成都市太陽輻射時(shí)間變化特征及對氣候因子的影響

陳 樂，賀 南，王明田，王 哲，鄭麗英*

（1.溫江區(qū)氣象局，四川 成都611130；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610072；3.四川省氣象臺(tái)，四川 成都610072）

太陽總輻射是指在水平面上，天空2π 立體角內(nèi)所接收到太陽直接輻射和散射輻射之和，其波長范圍為0.2～10 μm。地球表層99.8%的能量來源于太陽，太陽輻射是改變地氣運(yùn)動(dòng)，影響氣候變化的能量來源，是地球上生物、植物的生命來源，也是植物光合作用、植物蒸騰作用、土壤蒸發(fā)等陸面過程的驅(qū)動(dòng)因子[1-2]。開展太陽輻射的研究對于作物引種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、太陽能資源利用等方面具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對太陽輻射的研究主要有以下幾個(gè)方面：一是時(shí)空分布及變化規(guī)律。齊月等[3]得出太陽輻射經(jīng)歷了“變暗”到“變亮”的轉(zhuǎn)變；汪凱等[4-6]研究中國江蘇、浙江、福建等省份太陽總輻射的時(shí)空分布及變化特征；高操等[7]分析了1993—2013 年中國16個(gè)輻射臺(tái)站的地面太陽總輻射、散射系數(shù)的變化情況，散射系數(shù)在大部分地區(qū)呈增加趨勢；陳忠鈺等[8]分析了四川省近44 年太陽輻射的時(shí)空變化特征。二是模型模擬。和清華等[9]以天文輻射、晴天太陽輻射和理想大氣輻射分區(qū)擬合太陽總輻射；劉媛媛等[10-11]用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法模擬各月太陽總輻射；蔡元?jiǎng)偟萚12-13]基于地面氣象資料建立了太陽總輻射的計(jì)算模型；王衛(wèi)東[14]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對西北地區(qū)太陽輻射進(jìn)行模擬。三是氣候因子與太陽輻射的關(guān)系。張煥平等[15-17]研究了太陽總輻射的變化對氣溫、降水量、蒸發(fā)量等氣候因子的影響；劉長坤等[18]得出云量和水汽含量是影響太陽總輻射的變化因子。四是污染物與太陽輻射關(guān)系。劉昌明等[19]認(rèn)為人類活動(dòng)造成氣溶膠的增加是海河流域太陽輻射下降的重要原因；陳躍浩等[20]認(rèn)為霧霾天氣對太陽輻射有明顯削弱作用。大部分學(xué)者研究主要基于太陽輻射的模型模擬、時(shí)空分布、以及太陽輻射與氣候因子、污染物的相互關(guān)系等方面，不同學(xué)者所用的資料年代、研究區(qū)域不同，太陽輻射的變化不同。太陽輻射不僅受到地理緯度、海拔等因素影響，還與太陽輻射在大氣傳播時(shí)受到的空氣分子、水汽、云等大氣因子有關(guān)。成都市位于四川盆地西部（102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N），近年來城市快速發(fā)展，人類活動(dòng)加劇，已發(fā)展為全國超大型城市，有必要針對成都市太陽輻射情況進(jìn)行深入研究。本文應(yīng)用線性趨勢法、Mann-Kendall 等方法分析成都市太陽輻射的變化特征及對氣溫、蒸發(fā)等氣候因子的影響，為氣候變化、環(huán)境資源開發(fā)、大氣污染防治等方面提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料來源

