何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

寧波太陽總輻射估算及其變化特征分析

何利德

（寧波市氣象局，浙江寧波 315012）

太陽輻射是地球上最基本、最重要的能量來源，研究區(qū)域內(nèi)的太陽能總量及其分布特征對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)具有重要意義。本文利用太陽總輻射的氣候?qū)W經(jīng)驗公式，依據(jù)杭州站1960-2006年逐月太陽總輻射和日照百分率建立的回歸系數(shù)，對寧波鄞州站1981-2013年的太陽總輻射進行估算?；?010-2013年的估算結(jié)果與實測值，利用SPSS統(tǒng)計軟件建立修正方程，并應(yīng)用修正后的太陽總輻射和實際觀測值，對寧波鄞州站1981-2013年太陽總輻射的年際變化和年變化特征進行分析。結(jié)果表明：本研究所采用的估算方法可行，且修正后的計算值更加精確。寧波鄞州月平均太陽總輻射為357.29 MJ·m-2，月太陽總輻射在226.11～551.42MJ· m-2；月變化為雙峰型，6月受梅雨天氣影響為相對低值。寧波鄞州年太陽總輻射達4 287.47 MJ·m-2，屬于資源豐富區(qū)。20世紀(jì)80年代中后期開始，太陽總輻射出現(xiàn)下降趨勢，至20世紀(jì)90年代初達到最低值，其后下降趨勢逐漸停頓，并有緩慢上升的態(tài)勢。

太陽總輻射；日照百分率；特征分析

太陽輻射是地表最重要、最基本的能量來源，也是地球氣候形成的最重要因子。隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人類對能源的需求劇增。由于常規(guī)能源的儲量有限以及開發(fā)過程中排放物對環(huán)境的污染，許多國家和地區(qū)已經(jīng)把太陽輻射資源作為國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境質(zhì)量的重要清潔能源加以開發(fā)利用。目前國內(nèi)外學(xué)者對太陽輻射的計算大體可歸納為3種［1-5］：利用氣候?qū)W方法計算太陽輻射的各分量；利用衛(wèi)星遙感資料反演太陽輻射的有關(guān)參數(shù)；利用高程結(jié)合GIS技術(shù)模擬太陽輻射。各種方法各有優(yōu)缺點，其中，氣候?qū)W計算方法的經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮谖覈鴳?yīng)用最為廣泛。實踐證明，以日照百分率模型為代表的氣候?qū)W計算方法使用方便，在地形平坦、大氣環(huán)境狀況較單一的地區(qū)精度很高。

浙江省現(xiàn)有太陽輻射觀測站數(shù)目稀少（僅杭州和洪家），遠(yuǎn)不能滿足科研和工程應(yīng)用的需求。寧波地區(qū)的庵東觀測站已于20世紀(jì)90年代初停止了太陽輻射觀測，鄞州于2010年剛設(shè)立太陽輻射觀測，積累資料年限不長，因此，當(dāng)前迫切需要適用于寧波市的太陽輻射量推算和擴展方法，來分析當(dāng)?shù)靥栞椛涞臅r空變化，摸清太陽能資源分布情況。

本文利用杭州1960-2006年太陽總輻射和日照資料所建立的氣候?qū)W逐月估算公式，推算寧波鄞州的太陽總輻射，結(jié)合鄞州2010-2013年的實測輻射資料進行檢驗和修正，從而得出較為精確的估算方法。根據(jù)估算結(jié)果，分析寧波鄞州1981-2013年太陽總輻射變化特征，為揭示大氣運動、研究氣候變化、評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和太陽能工程設(shè)計等提供依據(jù)。

1 太陽總輻射估算公式的引用、檢驗和修正

1.1 太陽總輻射估算公式的引用

當(dāng)前，國內(nèi)太陽總輻射氣候?qū)W估算的方法是在統(tǒng)計分析該地歷年各月太陽輻射和日照百分率觀測資料的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法擬合出公式中的各月經(jīng)驗系數(shù)，并據(jù)此計算相鄰各地月太陽總輻射。杭州觀測站是國家基準(zhǔn)氣候站和國家二級輻射觀測站，地理坐標(biāo)為30°13'33″N，120°09'54″E，海拔高度41.7 m。鮑倩倩等［6］利用日照百分率采用下式計算太陽總輻射：

式中：a、b為經(jīng)驗系數(shù)，n為月份，各月系數(shù)不同；S為月日照百分率（%），W為月天文輻射量（MJ·m-2）。月天文輻射總量由日天文輻射量累加而得，日天文輻射量的計算公式如下：

