1.西寧市氣象局,青海西寧 810003;2.青海省氣象信息中心,青海西寧 810002;3.大通縣氣象局,青海大通 810100
摘 要:根據(jù)1988—2007年成都地區(qū)太陽輻射、總云量、低云量和能見度的數(shù)據(jù)資料,利用MATLAB軟件,采用線性回歸法、M-K突變檢驗法、相關(guān)性檢驗的方法,探討了成都地區(qū)太陽輻射的變化趨勢,指明了年太陽輻射發(fā)生突變的年份,并分析了成都地區(qū)太陽輻射變化的影響因子。結(jié)果表明:成都地區(qū)近20年年太陽輻射整體呈明顯上升的趨勢,上升幅度為21.68 MJ/m2/a,年太陽輻射在1994年發(fā)生突變,突變前、后的年太陽輻射相差101.74 MJ/m2;近15年的總云量和低云量呈顯著下降趨勢,能見度呈上升趨勢;相關(guān)分析表明,總云量是年、夏季、秋季、冬季太陽輻射的主要影響因子,且各因子之間存在明顯的負相關(guān);能見度是影響月太陽輻射和春季太陽輻射的主要因素,兩者存在明顯的正相關(guān)。
關(guān)鍵詞:太陽輻射;成都地區(qū);影響因子
中圖分類號:P422.1 文獻標志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)05–0-03
成都市地處四川盆地西部,成都平原腹地,位于104°06′E,30°67′N,境內(nèi)地勢平坦,加上成都屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū),所以成都地區(qū)太陽輻射總量要小于西部地區(qū)。選取1988—2007年成都市的太陽輻射、總云量、低云量、能見度等氣象數(shù)據(jù),相關(guān)數(shù)據(jù)主要取自國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺和成都天氣網(wǎng)。
1 資料來源與研究方法
1.1 資料來源及處理
成都市地處四川盆地西部,成都平原腹地,位于104°06′E,30°67′N,境內(nèi)地勢平坦,屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū),所以成都地區(qū)太陽輻射總量要小于西部地區(qū)。本文選取1988—2007年成都市的太陽輻射、總云量、低云量、能見度等氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要取自國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺和成都天氣網(wǎng)。為便于分析成都地區(qū)年太陽輻射的季節(jié)變化特征,按照傳統(tǒng)氣象學上對于四季的劃分,定義春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至翌年2月。
1.2 研究工具及方法
1.2.1 MATLAB
MATLAB平臺主要用于數(shù)據(jù)分析、矩陣運算、數(shù)值計算、繪制函數(shù)曲線。本文所有的數(shù)據(jù)分析都是基于MATLAB平臺利用相關(guān)算法實現(xiàn)的。
1.2.2 線性回歸法
利用線性回歸法可以分析某一氣象要素在某一時間段的變化趨勢。用y表示樣本為n的某一氣象要素,x表示樣本的時間序列號,建立x與y的線性回歸方程:
yi=a+bxi,i=1,2,3,…,n(1)
式(1)中,a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù),bgt;0說明隨著時間x的變化y呈上升趨勢,其中a和b可以利用最小二乘法計算出來了,計算公式為:
(2)
利用回歸系數(shù)b與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系,可以求出時間xi與變量yi之間的相關(guān)系數(shù)r:
(3)
式(3)中,相關(guān)系數(shù)的顯著性需檢驗,選擇t檢驗法進行判斷,現(xiàn)定義其統(tǒng)計量為:
(4)
式(4)中r為相關(guān)系數(shù),而統(tǒng)計量T遵從自由度v=(
n-2)的t分布。給定顯著水平α,可以查t分布表得到Tα,
若|T|gt;Tα,則認為y的變化趨勢是顯著的。當然,如果取不同的顯著水平,則y變化的顯著性也是不同的,本文選取α=0.05的顯著性檢驗。
1.2.3 M-K突變檢驗
本文采用Mann—Kendall法進行太陽輻射變化趨勢的突變分析。序列x為具有n個樣本數(shù)量的時間序列,定義某一秩序列:
SK=ri(k=2,3,…,n)(5)
其中,ri滿足以下要求:
(6)
定義統(tǒng)計量:
(7)
式(7)中,E(sk)、V(sk)分別為累計數(shù)sk的平均值和方差。
同理,可以求出x的逆序列所對應(yīng)的統(tǒng)計量UBk。如果UFk和UBk出現(xiàn)交點,則交點對應(yīng)的時間就是突變開始的時間。
