李春華，朱飆

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 氣象學(xué)院，蘭州 730021；2.甘肅省氣象局，蘭州 730020）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，新能源日益受到重視。在各種新能源中，風(fēng)能、太陽能具有無污染、可持續(xù)、總量大、分布廣、應(yīng)用形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國高度重視。近年來，我國也大力提倡發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新能源等產(chǎn)業(yè)，其中新能源產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展風(fēng)能、太陽能熱利用［1-5］和光伏/光熱發(fā)電、生物質(zhì)能等。西北四省的風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量發(fā)展迅速，但風(fēng)能、太陽能存在能量密度低、因地而異、因時(shí)而變等不足。我國西北地區(qū)地形復(fù)雜，氣候類型多樣，是西北干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)、青藏高原高寒氣候區(qū)的交匯地，同時(shí)是氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。同時(shí)，該地區(qū)是我國風(fēng)能資源豐富區(qū)，氣溫日差較大，太陽輻射強(qiáng)，太陽能資源總體明顯優(yōu)于全國其他地區(qū)。

相關(guān)科研工作者對我國西北地區(qū)太陽能資源開展了相關(guān)研究。保廣裕等［6］分析了青海省全境太陽曝輻量變化規(guī)律及分布特征，發(fā)現(xiàn)青海省年太陽總曝輻量由西北向東南逐漸遞減，全省年太陽總曝輻量超過6 000 MJ/m2的有42個(gè)站點(diǎn)，占全省站點(diǎn)總數(shù)的84%。日太陽曝輻量在4—8 月最高，日輻射持續(xù)時(shí)間從3 月開始增加，9 月開始減少。朱飆等［7］利用甘肅省6 個(gè)輻射站的資料，采用氣候?qū)W方法計(jì)算評估了甘肅省太陽能資源，并給出了甘肅省太陽能參數(shù)的空間分布圖。結(jié)果表明，甘肅省中部、西部地區(qū)太陽能資源豐富。劉孝敏等［8］以甘肅省典型氣象年數(shù)據(jù)為研究對象，分析甘肅省太陽能資源的時(shí)空分布特征，并分析了甘肅省太陽能熱利用潛力和節(jié)能減排效益。達(dá)選芳等［9］在對甘肅省太陽總曝輻量預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正研究中發(fā)現(xiàn)，總云量對太陽輻射的衰減作用貢獻(xiàn)最大，其次為相對濕度。大氣透過率與氣溫呈顯著正相關(guān)，而與相對濕度、氣壓、總云量呈顯著負(fù)相關(guān)。吳林榮等［10］分析了陜西省太陽總曝輻量和日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，陜西省太陽總曝輻量和日照時(shí)數(shù)一致呈現(xiàn)從北向南遞減趨勢，且在渭北高原一帶存在太陽總曝輻量和日照時(shí)數(shù)的次高值區(qū)。研究結(jié)果可為區(qū)域氣候變化研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及太陽能資源利用提供參考依據(jù)。韓世濤等［11］對寧夏太陽能資源進(jìn)行評估分析，結(jié)果表明，寧夏屬于太陽能資源較豐富區(qū)，太陽能可利用時(shí)間較長，資源較穩(wěn)定，開發(fā)利用總體條件較好。周揚(yáng)等［12］用統(tǒng)計(jì)分析和插值相結(jié)合的方法，以太陽總曝輻量和日照時(shí)數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，分析了西北四省近50年來太陽能資源的時(shí)空變化特征。

上述研究雖然詳細(xì)介紹了我國西北地區(qū)太陽能資源，但結(jié)論主要集中在對太陽能資源的量化分析上，未對全球變暖背景下該地區(qū)太陽能資源的長期變化趨勢進(jìn)行分析。加之西北地區(qū)地域廣大，各地受到不同的天氣系統(tǒng)影響，太陽輻射必然存在差異［13］。因此，在對我國西北四省太陽總曝輻量特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對太陽總曝輻量的多年變化趨勢進(jìn)行分析，對于認(rèn)識西北四省太陽能資源的長期趨勢與光伏電廠建成后長期收益與投資風(fēng)險(xiǎn)防范上有一定的參考價(jià)值。

