王傳輝 申彥波

1 安徽省公共氣象服務(wù)中心，合肥 230031 2 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081

提 要： 利用四川省158個(gè)氣象站2016—2019年逐小時(shí)2 m氣溫、相對濕度、地面氣壓、能見度等觀測數(shù)據(jù)，通過SMARTS模式計(jì)算并積分得到逐月晴天太陽總輻射，建立晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系，將該關(guān)系應(yīng)用到1990—2019年太陽總輻射空間插值訂正中，并對訂正效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：晴天太陽總輻射隨海拔高度呈對數(shù)增加，海拔越高晴天太陽總輻射隨高度增幅越小；輻射訂正方面，海拔較低、地勢平坦的四川盆地地區(qū)訂正幅度最小，高海拔的川西高原訂正幅度居中，高低海拔過渡地帶訂正幅度最大；交叉驗(yàn)證結(jié)果表明，用來驗(yàn)證的7個(gè)輻射站年平均絕對誤差由182.77 kW·h·m-2減少到145.48 kW·h·m-2，相對誤差由13.41%減少到10.24%，冬半年訂正效果好于夏半年。通過訂正可有效提高復(fù)雜地形下太陽總輻射插值效果，減小插值誤差。

引 言

太陽能資源作為一種“取之不盡，用之不竭”的可再生清潔能源，被公認(rèn)為是未來最具競爭力的能源之一。中國幅員遼闊，各地太陽能資源差異較大，有研究指出，中國西北地區(qū)年總輻射量明顯高于東北、中東部和南方地區(qū)(陶蘇林等，2016)，合理的布局開發(fā)利用太陽能資源需建立在準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)上。從20世紀(jì)60年代開始，我國學(xué)者一直在持續(xù)不斷地進(jìn)行中國太陽輻射資源分布的探索，中國太陽能資源空間分布不均，變化趨勢上存在差異(左大康和弓冉，1962；王炳忠等，1980；鄭小波等，2011；馬金玉等，2012；梁玉蓮等，2017)。

影響太陽能資源空間分布不均的因素有很多，氣象因素方面主要包括云、氣溶膠、水汽、大氣氣體成分等(楊溯等，2013；劉琳等，2018；熊燕琳和周筠珺，2020)。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，O3、PM2.5等因素對太陽能資源的變化產(chǎn)生影響，尤其是城市附近地區(qū)(劉長煥等，2018)。更多研究指出，地形等因素可改變氣象因素，對太陽能資源分布的影響尤為明顯(王曉梅等，2013；梁玉蓮等，2017；鐘燕川等，2018)。梁玉蓮等(2017)的研究結(jié)果指出，利用不同分辨率太陽輻射數(shù)據(jù)得到的評估結(jié)果不盡相同。大量研究指出，不同地形下太陽輻射存在明顯差異(王曉梅等，2013；蔡元?jiǎng)偟龋?019；閔敏和吳曉，2020；熊燕琳和周筠珺，2020)。雖然靜止衛(wèi)星產(chǎn)品不斷豐富，但目前相關(guān)輻射產(chǎn)品還存在一定的不確定性，可提升空間較大(梁進(jìn)秋等，2020)。利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)插值獲得氣象要素的空間分布是氣象領(lǐng)域常用的方法，然而由于地面觀測站點(diǎn)的密度問題，在站點(diǎn)比較稀疏或地形復(fù)雜的地區(qū)，太陽輻射等值線的走向往往難以通過數(shù)學(xué)方法被準(zhǔn)確刻畫。SMARTS(simple model for atmospheric transmission of sunshine)由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)Gueymard(2001)研制并發(fā)布，覆蓋了太陽光譜的整個(gè)短波波段(280～4 000 nm)。SMARTS在2003年國際大氣輻射測量計(jì)劃模式比對、NREL實(shí)測對比、美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等一系列檢驗(yàn)驗(yàn)證后，被認(rèn)為是一個(gè)實(shí)用、精確度較高的光譜模式(Michalsky et al, 2006)?；诘孛鎸?shí)測氣象數(shù)據(jù)，利用SMARTS模擬的方式可以較好模擬不同地形下輻射分布情況。

