曹 敏，朱曉晨

(1 中海油氣象臺，廣東 湛江 524000；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

引言

地球上的能量來源于太陽輻射，太陽輻射對地球生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，對大氣系統(tǒng)的形成與變化起著決定性作用［1］。太陽輻射是地球生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物很多重要過程中的動(dòng)力，不可或缺的因子［2］。地表太陽輻射的不同分布會影響云層分布、大氣環(huán)流特征、濕度、降水，還會對生態(tài)系統(tǒng)模型，全球大氣環(huán)流模型的參數(shù)產(chǎn)生影響等［3-5］。

地表太陽輻射與溫度、日照時(shí)間、濕度等氣象因子有著密切的關(guān)系，很多學(xué)者早在20 世紀(jì)初就開始利用氣象因子構(gòu)建太陽輻射的函數(shù)及模型。Angstrom 簡單的利用了日照時(shí)數(shù)因子，發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)與太陽輻射存在線性關(guān)系，同時(shí)他指出其它因子，諸如降水量、云量也與太陽輻射有某種聯(lián)系，給后續(xù)學(xué)者提供了思考［6］。Linke 在1924 年提出太陽輻射與大氣渾濁度、大氣濕度相關(guān)聯(lián)，并分析了相關(guān)因子［7］。Kimball 著重分析了大氣透射率與太陽輻射之間的關(guān)系，建立了大氣透射率的相關(guān)函數(shù)模型［8］。Black在Kimball 的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，利用部分臺站的太陽輻射及云量數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了全球太陽輻射的估算模型并分析了全球的太陽輻射分布狀況［9］。此后，太陽輻射能源的開發(fā)利用使得眾多學(xué)者投入到太陽輻射估算的研究中。Bristow 和Campbell 建立了精度高達(dá)70%～90%的太陽輻射估算模型，他們利用臺站觀測到的氣溫日較差數(shù)據(jù)及太陽輻射數(shù)據(jù)，建立以地溫日較差、大氣透射率為輸入因子的太陽輻射關(guān)系函數(shù)，并得到很好的驗(yàn)證［10］。劉玉潔和潘韜基于1981—2010 年全國122 個(gè)氣象站的太陽輻射和氣溫日較差觀測數(shù)據(jù)，將其輸入校驗(yàn)后的Bristow-Campbell 模型，實(shí)現(xiàn)太陽凈輻射空間化模擬，得到的結(jié)論為：我國地表太陽凈輻射高值區(qū)位于青藏高原，低值區(qū)位于川黔地區(qū)［11］。

基于1960—2019 年較長時(shí)間周期的太陽輻射觀測數(shù)據(jù)及氣溫日較差數(shù)據(jù)，將在Bristow-Campbell模型的基礎(chǔ)上，充分考慮氣溫對地表太陽總輻射變化的影響，將數(shù)字高程模型(DEM)和地理信息系統(tǒng)運(yùn)用到中國不同區(qū)域的太陽輻射計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)全國太陽總輻射的空間化模擬，分析其時(shí)空特征，從而得到太陽總輻射較為穩(wěn)定的區(qū)域分布及長時(shí)間周期下的年際變化規(guī)律，為太陽能開發(fā)利用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)地理位置及輻射臺站、氣象臺站分布較不均勻，中國東部地區(qū)臺站較為密集，暫沒有收錄臺灣氣象及輻射數(shù)據(jù)，西部地區(qū)由于地形因素，人口較少，氣候惡劣，布置的氣象臺站及輻射觀測站點(diǎn)較少。

相關(guān)氣象因子數(shù)據(jù)及太陽輻射數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)，包括1960—2019 年839 個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，及全國99 個(gè)站點(diǎn)的日太陽總輻射數(shù)據(jù)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)的海拔高度空間分辨率為1km*1km，由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。

1.2 研究方法

1.2.1 站點(diǎn)分區(qū)

