姚玉璧， 鄭紹忠， 董宏昌， 石 界， 張 民， 夏 權(quán)

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，黃河流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)教融合研究院，甘肅省氣候資源利用與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730021；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020；3.甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000）

工業(yè)革命以來(lái)，石化能源在推動(dòng)工業(yè)化進(jìn)程的同時(shí)，帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化問(wèn)題，環(huán)境污染和全球氣候變暖已經(jīng)危及到人類的生存安全。改善能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是人類解決能源問(wèn)題，走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。太陽(yáng)能資源因其龐大的能量?jī)?chǔ)備、廣闊的空間分布、潔凈無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為學(xué)界公認(rèn)的最具優(yōu)勢(shì)的新能源之一，因此，研究太陽(yáng)能資源時(shí)空分布特征，為開發(fā)利用提供科學(xué)基礎(chǔ)，具有非常重要學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的意義［1-2］。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告（AR6），通過(guò)更有力的證據(jù)進(jìn)一步確證了近百年來(lái)全球氣候變暖的客觀事實(shí)。近百年氣候系統(tǒng)正在發(fā)生廣泛而迅速的變化，人類活動(dòng)已經(jīng)使得大氣、陸地和海洋變暖，人類活動(dòng)對(duì)氣候變暖影響的信號(hào)更為清晰［3］。氣候變化必然導(dǎo)致大氣的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而改變太陽(yáng)輻射傳輸［4］。太陽(yáng)總輻射與地理參數(shù)有關(guān)的同時(shí)，還受云量、氣溫、大氣消光系數(shù)、大氣的水汽含量、臭氧含量和大氣氣溶膠等多種因素的影響。全球平均地表溫度升高后,會(huì)引起氣候狀態(tài)量如大氣水汽含量、云量等的變化,進(jìn)而影響到輻射過(guò)程［5］。同時(shí)，工業(yè)化進(jìn)程也使得城市空氣污染問(wèn)題突出，霧、霾等天氣多發(fā)，大氣氣溶膠增加，垂直能見度下降，影響到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射［6-7］。因此，在全球氣候變化背景下太陽(yáng)總輻射時(shí)空演變的研究是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。

近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者利用常規(guī)觀測(cè)資料估算逐日直接輻射的方法,開展了全國(guó)太陽(yáng)能時(shí)空變化特征和資源開發(fā)利用潛力評(píng)估研究。1981—2014 年中國(guó)太陽(yáng)總輻射大部分區(qū)域呈下降趨勢(shì)，其中，華北、東北和西南區(qū)域呈顯著下降；華南區(qū)呈波動(dòng)變化，趨勢(shì)特征不明顯；西北區(qū)域則呈明顯增加趨勢(shì)。太陽(yáng)總輻射的季節(jié)變化呈明顯時(shí)空分異特征［8-11］?；跇O端梯度提升（XGBoost）方法對(duì)中國(guó)北方沙區(qū)太陽(yáng)總輻射量進(jìn)行估算，1990—2019 年太陽(yáng)總輻射呈減少趨勢(shì)，遞減率為8.66 MJ·m-2·(10a)-1［12］。華南太陽(yáng)能資源方面，海南的可利用價(jià)值最高，廣東其次，廣西最低［13］。中國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富，是太陽(yáng)能輻射的高能區(qū)域［14-15］；穩(wěn)定性方面甘肅省北部、青海省北部、新疆東北部和新、甘、青三省交界處是太陽(yáng)能資源最穩(wěn)定的區(qū)域，內(nèi)蒙古西部區(qū)域太陽(yáng)能資源豐富且較為穩(wěn)定。陜西的中部及南部、新疆烏魯木齊周邊地區(qū)則是中國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源不穩(wěn)定的區(qū)域［16-21］。

1961—2000 年黃河流域近年來(lái)太陽(yáng)總輻射呈下降趨勢(shì)，在季節(jié)上主要表現(xiàn)在夏季和冬季［22］。1961—2017 年河套平原地面接收太陽(yáng)輻射年平均值為6030.83 MJ·m-2，以0.3 MJ·m-2·(10a)-1的速率呈緩慢減少趨勢(shì)。河套平原年太陽(yáng)輻射量振蕩主周期為24 a［23］。1961—2009年中國(guó)東中部地區(qū)地面太陽(yáng)輻射比西部地區(qū)下降顯著［24］。