根據(jù)中國氣象局輻射觀測業(yè)務(wù)布局，溫江國家基準(zhǔn)氣候站是成都市唯一承擔(dān)輻射觀測任務(wù)的臺(tái)站，太陽總輻射、直接輻射、散射輻射以及百葉箱氣溫、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量等觀測要素同站同址，用溫江國家站氣象輻射資料代表成都市。由于蒸發(fā)觀測方式發(fā)生變化，蒸發(fā)資料所用時(shí)段為2004—2020 年，其他資料時(shí)段為1991—2020 年。太陽輻射觀測設(shè)備的安裝符合《地面氣象觀測規(guī)范 輻射》（GB/T 35231-2017），數(shù)據(jù)資料已根據(jù)《氣象觀測資料質(zhì)量控制地面氣象輻射》（QX/T 117-2020）和《氣象觀測資料質(zhì)量控制地面》（QX/T 118-2020）的規(guī)定經(jīng)過質(zhì)控處理。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

日曝輻量是1 d 內(nèi)到達(dá)地面太陽輻射的累積量，年太陽總輻射是對365 或366 d 內(nèi)日曝輻量的求和，單位：MJ/m2。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 線性趨勢法

用Y 表示樣本量為n 的某一氣候變量，用ti表示Y 對應(yīng)的時(shí)間，建立Y 與ti之間的一元線性回歸方程：

式中：a 為回歸常數(shù)，b 為回歸系數(shù)，b 為傾向率，當(dāng)b＞0 表示隨時(shí)間的增加呈上升趨勢；b＜0 表示隨時(shí)間的增加呈下降趨勢。

2.2.2 Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法[21]是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，可用于檢測序列的變化趨勢。本文采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法進(jìn)行氣象要素變化趨勢的判別及顯著性檢驗(yàn)。

對于具有n 個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列SK：

其中ri的取值如下：

式（2）中秩序列SK是第i 時(shí)刻數(shù)值大于j 時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

式（4）中：E（sk）、var（sk）是累計(jì)數(shù)sk的均值和方差，UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按時(shí)間序列x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平，若|UFk|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

2.3 太陽輻射散射系數(shù)

為了反映太陽散射輻射和太陽直接輻射的比重變化，高操[7]用太陽輻射散射系數(shù)描述兩者的比重變化，太陽輻射散射系數(shù)α 即太陽散射輻射D 和太陽直接輻射S 的比值：

散射系數(shù)a 主要取決于大氣氣溶膠含量，當(dāng)氣溶膠含量較高時(shí)，散射系數(shù)較大；氣溶膠含量較小時(shí)，散射系數(shù)較小。

3 結(jié)果分析

3.1 太陽總輻射變化特征

3.1.1 年際變化特征

成都地區(qū)1991—2020 年地面太陽總輻射逐年增多趨勢明顯（圖1），線性傾向率為29.69 MJ（/m2·a），線性相關(guān)檢驗(yàn)|r|=0.768 3＞0.448 7，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。年平均太陽總輻射為3 475.70 MJ/m2，最大值為4 170.81 MJ/m2出現(xiàn)在2018 年，最小值2 858.98 MJ/m2出現(xiàn)在1999 年，絕對變化幅度為1 311.83 MJ/m2。20世紀(jì)90 年代年平均太陽輻射為3 158.95 MJ/m2，21世紀(jì)00 年代為3 458.61 MJ/m2，21 世紀(jì)10 年代為3 809.55 MJ/m2，從增幅來看，21 世紀(jì)10 年代太陽總輻射增幅最大。

圖1 1991—2020 年成都市太陽總輻射的年變化

1991—2003 年太陽總輻射為負(fù)距平，累積距平呈下降趨勢（圖2）。2004—2010 年呈波動(dòng)變化，處于不穩(wěn)定期。2011—2020 年以正距平為主，累積距平呈快速上升趨勢。

圖2 1991—2020 年成都市太陽總輻射距平及累積距平

運(yùn)用Mann-Kendall 法對太陽總輻射年變化進(jìn)行突變分析，圖3 中的UFK和UFB曲線在2010 年出現(xiàn)交叉，由UFK曲線可見，2010 年之后，太陽總輻射有明顯增多趨勢，這種增多趨勢超過顯著性水平0.05 臨界線并通過顯著性檢驗(yàn)，說明太陽總輻射增多趨勢十分顯著。成都市太陽總輻射在2010 年出現(xiàn)突變，突變后的年平均太陽總輻射較突變前增多497.22 MJ/m2。