為提高直接插值太陽輻射分布的準(zhǔn)確性，合理利用地形因素對太陽輻射進(jìn)行訂正，得到更精細(xì)、更接近真實(shí)值的太陽總輻射，對太陽能資源評估具有重要意義。四川省作為中國地形最復(fù)雜的省份之一，一直以來被作為太陽輻射典型地區(qū)進(jìn)行研究(鐘燕川等，2018；蔡元?jiǎng)偟龋?019；熊燕琳和周筠珺，2020)。申彥波等(2014)充分考慮大氣對太陽輻射的削弱作用和海拔高度的影響，建立了復(fù)雜自然環(huán)境條件下基于日照百分率的太陽能資源氣候?qū)W計(jì)算方程，較好地解決了在一個(gè)地形復(fù)雜、氣候多變的區(qū)域采用同一計(jì)算方程的難題?？梢姡谝酝难芯恐幸呀?jīng)注意到地形對輻射的影響，但定量分析其影響程度的文獻(xiàn)還較為少見。本文以申彥波等(2014)的工作為基礎(chǔ)，以四川省為例，利用SMARTS建立晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系，進(jìn)而對直接插值得到格點(diǎn)的太陽總輻射進(jìn)行訂正，減小由地形因素導(dǎo)致的總輻射偏差，更加真實(shí)地反映太陽能資源的實(shí)際情況。

1 資料與方法

1.1 資 料

研究區(qū)域?yàn)樗拇ㄊ?，在建立輻射隨海拔高度變化關(guān)系和相關(guān)驗(yàn)證中僅針對四川省境內(nèi)的站點(diǎn)。同時(shí)，為解決邊界由于站點(diǎn)分布不均導(dǎo)致的插值偏差，在插值過程中采用四川省及周圍氣象站。本文所用數(shù)據(jù)均由國家氣象信息中心提供，包括四川省及周圍氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，其中22個(gè)輻射站(四川省7個(gè))及648個(gè)無輻射觀測項(xiàng)目的國家級氣象站(四川省158個(gè)，以下簡稱氣象站)，站點(diǎn)分布見圖1[地圖通過中華人民共和國自然資源部批準(zhǔn)，審圖號為GS(2019)3082號]。數(shù)據(jù)包括：1990—2019年逐月

圖1 四川省及周邊地區(qū)海拔高度分布 (陰影：地形，●為輻射站， +為無輻射觀測項(xiàng)目的氣象站)Fig.1 Altitude distributions of Sichuan and its surrounding areas (shaded: terrain， ●： radiation station, +： meteorological station without observational radiation project)

的日照百分率、輻射站的太陽總輻射數(shù)據(jù)；站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度；2016—2019年逐小時(shí)地面氣壓、2 m 氣溫、相對濕度以及能見度數(shù)據(jù)。

1.2 方 法

復(fù)雜地形下太陽總輻射空間訂正具體分為以下三個(gè)步驟：(1)利用四川省及周邊輻射站，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出不具備輻射觀測站點(diǎn)的逐月太陽總輻射；(2)基于實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，利用SMARTS模擬出晴天太陽總輻射，進(jìn)而得到晴天情況下太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系模型；(3)分別利用(1)中得到全部氣象站點(diǎn)太陽總輻射和站點(diǎn)海拔高度進(jìn)行格點(diǎn)化插值，根據(jù)(2)中的關(guān)系模型，對插值海拔高度與實(shí)際海拔高度的差異進(jìn)行高度訂正，訂正值與直接插值的輻射值之和為最終訂正結(jié)果。