在氣候變暖背景下，近60 a 來(lái)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源如何變化？其分異特征如何？有待更深入地研究。為此，分析西北地區(qū)太陽(yáng)總輻射時(shí)空變化特征，揭示氣候變化背景下總輻射變化規(guī)律，研究其異常分布規(guī)律、次區(qū)域變化機(jī)制，為中國(guó)西北太陽(yáng)能資源開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)，為如期實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)西北地區(qū)是西風(fēng)帶、高原季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)邊緣的交匯地帶，自西向東由新疆維吾爾自治區(qū)、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和陜西省等5省區(qū)組成，國(guó)土面積約為3.1×106km2，地理位置為73°40'～111°15'E，31°36'～48°10'N之間，該區(qū)域遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，大部分區(qū)域?qū)俑珊?、半干旱氣候區(qū)，具有降水少且分布不均，植被覆蓋度較低，水資源短缺，地表干燥等特點(diǎn)。雖然70%以上地區(qū)降水不足400 mm；但太陽(yáng)能資源十分豐富，在5852～6690 MJ·m-2［25］。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究資料來(lái)源于中國(guó)西北地區(qū)5省區(qū)國(guó)家基本氣象站，氣象站點(diǎn)選擇時(shí)首先考慮空間區(qū)域具有代表性的氣象觀測(cè)站點(diǎn)，其次，考慮站點(diǎn)分布均勻且年代連續(xù)一致。選取169個(gè)氣象臺(tái)站在1961—2020年的逐日地面氣象觀測(cè)基本要素資料為研究數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 研究區(qū)站點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of stations in the study area

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 月太陽(yáng)總輻射量的計(jì)算 本文采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》(GB/T 37526-2019)，計(jì)算和評(píng)估到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射量［26］。得到169個(gè)臺(tái)站的月太陽(yáng)總輻射值。公式如下：

式中：Q為月太陽(yáng)總輻射量（MJ·m-2）；Q0為月天文太陽(yáng)總輻射（MJ·m-2），即大氣層頂接收到的太陽(yáng)輻射，是緯度和季節(jié)的函數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算即可確定；n為日照時(shí)數(shù)（h）；N為可照時(shí)數(shù)（h）；S為月日照百分率，其變化受到海拔高度、云量、水汽、大氣成分和氣溶膠等的影響；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用西北區(qū)域24個(gè)輻射觀測(cè)站（圖1）歷年各月總輻射與月日照時(shí)數(shù)資料，采用最小二乘法擬合計(jì)算出各站各月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b，分別建立各輻射站逐月太陽(yáng)總輻射計(jì)算式。其余站a、b用逆距離加權(quán)插值法（IDW）內(nèi)插確定其1—12月a、b值系數(shù)，再計(jì)算各站逐月總輻射。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法 氣候要素的時(shí)間趨勢(shì)變化應(yīng)用一元線性函數(shù)擬合［27］：

式中：Xi為氣象要素；ti為氣象要素對(duì)應(yīng)的時(shí)間；a，b為回歸系數(shù)；n為樣本長(zhǎng)度。

周期振蕩特征分析采用小波方法，小波基（母波）有多種，采用有邊界Morlet小波能量譜方法分析；時(shí)間序列變化突變檢測(cè)分析采用M-K（Mann-Kendall）方法，該方法是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)突變的方法［28-29］。

氣象要素時(shí)空異常特征分析采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）方法［28］，并根據(jù)特征值誤差范圍進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)［30］。

1.3.3 空間分布表達(dá)方法 太陽(yáng)總輻射及其特征向量的空間分布采用ArcGIS軟件繪圖，插值采用普通克里金插值（Ordinary Kriging，OK）方法表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 總輻射時(shí)空分布