1.2.4 相關(guān)性檢驗
通過計算兩組氣候變量之間的Person相關(guān)系數(shù),然后查相關(guān)系數(shù)檢驗表,比較其大小來檢驗變量間的獨立性。已知2個變量:
x1,x2,…,xn
y1,y2,…,yn
給出2個變量間的相關(guān)系數(shù)r的計算公式:
(8)
式(8)中的相關(guān)系數(shù)r代表的是概率值,取值[-1,1]。當r>0時,說明2個變量存在正相關(guān);當r<0時,
則說明2個變量存在負相關(guān)。
假設(shè)2個變量間存在相關(guān)性,求出相關(guān)系數(shù),給定顯著水平α,查相關(guān)系數(shù)檢驗表,比較r和rα的大小,如果rgt;rα,說明在顯著水平α上2個變量之間具有相關(guān)性。具體相關(guān)程度可以參考表1。
2 成都地區(qū)太陽輻射的變化趨勢
2.1 太陽輻射的年際變化
根據(jù)線性傾向估計的方法,畫出1988—2007年成都地區(qū)年太陽輻射總量與年份的線性回歸曲線[1]。通過曲線分析,地面接收的太陽輻射整體呈現(xiàn)上升的趨勢,線性回歸趨勢方程為y=21.68x-4,太陽輻射以每年21.68 MJ/m2的變化趨勢上升,也就是說成都地區(qū)在這一時間段內(nèi)屬于“變亮”時期,這一變化也與前人研究的全球太陽輻射變化的大背景一致。
對太陽輻射在這一時間序列的上升趨勢進行顯著性檢驗。根據(jù)相關(guān)公式計算出太陽輻射與年份之間的相關(guān)系數(shù)r=0.51,統(tǒng)計量T=2.51。選顯著水平α=0.05,查t分布表得Tα=1.73,因為Tgt;Tα,所以認為變量年太陽輻射量的變化在α=0.05的水平上是顯著的。
從相關(guān)數(shù)據(jù)可知,年平均低云量隨時間變化呈下降趨勢,且這種趨勢非常明顯。從年代分析來看,年平均低云量在20世紀80年代呈下降趨勢,20世紀90年代后總云量變化緩慢,總體呈穩(wěn)定下降趨勢。年平均總云量下降趨勢緩慢,基本在平均值附近波動??偟膩碚f,成都地區(qū)年太陽總輻射隨時間變化呈上升趨勢,而年平均低云量和總云量隨時間變化呈下降趨勢。
2.2 太陽輻射的季節(jié)變化
2.2.1 總輻射各季節(jié)變化趨勢
成都地區(qū)夏季輻射的變化趨勢與年總輻射的變化趨勢一致,兩者的輻射最值都出現(xiàn)在1999年和2000年。這說明年太陽總輻射的總量主要取決于夏季總輻射,而太陽總輻射的年際變化也取決于夏季[2]。通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析,從時間變化來看,除了1996年,成都地區(qū)其他年份夏季太陽輻射與年太陽輻射的變化趨勢一致;從年際變化來看,19世紀20年代中后期開始,夏季輻射與年太陽輻射的變化趨勢圖形幾乎重合。結(jié)合全球地面太陽總輻射變化的背景分析得出結(jié)論:成都地區(qū)夏季太陽輻射與年太陽總輻射的變化是一致的,呈增長趨勢。
2.2.2 四季太陽輻射與低云量的趨勢對比
通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息,成都地區(qū)四季低云量呈下降趨勢。對比發(fā)現(xiàn),夏季太陽總輻射要明顯高于其他三季,而且隨著時間的增加夏季太陽總輻射相應(yīng)增加[3]。
2.3 太陽輻射的月際變化
從整體分析來看,成都地區(qū)月平均太陽輻射呈現(xiàn)先迅速增長到峰值后又下降的趨勢,而月平均總云量和月平均低云量表現(xiàn)出下降的趨勢,不過月平均總云量的下降趨勢更明顯[4]。
分析太陽輻射的月變化發(fā)現(xiàn),平均月總輻射表現(xiàn)出單峰形變化規(guī)律,滿足正態(tài)分布的變化特征,月總輻射經(jīng)歷了上升和下降2個階段,1—2月和2—5月太陽輻射明顯增加,到了7月初至8月初和8月后,出現(xiàn)兩次比較明顯的減少,尤其是8月后太陽輻射迅速減少,直至12月達到最小值。
通過得到的數(shù)據(jù)可知,月總云量的平均值為84%,
共有6個數(shù)據(jù)大于平均值,占總樣本數(shù)的50%,最大極值為6%,這表明月平均總云量在平均值上下波動。月總低云量的平均值為27%,存在5個數(shù)據(jù)低于平均水平,說明在每年的12個月低云量的變化波動較大,與月太陽總輻射的變化趨勢保持一致。
2.4 年太陽輻射的M-K突變分析
年太陽總輻射的M-K突變檢驗如圖1所示。除1989、1991和2003年,其他年份的UF曲線都大于0,
這表明太陽總輻射整體呈上升趨勢。給定顯著水平0.05,則置信區(qū)間為[-1.96,1.96],圖1中UF曲線和UB曲線共有2個交點,且這2個年份都在置信區(qū)間內(nèi),這表明太陽輻射在1994年和2004年出現(xiàn)突變,突變前、后的年平均太陽總輻射增加101.74 MJ/m2。同時M-K檢驗發(fā)現(xiàn)2004年發(fā)生了年太陽總輻射增加的突變,考慮到檢驗的子序列只選取到2007年,所以未能對2004年之后的年太陽總輻射的突變做出正確的檢驗。