1 資料和分析方法

1.1 資料

采用西北四省268個(gè)站點(diǎn)1978—2017年的月曝輻量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心，已經(jīng)過質(zhì)量控制，并按照規(guī)范進(jìn)行歸檔［14］。文中涉及地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2022）4307號的中國地圖，使用Golden Software公司Surfer 8.0軟件繪制，底圖無修改。

1.2 方法

太陽能資源通常用年太陽總曝輻量來表示，由于太陽總曝輻量觀測站點(diǎn)比較稀疏、資料缺乏，為獲得未開展該項(xiàng)觀測地區(qū)的總曝輻量，通常采用氣象地面站觀測的日照時(shí)數(shù)、氣溫等數(shù)據(jù)資料?？紤]區(qū)域地形狀況，基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法和太陽輻射大氣衰減物理過程的太陽總曝輻量綜合估算模型進(jìn)行推算，前人對此作了深入研究［15-18］，其方法目前依然為使用。近年來，周勇等［19］對比分析12個(gè)基于日照百分率和12 個(gè)基于溫度的日總太陽曝輻量計(jì)算模型在我國不同氣候區(qū)的適用性。采用估算值精度高的Hybrid 模型計(jì)算年太陽曝輻量，模型的基本公式為［20］

式中：H為日太陽曝輻量，MJ/（m2·d）；Hb，clear為直接曝輻量，MJ/（m2·d）；Hd，clear為散射曝輻量，MJ/（m2·d）；τc為云透射率；n/N為日照率。經(jīng)與曝輻量實(shí)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果相對于實(shí)測值的平均偏差為0.011 7 MJ/（m2·d），相對偏差為0.08%，均方根誤差為2.440 0 MJ/（m2·d）。

在分析西北四省太陽總曝輻量的長期變化趨勢時(shí)，采用氣候趨勢系數(shù)進(jìn)行分析。氣候趨勢系數(shù)為n個(gè)時(shí)刻（年）的要素序列與自然數(shù)列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)，可表示為

式中：n為年數(shù)；xi為第i年要素值；xˉ為多年平均值；當(dāng)rxt為正（負(fù)）時(shí)，表示該要素在所計(jì)算的n年內(nèi)有線性增（降）的趨勢。

2 西北四省太陽能資源

2.1 西北四省年、季太陽總曝輻量空間分布

經(jīng)計(jì)算，西北四省1978—2017 年平均年太陽總曝輻量變化范圍為3 676～7 036 MJ/m2，如圖1 所示，西北四省區(qū)的太陽能資源分布特征與全國太陽能資源分布西北地區(qū)的結(jié)論一致［21］。分布趨勢自西北向東南逐漸遞減，高值區(qū)主要在青海大部、甘肅河西西部、寧夏大部與陜西北部。其中，青海省西部海拔高、日照強(qiáng)，年太陽總曝輻量最高，大部分地區(qū)全年太陽總曝輻量高于6 600 MJ/m2；青海省中東部大部分地區(qū)、甘肅河西走廊地區(qū)年太陽總曝輻量為6 000～6 600 MJ/m2；甘肅河?xùn)|大部，陜北南部、關(guān)中大部年太陽總曝輻量為4 800～5 400 MJ/m2。甘肅隴南地區(qū)丘陵、盆地相間，濕潤多雨，同一緯度的陜南受秦嶺山脈影響，加之雨量充沛，年太陽總曝輻量僅為4 200～4 800 MJ/m2，是西北四省年太陽總曝輻量的低值區(qū)［22-23］。