根據(jù)中國區(qū)域的地形地勢因素和氣候因素，將全國劃分為7 大區(qū)域。氣溫較低的東北三省劃為同一區(qū)域，緯度較高，地形平坦，為東北區(qū)；將河南、河北及山東等中緯度省劃為同一區(qū)域，氣候半濕潤，降水較少，為中原區(qū)；將東南沿海省市區(qū)域及江西、湖南等省劃為同一區(qū)域，長江流域珠江流域降水豐富，溫度較高，為人口密集區(qū)，為華南區(qū)；將內(nèi)蒙古橫向狹長地域劃為同一區(qū)域，牧場較多，氣候偏干旱，為內(nèi)蒙區(qū)；將新疆、甘肅等省劃為同一地區(qū)，氣候最為干旱，晝夜溫差大，為西北區(qū)；將青藏高原地區(qū)劃為同一地區(qū)，海拔較高，溫度氣壓低，為青藏區(qū)；將四川盆地、云南、貴州3 省劃為同一地區(qū)，為西南區(qū)。如圖1 所示：

圖1 七大區(qū)域劃分及各區(qū)域分布情況

1.2.2 天文太陽總輻射模型

天文太陽總輻射［12］

其中太陽常數(shù)I0=1367W·m-2，小時(shí)累計(jì)值為4.921MJ·m-2·h-1，T=24；φ 表示緯度。

其中ω0為日出時(shí)角；

其中N 為一年中的日序；

其中σ 為太陽赤緯。

1.2.3 Bristow-Campbell 模型

每日太陽總輻射與日最大氣溫和日最小氣溫ΔT 存在如下關(guān)系［13］：

式中：Tt為大氣頂層太陽輻射通過大氣層的透射率，A、B、C 均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，ΔT 為平均最高氣溫與平均最低氣溫之差。各參數(shù)均有一定的物理意義，A表示晴朗無云條件下的大氣透明度系數(shù)，B 和C 決定氣溫日較差對太陽輻射的影響程度。

在計(jì)算晴朗無云條件下的大氣透明度系數(shù)的過程中，Kreith 和Kreider 提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，其擬合的誤差范圍在3%以內(nèi)，計(jì)算公式為［14］

式中：Mh為一定高度下的大氣量，M0為海平面的大氣量，Ph/P0為大氣壓修正系數(shù)，H 為太陽高度角(rad)，h 為海拔高度(m)。

地表水平面的太陽總輻射(Q)可以通過下面的公式表達(dá)［15］：

1.2.4 模擬精度檢驗(yàn)系數(shù)

Bristow-Campbell 模型的模擬精度采用Nash-Sutcliffe 系數(shù)(Ens)來檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為：

式中：Si為實(shí)測值；Ssim為模擬值；Saver為實(shí)測平均值；n 為實(shí)測數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。當(dāng)Si=Ssim時(shí)，Ens=1；若Ens為負(fù)值，說明模型模擬平均值比直接使用實(shí)測平均值的可信度更低［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

中國大陸地表區(qū)域廣袤，模型在各大區(qū)域訂正的系數(shù)有很大的差異性。B 系數(shù)最大在內(nèi)蒙區(qū)(0.085)，最小在華南區(qū)(0.014)；C 系數(shù)最大在中原區(qū)(2.341)，最小在內(nèi)蒙區(qū)(1.399)。B、C 均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)且具有物理含義，詳見公式(6)及參考文獻(xiàn)。在各大區(qū)域進(jìn)行精度檢驗(yàn)，擬合度良好。如表1 所示：