1961—2020 年近60 a 中國(guó)西北年平均總輻射在4518.9～6689.0 MJ·m-2，總輻射分布呈西北中部向西部和東部逐步減少的特征，高值區(qū)為青海西北部的柴達(dá)木盆地和甘肅西部，最大值出現(xiàn)在青海冷湖，年平均總輻射6689.0 MJ·m-2；總輻射低值區(qū)在陜西南部和甘肅東南部，最小值出現(xiàn)在陜西鎮(zhèn)巴，年平均總輻射4518.9 MJ·m-2；其余地區(qū)介于其間（圖2a）。1991—2020 年近30 a 中國(guó)西北總輻射氣候平均值為5771.4 MJ·m-2，總輻射氣候平均最大值6564.0 MJ·m-2，也出現(xiàn)在青海冷湖；氣候平均最小值4538.0 MJ·m-2，仍出現(xiàn)在陜西鎮(zhèn)巴，其余各地在4538.0～6564.0 MJ·m-2（圖2b）。

圖2 中國(guó)西北地區(qū)年平均總輻射空間分布Fig.2 The chart of spatial distribution of total radiation on Northwest in China

中國(guó)西北年平均總輻射1961—2020 年近60 a與1991—2020年近30 a分布特征進(jìn)行比較，輻射高值區(qū)范圍明顯縮小，而低值區(qū)范圍變化不大。

依據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》(GB/T 37526-2019)［26］評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將年太陽(yáng)總輻射分為4類。其閾值為：QY≥6300 MJ·m-2，為資源最豐富；5040 MJ·m-2≤QY＜6300 MJ·m-2，為資源很豐富；3780 MJ·m-2≤QY＜5040 MJ·m-2，為資源豐富；QY＜3780 MJ·m-2，為資源一般。

分別以1961—2020 年60 a 和1991—2020 年30 a 為評(píng)估時(shí)段，由圖2 可知，甘肅西部和青海西北部的柴達(dá)木盆地為資源最豐富區(qū)；除陜西南部小部分區(qū)域外，其余區(qū)域均為資源很豐富區(qū)；無(wú)資源一般區(qū)域。其中資源最豐富區(qū)域略小，資源很豐富區(qū)域擴(kuò)大，資源豐富區(qū)基本穩(wěn)定。由此可知，中國(guó)西北除極小區(qū)域外，絕大部分地區(qū)為太陽(yáng)能資源很豐富區(qū)及以上區(qū)域。

年總輻射時(shí)間序列趨勢(shì)系數(shù)在新疆西南部、甘肅和新疆接壤區(qū)、甘肅北部、陜西北部和南部的小范圍區(qū)域總輻射趨勢(shì)系數(shù)為正值，其余大部分區(qū)域總輻射趨勢(shì)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明總輻射呈下降趨勢(shì)，且大多數(shù)臺(tái)站總輻射趨勢(shì)系數(shù)r≤-0.26（P≤0.05），通過(guò)α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)?？傒椛溱厔?shì)傾向率負(fù)值絕對(duì)值最大為-106.52 MJ·m-2·(10a)-1，出現(xiàn)在陜西省武功縣，大部分區(qū)域在-106.52～-0.001 MJ·m-2·(10a)-1之間，總輻射趨勢(shì)傾向率為正值的范圍較小。傾向率正值最大為100.42 MJ·m-2·(10a)-1，出現(xiàn)在新疆皮山縣（圖3）。

圖3 西北地區(qū)總輻射趨勢(shì)傾向率空間分布Fig.3 The chart of total radiation tendency rate on Northwest in China

2.2 總輻射異常特征

為了進(jìn)一步厘清中國(guó)西北區(qū)域總輻射的時(shí)空異常特征，對(duì)總輻射進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function,EOF）分解分析和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Rotated Empirical Orthogonal Function, REOF）分解分析。

2.2.1 特征向量場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)率 年總輻射EOF分析中，求得總輻射前10項(xiàng)模態(tài)特征值方差占總方差的比率（表1），其前10 項(xiàng)模態(tài)特征值方差占總方差的合計(jì)比率為72.18%。表明總輻射前10 項(xiàng)模態(tài)特征向量場(chǎng)能夠解釋整體要素場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和空間分異特征。進(jìn)一步對(duì)總輻射EOF 前10 項(xiàng)模態(tài)特征向量進(jìn)行REOF 分析，求得REOF 分析特征向量場(chǎng)，其REOF分解后總輻射前10項(xiàng)模態(tài)特征值方差占總方差比率的合計(jì)仍為72.18%。

表1 EOF和REOF前10項(xiàng)模態(tài)特征值方差比率Tab.1 The percentage of contribution to whole variance of the first ten EOF and REOF eigenvector for total radiation