1.2.1 月太陽總輻射計(jì)算方法

中國太陽輻射觀測站點(diǎn)相對較少，四川省有7個(gè)輻射站，加上周邊輻射站共有22個(gè)，本文利用太陽總輻射與日照百分率的關(guān)系，采用經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算得到氣象站的太陽總輻射(中國氣象局，2019)。

GHI=GHIS×(a+bS)

(1)

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，GHI為到達(dá)地面的晴天太陽總輻射(單位：kW·h·m-2)，S為日照百分率(單位：%)，GHIS可以使用天文輻射或晴天太陽總輻射(單位：kW·h·m-2)。申彥波等(2014)研究表明，考慮了海拔高度和大氣對太陽輻射削弱作用的晴天太陽總輻射明顯優(yōu)于天文輻射，為此采用申彥波等(2014)的方法，GHIS使用晴天太陽總輻射。通過該方法得到22個(gè)輻射站的a、b值，利用反距離權(quán)重插值方法得到648個(gè)氣象站的a、b值，再利用式(1)得到648個(gè)氣象站1980—2019年的地面太陽總輻射。

1.2.2 太陽總輻射隨高度的變化

本文采用SMARTS 模擬晴天太陽總輻射，該模式對各影響因子具有多種方案選擇、光譜范圍可設(shè)、具備斜面計(jì)算功能、輸出參數(shù)多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)(Gueymard, 1995)。目前該模式已在我國晴天太陽輻射計(jì)算方面得到廣泛應(yīng)用(王炳忠和申彥波，2012；申彥波等，2014)。模式輸入數(shù)據(jù)主要包括站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度，逐小時(shí)地面氣壓、2 m氣溫、相對濕度以及能見度數(shù)據(jù)。在模式中大氣渾濁度是影響輻射傳輸?shù)闹匾蜃?，本文采用能見度來反映大氣渾濁度，一方面，能見度是氣象臺站的基本觀測要素，較易獲得；另一方面，能見度和大氣氣溶膠光學(xué)厚度之間存在較好的反相關(guān)關(guān)系(朱忠敏等，2010)。

由于能見度自2016年開始才有完整的逐時(shí)器測數(shù)據(jù)，這里利用SMARTS模擬四川省氣象站2016—2019年逐時(shí)晴天太陽總輻射，累加后得到逐月晴天太陽總輻射，通過擬合得到晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系。

圖2給出了四川省年晴天太陽總輻射與海拔高度散點(diǎn)分布?？梢钥闯觯缣焯柨傒椛渑c海拔高度對數(shù)關(guān)系擬合決定系數(shù)高達(dá)0.80，呈現(xiàn)出較好的對數(shù)關(guān)系。海拔高度在1 km以下時(shí)，晴天太陽總輻射隨海拔高度變化明顯，當(dāng)海拔高度高于1 km時(shí)，晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化幅度明顯減小。

圖2 2016—2019年四川省晴天太陽 總輻射與海拔高度散點(diǎn)分布Fig.2 Scatter distribution of annual sunny global horizontal irradiation and altitude in Sichuan Province during 2016-2019

通過對各月晴天太陽總輻射與海拔高度分析可以發(fā)現(xiàn)，兩者在各月均呈對數(shù)變化，表達(dá)式如式(2)所示。

GHIS=αlnH+β

(2)

式中：H為海拔高度(單位：m)，α、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，各月α、β見表1。

表1 各月及年平均晴天太陽總輻射隨海拔高度變化的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Table 1 Monthly and annual mean empirical coefficients of global horizontal irradiation variation with altitude

1.2.3 太陽總輻射訂正方法

通過反距離權(quán)重(IDW)對站點(diǎn)的海拔高度和太陽總輻射進(jìn)行插值，得到任意位置的插值海拔高度和插值太陽總輻射，通過式(3)對插值結(jié)果進(jìn)行訂正。

GHI訂正=GHI插值(GHIS實(shí)際/GHIS插值)

