張亞麗, 田義超, 林俊良, 張強(qiáng), 陶進(jìn)

1961—2017年廣西北部灣海岸帶太陽總輻射時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

張亞麗, 田義超*, 林俊良, 張強(qiáng), 陶進(jìn)

北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北部灣大學(xué)海洋地理信息資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西, 欽州 535000

太陽輻射是地球生命發(fā)生發(fā)展的決定因素之一, 是大氣運(yùn)動(dòng)唯一的能量來源。在全球氣候變暖背景下, 關(guān)注海岸帶太陽輻射變化尤為必要。為了揭示廣西北部灣海岸帶太陽輻射的時(shí)空變化特征, 基于北部灣海岸帶臨近區(qū)域的22個(gè)氣象站1961—2017年逐日日照資料和南寧、北海站的太陽輻射資料, 采用Angstrom模型對(duì)各氣象站點(diǎn)的月太陽總輻射進(jìn)行了估算。在此基礎(chǔ)上借助于Mann-kendall檢驗(yàn)、氣候傾向率、趨勢(shì)面分析法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)北部灣海岸帶年內(nèi)和年際太陽總輻射時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明: 在時(shí)間尺度上, 研究區(qū)域年際太陽輻射總量變化呈現(xiàn)出"W"型特征, 其波動(dòng)幅度介于4002.5MJ·m-2到5981.9 MJ·m-2之間, 呈顯著上升趨勢(shì)具體為91.7 MJ·m–2·10a–1。在空間分布上, 北部灣海岸帶太陽輻射資源空間差異較大, 位于上思與防城港交界地區(qū)的太陽輻射最高, 海岸東岸的北海市和合浦縣次之, 海岸西岸的欽江流域和茅嶺江流域最小。突變分析上: 春、夏、秋季的年均太陽總輻射在研究期均發(fā)生了突變, 而冬季沒有發(fā)生突變。丘陵地區(qū)和海岸西岸年均太陽輻射發(fā)生了突變, 而海岸東岸沒有發(fā)生突變。其中海岸西岸的東興太陽輻射突變的時(shí)間最早, 防城港突變的時(shí)間最晚。本文研究成果為太陽總輻射的定量化研究提供了方法學(xué)上的經(jīng)驗(yàn), 并對(duì)該區(qū)太陽總輻射資源合理利用與管理具有較好的指導(dǎo)意義。

太陽總輻射; 北部灣海岸帶; 時(shí)空變化特征; Mann-kendall檢驗(yàn); 氣候傾向率; 趨勢(shì)面分析

0 前言

太陽輻射能源是地球上最潔凈環(huán)保的綠色能源, 是人類賴以生存的自然資源, 也是地球上最重要最基本的能源[1–2]。太陽福射的變化直接影響地表氣溫的變化, 而地表溫度又與蒸發(fā)和水循環(huán)以及人類的生活環(huán)境和地球生態(tài)系統(tǒng)等密切相關(guān)[3]。太陽輻射作為生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的重要輸入?yún)?shù), 其值的準(zhǔn)確性與定量化評(píng)估可為區(qū)域及全球碳循環(huán)提供數(shù)據(jù)支持和科技支撐。