從總輻射EOF 分解各模態(tài)特征值方差的占比分布可見，前3項(xiàng)模態(tài)特征值方差的占比高于其后7項(xiàng)，其值高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)，隨著模態(tài)項(xiàng)數(shù)目的遞增，特征值方差的占比呈遞減趨勢(shì)，且遞減率的收斂速度逐漸降低。表明西北區(qū)域地理范圍遼闊,影響太陽(yáng)輻射的地形、地貌和氣候因子差異較大，總輻射變率結(jié)構(gòu)和空間差異性顯著。

EOF 分析分解得到的特征向量場(chǎng)，其特征向量的方差的占比集中到前幾項(xiàng)主分量上，因此特征值的方差占比分布有明顯差異，靠前的幾項(xiàng)模態(tài)特征值的方差占比明顯偏大；而REOF分析，既可以較好的表達(dá)次區(qū)域要素變率結(jié)構(gòu)，還可分析次區(qū)域之間的相關(guān)性特征，故旋轉(zhuǎn)后各模態(tài)特征值的方差占比分布值區(qū)域接近，較EOF顯得更均勻、更分散，且各模態(tài)特征值的方差占比的大小順序也有變化。

2.2.2 EOF特征向量場(chǎng)結(jié)構(gòu)及時(shí)間系數(shù) EOF分析前2項(xiàng)第一模態(tài)和第二模態(tài)的特征向量場(chǎng)的特征值方差占比分別為21.47%、11.37%。采用North 等［30］提出的檢驗(yàn)方法對(duì)特征值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，表明其特征向量場(chǎng)是主成分分量，是最為重要的空間異常模態(tài)，可以反映中國(guó)西北地區(qū)總輻射變率結(jié)構(gòu)和空間差異，其空間分布結(jié)構(gòu)能夠代表西北總輻射變量場(chǎng)的典型分布型。

總輻射EOF 第一模態(tài)特征向量場(chǎng)空間分布表明（圖4a），總輻射特征向量分量除新疆西南部的個(gè)別區(qū)域?yàn)樨?fù)值外，其余區(qū)域均為正值，大部分區(qū)域各分量值在0.01～0.13 之間。大部分區(qū)域分量均為正值，反映出西北大部分區(qū)域總輻射振蕩位相相同、空間趨勢(shì)一致的特征，振蕩的同位相特征表明，中國(guó)西北主要受西風(fēng)帶系統(tǒng)影響，大部分區(qū)域大部分時(shí)段受同一大尺度天氣系統(tǒng)所控制，因而，總輻射空間分布趨于一致?？傒椛湔袷帍?qiáng)度由西北向東南加強(qiáng)；其特征向量值≥0.08 的區(qū)域出現(xiàn)在西北地區(qū)中東部，最大中心出現(xiàn)在甘肅的山丹(38.8°N，101.1°E)，特征向量值為0.13，說(shuō)明此處為該空間分異類型中總輻射變化幅度最大、最敏感的地區(qū)，也是總輻射振蕩最強(qiáng)的區(qū)域。

圖4 EOF特征向量場(chǎng)前2個(gè)模態(tài)的空間分布Fig.4 The chart of spatial distribution of the first two main modes for EOF eigenvector

EOF 第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)傾向率為-1.99·(10a)-1（R2=0.3278，P≤0.01）（圖略），第一模態(tài)的特征向量場(chǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，反映西北大部分區(qū)域總輻射呈減少趨勢(shì)。

EOF 第二模態(tài)特征向量場(chǎng)在新疆呈西南到東北“+、-”偶極子型分布；在甘、青、寧和陜西由東到西也呈“+、-”偶極子型分布；西北地區(qū)由西到東的緯向型“+、-”，“+、-”偶極子型特征（圖4b），新疆西南部、青海全境和甘肅大部為正值區(qū)域，最大值為0.16，出現(xiàn)在青海省達(dá)日(33.8°N，99.7°E)、貴南(35.6°N，100.7°E)；新疆中北部、陜西為負(fù)值區(qū)域，負(fù)值絕對(duì)值最大為-0.14，出現(xiàn)在陜西鎮(zhèn)巴(32.5°N,107.9°E)。

