曾燕，王珂清，謝志清，苗茜

(江蘇省氣候中心，江蘇南京210008)

江蘇省太陽(yáng)能資源評(píng)估

曾燕，王珂清，謝志清，苗茜

(江蘇省氣候中心，江蘇南京210008)

采用1:25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象站觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽(yáng)總輻射量分布式模擬，并分析了江蘇省太陽(yáng)總輻射量的時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明:江蘇省氣候平均太陽(yáng)總輻射量為4 749 MJ/m2，呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點(diǎn)，連云港市最高(5 063 MJ/m2)，無(wú)錫市最低(4 514 MJ/m2)。太陽(yáng)總輻射量在年內(nèi)變化特點(diǎn)為，5月最高，12月最低。結(jié)合常規(guī)氣象站日照時(shí)數(shù)觀測(cè)資料，從年日照時(shí)數(shù)、年日照時(shí)數(shù)≥6 h的天數(shù)以及日照時(shí)數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值分析了江蘇省太陽(yáng)能資源的穩(wěn)定度特征，其總體規(guī)律依然是西南至東北走向，即江蘇省東北部地區(qū)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用優(yōu)勢(shì)最高。

江蘇省;太陽(yáng)總輻射;太陽(yáng)能;資源評(píng)估

0 引言

太陽(yáng)能資源是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源。我國(guó)太陽(yáng)輻射資源比較豐富，開(kāi)發(fā)利用的前景非常廣闊(王炳忠，1983;王炳忠等，1998)。受氣候、地理等環(huán)境的影響，我國(guó)太陽(yáng)輻射資源的分布具有明顯的地域性(鞠曉慧等，2006;曹雯和申雙和，2008;蔡子穎等，2009;尹靜秋等，2011)。因此，要合理地開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)輻射資源，首先必須了解各地區(qū)太陽(yáng)輻射的詳細(xì)分布情況(Maxwell，1998)。

江蘇省位于中緯度亞洲大陸東岸，東臨黃海，地處長(zhǎng)江、淮河下游，地勢(shì)平坦，江、河、湖水網(wǎng)交織，屬亞熱帶和暖溫帶過(guò)渡氣候帶，季風(fēng)特征明顯，自然條件優(yōu)越，氣候資源豐富。全省面積10.3萬(wàn)km2，平原面積約占全省總面積的68%，所有平原的海拔高度都在45 m以下，其中50%在10 m甚至5 m以下。由于全省只有3個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站，僅僅依靠其觀測(cè)資料描述太陽(yáng)輻射資源的空間分布是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的太陽(yáng)輻射擬合模型。

地表接收太陽(yáng)總輻射的多少是天空與地面因素綜合作用的結(jié)果，除受大氣狀況、天文因子、地理因子影響外，在實(shí)際地形下，還受地形起伏造成的坡度、坡向和地形遮蔽的影響，使得地表太陽(yáng)總輻射的計(jì)算變得非常復(fù)雜。李占清和翁篤鳴(1987，1988)為解決地形對(duì)輻射的遮蔽影響問(wèn)題，在日照計(jì)算方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的嘗試。Dozier and Frew(1990)、李新等(1996，1999)先后嘗試?yán)脭?shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行了山地太陽(yáng)輻射計(jì)算的理論研究和區(qū)域試驗(yàn)。Qiu et al.(2008)、曾燕等(2005a，2005b，2008)依據(jù)起伏地形下太陽(yáng)輻射構(gòu)成機(jī)理，從起伏地形下太陽(yáng)總輻射3個(gè)構(gòu)成成分——直接輻射、散射輻射、周圍地形反射輻射入手，基于DEM建立了依托常規(guī)氣象站觀測(cè)資料的太陽(yáng)總輻射分布式模型。