在太陽總輻射模型估算方面: 國內(nèi)外學(xué)者取得了大量的研究成果, 其中國外學(xué)者M(jìn)EHER等[4]以突尼斯為研究區(qū),分別采用線性、二次、三次、對(duì)數(shù)和指數(shù)的Angstrom回歸模型對(duì)太陽輻射進(jìn)行估算。KASRA等[5]采用基于支持向量機(jī)模型, 以日照時(shí)數(shù)和最大可能日照時(shí)數(shù)為輸入?yún)?shù), 估計(jì)了全球太陽輻射, 并將其與傳統(tǒng)的基于日照時(shí)長的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了比較。DA[6]借助MATLAB平臺(tái), 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)尼日利亞的太陽總輻射進(jìn)行了估算, 同時(shí)證明了人工智能模型具有很高的可靠性。KS等[7]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型估算了印度的太陽總輻射的月平均值。A MEFTIA[8]應(yīng)用高分辨率氣象衛(wèi)星圖像和實(shí)測(cè)太陽輻射數(shù)據(jù), 建立了基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建地表太陽總輻射反演模型。國內(nèi)學(xué)者羅悅[9]采用Angstrom模型估算了淮北平原的太陽總輻射, 王敏[10]以天文輻射和日照率數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù), 采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法建立了模擬太陽日總輻射量的Box- Jenkin模型。趙書強(qiáng)等[11]提出了不確定理論和無云天氣的REST模型的太陽輻射值預(yù)測(cè)模型, 該模型采用隨機(jī)模糊模擬算法和云遮系數(shù)模型得到太陽輻射的預(yù)測(cè)值。周明厚[12]采用回歸克里格將溫度數(shù)據(jù)柵格化, 同時(shí)基于溫度模型進(jìn)行了太陽輻射估算。綜上, 基于云量、溫度的模型通常適用于缺少日照時(shí)數(shù)或者日照百分率的地區(qū); 基于智能算法的模型通常需要大量的氣象觀測(cè)資料作為訓(xùn)練資料, 估算結(jié)果相對(duì)精度較高, 基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建地表太陽總輻射反演模型, 模擬的結(jié)果精度較低。對(duì)比發(fā)現(xiàn)基于日照時(shí)數(shù)Angstrom模型結(jié)構(gòu)簡單, 擬合精確度相對(duì)較高。

在研究模擬太陽總輻射的空間分布上: 太陽總輻射數(shù)據(jù)是以離散氣象觀測(cè)站點(diǎn)的形式存在的。為了研究太陽總輻射數(shù)在研究區(qū)域的空間差異變化, 需要用已知采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)推算未采樣點(diǎn)的值, 生成研究對(duì)象連續(xù)的空間表面, 也即是離散數(shù)據(jù)柵格化。多數(shù)學(xué)者借助ArcGIS平臺(tái)中的克里金法[9][13-14]、反距離權(quán)重插值法[15-16]、徑向函數(shù)法[14]和協(xié)克里金法[17]等空間插值方法, 模擬太陽總輻射空間分布。而這些方法, 均以點(diǎn)狀數(shù)據(jù)直接插值, 欠缺考慮宏觀地理位置對(duì)太陽總輻射的影響。趨勢(shì)面分析法, 是根據(jù)地理位置(λ、φ、h), 建立多元回歸方程, 實(shí)現(xiàn)空間插值的精細(xì)化[18–19]。鑒于此, 本文基于日照時(shí)數(shù)Angstrom模型對(duì)北部灣海岸帶太陽輻射進(jìn)行模擬, 在此基礎(chǔ)上采用趨勢(shì)面分析方法揭示了太陽總輻射的時(shí)空變化特征。

北部灣海岸帶是我國南海海岸帶的主要組成部分, 是我國惟一與東盟海陸相連的區(qū)域, 是我國走向東盟、走向世界的重要門戶[20–21]。近年來, 大量學(xué)者對(duì)我國大范圍太陽輻射開展了較多的研究[23-25], 或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)開展了深入的探討[26-27], 但對(duì)北部灣海岸帶太陽總輻射時(shí)空分布研究甚少。本文借助Angstrom模型和趨勢(shì)面分析法, 探討北部灣海岸帶太陽總輻射的時(shí)空變化情況, 為北部灣海岸帶合理利用太陽能資源提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 北部灣海岸帶地理位置

Figure 1 The study areas

1 研究區(qū)域

北部灣海岸帶位于廣西壯族自治區(qū)最南端的沿海區(qū)域, 是我國西部惟一的沿海地區(qū), 日照充足, 擁有豐富太陽總輻射資源[22]。東至與廣東省接界處的洗米河口, 西至中越邊界的北侖河口, 南瀕北部灣, 地理位置處于北緯21°24'—22°43', 東經(jīng)107°27'—109°52', 面積大約32000 km2。包含欽州、北海、南寧、東興、防城港行政轄區(qū), 該地區(qū)氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū), 地勢(shì)上大體為北高南低。北部灣海岸帶也是廣西太陽總輻射和日照最多的地方, 年平均氣溫在21.4℃—22.8℃之間, 年日照時(shí)數(shù)1540—2030h之間, 年均日照時(shí)數(shù)1800 h左右[28]。為了便于研究, 根據(jù)海岸帶的地貌特征以及地理位置, 將其劃分為三個(gè)區(qū)域, 即I區(qū)為海岸東岸, 主要包括合浦縣和北海市; II區(qū)為海岸帶西岸, 包括東興市、防城港市、欽州市; III 區(qū)為丘陵地區(qū), 包括上思縣、浦北縣、靈山縣[28]。其四季的劃分為春季3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—2月。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