2.2.3 REOF 特征向量場(chǎng)變率結(jié)構(gòu)及空間分異 西北地區(qū)總輻射旋轉(zhuǎn)后特征向量場(chǎng)前3項(xiàng)模態(tài)特征值方差的占比分別為13.19%、12.36%、10.07%（表1），REOF第一模態(tài)～第三模態(tài)特征向量特征值方差的占比合計(jì)值為35.62%，可見，旋轉(zhuǎn)后前3 個(gè)模態(tài)特征向量場(chǎng)是總輻射空間場(chǎng)最重要的3個(gè)空間分異結(jié)構(gòu)模態(tài)，反映了西北總輻射的次區(qū)域空間分異特征，可按前3 項(xiàng)模態(tài)特征向量場(chǎng)進(jìn)行次區(qū)域空間區(qū)劃分型。在次區(qū)域分型場(chǎng)中選取與次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)最高的站點(diǎn)為次區(qū)域代表站，分析其時(shí)間序列變化特征。

由總輻射REOF 第一模態(tài)特征向量場(chǎng)可見（圖5a），總輻射中西部各分量值＜0，北部及東南部各分量值＞0，且各分量載荷絕對(duì)值東部大于西部，載荷向量絕對(duì)值最大區(qū)位于陜西省，表明總輻射在該空間結(jié)構(gòu)中振蕩幅度最大、最敏感區(qū)在陜西省，屬于東亞季風(fēng)控制區(qū)，區(qū)域劃分為“西北東部異常型”。主要包括陜西省全部和甘肅省、寧夏東南部。與該次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)性最高的站點(diǎn)為陜西省留壩縣(33.6°N，106.9°E)；REOF 第一模態(tài)特征向量場(chǎng)時(shí)間系數(shù)的傾向率為-0.034·(10a)-1（R2=0.0034，P＞0.10），時(shí)間系數(shù)呈波動(dòng)略下降趨勢(shì)，但未通過(guò)信度檢驗(yàn)（圖略）。說(shuō)明西北東部異常型強(qiáng)度略減。

圖5 REOF特征向量前3個(gè)主要模態(tài)的空間異常分型Fig.5 The spatial abnormity typing of the first four main modes for REOF eigenvector

總輻射特征向量旋轉(zhuǎn)后REOF第二模態(tài)空間分布表明（圖5b），除個(gè)別站載荷向量分量值＜0，以中部為主的大部分區(qū)域載荷向量分量值＞0；載荷向量高值區(qū)在甘肅河?xùn)|及青海中部。該區(qū)域?qū)儆跂|亞季風(fēng)邊緣區(qū)，區(qū)域劃分為“西北中部異常型”。包括青海省全部、甘肅省大部和新疆區(qū)東部南部。與該次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)性最高的站點(diǎn)為甘肅省岷縣(34.4°N，104.0°E)；時(shí)間系數(shù)變化傾向率為-0.259·(10a)-1（R2=0.201，P≤0.01）,故總輻射西北中部異常型特征也呈下降趨勢(shì)。

總輻射特征向量旋轉(zhuǎn)后REOF第三模態(tài)大部分區(qū)域的載荷向量分量值＜0（圖5c）；載荷向量各分量在西北區(qū)域西北部的新疆出現(xiàn)高載荷絕對(duì)值集中，表明總輻射REOF第三模態(tài)空間結(jié)構(gòu)中，總輻射振蕩最大區(qū)、敏感區(qū)在新疆；該地區(qū)主要受西風(fēng)帶控制。區(qū)域劃分為“西北西部異常型”。與該次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)性最高的站點(diǎn)為新疆五家渠市蔡家湖鎮(zhèn)(44.2°N，87.5°E)；REOF第三模態(tài)時(shí)間系數(shù)呈極顯著上升趨勢(shì)。時(shí)間系數(shù)傾向率為0.257·(10a)-1（R2=0.199，P≤0.01）。

根據(jù)REOF第一模態(tài)～第三模態(tài)載荷向量場(chǎng)各分量的變率結(jié)構(gòu)和空間分布，可將西北總輻射分布區(qū)進(jìn)一步分為3 個(gè)次區(qū)域，即“西北西部異常型”區(qū)域、“西北中部異常型”和“西北東部異常型”區(qū)域，各分區(qū)與該次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)性最高的站點(diǎn)分別為新疆五家渠市蔡家湖鎮(zhèn)、甘肅省岷縣、陜西省留壩縣。