本文利用太陽(yáng)總輻射分布式模型，實(shí)現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽(yáng)輻射資源的計(jì)算，并對(duì)其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了探討，該結(jié)果可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為江蘇省太陽(yáng)輻射資源的開(kāi)發(fā)利用提供指導(dǎo)。

1 資料與研究方法

1.1 資料

研究所用數(shù)據(jù)資料主要有常規(guī)氣象觀測(cè)資料、基礎(chǔ)地理信息資料和遙感資料。各種資料的詳細(xì)說(shuō)明如下。

氣象資料:1961—2008年江蘇省及其周邊78個(gè)氣象站逐日觀測(cè)資料，含日照百分率、日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射量3種要素，其中日照百分率和日照時(shí)數(shù)資料為全部78個(gè)站(70個(gè)站位于江蘇境內(nèi))，太陽(yáng)輻射量(總輻射、直接輻射、散射輻射)資料為11個(gè)站(3個(gè)站位于江蘇境內(nèi))。

基礎(chǔ)地理信息資料:江蘇省1:25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，分辨率為100 m×100 m。

遙感資料:1981—2000年逐月NOAA-AVHRR通道1和2觀測(cè)數(shù)據(jù)，分辨率為8 km×8 km，取自“NOAA/NASA Pathfinder AVHRR Land Data Set”。

1.2 太陽(yáng)總輻射分布式模型

起伏地形下，地表接收的太陽(yáng)總輻射Qαβ(曾燕等，2008)可表示為

式中:Qbαβ為起伏地形下太陽(yáng)直接輻射;Qdαβ為起伏地形下太陽(yáng)散射輻射;Qrαβ為起伏地形下周圍地形反射輻射。

式中:Q0αβ為起伏地形下天文輻射，根據(jù)起伏地形下天文輻射模型(曾燕等，2005a)計(jì)算獲得;Q0為水平面天文輻射，采用理論公式(左大康等，1991)計(jì)算;Rb為起伏地形下天文輻射與水平面天文輻射之比，又稱轉(zhuǎn)換因子，表示局地地形對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響(曾燕等，2005a);Qb為水平面直接輻射，為不考慮地形影響時(shí)地表接收的太陽(yáng)直接輻射量。

式中:aG、bG、a、b、c分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);s為日照百分率;Q0含義同(2)式。

式中:V為地形開(kāi)闊度，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)計(jì)算獲得(Qiu et al.，2008);Q0與Rb含義同(2)式;Qd為水平面散射輻射，是不考慮地形因子影響情況下地表接收的太陽(yáng)散射輻射量。

式中:aG、bG、a、b、c、s含義同(3)式;Q0含義同(2)、(3)式。

水平面直接輻射Qb與散射輻射Qd之和等于水平面總輻射Q(Iqbal，1983)，即:

式中:Q為水平面太陽(yáng)總輻射，指不考慮地形影響情況下地面接收到的太陽(yáng)總輻射量。

式中:V含義同(4)式;αs為地表反照率，采用Valiente給出的公式計(jì)算地表反照率(Valiente et al.，1995):

式中:ρCH1、ρCH2為NOAA-AVHRR通道1和2的觀測(cè)值。

1.3 模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定

(3)與(5)式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)aG、bG、a、b、c需用實(shí)測(cè)資料擬合確定。其中:aG、bG由水平面月太陽(yáng)總輻射量資料結(jié)合月平均日照百分率資料來(lái)確定;a、b、c由水平面月太陽(yáng)直接輻射/散射輻射量資料結(jié)合月平均日照百分率資料來(lái)確定。氣象站均設(shè)置在水平開(kāi)闊地段，因此其觀測(cè)的太陽(yáng)輻射資料即為水平面結(jié)果。由于江蘇省具有水平面太陽(yáng)總輻射Q觀測(cè)資料的氣象站僅淮安、南京、呂泗3個(gè)，具有水平面太陽(yáng)直接Qb觀測(cè)資料的氣象站僅南京1個(gè)，所以采用與周邊莒縣、臨沂、濟(jì)寧、合肥、上海、杭州、寶山、慈溪8個(gè)氣象站太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)集群的方式來(lái)建立擬合模型，充分考慮模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的時(shí)空穩(wěn)定性，建立“局地分月模型”。即:通過(guò)自動(dòng)搜索程序，將局部區(qū)域位置鄰近的幾個(gè)站(3～5個(gè)站)同一個(gè)月份的多年太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)集，依據(jù)模型(6)確定該局部1—12月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)aG和bG，依據(jù)模型(3)或(5)確定1—12月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b和c，以誤差最小為原則，確定最優(yōu)數(shù)據(jù)集，并以此獲得各站最優(yōu)1—12月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)aG、bG、a、b和c(表略)。