廣西區(qū)內(nèi)的太陽輻射數(shù)據(jù)稀少, 僅桂林、南寧、北海三站存在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本文選用了1961— 2017年三個(gè)輻射站的月輻射數(shù)據(jù), 同時(shí)還采用融安、桂林、鳳山、河池、都安、柳州、蒙山、那坡、百色、靖西、來賓、桂平、梧州、龍州、南寧、靈山、玉林、東興、防城、欽州、北海等站點(diǎn)的逐日日照時(shí)數(shù)資料。氣象數(shù)據(jù)資料均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:// data.cma.cn/)。太陽總輻射數(shù)據(jù)和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù), 均未出現(xiàn)連續(xù)缺失, 對(duì)于個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用三年滑動(dòng)平均值替代。北部灣海岸帶的高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 太陽總輻射的計(jì)算與推算

Angstrom于1924年提出了基于日照時(shí)數(shù)太陽總輻射計(jì)算模型, 1940年P(guān)rescott對(duì)模型進(jìn)行了修正, 即AP模型。該模型指同一地區(qū)日太陽總輻射和天文輻射的比值與日照時(shí)數(shù)和最大可能的日照時(shí)數(shù)呈線性關(guān)系, 如(1)公示

式中為回歸系數(shù),為日照輻射量,Q天文日輻射量,為日照時(shí)數(shù),為最大可能的日照時(shí)數(shù)[29]。

天文輻射Q是指不受大氣影響, 是指到達(dá)大氣上界, 未經(jīng)衰減的太陽總輻射, 可由下式計(jì)算:

2.2.2 氣候傾向率

將太陽總輻射這一氣候要素的x(1, 2, 3...,), 與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列1,2,, t建立線性回歸方程。

式中k,1為回歸系數(shù)。采用最小二乘法擬合解算系數(shù), 若1>0, 表明氣象要素呈現(xiàn)上升趨勢(shì);1<0, 表明氣象要素呈減少趨勢(shì)。通常以101作為氣候傾向率, 若氣候傾斜率大于0, 表明太陽總輻射呈上升趨勢(shì); 若氣候傾斜率小于0, 則表明太陽總輻射這一氣象要素呈下降趨勢(shì)[30-31]。采用檢驗(yàn)判斷氣候傾向率的顯著性。取顯著性水平=0.05, 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2.2.3 Mann-kendall檢驗(yàn)

Mann-kendall是一種非參數(shù)檢驗(yàn), 對(duì)于太陽總輻射的時(shí)間序列X(1,2…),互為獨(dú)立, Mann-kendall突變檢驗(yàn)原理為, 先構(gòu)建一個(gè)秩序列

秩序列S是第個(gè)時(shí)刻數(shù)值大于時(shí)刻時(shí), 數(shù)值個(gè)數(shù)的累加。假設(shè)時(shí)間序列為隨機(jī)變量, 定義統(tǒng)計(jì)量

其中,1=0,(S)為均值,(s)為方差。

2.3.4 太陽總輻射空間插值模型

趨勢(shì)面分析法, 是利用數(shù)學(xué)曲面模擬地理要素在空間上的分布情況及變化趨勢(shì)的一種數(shù)學(xué)方法, 用來模擬地理要素的空間分布的近似情況, 通常把這個(gè)數(shù)學(xué)曲面分為趨勢(shì)面和剩余趨勢(shì)面, 在進(jìn)行太陽總輻射空間分布模擬時(shí), 理想的情況是剩余值最小, 而趨勢(shì)值最大[32]。北部灣太陽總輻射趨勢(shì)面模型為:

在采用趨勢(shì)面分析法模擬太陽總輻射空間分布時(shí), 需對(duì)趨勢(shì)面模型的適合度進(jìn)行檢驗(yàn), 一般采用擬合度R檢驗(yàn)和檢驗(yàn)。其中, 用擬合度2檢驗(yàn)采用擬合系數(shù)2來衡量, 即總離差平方和總回歸平方和所占比重。2越大擬合優(yōu)度越高。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度檢驗(yàn)