2.3 總輻射空間分異次區(qū)域變化特征

根據(jù)總輻射空間異常分型區(qū)劃，選取與該次區(qū)域場(chǎng)時(shí)間系數(shù)（RPC）相關(guān)性最高的站點(diǎn)為代表站，其屬于總輻射振蕩幅度最大、變化敏感的站。該站總輻射變率結(jié)構(gòu)基本能夠反映該區(qū)域總輻射的變率結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)各代表站變率結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)一步了解其在時(shí)頻域上整體特征和局部化信息結(jié)構(gòu)變化。

2.3.1 次區(qū)域趨勢(shì)變化 由表2可知，“西北東部異常型”區(qū)域代表站陜西省留壩縣總輻射呈減少趨勢(shì)，其變化傾向率為-25.335 MJ·m-2·(10a)-1，趨勢(shì)系數(shù)為r=-0.182，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；表明“西北東部異常型”區(qū)域總輻射呈減少趨勢(shì)，但不顯著?！拔鞅敝胁慨惓Ｐ汀眳^(qū)域典型代表站甘肅省岷縣總輻射呈極顯著減少趨勢(shì)，變化傾向率為33.831 MJ·m-2·(10a)-1，趨勢(shì)系數(shù)為r=-0.300，通過(guò)P≤0.01 信度水平。“西北西部異常型”區(qū)域代表站新疆五家渠市蔡家湖鎮(zhèn)總輻射也呈極顯著減少趨勢(shì)，變化傾向率為-45.090 MJ·m-2·(10a)-1，趨勢(shì)系數(shù)為r=-0.511，通過(guò)P≤0.01信度水平。

表2 總輻射空間異常分型次區(qū)域趨勢(shì)系數(shù)和傾向率Tab.2 Trend coefficient and tendency rate of the subregional total radiation of spatial abnormity typing

2.3.2 次區(qū)域突變分析 本文應(yīng)用曼-肯德爾（Mann-Kendall）突變分析，對(duì)次區(qū)域代表站的總輻射分析其是否存在突變。圖6給出了總輻射次區(qū)域典型代表站M-K 計(jì)算結(jié)果，其中UF由總輻射順序時(shí)間序列的秩序列計(jì)算而得，UB由總輻射逆序時(shí)間序列的秩序列計(jì)算而得；設(shè)α=0.05，則|Uα|=1.96。當(dāng)|UF|≥|Uα|時(shí)，表明樣本序列存在顯著的增加或減少，同時(shí)，UF和UB曲線的交叉點(diǎn)即為突變的開始點(diǎn)。

圖6 總輻射空間異常分型次區(qū)域突變檢驗(yàn)Fig.6 Suddenly check curve of the subregional total radiation of spatial abnormity typing

“西北東部異常型”區(qū)域代表站為陜西省留壩縣，其總輻射M-K 檢測(cè)順序統(tǒng)計(jì)曲線UF從1961 年開始總體呈下降趨勢(shì)(圖6a)，且于1983 年通過(guò)顯著性檢驗(yàn)臨界線Uα，說(shuō)明UF顯著下降，UF和UB線在臨界線Uα之間相交時(shí)間為1973年。反映出“西北東部異常型”太陽(yáng)總輻射呈減少趨勢(shì)，其減少的突變點(diǎn)在1973年。

“西北中部異常型”區(qū)域代表站為甘肅省岷縣，其總輻射順序統(tǒng)計(jì)曲線UF從1972年開始波動(dòng)下降(圖6b)，從1988 年超過(guò)臨界線Uα，之后略有上升，2006 年后又開始下降，從2019 年再次超過(guò)臨界線Uα。UF和UB線交叉于2017年。反映出“西北中部異常型”太陽(yáng)總輻射也呈顯著下降趨勢(shì)，總輻射減少突變點(diǎn)在2017年。

“西北西部異常型”區(qū)域代表站新疆五家渠市蔡家湖鎮(zhèn)，其總輻射M-K 檢測(cè)UF呈下降特征(圖6c)，從1968 年開始UF呈現(xiàn)持續(xù)下降，在2010 年超過(guò)了臨界線Uα，UF和UB線交叉于2008年。說(shuō)明該異常型區(qū)域的太陽(yáng)總輻射呈顯著下降趨勢(shì)，總輻射減少的突變點(diǎn)在2008年。

