趨勢，整個西北地區(qū)夏季太陽總輻射變化趨勢值為每10年上升0.06 Wm-2，夏季太陽輻射變化趨勢最高值達每10年上升14.94 Wm-2，最低值出現(xiàn)在若羌站點附近，西北地區(qū)夏季太陽總輻射變化趨勢呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。秋季，玉樹、果洛、喀什、和田附近有上升趨勢，上升趨勢值最高達8.83 Wm-2，秋季太陽輻射變化趨勢下降最大幅度為每10年下降12.05 Wm-2，整個西北地區(qū)秋季太陽總輻射呈現(xiàn)明顯降低趨勢，但下降幅度不大，為每10年平均下降約2.29 Wm-2。冬季，除新疆和青海最南邊有上升趨勢外，其余地區(qū)傾向下降趨勢，但是下降幅度小，下降平均幅度為每10年降低2.16 Wm-2，而新疆和青海最南邊上升幅度都比較大，上升平均幅度為每10年上升2.63 Wm-2，雖然冬季大范圍地區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢，但是由于下降幅度很小，所以綜合整個西北地區(qū)，冬季太陽輻射平均變化幅度是每10年上升0.47 Wm-2。

圖4 西北地區(qū)地面太陽輻射季節(jié)的時空變化趨勢

1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射的季節(jié)性平均變化趨勢為春季、夏季和冬季呈緩慢上升趨勢，秋季變化呈下降趨勢。利用季節(jié)性Mann-Kendall非參數(shù)法對西北地區(qū)每個季節(jié)的太陽輻射衛(wèi)星產(chǎn)品變化趨勢進行檢驗，得到Z=2.37＞2.32，通過了90%的顯著性檢驗，因此西北地區(qū)太陽輻射的變化具有顯著的季節(jié)性特征。太陽輻射季節(jié)性的變化主要受日照時數(shù)、云量等因素的影響，一般而言，夏季平均日照時數(shù)高，太陽輻射強，冬季平均日照時數(shù)低，太陽輻射弱，春季和秋季處于兩者之間；季節(jié)性太陽輻射的變化還考慮到云量的變化，隨著云量的減少，太陽輻射增加。

5 結(jié)論

本研究首先利用西北地區(qū)25個輻射站點的實測值驗證了NOAA衛(wèi)星太陽輻射產(chǎn)品的質(zhì)量，然后利用這個輻射產(chǎn)品研究了1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射的時空變化趨勢，并對太陽輻射進行趨勢檢驗。通過本研究得出以下主要結(jié)論。

①1986—2015年西北地區(qū)的地面觀測數(shù)據(jù)與NOAA衛(wèi)星輻射產(chǎn)品變化趨勢基本一致，因此利用NOAA衛(wèi)星太陽輻射產(chǎn)品可以用于太陽輻射時空變化趨勢的研究。

②1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射呈總體上升趨勢，平均幅度達到每10年上升0.95 Wm-2，1986—2005年西北地區(qū)太陽總輻射達到每10年上升0.33 Wm-2的趨勢，1996—2015年西北地區(qū)太陽總輻射達到每10年上升1.58 Wm-2的趨勢，西北地區(qū)太陽總輻射從90年代開始呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。

③1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射的季節(jié)性平均變化趨勢為春季、夏季和冬季呈緩慢上升趨勢，秋季變化呈下降趨勢。

④1986—2015年西北地區(qū)太陽總輻射變化在新疆喀什、伊寧、塔城、阿勒泰地區(qū)，青海的果洛、玉樹，寧夏銀川，陜西延安以及甘肅蘭州為上升趨勢，新疆的烏魯木齊、若羌，陜西西安，青海的格爾木地區(qū)以及甘肅敦煌地區(qū)為下降趨勢。