根據(jù)太陽總輻射推算公式計(jì)算每個(gè)月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。擬合值和相關(guān)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果如表1。由表1可知, 南寧站除八月份的=0.5較小外, 其余各月的值均超過0.7, 1月、2月、11月、12月的相關(guān)系數(shù)值均超過0.9; 北海站僅有10月份的值為0.79, 其余各月的值均大于0.8。而相關(guān)系數(shù)越接近于1, 說明模型的模擬越接近于實(shí)際值。南寧和北海的每個(gè)月值均通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn), 說明擬合回歸方程顯著。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)系數(shù)可以看出該模型適用于研究區(qū)太陽總輻射的估算。

3.2 北部灣海岸帶太陽總輻射時(shí)間序列變化

3.2.1 北部灣海岸帶區(qū)域平均太陽總輻射年變化特征

由圖2可知, 1961—2017年北部灣海岸帶平均年太陽總輻射呈“W”型特征, 具體變化為1961—1986下降、1987—1992年上升、1993—1996短暫下降、1997—2017年上升, 整體上該區(qū)域太陽總輻射呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。該研究區(qū)1961-2017平均年太陽總輻射的波動(dòng)幅度介于4002.5~5981.6 MJ?m-2之間, 平均值為4694.9 MJ?m-2, 變化趨勢(shì)為91.7 MJ?m-2?10a-1。由距平變化圖3可知, 1987年以前, 僅有1962、1963、1971、1973年太陽總輻射的距平值大于零, 其余均小于零, 該時(shí)期的平均值為4486.9 MJ?m-2； 1987—017年31年太陽總輻射的距平值, 除1992—1996年連續(xù)五年小于零, 其余年份的太陽總輻射的距平值大于零, 平均值為4862.7MJ?m-2, 該時(shí)期的較1987年以前增加375.9 MJ?m-2。綜合分析表明, 該研究區(qū)太陽總輻射呈現(xiàn)增加趨勢(shì), 且增加趨勢(shì)顯著。

表1 南寧、北海站月太陽總輻射經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

*通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖2 海岸帶平均太陽總輻射年變化趨勢(shì)

Figure 2 Anomaly of average annual solar radiation in BeiBu Gulf coastal zone

圖3 海岸帶平均年太陽輻射量距平變化

Figure 3 The annual variation of average total solar radiation in coastal zone

3.2.2 北部灣海岸帶平均太陽總輻射年和四季變化趨勢(shì)

表2為北部灣海岸帶五個(gè)代表氣象站1961—2017年太陽總輻射的氣候傾向率。由表2可知, 年際太陽總輻射氣候傾向率全部大于零, 除北海氣象站的氣候傾向率未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn), 其它均通過顯著性檢驗(yàn), 說明該區(qū)域代表氣象站年際太陽總輻射呈顯著增加趨勢(shì)。年內(nèi)四季太陽總輻射氣候傾向率, 春季、夏季、秋季的氣候傾向率全部為正值, 太陽總輻射呈增加趨勢(shì)。夏季靈山、東興、防城港、欽州站的氣候傾向率通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn), 太陽總輻射呈顯著上升趨勢(shì)。春季的太陽總輻射氣候傾向率變化范圍為18.0—40.0 MJ?m-2?10a-1, 僅有靈山的太陽總輻射氣候傾向率通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn), 表明靈山站春季的太陽總輻射靈山呈現(xiàn)顯著增加, 東興、防城港、欽州、北海的太陽總輻射不顯著增加。秋季的太陽總輻射氣候傾向率均變化范圍為7.5—22.8 MJ?m-2?10a-1, 表明秋季太陽總輻射增加較小且不顯著。冬季的太陽總輻射氣候傾向率差異相對(duì)較大, 其中東興和欽州的呈現(xiàn)負(fù)數(shù)且負(fù)值較小, 太陽總輻射輕微下降趨勢(shì), 但并不顯著, 靈山、防城港和北海的太陽總輻射氣候傾向率為正值說明該區(qū)域太陽總輻射呈增大趨勢(shì)。上述結(jié)果表明, 北部灣海岸帶代表氣象站的太陽總輻射全年氣候傾向率為正值, 表明該區(qū)域太陽總輻射呈增大趨勢(shì); 全年的太陽總輻射氣候傾向率受四季的影響, 其中夏季的影響因素最大, 冬季的影響因素最小。