3 影響成都地區(qū)太陽輻射的因子分析
3.1 云量與太陽輻射的相關(guān)性分析
3.1.1 總云量與太陽輻射的相關(guān)性
通過線性回歸方程得知,成都地區(qū)年平均總云量以每年1.54%的趨勢下降,總體下降的幅度較小,但其中出現(xiàn)了兩次(1989—1990年和1991—1992年)比較大的下降。
利用MATLAB軟件運行函數(shù)后,得到年平均總云量與年太陽輻射的相關(guān)系數(shù)為-0.49,給定顯著水平α=0.05,根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗表,rα=0.468。因為|r|gt;rα,由此可知,年太陽輻射與年總云量之間存在顯著的負相關(guān)的線性相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。
3.1.2 低云量與太陽輻射的相關(guān)性
利用線性回歸法繪制年平均低云量隨時間的線性回歸趨勢圖。趨勢方程為y=-0.2x+401.52,R2=0.72,這表明年平均低云量以每年2%的趨勢在下降,并且除了1988—1989年低云量略有上升,其他年份出現(xiàn)了明顯的下降。
充分利用年太陽輻射和年平均低云量的數(shù)據(jù),計算年太陽輻射與年平均低云量的相關(guān)系數(shù)r。求得r=0.08,給出顯著水平α=0.05,根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗表,rα=0.468。因為|r|lt;rα,由此可知,年太陽輻射與年總云量之間的線性關(guān)系不顯著(P>0.05)。
3.2 能見度與太陽輻射的相關(guān)性分析
從年際變化來看,成都地區(qū)年平均能見度的變化與全球太陽總輻射的變化趨勢是一致的,呈先減后增的變化趨勢。年平均能見度隨時間的增加以每年0.24 km的趨勢在增加,除了1992年和1993年稍有減少,其他時段都在穩(wěn)定增加。
3.3 相關(guān)性分析小結(jié)
為了進一步分析氣象因子與成都地區(qū)太陽輻射的關(guān)系,根據(jù)年、月、春季、夏季、秋季和冬季的時間序列,通過相關(guān)分析的方法求出該地區(qū)總云量、低云量、能見度與太陽輻射之間的相關(guān)系數(shù)(表2)。
綜上所述,成都地區(qū)總云量與太陽總輻射存在明顯的負相關(guān),尤其是夏、秋、冬三季總云量與太陽總輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著性檢驗。分析發(fā)現(xiàn)能見度是影響月太陽輻射和春季太陽輻射變化的主要因子,能見度與月太陽輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著檢驗。而年太陽總輻射的變化主要受總云量的影響,并且通過了0.05的顯著性檢驗。
4 結(jié)論
利用1988—2007年成都地區(qū)的太陽輻射、云量和能見度等氣象資料,分析該地區(qū)太陽輻射的變化趨勢及其影響因子,得到以下結(jié)論:
(1)成都地區(qū)太陽輻射在1988—2007年整體呈上升趨勢,這種趨勢通過了0.025的顯著性檢驗,并且這種趨勢與全球太陽輻射的變化趨勢保持一致。對年輻射變化進行M-K突變檢驗,結(jié)果表明:太陽輻射突變年份為1994年,突變前、后的年太陽總輻射增加101.74 MJ/m2。
(2)成都地區(qū)月平均太陽輻射的總體變化趨勢為先增后減,近似于正態(tài)分布,輻射最高的月份為5—8月。四季太陽輻射的變化特征表現(xiàn)為:夏季>春季>秋季>冬季,而且夏季太陽輻射的變化趨勢與年太陽輻射的趨勢是一致的。
(3)云量和能見度是影響成都地區(qū)太陽輻射變化的主要因子,其中總云量對太陽輻射的影響表現(xiàn)為負相關(guān),尤其是夏、秋、冬三季總云量對太陽輻射的相關(guān)性通過了0.01的顯著檢驗。能見度是影響月總輻射和春季總輻射的主要因素,且兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系,能見度與月輻射的相關(guān)系數(shù)達到了0.92。
(4)成都地區(qū)總云量和低云量總體呈下降趨勢,總云量下降趨勢顯著,低云量下降趨勢不顯著。一年中相關(guān)程度由大到小表現(xiàn)為:夏季>冬季>秋季>春季。
參考文獻
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作者簡介:盛嘉譽(1996—),男,青海樂都人,助理工程師,主要從事綜合氣象觀測、氣象信息與技術(shù)保障管理工作。#通信作者:張少晨(1997—),男,青海同仁人,助理工程師,主要從事綜合觀測、氣象信息網(wǎng)絡(luò)管理工作,E-mail:zsc8722888@vip.qq.com。