西北四省冬季（12月—次年2月）太陽總曝輻量為511～1 193 MJ/m2，其中青海、甘肅河西中東部、寧夏大部、陜西北部地區(qū)大于900 MJ/m2，甘肅河西西部、甘肅南部、陜西關(guān)中地區(qū)，冬季太陽總曝輻量為700～900 MJ/m2，陜南南部、甘肅南部少部分地區(qū)冬季太陽總曝輻量低于700 MJ/m2，如圖2a 所示。西北四省春季（3—5 月）太陽總曝輻量為1 091～2 104 MJ/m2，自西北向東南逐漸遞減，高值區(qū)域在青海大部、甘肅河西、寧夏北部地區(qū)，年太陽總曝輻量高于1 800 MJ/m2；甘肅南部偏南地區(qū)、陜西南部的漢中、安康地區(qū)，年太陽總曝輻量低于1 400 MJ/m2；甘肅河?xùn)|大部、寧夏南部、陜北大部地區(qū)年太陽總曝輻量為1 400～1 800 MJ/m2，如圖2b 所示。夏季（6—8月）太陽總曝輻量為1 350～2 343 MJ/m2，是全年中太陽總曝輻量最高的季節(jié)。青海大部、甘肅河西走廊及中部、寧夏大部、陜西北部地區(qū)夏季太陽總曝輻量大于1 800 MJ/m2，甘肅南部、陜南大部地區(qū)夏季太陽總曝輻量低于1 600 MJ/m2，其余地區(qū)為1 600～1 800 MJ/m2，如圖2c 所示。秋季（9—11 月）太陽總曝輻量僅723～1 557 MJ/m2，相比夏季下降幅度明顯，也低于春季，略高于冬季，說明西北四省太陽總輻射資源主要集中在春、夏季節(jié)。青海大部、甘肅河西走廊、寧夏北部地區(qū)秋季太陽總曝輻量均高于1 300 MJ/m2，甘肅南部、陜西南部地區(qū)太陽總曝輻量低于900 MJ/m2，其余地區(qū)秋季太陽總曝輻量為900～1 300 MJ/m2，如圖2d 所示。值得注意的是，位于青海、甘肅兩省交界處的祁連山地區(qū)地形復(fù)雜、海拔變化較大，加之地面日照時(shí)數(shù)觀測站點(diǎn)少，實(shí)際中因地形遮擋，太陽總曝輻量或小于圖2所示。

圖2 西北四省四季太陽總曝輻量空間分布（截圖）Fig.2 Seasonal solar radiation spatial distribution of the four provinces in northwestern China（screenshot）

綜上所述，西北四省太陽總曝輻量四季變化明顯，除青海省中部部分地方太陽總曝輻量各個(gè)季節(jié)均低于周圍地區(qū)外，西北四省大部分地區(qū)太陽總曝輻量各季節(jié)分布都呈現(xiàn)自西北向東南遞減的規(guī)律，其中絕大部分地方春、夏季節(jié)太陽總曝輻量對于全年貢獻(xiàn)較大，占60%以上。

2.2 太陽總曝輻量月變化

由于太陽與地球距離的變化，太陽總曝輻量在一年內(nèi)變化明顯。選取西北四省10 個(gè)具有代表性的站，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)繪制太陽總曝輻量年內(nèi)變化如圖3 所示。由圖3 可見，西北四省代表站太陽總曝輻量年內(nèi)變化趨勢一致，1—4 月快速升高、5—7 月達(dá)到最大值，8—11月快速下降、12月為最低值。

圖3 西北四省代表站太陽總曝輻量年內(nèi)變化Fig.3 Annual variation of total solar exposure at representative stations in the four northwestern provinces

2.3 海拔對太陽總曝輻量影響

對日照影響較大的地理因素主要包括地形坡向與海拔高度。海拔高度越高、空氣越稀薄，大氣對太陽輻射的削弱就越少，到達(dá)地面的太陽曝輻量越多，尤其是紫外線更強(qiáng)。西北地區(qū)地形復(fù)雜，祁連山脈、秦嶺山脈區(qū)域海拔高度為286～4 612 m，差異巨大。太陽年總曝輻量隨海拔增高略有增加，兩者大致呈線性正相關(guān)，如圖4所示，海拔高度平均每升高100 m，年總曝輻量大約增加46 MJ/m2。

圖4 西北四省年太陽總曝輻量隨海拔高度變化Fig.4 Annual solar radiation of the four provinces in northwestern varying with altitude