3.3 北部灣海岸帶太陽總輻射的空間變化特征

3.3.1 趨勢(shì)面擬合度與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)R檢驗(yàn)方法, 計(jì)算北部灣海岸帶太陽總輻射趨勢(shì)面擬合度R，結(jié)果如表3。春季、夏季、秋季、冬季、全年的二次趨勢(shì)面的擬合度系數(shù)R分別0.87、0.75、 0.98、 0.92、0.86, 只有夏季的擬合度系數(shù)R較低小于0.8。由此可見該趨勢(shì)面方程具有較高的擬合度。

趨勢(shì)面擬合適度的顯著性F檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如表3。在置信水平=0.05下,F=F(9,12)=2.796。顯然, 春季、秋季、夏季、冬季、全年都值大于臨界值2.796, 趨勢(shì)面方程全部通過了顯著性檢驗(yàn)。

由圖4可知, 趨勢(shì)面擬合方程誤差只有春季的誤差稍大為6%, 其余均在3%左右。結(jié)合趨勢(shì)面擬合度的2檢驗(yàn)和趨勢(shì)面擬合適度的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果, 總體來說, 該趨勢(shì)面方程能夠適用于擬合北部灣海岸帶太陽總輻射空間分布特征。

3.3.2 太陽總輻射的空間變化特征

由圖5e可知, 海岸帶的年太陽總輻射位于4591.7—5626.4 MJ?m-2之間, 均值為4828.6 MJ?m-2。上思縣與防城港交界的丘陵地區(qū)的太陽總輻射值最高, 而海岸西岸的欽江流域和茅嶺江流域最低。海岸東岸的區(qū)年平均總輻射為 5001 MJ?m-2, 是海岸帶太陽總輻射集中高值區(qū), 太陽總輻射超過 5000 MJ?m-2的地區(qū)主要集中在該區(qū)域。II區(qū)海岸帶西岸的年平均總輻射為4775 MJ?m-2, 距離赤道相對(duì)較遠(yuǎn)且海拔相對(duì)較低, 該區(qū)域太陽總輻射相對(duì)較低; III 區(qū)丘陵地區(qū), 年平均總輻射為 4811 MJ?m-2。

由圖5a可知, 春季的太陽總輻射在650.4—1283.5 MJ?m-2之間, 海岸東岸、海岸帶西岸、丘陵地區(qū)均值分別為1190.6 MJ?m-2、1108.4MJ?m-2、1099.3 MJ?m-2。太陽總輻射的高值區(qū)相對(duì)集中于上思縣與防城港的交界處, 以及東岸北海市和浦北縣域。由圖5b可知, 夏季的太陽總輻射在1515.4—1773.2 MJ?m-2之間, 海岸東岸1600.7MJ?m-2、海岸帶西岸1561.8 MJ?m-2、丘陵地區(qū)1589.3 MJ?m-2。太陽總輻射的高值區(qū)域位于丘陵地帶的上思西南區(qū)域和浦北縣東北海拔較高區(qū)域, 以及海岸東岸沿海的北海市。低值區(qū)域相對(duì)集中于欽州市和防城港區(qū)域。由圖5c可知, 秋季太陽總輻射在1264.1—2088.2 MJ?m-2之間, 海岸東岸、海岸帶西岸、丘陵地區(qū)均值分別為1374.4MJ?m-2、1332.3 MJ?m-2、1333.4 MJ?m-2, 區(qū)域之間的均值差別小, 有極少數(shù)海拔較高的丘陵地區(qū)太陽總輻射較高, 而大部分地區(qū)的太陽總輻射值在1340 MJ?m-2左右。由圖5d可知, 冬季太陽總輻射在720.2—990.2 MJ?m-2之間。相比春季、夏季、秋季的太陽總輻射值大幅減少, 海岸東岸835.6 MJ?m-2, 海岸帶西岸773.1 MJ?m-2, 丘陵地區(qū)790.0 MJ?m-2。對(duì)比分析, 四季中夏季的太陽總輻射明顯高于其余三季, 夏季、冬季太陽總輻射與全年的太陽總輻射空間分布呈現(xiàn)一致性, 秋季的太陽總輻射在空間上差異較小, 呈現(xiàn)均勻分布, 而春季太陽總輻射在空間上呈現(xiàn)西高東低、南高北低的特征。