式中：W0為日天文輻射總量（MJ·m-2· d-1）；I0為太陽常數(shù)（13.67×10-4MJ·m-2· s-1）；T為周期（24×60×60 s）；ρ為日地相對距離；φ為地理緯度；ω0為日落時角；δ為太陽赤緯。

鮑倩倩等［6］通過最小二乘法分析1960-2006年該站各月太陽總輻射和日照百分率的觀測值，按照公式（Eg）n回歸得出各月的經(jīng)驗系數(shù)a和b，見表1。

表1 杭州站各月太陽總輻射估算經(jīng)驗系數(shù)

鄞州觀測站是國家基本氣象站，也是寧波的代表站，位于29°47'00″N，121°33'00″E，海拔高度5.0 m。由于杭州站與鄞州站所在的地理位置、地理條件相近，在相同季節(jié)影響該地區(qū)的天氣狀況和條件大致相同，因此本文利用杭州站1960-2006年各月太陽總輻射和日照觀測資料，采用單站單月的方式來估算寧波鄞州1981-2013年太陽總輻射值并待檢驗。

1.2 太陽總輻射估算公式的檢驗

根據(jù)杭州站數(shù)據(jù)所建立的各月太陽總輻射估算經(jīng)驗公式，將寧波鄞州1981-2013年的逐月日照百分率和天文輻射總量代入（Eg）n公式，求得寧波鄞州1981-2013年的逐月太陽總輻射計算值。提取2010-2013年的計算值與實測值進行對比分析。圖1為寧波鄞州2010-2013年逐月太陽總輻射計算值與實測值的散點圖，相關(guān)系數(shù)R2為0.982 7。

經(jīng)獨立樣本T檢驗、獨立樣本非參數(shù)檢驗與Kolmogorov-Smirnov Z檢驗，結(jié)果均顯示，實測值與統(tǒng)計值之間差異不顯著。為了檢驗估算經(jīng)驗公式的誤差情況，以寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽總輻射計算值與實測值作為兩獨立樣本進行驗證，計算絕對百分誤差和平均絕對百分誤差，結(jié)果見表2。月絕對百分誤差最大值為20.67%，最小為0.00%，大于10.00%（同類研究中的誤差標(biāo)準(zhǔn)為10.00%）的月數(shù)為6個，占12.5%，獨立樣本的平均絕對誤差為4.69%（同類研究中的誤差標(biāo)準(zhǔn)為5.00%）。

圖1 寧波鄞州2010-2013年逐月太陽總輻射計算值與實測值的散點分布

表2 鄞州2010-2013年各月太陽總輻射計算值與實測值的絕對誤差%

綜上可知，利用杭州站所建立的各月太陽總輻射估算經(jīng)驗公式來推算寧波鄞州逐月太陽總輻射是可行的。但估算經(jīng)驗公式的月絕對百分誤差大于同類研究中誤差標(biāo)準(zhǔn)的比重較大，T檢驗的臨界置信水平為0.750，估算公式有待修正。

1.3 太陽總輻射估算公式的修正

利用寧波鄞州2010-2013年的逐月太陽總輻射計算值與實測值兩套獨立樣本，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件進行回歸分析，建立修正方程：

修正方程的相關(guān)系數(shù)r為0.991，并通過了0.001水平的顯著性檢驗。

利用公式對寧波鄞州1981-2013年逐月太陽總輻射計算值進行修正，得到最終的逐月太陽總輻射值，再次提取2010-2013年最終的逐月太陽總輻射修正值與實測值進行對比分析。獨立樣本T檢驗的結(jié)果顯示，修正后的置信水平提高到0.918，臨界置信水平提高到0.999；獨立樣本非參數(shù)檢驗的結(jié)果顯示，Mann-Whitney U檢驗的漸近顯著性提高到0.982；Moses極限反應(yīng)檢驗控顯著性水平提高到0.500。

計算各絕對百分誤差，結(jié)果（表3）顯示，月絕對百分誤差最大為19.64%，最小為0.10%，大于10.00%的月數(shù)為2，占4.17%，獨立樣本的平均絕對誤差為3.79%。修正后的月絕對百分誤差大于同類研究中誤差標(biāo)準(zhǔn)的比重明顯減少，T檢驗的臨界置信水平顯著提高，因此經(jīng)過修正的太陽總輻射更加精確。