(3)

式中：GHI插值為通過IDW得到的插值太陽總輻射，GHIS實(shí)際為模擬的實(shí)際海拔高度上的晴天太陽總輻射，GHIS插值為模擬的插值海拔高度上的晴天太陽總輻射。

2 結(jié)果分析

2.1 訂正前太陽總輻射空間分布

利用1.2.1節(jié)中月太陽總輻射計(jì)算方法，計(jì)算得到四川省及周圍站點(diǎn)逐月太陽總輻射，通過逐月累加得到年太陽總輻射，利用IDW插值方法得到1 km分辨率的格點(diǎn)化太陽總輻射(圖3)。由圖3可見，四川省年太陽總輻射整體呈現(xiàn)出西高東低的空間分布

圖3 1990—2019年四川省年平均 太陽總輻射(單位：kW·h·m-2)Fig.3 Annual average sunny global horizontal irradiation in Sichuan Province during 1990-2019 (unit: kW·h·m-2)

特點(diǎn)，與海拔高度分布(圖1)相一致，最高值位于川西高原西部的甘孜縣，為1 859.50 kW·h·m-2，最低值位于四川盆地的宜賓市南溪區(qū)，僅為872.43 kW·h·m-2，不足最高值的47%，可見，四川省年太陽總輻射空間差異十分明顯，這與以往的結(jié)論相一致(申彥波等，2014；鐘燕川等，2018；熊燕琳和周筠珺，2020)。四川省的地形起伏十分明顯，空間差異顯著，尤其是川西高原地區(qū)，海拔高度直接影響輻射量值的大小(鐘燕川等，2018)，雖然本研究插值的分辨率達(dá)到1 km，但圖3并不能很好地刻畫出局地地形所帶來的太陽總輻射的空間差異。

2.2 太陽總輻射空間訂正

直接利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到的太陽總輻射與真實(shí)值間的差異，主要是由未考慮太陽總輻射隨海拔高度的變化以及云的空間變化所導(dǎo)致的。圖4a給出了利用站點(diǎn)海拔高度插值得到格點(diǎn)海拔高度與真實(shí)值間的差值?？梢钥闯觯赫军c(diǎn)插值與實(shí)際海拔高度差異還是比較明顯的，其中差異最大的地區(qū)位于四川盆地和川西高原的過渡地帶；其次為川西高原海拔較高且起伏明顯的地區(qū)；差異最小的地區(qū)位于四川盆地海拔較低且平緩的地區(qū)。四川盆地站點(diǎn)插值得到的海拔高度與實(shí)際海拔高度相近，高度差基本在0 m附近，其他大部分地區(qū)插值海拔高度普遍比實(shí)際海拔高度偏低，只有在河谷、山谷地帶略比插值海拔偏高。這主要是由于氣象臺站一般建在城市的郊區(qū)附近，而城市往往位于海拔高度相對較低的半山腰地帶。

利用圖2給出的年晴天太陽總輻射與海拔高度的關(guān)系，計(jì)算各格點(diǎn)由于高度差導(dǎo)致的太陽總輻射訂正量(圖4b)。由圖4b可以看出，在四川省大部分地區(qū)年太陽總輻射的訂正量在-40～40 kW·h·m-2，訂正量最大的地區(qū)主要位于四川盆地與川西高原兩者的過渡地帶，局部地區(qū)的訂正量超過120 kW·h·m-2。可見，利用海拔高度差對插值總輻射的訂正是十分必要的。

圖4 插值海拔高度與實(shí)際海拔高度之差(a，單位：m)及1990—2019年 四川省年平均太陽總輻射訂正量(b，單位：kW·h·m-2)Fig.4 The difference between interpolated altitude and actual altitude (a, unit: m) as well as the annual average global horizontal irradiation correction in Sichuan Province during 1990-2019 (b, unit: kW·h·m-2)