圖3 1991—2020 年成都市太陽總輻射量曲線

3.1.2 月際變化

地面太陽總輻射月際呈雙峰型分布，最大月份出現(xiàn)在5、7 月，6 月出現(xiàn)了小的波谷；最小月份出現(xiàn)在12 月。對5、6、7 月氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，日降水量≥0.1 mm 的雨日出現(xiàn)頻率分別為41%、50%、42%；月平均日照時(shí)數(shù)分別為111.7 、101.8、122.3 h。與5、7 月相比，6 月雨日偏多、日照時(shí)數(shù)偏少是太陽總輻射出現(xiàn)波谷的原因之一。

由表1 可知，1—12 月太陽總輻射線性變化均為增加趨勢，1—5 月、10、12 月均通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，7—8 月變化趨勢通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。變化趨勢最明顯的是8 月，每年增加3.87 MJ/m2。變化趨勢最不明顯的是9 月，每年增加0.67 MJ/m2。

表1 1991—2020 年成都市太陽總輻射逐月線性趨勢

夏季（6—8 月）太陽總輻射占全年的36%，其次是春季（3—5 月），占全年的31%，冬季最小，占全年的13%。太陽總輻射在夏季多，冬季小，存在明顯的季節(jié)變化特征。夏季太陽高度角高、日照時(shí)間長，太陽總輻射多；反之，冬季太陽高度角低、日照時(shí)間短，太陽總輻射小。

3.1.3 日際變化

選取2019 年春、夏、秋、冬四季代表性月份4、7、10、1 月逐小時(shí)地面太陽總輻射，不同月份地面太陽總輻射最大小時(shí)曝輻量出現(xiàn)時(shí)間不同，但日變化均呈明顯的單峰型變化，4、7 月最大小時(shí)曝輻量均出現(xiàn)在北京時(shí)14 時(shí)，1、10 月均出現(xiàn)在北京時(shí)13時(shí)，最大小時(shí)曝輻量4、7 月大于1、10 月。春、夏季最大小時(shí)曝輻量出現(xiàn)在北京時(shí)13—14 時(shí)，春、夏季最大小時(shí)曝輻量大于秋、冬季。

3.2 直接輻射變化特征

3.2.1 年變化

年平均直接輻射為1 549.94 MJ/m2，最大值為1 856.71 MJ/m2，出現(xiàn)在2018 年；最小值為557.2 MJ/m2，出現(xiàn)在2000 年，絕對變化幅度為1 299.51 MJ/m2（圖4a）。20 世紀(jì)90 年代年平均直接輻射為951.4 MJ/m2，21 世紀(jì)00 年代為1 110.5 MJ/m2，21 世紀(jì)10 年代為1 447.2 MJ/m2，年代際呈遞增趨勢。由圖4a 可知，直接輻射呈逐年增大趨勢，線性傾向率為20.25 MJ/（m2·a），通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1991—2020 年成都市太陽直接輻射（a）、散射輻射（b）、散射系數(shù)（c）年變化趨勢

3.2.2 月變化

最大月份出現(xiàn)在8 月，其次在5 月；最小月份出現(xiàn)在12 月。4—8 月直接輻射月總量占全年的62%，逐月線性趨勢中6、9、11、12 月呈弱增加趨勢，未通過顯著性檢驗(yàn)，其余月份隨時(shí)間增加明顯，通過顯著性檢驗(yàn)。

3.3 散射輻射變化特征

3.3.1 年變化

年平均散射輻射為2 464.80 MJ/m2，最大值為2 821.31 MJ/m2，出現(xiàn)在2018 年；最小值為2 112.87 MJ/m2，出現(xiàn)在2020 年（圖4b）。20 世紀(jì)90 年代平均散射輻射為2 419.2 MJ/m2，21 世紀(jì)00 年代為2 587.4 MJ/m2，21 世紀(jì)10 年代散射輻射為2 412.4 MJ/m2，年代際21 世紀(jì)00 年代散射輻射出現(xiàn)最大值。由圖4b，散射輻射逐年呈弱減小趨勢，但未通過顯著性檢檢。