表2 北部灣海岸帶代表性氣象站四季以及全年的氣候傾向率(MJ?m-2?10a-1 )

注:*表示太陽總輻射變化趨勢(shì)通過了α=0.05的顯著水平檢驗(yàn)。

表3 太陽總輻射趨勢(shì)面擬合度與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 四季和年相對(duì)誤差

Figure 4 The four seasons and annual relative errors

圖5 北部灣海岸帶1961—2017年四季和年均太陽總輻射空間分布

Figure 5 The spatial distribution of solar radiation and its change of the four seasons and annual average in Beibu gulf coastal zone during 1961-2017

綜上分析: 在空間分布上, 上思與防城港交界地區(qū)的太陽輻射最高, 最低值位于海岸西岸的欽江流域和茅嶺江流域。海岸東岸區(qū)太陽總輻射為5001 MJ?m-2輻射量最大, 丘陵地區(qū)(4811 MJ?m-2)次之, 海岸帶西岸4775 MJ?m-2最小, 四季太陽總輻射夏季(1580.6 MJ?m-2)>秋季(1339.6 MJ?m-2)>春季(1117.5 MJ?m-2)>冬季(790.9 MJ?m-2)夏季的太陽總輻射值最大, 占全年太陽總輻射的32%, 冬季的太陽總輻射值遠(yuǎn)低于其余三季。

3.3.3 北部灣海岸帶太陽總輻射突變分析

運(yùn)用MK突變檢驗(yàn)方法對(duì)北部灣海岸帶區(qū)域四季和年際平均太陽總輻射進(jìn)行檢驗(yàn), 檢驗(yàn)結(jié)果如圖6。由圖6a可知, 在置信水平為0.05的臨界線之間, 春季平均太陽總輻射UF曲線和UB曲線于1995年交叉, 說明從該年發(fā)生突變, 自1987年UF曲線值大于0, 說明太陽總輻射呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 于2004年突破置信水平0.05的顯著性水平檢驗(yàn), 太陽總輻射呈顯著上升趨勢(shì)。從圖6b可知, 在臨界線之間有兩個(gè)交點(diǎn), 對(duì)應(yīng)的年份分別為1987年和1997年。夏季平均太陽總輻射在1964—1986年間, UF曲線值小于0, 說明太陽總輻射呈現(xiàn)下降趨勢(shì); 在1987—2003年間, UF曲線值大于0, 說明太陽總輻射呈上升趨勢(shì); 于2004年突破置信水平0.05的顯著性水平檢驗(yàn), 夏季平均太陽總輻射呈顯著上升趨勢(shì)。由圖6c可知,曲線和曲線在置信水平0.05臨界線之間在1987年交叉, 說明北部灣海岸帶秋季平均太陽總輻射在1987年發(fā)生了突變, 呈現(xiàn)輕微突變上升趨勢(shì)。由圖6d可知, 北部灣海岸帶冬季平均太陽總輻射, 無突變發(fā)生, 該區(qū)域冬季平均太陽總輻射呈現(xiàn)上升下降交替出現(xiàn)。由圖6e可以看出, 年際太陽輻射, 在臨界線之間有兩個(gè)交點(diǎn), 對(duì)應(yīng)的年份分別為1987年和1997年。年際平均太陽總輻射1987—2017年, UF曲線值大于0, 說明太陽總輻射呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 于2004年突破置信水平0.05的顯著性水平檢驗(yàn), 太陽總輻射呈顯著上升趨勢(shì)。

圖6 1961-2017年北部灣海岸帶四季和年太陽輻射的Mann-kendall檢驗(yàn)結(jié)果

Figure 6 The Mann-kendall test of the four seasons and annual average in Beibu gulf coastal zone from 1961 to 2017