2.3.3 次區(qū)域周期特征 為了進(jìn)一步揭示中國(guó)西北太陽(yáng)能總輻射各空間分異類型在時(shí)頻域上的周期特征,對(duì)西北總輻射進(jìn)行小波分析，小波分析能反映信號(hào)時(shí)頻域上整體特征、局部化信息結(jié)構(gòu)、突變的特征。因而能有效的從時(shí)頻域上整體特征信息中提取局部化信息，進(jìn)行伸縮、平移對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化。本文采用有界限Morlet 小波能量譜分析方法，分析中國(guó)西北近60 a總輻射變率結(jié)構(gòu)、空間分異在時(shí)域的振蕩規(guī)律。

由圖7 可見，“西北東部異常型”區(qū)域代表站留壩縣近60 a總輻射周期特征不顯著?？傒椛浔憩F(xiàn)為4 個(gè)高低交替：20 世紀(jì)60—70 年代總輻射偏高；80—90 年代初總輻射偏低；90 年代后期到21 世紀(jì)初總輻射偏高，之后偏低。

圖7 總輻射空間異常分型次區(qū)域小波能量譜等值線Fig.7 Isoline chart of Morlet wavelet energy spectrum for the subregional total radiation of spatial abnormity typing

“西北中部異常型”代表站岷縣近60 a總輻射有顯著的2～3 a周期振蕩特征(圖6b)，該周期在1960—1966年和2005—2020年的時(shí)域內(nèi)振蕩較強(qiáng)；同時(shí)還存在3～4 a 周期振蕩，該振蕩在1985—1991 年的時(shí)域內(nèi)振蕩較強(qiáng)?？傒椛湟泊嬖? 個(gè)高低交替：1961—1980年總輻射總體偏高，1981—1995年總輻射處于偏低階段，1996—2008年總輻射又處于偏高期，2009—2020年總輻射處于偏低階段。

“西北西部異常型”區(qū)域代表站蔡家湖鎮(zhèn)近60 a總輻射也存在顯著的2～3 a周期振蕩特征(圖6c)，該周期在1972—1976 年和1993—2000 年的時(shí)域內(nèi)振蕩較強(qiáng)；同時(shí)還存在4～5 a 周期振蕩，該振蕩在1993—2013 年的時(shí)域內(nèi)振蕩較強(qiáng)?？傒椛渫瑯哟嬖? 個(gè)高低交替：1961—1983 年總輻射總體偏高，1984—1994年總輻射處于偏低階段，1995—2013年總輻射又處于偏高期，2014—2020年總輻射處于偏低階段。

由此可見，西北近60 a 總輻射“西北東部異常型”周期振蕩規(guī)律不明顯；“西北中部異常型”區(qū)域以2～3 a 周期振蕩和3～4 a 周期振蕩為主；“西北西部異常型”以2～3 a 周期振蕩和4～5 a 周期振蕩為主；但總輻射均存在4 個(gè)高低交替，表現(xiàn)為20 世紀(jì)60—70 年度偏高，80—90 年代初總輻射偏低；90 年代后期到21世紀(jì)初總輻射偏高，之后偏低的特征。

3 討論

本文應(yīng)用EOF 和REOF 分析方法,研究了西北太陽(yáng)總輻射空間分布特征和時(shí)域變化,進(jìn)而論述了次區(qū)域時(shí)空演變特征。

研究表明，青海的柴達(dá)木盆地和甘肅西部為太陽(yáng)能資源最豐富區(qū)。之前也有學(xué)者利用西北地區(qū)1958—2008年［14］、1961—2003年資料［20］分析也得到相近結(jié)論，即青海北部及青海、甘肅和新疆三省區(qū)交界地帶為太陽(yáng)能資源最豐富區(qū)且資源穩(wěn)定?？傒椛涫艿教煳摹⑽锢?、地理和氣象等因素的影響［21,31］，造成西北區(qū)域總輻射差異的主導(dǎo)因子是氣象要素［20］，包括云量、相對(duì)濕度、降水量、降水日數(shù)和沙塵氣溶膠等。青海的柴達(dá)木盆地和甘肅西部與新疆接壤的地區(qū)降水稀少、相對(duì)濕度低、云量少，故該區(qū)域是到達(dá)地面太陽(yáng)總輻射高值區(qū)，太陽(yáng)能資源最豐富；而陜西南部、甘肅東南部地區(qū)降水豐富、相對(duì)濕度大、云量多，到達(dá)地面太陽(yáng)總輻射量遠(yuǎn)低于西北其他地區(qū)，太陽(yáng)能資源也就低于其他地區(qū)。