圖5給出了訂正后年太陽總輻射的空間分布，與訂正前(圖3)相比，在四川省的多數(shù)地區(qū)數(shù)值有所增大，尤其是在四川盆地與川西高原兩者過渡地帶太陽總輻射增加最大?？梢姡绞呛０胃叨瓤臻g差異大的地區(qū)由于地形因素導(dǎo)致的輻射偏差越大，訂正的意義也越大。訂正后超過1 800 kW·h·m-2的區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大。同時(shí)，訂正后的年平均太陽總輻射空間差異更為明顯，局部總輻射超1 900 kW·h·m-2。訂正后各月太陽總輻射空間分布(圖6)整體和年太陽總輻射相似，但存在明顯的季節(jié)變化，整體上看冬半年太陽總輻射較低，夏半年太陽總輻射較高(鐘燕川等，2018)。

圖5 同圖3，但為訂正后Fig.5 Same asFig.3, but after correction

圖6 訂正后1990—2019年四川省年平均各月太陽總輻射(單位：kW·h·m-2)Fig.6 Monthly global horizontal irradiation after correction in Sichuan Province during 1990-2019 (unit: kW·h·m-2)

2.3 訂正結(jié)果檢驗(yàn)

利用輻射站數(shù)據(jù)對訂正前后的插值結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證，即每次插值時(shí)空出一個(gè)輻射觀測站，將該站點(diǎn)訂正前后的插值太陽總輻射與觀測值相比，分別計(jì)算平均絕對誤差和平均相對誤差，獲得7個(gè)輻射站的誤差檢驗(yàn)結(jié)果。從輻射站訂正前后站點(diǎn)年平均絕對誤差分布上看(圖7)，訂正前年平均絕對誤差最大是甘孜站，為411.20 kW·h·m-2，訂正后絕對誤差減少到342.88 kW·h·m-2。訂正前年平均絕對誤差最小的為溫江站，為40.17 kW·h·m-2，訂正后絕對誤差減少到28.33 kW·h·m-2，可見，訂正幅度還是比較大的。同時(shí)，可以看出在7個(gè)輻射站有6個(gè)站點(diǎn)為明顯的正訂正，只有攀枝花站訂正后較訂正前年平均絕對誤差由166.38 kW·h·m-2增大到185.78 kW·h·m-2。攀枝花地區(qū)受其獨(dú)特的地理和氣候條件影響，太陽能資源異常豐富(陳曉燕和田朋飛，2013)，較鄰近地區(qū)存在明顯差異。

圖7 1990—2019年四川省7個(gè)輻射站 交叉驗(yàn)證中訂正前后的年平均絕對誤差Fig.7 Annual mean absolute error before and after corrections in cross validation of 7 radiation stations in Sichuan from 1990 to 2019

從四川省7個(gè)輻射站平均的各月和年平均絕對誤差看(表2)，訂正前年平均絕對誤差為182.77 kW·h·m-2，訂正后降至145.48 kW·h·m-2。各月平均絕對誤差表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，呈單峰型分布，3月最高，6月最低。除了7月、8月，各月訂正后誤差均較訂正前有不同程度的降低，整體看冬半年(10月至次年3月)訂正效果好于夏半年(4—9月)，其中1月訂正后誤差減小最為明顯，平均每站誤差減少6.01 kW·h·m-2，7月和8月訂正后平均絕對誤差反而略有增加，可能主要是因?yàn)橄?、秋季四川正處雨季，天氣?fù)雜，局地天氣特征較>強(qiáng)(李強(qiáng)等，2017；周秋雪等，2019；齊冬梅等，2020)。

表2 1990—2019年四川省7個(gè)輻射站訂正前后各月及年平均絕對誤差(單位：kW·h·m-2)Table 2 Monthly and annual mean absolute error before and after corrections at 7 radiation stations in Sichuan Province during 1990-2019 (unit: kW·h·m-2)