代表氣象站Mann-kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖7, 由圖7可知在季節(jié)上, 夏季突變的氣象站點(diǎn)較多, 除北海氣象站的太陽總輻射未發(fā)生突變, 其余均發(fā)生了突變; 而冬季的太陽總輻射沒有發(fā)生突變。從地域上來看, 東興的太陽總輻射除冬天未發(fā)生突變, 春季、夏季、秋季均發(fā)生了突變, 而北海四季和年際上均未發(fā)生突變。從時(shí)間上來看, 四季和年際的太陽輻射發(fā)生突變的時(shí)間呈現(xiàn)一致性, 東興春季、夏季、秋季和年際的突變時(shí)間為1987年, 靈山春季、夏季、年際的突變時(shí)間為1988年, 而防城港的突變時(shí)間發(fā)生1997年。從顯著性來看, 僅有東興和靈山的夏季太陽總輻射發(fā)生了顯著性增加突變, 春季、秋季、全年的太陽總輻射突變呈現(xiàn)不顯著增加突變。

圖7 代表氣象站太陽總輻射Mann-kendall突變檢驗(yàn)

Figure 7 The Mann-kendall test of total solar radiation at represents stations

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本文在太陽總輻射估算模型方面, 采用Angstrom模型, 逐月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及F均通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn), 但是該模型僅采用了日照百分率，沒有關(guān)注太陽輻射在經(jīng)過大氣層時(shí)受到云和大氣 (包括基本大氣成分和水汽、氣溶膠等) 的影響。加入這些氣象因素對(duì)地表太陽總輻射變化的影響程度仍需進(jìn)一步量化分析。代表氣象站的太陽輻射氣候傾向率的結(jié)果顯示欽州和東興冬季的太陽輻射為負(fù)值, 太陽輻射呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì), 這一現(xiàn)象可能跟近年來欽州市區(qū)城市擴(kuò)張, 工業(yè)化發(fā)展有關(guān)。有相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為, 城市發(fā)展引起的大氣渾濁度增加和大氣中懸浮顆粒增多, 從而造成太陽總輻射減少相吻合[35-37]。但具體的原因有待進(jìn)一步探究。

全國大部分區(qū)域的太陽總輻射呈下降趨勢(shì)情況下[38-39], 而北部灣海岸帶為太陽總輻射呈上升趨勢(shì)的少數(shù)區(qū)域。研究區(qū)的春季、夏季、秋季的太陽總輻射相差不大, 冬季的太陽總輻射明顯較少。對(duì)于空間分布的模擬上, 采用趨勢(shì)面分析法能夠較好的模擬四季和年太陽總輻射的空間分布, 誤差控制在6%以內(nèi), 精度較高, 研究結(jié)果可為該區(qū)太陽總輻射資源合理利用與管理具有較好的指導(dǎo)意義。

4.2 結(jié)論

本文基于地面觀測(cè)的氣候資料、DEM數(shù)據(jù), 采用A-P太陽輻射模型, 對(duì)廣西北部灣海岸帶1961—2017年太陽輻射進(jìn)行了估算, 在此基礎(chǔ)上,定量分析了北部灣海岸帶地表太陽輻射長期時(shí)空變化特征, 研究得出以下結(jié)論:

時(shí)間序列上: 北部灣海岸帶太陽能資源豐富且較穩(wěn)定, 平均年太陽輻射總量變化范圍為4002.5—5981.9 MJ?m-2, 1961—2017年北部灣海岸帶區(qū)域平均年太陽總輻射呈震蕩上升, 表現(xiàn)為下降-上升-短暫下降-上升。春季、夏季、秋季、全年的氣候傾向率全部為正值, 春季、夏季、秋季、全年的太陽總輻射呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

空間分布上: 全年太陽總輻射因地理位置和地貌特征呈現(xiàn)東西差異, 太陽總輻射高值區(qū)位于海岸東岸北海市和合浦縣以及上思縣高海拔地區(qū), 低值區(qū)位于海岸西岸。海岸東岸的年平均總輻射高出西岸的年平均總輻射225 MJ?m-2。夏季的太陽總輻射值最大, 占全年太陽總輻射的32%, 而冬季的太陽總輻射值遠(yuǎn)低于其余三個(gè)季度。