1961—2020 年西北地區(qū)除小范圍區(qū)域總輻射呈上升趨勢(shì)外，大部分區(qū)域總輻射呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)論與周揚(yáng)等［14］、陳少勇等［20］的研究結(jié)果一致。導(dǎo)致太陽(yáng)輻射減少的因素十分復(fù)雜，目前的研究認(rèn)為，工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致全球氣候變暖，使得城市空氣污染增加、大氣氣溶膠相應(yīng)增加、垂直能見度降低，這些變化是影響太陽(yáng)總輻射變化的重要因素［6-7］；另外，20 世紀(jì)90 年代中期以來(lái)，西北地區(qū)暖濕化特征明顯，西北區(qū)域氣溫升高的同時(shí)降水量顯著增加，尤其是西北西部暖濕化特征尤為顯著［32-35］，這也是導(dǎo)致該區(qū)域到達(dá)地面太陽(yáng)總輻射減少的可能原因之一。

4 結(jié)論

（1）1991—2020年近30 a中國(guó)西北總輻射氣候平均值為5771.4 MJ·m-2，總輻射氣候平均最大值6564.0 MJ·m-2，氣候平均最小值4538.0 MJ·m-2，其余各地介于其間。年平均總輻射近60 a與近30 a分布特征相比較，總輻射高值區(qū)域明顯縮小，而低值區(qū)域變化不大。青海的柴達(dá)木盆地和甘肅西部為太陽(yáng)能資源最豐富區(qū)，陜西南部和甘肅東南部的較小區(qū)域?yàn)橘Y源豐富區(qū)，其余大面積區(qū)域均為資源很豐富區(qū)。1961—2020年除新疆西南部、甘肅和新疆接壤區(qū)、甘肅北部和陜西北部的小范圍區(qū)域總輻射呈上升趨勢(shì)外，西北大部分區(qū)域總輻射呈下降趨勢(shì)，且大部分區(qū)域趨勢(shì)系數(shù)r≤-0.26（P≤0.05），通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

（2）西北總輻射振蕩強(qiáng)度由西向東逐漸增強(qiáng)。西北地區(qū)總輻射EOF第一模態(tài)特征向量場(chǎng)表明，總輻射振蕩強(qiáng)度由西向東加強(qiáng)，各分量高載荷區(qū)主要集中于中東部，該區(qū)域是這種空間分異類型中總輻射易出現(xiàn)異常、振蕩強(qiáng)度大且敏感的地區(qū)。EOF 第二模態(tài)特征向量場(chǎng)自西向東呈雙偶極子型；青海全境和甘肅大部為正值區(qū)域，也是總輻射異常振蕩最強(qiáng)的區(qū)域。

（3）依據(jù)REOF 特征向量不同模態(tài)空間分異結(jié)構(gòu)類型，可將西北總輻射研究區(qū)域劃分為3 個(gè)次區(qū)域：即主要受東亞季風(fēng)影響的“西北東部異常型”；其次是受東亞季風(fēng)影響邊緣區(qū)的“西北中部異常型”。其三是主要受西風(fēng)帶影響的“西北西部異常型”。

（4）各次區(qū)域總輻射變化特征有所不同?！拔鞅睎|部異常型”總輻射呈減少趨勢(shì)，總輻射減少的突變點(diǎn)在1973年，時(shí)域振蕩特征不顯著；“西北中部異常型”總輻射也呈減少趨勢(shì)，總輻射減少突變點(diǎn)在2017年，時(shí)域振蕩以2～3 a周期振蕩和3～4 a周期振蕩為主。“西北西部異常型”總輻射亦呈減少趨勢(shì)，總輻射減少突變點(diǎn)在2008 年，時(shí)域振蕩分別以2～3 a和4～5 a周期振蕩為主。