表1 全國七大區(qū)域Bristow－Campbell 模型系數(shù)校正結(jié)果

2.2 中國太陽總輻射模擬

根據(jù)公式(1)—(5)，計(jì)算全國各站點(diǎn)天文太陽總輻射；基于數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)的海拔高度及各站點(diǎn)太陽高度角，采用公式(8)—(10)，計(jì)算出全國的大氣量分布，進(jìn)而采用公式(7)計(jì)算得到大氣透明度系數(shù)；采用公式(6)及公式(11)，經(jīng)估算模式計(jì)算得到全國各站點(diǎn)的模擬值，統(tǒng)計(jì)1960—2019 年各站點(diǎn)太陽輻射的日均值，使用地理信息數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)現(xiàn)中國大陸地表太陽總輻射的空間化模擬。從圖2 中可以看到：中國大陸地表的輻射資源分布不均，各地區(qū)差異性大。青藏高原一帶的太陽總輻射為全國最高值，多年日均值在18MJ·m-2以上，局部區(qū)域達(dá)到20MJ·m-2以上。四川盆地及西北塔里木盆地為中國大陸的太陽總輻射最低值，多年日均值不到青藏高原的一半，在10MJ·m-2以下。長江中下游以南區(qū)域、四川盆地以東區(qū)域太陽總輻射值較小，在12MJ·m-2左右。華南區(qū)域接收大氣上層的太陽輻射較多，多年輻射日均值為14～16MJ·m-2。東北地區(qū)區(qū)域遼闊，但由于海拔較高，大氣上層接收的太陽輻射較小，到達(dá)地面的太陽總輻射損失率小，多年輻射日均值為12～14MJ·m-2。內(nèi)蒙地區(qū)的地表太陽總輻射較大，多年輻射日均值在16MJ·m-2左右，最高值可達(dá)18MJ·m-2。西北地區(qū)局地差異大，山脈與盆地交錯(cuò)分布(三山夾兩盆)，地形起伏十分大，在海拔高的地區(qū)多年輻射日均值達(dá)到16MJ·m-2以上，而在海拔較低的盆地多年輻射日均值小于12MJ·m-2。

圖2 1960—2019 年全國太陽總輻射日均值

中國大陸地區(qū)的地表太陽總輻射分布總體上南多北少，西多東少，受地形海拔因素影響很大。

2.3 年際變化分析

對中國大陸各區(qū)域1960—2019 年的地表太陽總輻射進(jìn)行年際變化分析，得到各區(qū)域的太陽總輻射擬合分布函數(shù)，如圖3 所示：對研究區(qū)整體而言，1960—2019 年的地表太陽總輻射呈減小趨勢，地表總輻射變化趨勢為-0.0074MJ·m-2yr-1。中國大陸地表太陽總輻射年日均值在13.5～15MJ·m-2之間浮動(dòng)，1964—1976 年地表太陽總輻射有明顯減小的趨勢，1977—1979 年地表太陽總輻射有一個(gè)上升的拐點(diǎn)，而后在1980—2005 年地表太陽總輻射在14MJ·m-2上下浮動(dòng)，無明顯變化趨勢，2006 年之后，地表太陽總輻射呈上升趨勢，均值超過14MJ·m-2。

圖3 中國各區(qū)域1960—2019 年平均地表太陽總輻射變化趨勢

東北區(qū)、西北區(qū)、中原區(qū)及青藏區(qū)的地表總輻射呈減小趨勢，其中中原地區(qū)的太陽總輻射減小趨勢最為明顯；內(nèi)蒙區(qū)、華南區(qū)和西南區(qū)的地表太陽總輻射呈增加趨勢，其中西南地區(qū)的太陽總輻射增加最為明顯。多數(shù)地區(qū)在2014 年之后的太陽總輻射有明顯增加趨勢。該趨勢的改變可能與城市化發(fā)展息息相關(guān)，城市化進(jìn)程與大氣污染治理改變了大氣透明度，及城市內(nèi)的溫度分布，進(jìn)而改變了到達(dá)地表的太陽總輻射。

3 結(jié)論

中國大陸地表的輻射資源分布十分不均，各地區(qū)差異性大，地表太陽總輻射分布總體上南多北少，西多東少，受地形海拔因素影響很大，該結(jié)論與劉玉潔和潘韜在2012 年基于Bristow-Campbell 模型模擬得到太陽輻射資源空間分布的結(jié)論一致［11］；鄒玲基于中國大陸地區(qū)1961—2013 年地表輻射日值數(shù)據(jù)集，構(gòu)建多個(gè)地表太陽輻射估算模型，得到的太陽總輻射時(shí)空分布結(jié)論與本文一致［17］。由于地理位置海波高度因素，青藏高原一帶的太陽總輻射為全國最高值，多年日均值在18MJ·m-2以上，局部區(qū)域達(dá)到20MJ·m-2以上。四川盆地及西北塔里木盆地為中國大陸的太陽總輻射最低值。

從年際變化來看，1960—2019 年中國地表太陽總輻射呈減小趨勢。其中中原地區(qū)的太陽總輻射減小趨勢最為明顯，而內(nèi)蒙區(qū)、華南區(qū)和西南區(qū)的地表太陽總輻射呈增加趨勢，其中西南地區(qū)的太陽總輻射增加最為明顯。