使用IDW(inverse distance weight)插值法，對(duì)11站經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行空間內(nèi)插，像元分辨率設(shè)定為100 m×100 m，獲得1—12月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)aG、bG、a、b和c的空間分布，并以此讀取獲得其余67個(gè)站對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1.4 模擬結(jié)果誤差分析

江蘇省境內(nèi)僅有3個(gè)臺(tái)站具有總輻射觀測(cè)資料，即淮安、南京、呂泗。為了驗(yàn)證太陽(yáng)總輻射分布式模型的模擬精度，現(xiàn)將3個(gè)臺(tái)站實(shí)測(cè)的1961—2008年氣候平均逐月太陽(yáng)總輻射量與模擬量進(jìn)行比較分析。由表1可以看出，與觀測(cè)值比較，淮安站最大相對(duì)誤差為10.10%，最小相對(duì)誤差為0.71%;南京站最大相對(duì)誤差為6.55%，最小相對(duì)誤差為1.57%;呂泗站最大相對(duì)誤差為11.60%，最小相對(duì)誤差為0.16%。除個(gè)別月份外，3站大部分月份相對(duì)誤差小于5%，各站平均相對(duì)誤差均小于5%。由此證明，太陽(yáng)總輻射分布式模型的模擬精度較高，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 江蘇省氣候平均逐月太陽(yáng)總輻射模擬結(jié)果的相對(duì)誤差Table 1 Relative error of simulated normals of monyhly global solar radiation in Jiangsu%

2 江蘇省太陽(yáng)總輻射量時(shí)空分布特征

2.1 年太陽(yáng)總輻射量空間分布特征

根據(jù)起伏地形下江蘇省1961—2008年1—12月氣候平均太陽(yáng)總輻射量空間分布，合成全省年太陽(yáng)總輻射量空間分布(圖1)，各地級(jí)市年太陽(yáng)總輻射量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由圖1可以看出，江蘇省太陽(yáng)總輻射在宏觀空間分布上體現(xiàn)了云量、大氣透明度等天空因素的影響，局部紋理特征又體現(xiàn)了坡度、坡向和周圍地形相互遮蔽等地面因素對(duì)總輻射的影響。全省氣候平均年太陽(yáng)總輻射量為2 978～5 657 MJ/m2，平均為4 749 MJ/m2。呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點(diǎn)，連云港市最高，為5 063 MJ/m2，無(wú)錫市最低，為4 514 MJ/m2。根據(jù)王炳忠(1983)的太陽(yáng)能區(qū)劃指標(biāo)，即根據(jù)全國(guó)年太陽(yáng)總輻射量空間分布，將全國(guó)劃分為4個(gè)等級(jí)區(qū)，江蘇省位于第三等級(jí)區(qū)，屬于資源一般帶。

表2 江蘇省氣候平均年太陽(yáng)總輻射量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics of annual global solar radiation in Jiangsu MJ/m2

圖1 江蘇省氣候平均年太陽(yáng)總輻射量的空間分布(單位:MJ/m2)Fig.1 Normals of annual global solar radiation in Jiangsu(units:MJ/m2)