3.3.2 月變化

月變化中散射輻射呈雙峰分布，最大值出現(xiàn)在5、7 月，最小值出現(xiàn)在12 月。1—12 月除9 月呈減小趨勢并通過0.01 的顯著性檢性外，其他月份隨時(shí)間的變化不明顯。

3.4 散射系數(shù)的變化

成都市太陽輻射散射系數(shù)多年年平均為1.59，即散射輻射大于直接輻射。年最大值為6.16，出現(xiàn)在2000 年；最小值為1.32，出現(xiàn)在2018 年。由圖4c 可知，成都市太陽輻射散射系數(shù)呈逐年減小趨勢，線性傾向率為0.06/a，線性相關(guān)檢驗(yàn)|r|=0.5 596＞0.448 7，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。

散射系數(shù)月際呈波動(dòng)變化，5、7 月線性減小趨勢通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，其余月份變化不明顯。

3.5 太陽輻射增加的原因

通常情況下，太陽輻射與云量密切相關(guān)。在地面氣象觀測業(yè)務(wù)中，云量的觀測采用人工定時(shí)觀測，不能很好地反映一天中云量的連續(xù)性變化，而日照觀測采用實(shí)時(shí)連續(xù)觀測，一天中日照時(shí)數(shù)的大小能很好地反映天空總云量的多少，當(dāng)日照時(shí)數(shù)為0 時(shí)，表明這一天云層厚，白天天氣狀況為陰天。一年中日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)與太陽總輻射的年際變化呈顯著負(fù)相關(guān)，兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.781，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，年日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)少，太陽總輻射大，太陽總輻射與天空陰晴有關(guān)。由圖5 可知，年日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)呈逐年減小趨勢，每年減少1.4 d，通過0.001 的顯著性檢驗(yàn)，意味著白天天空為滿云的日數(shù)減少，總云量也呈減少趨勢，太陽總輻射增加主要原因是云量減少。

圖5 1991—2020 年成都市年日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)變化

3.6 太陽總輻射對氣候因子的影響

3.6.1 氣溫

太陽輻射通過大氣到達(dá)地球表面，地表吸收太陽輻射能量使地表溫度升高，太陽輻射與地表溫度有著較直接的因果關(guān)系，太陽總輻射與地表最高溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.856，達(dá)到0.01 的顯著性水平，表明太陽輻射越強(qiáng)，地表溫度越高。地表溫度的升高又會(huì)以對流等形式加熱近地面空氣，地表最高溫度與最高氣溫之間關(guān)系密切，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.877，表明最高氣溫隨地表溫度的變化而變化。太陽總輻射與最高氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.712，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，最高氣溫隨太陽輻射的強(qiáng)弱而變化。年平均最高氣溫與太陽總輻射的變化趨勢中，年平均最高氣溫呈線性增加，線性傾向率為0.05 ℃/a，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，年平均最高氣溫與太陽總輻射的變化趨勢一致，太陽總輻射是影響最高氣溫的首要因素。年平均最高氣溫與年太陽總輻射兩者的線性關(guān)系可表示為：y=0.001 2x+16.396，年太陽總輻射增加10 MJ（/m2·a），年平均最高氣溫增加0.012 ℃。

3.6.2 蒸發(fā)量

蒸發(fā)量與太陽總輻射曝輻量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.839，通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。年蒸發(fā)量與年太陽總輻射兩者的線性關(guān)系可表示為：y = 0.115 6x+222.79，年太陽總輻射增加10 MJ（/m2·a），年蒸發(fā)量將增加1.2 mm。