太陽總曝輻量隨海拔高度略有增加在多年平均年太陽總曝輻量空間分布及冬、春、夏、秋太陽曝輻量的空間分布上也有體現(xiàn)，秦嶺山脈所在位置太陽總曝輻量明顯較低，而位于青海與甘肅交界處的祁連山脈大部分海拔高度高于3 500 m，因此該區(qū)域太陽總曝輻量明顯較高。當(dāng)然，海拔只是影響太陽總曝輻量的因素之一，氣候系統(tǒng)［13］及其引起的當(dāng)?shù)乜罩性屏康亩喙眩?4］對于太陽曝輻量的影響則是主要因素。

2.4 西北四省太陽總曝輻量變化趨勢

圖5為西北四省各地太陽總曝輻量多年變化趨勢。由圖5 可見，西北區(qū)域太陽總曝輻量變化趨勢表現(xiàn)為大部分地區(qū)以減少為主，其中以青海省中西部大部區(qū)域減少最為明顯，線性趨勢系數(shù)為-0.11～-0.22，甘肅河西西部與武威地區(qū)、隴南地區(qū)、隴東北部、陜北部分地區(qū)、陜南北部表現(xiàn)為一致增加，其中甘肅河西西部與武威地區(qū)、陜北部分地區(qū)增加趨勢明顯，線性趨勢系數(shù)在0.07以上。

圖5 西北四省年太陽總曝輻量多年變化趨勢（截圖）Fig.5 Variation trend of total radiation of the four provinces in northwestern in recent years（screenshot）

圖6為西北四省太陽總曝輻量各季節(jié)變化趨勢。西北四省冬季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6a所示，青海西部、甘肅河西西部與河西東部、陜北大部地區(qū)、陜南少部地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢，其余大部地區(qū)表現(xiàn)為一致減少趨勢，寧夏北部、甘肅蘭州及青海格爾木、德令哈、同德等地減少趨勢明顯。西北四省春季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6b所示，大致以祁連山為界，祁連山以西的青海省大部總曝輻量總體表現(xiàn)為減少趨勢，尤其是青海省南部地區(qū)減少趨勢更加明顯。青海省北部與祁連山以東的甘肅、寧夏、陜西除個(gè)別地方外，春季太陽總曝輻量表現(xiàn)為一致增加的趨勢，增加趨勢比較明顯的區(qū)域主要在甘肅省酒泉大部、武威大部、陜北部分地區(qū)。西北四省夏季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6c所示，表明青海、甘肅河西中部、寧夏北部、陜西中北部地區(qū)表現(xiàn)為一致減少，其中青海省西部地區(qū)減少趨勢最明顯。由于夏季曝輻量對全年的貢獻(xiàn)最明顯，所以西北四省太陽能夏季變化趨勢與年變化趨勢非常接近。甘肅大部、寧夏南部、陜南部分地區(qū)呈現(xiàn)略微增加的趨勢，其中甘肅酒泉北部、武威東部、陜北個(gè)別地區(qū)增加趨勢明顯。西北四省秋季多年太陽總曝輻量除個(gè)別地方外均呈現(xiàn)減少趨勢，其中青海省中西部地區(qū)減少趨勢最大，甘肅中部、寧夏北部、陜北部分地區(qū)減少趨勢明顯，如圖6d所示。其原因應(yīng)與西北地區(qū)多年云量變化趨勢有關(guān)。據(jù)劉柏鑫等研究［16］，近36年我國北方絕大部分地區(qū)年均云量呈增加趨勢，同時(shí)各季節(jié)云量均增加，秋季北方云量增加趨勢較夏季更顯著。

圖6 西北四省太陽總曝輻量各季節(jié)變化趨勢（截圖）Fig.6 Seasonal variation of total solar radiation of the four provinces in northwestern（screenshot）