2.2 太陽(yáng)總輻射量月、季變化特征

圖2給出了江蘇省太陽(yáng)總輻射量1—12月的變化情況。可以看出，總輻射量以5—8月為高值，又以5月為最高(532 MJ/m2)。1月、12月為低值，且以12月為最低(238 MJ/m2)。5—8月太陽(yáng)高度角較高，全省總輻射量普遍較高，地形因子的影響作用減弱，氣候因子占主導(dǎo)地位，其中6月總輻射量較5月、7月和8月略偏低，體現(xiàn)了江淮梅雨的影響，梅雨期間日照時(shí)數(shù)下降，地表接收到的太陽(yáng)總輻射量也下降。

圖2 江蘇省氣候平均太陽(yáng)總輻射量的逐月變化(單位:MJ/m2)Fig.2 Monthly change of normals of global solar radiation in Jiangsu(units:MJ/m2)

以3—5月代表春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，1、2月和翌年12月為冬季，分析總輻射量的季節(jié)變化特征(圖略)。江蘇省春、夏、秋、冬氣候平均總輻射量分別為1 366、1 559、1 059和765 MJ/m2，即:夏季＞春季＞秋季＞冬季。在全省總輻射量的空間差異上，以春季為最大，秋季最小。

3 江蘇省日照與太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度特征

太陽(yáng)總輻射量的空間分布反映的是一種太陽(yáng)能資源的年總量情況，在太陽(yáng)能資源利用時(shí)除了應(yīng)具體考慮其資源總量外，還必須了解其年內(nèi)分配的穩(wěn)定情況，它往往會(huì)直接影響資源的可利用性以及利用效率，采用日照時(shí)數(shù)資料進(jìn)行分析。

將江蘇省及其周邊78個(gè)站1961—2008年逐日日照時(shí)數(shù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得各站日照時(shí)數(shù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行空間內(nèi)插，獲得全省空間分布圖。

圖3為江蘇省氣候平均年日照時(shí)數(shù)的空間分布?？梢钥闯觯淇臻g分布格局與太陽(yáng)總輻射量情況大體一致，也呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點(diǎn)。高值區(qū)淮北東北部超過(guò)2 300 h，低值區(qū)太湖周圍為1 900 h左右。全省年日照時(shí)數(shù)為1 840～2 560 h，平均為2 128 h。

圖4給出了江蘇省氣候平均年日照時(shí)數(shù)≥6 h的天數(shù)。可以看出，其分布與年日照時(shí)數(shù)類似，東北部最高(超過(guò)220 d)，西南部最低(低于190 d)。全省年日照時(shí)數(shù)≥6 h天數(shù)為175～247 d，平均為206 d。

用日照時(shí)數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值來(lái)描述太陽(yáng)能資源全年分布的變幅和太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度;其值越小，天氣氣候條件越穩(wěn)定，越有利于太陽(yáng)能資源利用(王炳忠，1983)。由圖5可以看出，該指標(biāo)空間分布依然是西南至東北走向，即東北部最小(1.3左右)，西南部最高(1.5～1.7);全省該指標(biāo)為1.20～1.88，平均為1.43。

圖3 江蘇省氣候平均年日照時(shí)數(shù)(單位:h)Fig.3 Normals of annual sunshine hours in Jiangsu(units:h)

圖4 江蘇省氣候平均年日照時(shí)數(shù)≥6 h的天數(shù)(單位:d)Fig.4 Normals of annual days with daily sunshine hours≥6 h in Jiangsu(units:d)

4 結(jié)論

以太陽(yáng)總輻射分布式模型為基礎(chǔ)，基于DEM及常規(guī)氣象觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了江蘇省100 m×100 m分辨率太陽(yáng)總輻射量分布式模擬。根據(jù)太陽(yáng)總輻射量模擬結(jié)果和常規(guī)氣象站日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，獲得江蘇省氣候平均太陽(yáng)能資源的主要特征如下:

1)年太陽(yáng)總輻射量為2 978～5 657 MJ/m2，平均為4 749 MJ/m2。呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點(diǎn)，連云港市最高，為5 063 MJ/m2，無(wú)錫市最低，為4 514 MJ/m2。在逐月變化上，最高值出現(xiàn)在5月，最低值出現(xiàn)在12月。在季節(jié)變化上，夏季最高，春季次之，冬季最小。

2)年日照時(shí)數(shù)空間分布格局與太陽(yáng)總輻射量情況大體一致，也呈現(xiàn)由西南向東北遞增的特點(diǎn)。高值區(qū)淮北東北部超過(guò)2 300 h，低值區(qū)太湖周圍為1 900 h左右。全省年日照時(shí)數(shù)為1 840～2 560 h，平均為2 128 h。

3)年日照時(shí)數(shù)≥6 h的天數(shù)分布與年日照時(shí)數(shù)類似，東北部最高，超過(guò)220 d，西南部最低，低于190 d。全省年日照時(shí)數(shù)≥6 h天數(shù)為175～247 d，平均為206 d。

4)日照時(shí)數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)比值的空間分布，依然是西南至東北走向，東北部最小，為1.3左右，西南部最高，為1.5～1.7。全省該指標(biāo)為1.20～1.88，平均為1.43?？傮w而言，江蘇的太陽(yáng)能資源可利用穩(wěn)定度在東北部最好。

圖5 江蘇省氣候平均日照時(shí)數(shù)≥6 h的最多天數(shù)月份與最少天數(shù)月份的天數(shù)的比值Fig.5 Normals of the ratio of the maximum to the minimum of monthly days with daily sunshine hours≥6 h in Jiangsu

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Solar radiation resources estimation in Jiangsu Province

ZENG Yan，WANG Ke-qing，XIE Zhi-qing，MIAO Qian
(Jiangsu Climate Center，Nanjing 210008，China)

Using the data of DEM with scale of 1:250 000 and routine meteorological observations，this paper achieves the distributed simulation of global solar radiation(GSR)of Jiangsu Province.Spatial distribution maps of normals of monthly and annual GSR with the resolution of 100 m×100 m of Jiangsu Province are generated and their spatio-temporal distribution characteristics are analyzed.The results are as follows:1)The normals of annual GSR in Jiangsu Province is 4 749 MJ/m2;2)The annual GSR has a progressive increasing trend from southwest to northeast，i.e.Lianyungang has the highest value of 5 063 MJ/m2and Wuxi the lowest value of 4 514 MJ/m2;3)GSR in Jiangsu Province reaches the highest in May and the lowest in December.The statistics of sunshine hours observations，i.e.annual sunshine hours，annual days with daily sunshine hours≥6 h and the ratio of the maximum to the minimum of monthly days with daily sunshine hours≥6 h，are used to analyze the stability of solar radiation resource in Jiangsu.Its pattern also has a southwest to northeast change trend，which is to say that the northeast region of Jiangsu has the highest predominance in solar energy utilizing.

Jiangsu Province;global solar radiation;solar energy;resource estimation

P422.1

A

1674-7097(2012)06-0658-06

2012-03-30;改回日期:2012-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41175077);科技部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(GYHY200806002);黔科合重大專項(xiàng)(字［2011］6003號(hào))

曾燕(1972—)，女，吉林安圖人，博士，研究員，研究方向氣候資源評(píng)估、遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用，jlzengyan@sina.com.

曾燕，王珂清，謝志清，等.2012.江蘇省太陽(yáng)能資源評(píng)估［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(6):658-663.

Zeng Yan，Wang Ke-qing，Xie Zhi-qing，et al.2012.Solar radiation resources estimation in Jiangsu Province［J］.Trans Atmos Sci，35(6):658-663.(in Chinese)

(責(zé)任編輯:倪東鴻)