春、夏、秋、冬四季太陽總輻射與蒸發(fā)的相關(guān)關(guān)系均呈正相關(guān)（表2），太陽總輻射越大，地面蒸發(fā)越快。冬季太陽總輻射與蒸發(fā)線性趨勢一致，均隨年份的變化呈增大趨勢，兩者均通過顯著性檢驗(yàn)。

表2 1991—2020 年成都市太陽總輻射與蒸發(fā)分季變化趨勢及檢驗(yàn)

3.6.3 日照時(shí)數(shù)

太陽總輻射與日照時(shí)數(shù)有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.848，通過0.01 的相關(guān)性檢驗(yàn)。年日照時(shí)數(shù)與地面太陽總輻射的線性關(guān)系可表示為：y=0.167 4x+382.27，年太陽總輻射增加10 MJ/（m2·a），年日照時(shí)數(shù)增加1.7 h。

4 討論

研究中太陽輻射增加的同期，降水量減少[22]，蒸發(fā)量增加，存在干旱化的趨勢。鄭祚芳等[23]得出北京城市干島效應(yīng)與城市化進(jìn)程有密切聯(lián)系，城市化已對氣候變化產(chǎn)生了影響[24-26]，成都市近10 年耕地面積大幅減少，城鎮(zhèn)用地大幅增加，城市化進(jìn)程導(dǎo)致下墊面發(fā)生大規(guī)模改變，很可能也會(huì)出現(xiàn)與北京地區(qū)類似的干島效應(yīng)，在這種背景下，成都市太陽輻射的變化是源于自然的氣候波動(dòng)，還是源于城市化對局部氣候產(chǎn)生的影響，城市化、太陽輻射、氣候系統(tǒng)的相互關(guān)系比較復(fù)雜，解決這些問題還需要使用氣候、大氣環(huán)境、云物理等多方面的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛深入的跟蹤分析。

太陽輻射增加的同期，成都地區(qū)極端高溫顯著增加[27]，極端高溫事件顯著增多；同時(shí)，臭氧污染呈現(xiàn)上升趨勢[28]。太陽輻射的增加已對人們的健康、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接影響，有必要盡快開展成都市太陽輻射的應(yīng)用研究，建立太陽輻射的預(yù)測服務(wù)模式。

5 結(jié)論

基于成都市溫江國家基準(zhǔn)氣候站1991—2020年太陽輻射資料及氣候資料，應(yīng)用線性趨勢、Mann-KendaⅡ等方法研究成都市太陽輻射的年、月、日變化特征，以及太陽總輻射的變化對氣溫、蒸發(fā)等氣候因子的影響，得出以下結(jié)論：

（1）太陽總輻射呈增加趨勢，線性傾向率為29.69 MJ（/m2·a）（|r|＞r0.01），年平均太陽總輻射為3 475.70 MJ/m2；月際呈雙峰型分布，最大出現(xiàn)在5、7 月，最小出現(xiàn)在12 月；日際分布均呈單峰型，最大小時(shí)曝輻量出現(xiàn)時(shí)間在北京時(shí)13—14 時(shí)。太陽直接輻射年總量呈增加趨勢，其線性傾向率為20.25 MJ/（m2·a）。散射輻射呈下降趨勢，但不顯著。散射系數(shù)年平均為1.59，逐年減小趨勢顯著。

（2）太陽總輻射與最高氣溫、蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)。太陽總輻射每年增加10 MJ/m2，年平均最高氣溫增加0.012 ℃，年日照時(shí)數(shù)增加1.7 h，年蒸發(fā)量增加1.2 mm。

（3）成都市一年中日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)變化可有效表征總云量的年際變化。1991—2020 年日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)與太陽總輻射呈負(fù)相關(guān)，兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.781。年日照時(shí)數(shù)為0 的日數(shù)逐年減少，線性傾向率為1.4 d/a，即表征了成都市總云量呈減少趨勢，太陽總輻射增加的主要原因是總云量減少。