2.5 西北四省太陽能資源區(qū)劃

根據(jù)GB/T 31155—2014《太陽能資源等級 總輻射》，以年太陽能總曝輻量為指標(biāo)，可將西北四省劃分為太陽能資源Ⅰ類區(qū)（最豐富區(qū)，年太陽總曝輻量＞6 300 MJ/m2）、Ⅱ類區(qū)（很豐富區(qū)，年太陽總曝輻量為5 040～6 300 MJ/m2）和Ⅲ類區(qū)（豐富區(qū)，年太陽總曝輻量為3 780～5 039 MJ/m2），如圖7 所示。其中，Ⅰ類區(qū)包括青海西部、北部、中部等大部分地區(qū)、甘肅河西走廊西部、中部地區(qū)；Ⅱ類區(qū)包括青海東南部、甘肅河?xùn)|除南部外的大部分區(qū)域、寧夏大部、陜西北部、關(guān)中地區(qū)；Ⅲ類區(qū)主要包括甘肅南部、陜南大部。

圖7 西北四省太陽能資源區(qū)劃（截圖）Fig.7 Solar energy resources zoning of the four provinces in northwestern China（screenshot）

綜上所述，西北四省太陽能資源豐富，可開發(fā)時(shí)間長，加之西北西部干旱少雨，多為荒漠戈壁，人煙稀少，地勢平坦，基本無作物種植。在此開發(fā)太陽能不占用農(nóng)田，易于鋪設(shè)道路，開發(fā)成本低，同時(shí)每年太陽能可利用時(shí)間長，有利于太陽能穩(wěn)定、持續(xù)地開發(fā)利用。

3 結(jié)論

（1）西北四省各地的年太陽總曝輻量為3 676～7 036 MJ/m2，分布趨勢自西北向東南逐漸遞減，年太陽總輻射高值區(qū)主要在青海大部、甘肅河西西部、寧夏大部與陜西北部；各季年太陽總曝輻量分布形勢同樣是自西北向東南逐漸遞減，夏季最高，春季次之，冬季最低。海拔增高會(huì)引起太陽年總曝輻量升高，兩者大致呈線性正相關(guān)，海拔高度每升高100 m，年太陽總曝輻量增加約46 MJ/m2。

（2）從西北四省10個(gè)代表站太陽總曝輻量年內(nèi)變化看，各地變化態(tài)勢一致，1—4 月快速增高、5—7月達(dá)到最大值，8—12月快速下降、12月為最低值。

（3）西北四省各地太陽總曝輻量多年氣候趨勢系數(shù)為-0.22～0.18，顯示該地區(qū)太陽總曝輻量總體表現(xiàn)為大部分地區(qū)減少，其中以青海省中西部大部區(qū)域減少最為明顯，甘肅河西西部與武威地區(qū)、隴南地區(qū)、隴東北部、陜北部分地區(qū)、陜南北部表現(xiàn)為一致增加，其中甘肅河西西部與武威地區(qū)、陜北部分地區(qū)增加趨勢明顯。各季變化趨勢空間分布與年類似，但秋季多年太陽總曝輻量呈現(xiàn)一致減少趨勢的范圍在四季中最大，大部區(qū)域氣候趨勢系數(shù)為-0.18～0.06，春季多年太陽總曝輻量呈現(xiàn)一致增加趨勢的范圍在四季中最大。

本文從區(qū)域角度分析了我國西北四省太陽能總曝輻量的空間分布特征與多年變化趨勢，其中對于西北四省的太陽能資源分布特征與區(qū)劃與全國太陽能資源分布西北地區(qū)結(jié)論相一致，但本文進(jìn)一步補(bǔ)充分析了該地區(qū)太陽能的長期變化趨勢，明確了從長期看，年、季太陽曝輻量增多與減少的區(qū)域，對于在目前西北地區(qū)氣候暖濕化背景下該地區(qū)光伏電廠建設(shè)及建成后長期收益估算與風(fēng)險(xiǎn)防范有一定的參考價(jià)值，對今后開發(fā)利用前景具有指導(dǎo)作用，同時(shí)為研究區(qū)充分利用太陽能資源提供理論參考。未來，隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，太陽能利用成本不斷下降，轉(zhuǎn)化效率不斷提高，太陽能的占比將逐步提升。當(dāng)然，本文雖采用了精度較高的Hybrid 模型計(jì)算太陽曝輻量，但未對復(fù)雜地形區(qū)進(jìn)行額外的再次訂正，后續(xù)研究將借鑒他人的研究成果，對于復(fù)雜山地的數(shù)據(jù)再進(jìn)行進(jìn)一步校正。