突變分析上: 在年內(nèi), 北部灣海岸帶除冬季年平均太陽總輻射沒有發(fā)生突變, 春、夏、秋季的太陽總輻射均發(fā)生了突變。對(duì)于代表氣象站, 東興的太陽總輻射除冬天未發(fā)生突變, 春季、夏季、秋季均發(fā)生了突變, 而北海四季均未發(fā)生突變; 夏季突變的氣象站點(diǎn)較多, 除北海氣象站的太陽總輻射未發(fā)生突變, 其余均發(fā)生了突變, 冬季氣象站點(diǎn)的太陽輻射都沒有發(fā)生突變。在年際上, 丘陵地區(qū)和海岸西岸年均太陽輻射發(fā)生突變, 而海岸東岸沒有發(fā)生突變。其中海岸西岸的東興太陽輻射突變的時(shí)間最早于1987年發(fā)生突變, 防城港突變的時(shí)間最晚于1997年突變。

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Temporal-spatial dynamic change characteristics of solar radiation in Beibu Gulf coastal zone during 1961-2017

ZHANG Yali, TIAN Yichao*, LIN Junliang, ZHANG Qiang, TAO Jin

Resources and Environmental Sciences College, Key Laboratory of Marine Geographic Information Resources Development and Utilization, Beibu Gulf University, Qinzhou, Guangxi 535011, China

Solar radiation is one of the decisive factors fordevelopment of life on the earth. In the case of global warming, it is particularly necessary to pay attention to changes of solar radiation in the coastal zone. In order to reveal the change pattern of solar radiation in the coastal zone of the Northwest Gulf of Guangxi, based on the daily sunshine data of 22 meteorological stations in the vicinity of the Beibu Gulf Coastal Zone and the solar radiation data of Nanning and Beihai stations from 1961 to 2017, the monthly solar radiation of each meteorological stations was estimated by using Angstrom model.Mann-kendall test, climate tendency rate, trend surface analysis and other mathematical statistical methods were used to analyze the temporal and spatial characteristics of total and interannual solar radiation in the Beibu Gulf coastal zone.The results showed that over time, the interannual total solar radiation changes in the study area showed a "W" -type characteristic, and the fluctuation range was between 4002.5MJ · m-2and 5981.9MJ·m-2, which increased significantly. The specific trend was 91.7 MJ·m-2·10a-1. In terms of spatial scale,the spatial distribution of solar radiation resources in the Beibu Gulf coast was relatively large. The solar radiation located at the junction of Shangsi and Fangchenggang was the highest, followed by Beihai City and Hepu County on the east coast, and the Qinjiang River Basin and Maoling on the west coast. The river basin was the smallest. In the analysis of mutations, the annual average total solar radiation in spring, summer, and autumn all changed abruptly during the study period, but no change occurred in winter.The changes occurred in the hilly areas and on the west coast of the coast, while no changes occurred on the east coast. Among them, Dongxing's solar radiation mutation on the west coast of the coast was the earliest, and Fangchenggang's mutation was the latest. The research results in this paper provide methodological experience for the quantitative research of total solar radiation, and have a good guiding significance for the rational use and management of total solar radiation resources in the area.

global solar radiation; temporal-spatial variation; Beibu Gulf coastal zone; mann-kendall test; climate tendency rate; trend surface analysis

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.019

張亞麗, 田義超, 林俊良, 等. 1961—2017年廣西北部灣海岸帶太陽總輻射時(shí)空動(dòng)態(tài)特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(4): 145–155.

ZHANG Yali, TIAN Yichao, LIN Junliang, et al. Temporal-spatial dynamic change characteristics of solar radiation in Beibu Gulf coastal zone during 1961-2017[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 145–155.

P4S57.2

A

1008-8873(2020)04-145-11

2019-11-14;

2020-01-01

廣西自然科學(xué)基金聯(lián)合資助培育項(xiàng)目(2018JJA150135); 廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)(AA18118038); 廣西基地和人才項(xiàng)目(2019AC20088); 北部灣大學(xué)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目(2019KYQD28)項(xiàng)目資助

張亞麗(1987—), 女, 河南駐馬店人, 碩士, 從事資源環(huán)境遙感及海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究, E-mail: 641577425@qq.com

田義超, 男, 陜西西安人, 副教授, 博士, 主要從事資源環(huán)境遙感及海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究, E-mail: tianyichao1314@yeah.net.