表3 鄞州2010-2013年各月太陽總輻射修正值與實測值的絕對誤差%

2 太陽總輻射變化特征分析

2.1 寧波鄞州太陽總輻射年際變化特征

寧波鄞州33 a的年太陽總輻射為4 287.47 MJ· m-2；極端最大年太陽總輻射為4 871.92 MJ· m-2，出現(xiàn)在2013年；極端最小年太陽總輻射為3 625.21 MJ·m-2，出現(xiàn)在1991年。無論是修正后的推算值還是實際觀測值，均與該站的年日照時數(shù)有一致的變化趨勢。從寧波鄞州33 a太陽總輻射的年際變化來看（圖2），其中線性趨勢的相關(guān)系數(shù)R2為0.103 3（R=0.321 4），小于置信度5%的Rc值0.344 2（相關(guān)系數(shù)檢驗臨界值），因此其呈現(xiàn)的變化趨勢不可信；而多項式變化趨勢的相關(guān)系數(shù)R2為0.485 8（R=0.697 0），大于置信度1%的Rc值0.442 8，且與5 a滑動平均的變化趨勢基本一致，因此多項式呈現(xiàn)的變化趨勢可信。從多項式擬合的變化曲線看，鄞州站從20世紀(jì)80年代中后期開始，太陽總輻射出現(xiàn)下降趨勢，至20世紀(jì)90年代初達到最低值，其后下降趨勢逐漸停頓，并有緩慢上升的態(tài)勢。這與全球太陽輻射所經(jīng)歷的從“暗”到“亮”的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象有相似之處。

2.2 寧波鄞州太陽總輻射月標(biāo)變化特征

圖2 寧波鄞州太陽總輻射的年際變化

寧波鄞州33 a的月平均太陽總輻射為357.29 MJ·m-2；極端最大月太陽總輻射為724.84 MJ· m-2，出現(xiàn)在2013年7月；極端最小月太陽總輻射為128.61 MJ·m-2，出現(xiàn)在1993年12月。從33 a月際變化來看，寧波鄞州太陽總輻射量表現(xiàn)出明顯的年變化，大體呈雙峰型季節(jié)分布（7月最大，5月為另一高峰值），7月后逐漸減少；夏季輻射量占全年的34.1%，冬季占全年的16.4%，春秋兩季介于中間，占全年的22.5%～27.0%（圖3）。各月中以7月總輻射量最大，多年平均為551.42 MJ·m-2；1月最小，多年平均為226.11 MJ·m-2。這主要受太陽高度和晝長的季節(jié)差異影響，而一年中輻射量較大的4-9月其輻射量均大于平均值，但在6月出現(xiàn)一個小的波谷，這是因為6月寧波市正值梅雨季節(jié)，連陰雨天氣較多，導(dǎo)致日照時間減少，相應(yīng)到達地面的太陽總輻射也就出現(xiàn)下降趨勢。

圖3 寧波鄞州太陽總輻射的月際變化

3 小結(jié)與討論

利用杭州站1960-2006年實測太陽總輻射和日照百分率，逐月建立以天文輻射為基數(shù)的氣候?qū)W經(jīng)驗公式來估算寧波鄞州站的太陽總輻射是可行的；經(jīng)修正后的計算值更加接近實際觀測值，誤差較小。根據(jù)《太陽能資源評估辦法》中太陽總輻射的評估標(biāo)準(zhǔn)，寧波鄞州年總太陽輻射量3 780～5 040 MJ· m-2［7］，為3級，屬于資源豐富區(qū)，具有開發(fā)潛力。年內(nèi)分配存在一定的不均衡性，向夏季集中，輻射量的月際最大值與最小值之比超過2.4，太陽能的開發(fā)利用需要考慮明顯的季節(jié)性變化。

太陽輻射受氣象條件影響較大，太陽總輻射計算應(yīng)結(jié)合各種因素和季節(jié)分布，完善計算模擬過程，同時做好開發(fā)中的災(zāi)害風(fēng)險管理。

寧波鄞州近33 a太陽輻射的估算只是一種嘗試，在今后的研究中，還有待于考慮地面高程、實際坡向及地形遮蔽等對地表太陽輻射的影響，基于GIS技術(shù)構(gòu)建一套適合寧波的推算太陽輻射的方法和流程，并應(yīng)用該方法結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，對寧波市的太陽輻射資源進行精細(xì)化的區(qū)劃分析，從而為可再生能源的應(yīng)用發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和建議。

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（責(zé)任編輯：高 峻）

P 422

：A

：0528-9017（2014）10-1620-04

文獻著錄格式：何利德.寧波太陽總輻射估算及其變化特征分析［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（10）：1620-1623.

2014-05-04

何利德（1976-），男，浙江鄞州人，工程師，主要從事氣象觀測和管理研究等工作。E-mail：69616193@qq.com。