由于各站點(diǎn)太陽總輻射相差較大，為更好地說明誤差相對氣候態(tài)的比例，統(tǒng)計(jì)了年平均相對誤差(圖8)。由圖8可以看到，除攀枝花站外，其他6個(gè)站訂正后均較訂正前年平均相對誤差明顯減小。訂正前年平均相對誤差最大的是甘孜站，為22.62%，訂正后減小到18.74%。訂正前年平均相對誤差最小的是溫江站，為4.42%，訂正后減小到3.06%。從區(qū)域平均的各月平均相對誤差看(表3)，年平均情況下訂正前平均相對誤差為13.41%，訂正后降為10.24%。除7月和8月外，訂正后其他各月的相對誤差均有所減小，冬半年訂正效果好于夏半年。這可能是由于四川省夏、秋季天氣比較多變(李強(qiáng)等，2017；毛冬艷等，2018；周秋雪等，2019；齊冬梅等，2020)，由天氣因素導(dǎo)致的輻射偏差比例升高所致。

表3 同表2，但為相對誤差Table 3 Same as Table 2, but for relative error

圖8 同圖7，但為年平均相對誤差Fig.8 Same asFig.7, but for annual mean relative error

以上分析表明，無論從平均絕對誤差還是平均相對誤差上看，根據(jù)晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系對太陽總輻射插值結(jié)果進(jìn)行訂正，可有效提高插值效果，縮小插值誤差，區(qū)域年平均絕對誤差由182.77 kW·h·m-2減少到145.48 kW·h·m-2;區(qū)域年平均相對誤差由13.41%減少到10.24%。整體上冬半年訂正效果優(yōu)于夏半年。

3 結(jié)論與討論

以四川為例，利用SMARTS輸入氣象站點(diǎn)實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，模擬了晴天太陽總輻射，建立了晴天太陽總輻射隨海拔高度變化規(guī)律，根據(jù)該規(guī)律對直接利用站點(diǎn)太陽總輻射插值結(jié)果進(jìn)行訂正，并對訂正效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)晴天太陽總輻射隨海拔高度呈對數(shù)增加，在海拔高度1 km以下晴天太陽總輻射隨海拔高度變化幅度明顯高于1 km以上。

(2)利用晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系對太陽總輻射插值結(jié)果進(jìn)行訂正時(shí)，海拔較低、地勢平坦的四川盆地訂正幅度最小，高海拔的川西高原地區(qū)訂正幅度居中，高低海拔過渡地帶訂正幅度最大。

(3)通過海拔高度訂正可有效提高插值效果，縮小插值誤差，區(qū)域年平均絕對誤差由182.77 kW·h·m-2減少到145.48 kW·h·m-2，相對誤差由13.41%減少到10.24%，且冬半年訂正效果好于夏半年。

影響太陽總輻射的因素很多，就地形而言，除了站點(diǎn)位置海拔高度之外，地形遮擋等方面的影響也不容小覷(葉冬等，2014)。同時(shí)，地形影響太陽總輻射的機(jī)制也是十分復(fù)雜的，除了直接影響輻射量外，受地形影響產(chǎn)生的局地特殊天氣狀況(蔡元?jiǎng)偟龋?019)，也會(huì)影響太陽總輻射，攀枝花站就是一個(gè)典型的實(shí)例。本文僅通過建立晴天太陽總輻射隨海拔高度的變化關(guān)系給出了一個(gè)普適訂正方法，由于能見度等要素是影響晴天太陽總輻射的重要因素之一，受小時(shí)能見度觀測數(shù)據(jù)限制，所以在利用SMARTS計(jì)算晴天太陽總輻射時(shí)使用數(shù)據(jù)年限較短，能否代表氣候平均狀況還存在一定的不確定性。另外，從訂正效果上看還有很大的提升空間，尤其是對夏半年天氣復(fù)雜時(shí)段還有待做進(jìn)一步的研究。