劉瑩，任麗雯，楊華，李興宇，劉明春

（1蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院，蘭州 730020；2甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020；3中國氣象局武威國家氣候觀象臺，甘肅武威 733000）

0 引言

太陽輻射是地球表層上物理、生物和化學過程的主要能源。在研究地表的水、熱狀況、自然地理過程、太陽輻射能的轉換以及其他自然現(xiàn)象時，都需首先了解太陽總輻射的狀況[1]。太陽輻射是天氣和氣候形成的基礎，它從根本上決定著地球—大氣的熱狀況，通過研究到達地面的太陽輻射量的中長期變化規(guī)律，有助于了解某地區(qū)氣候變化的規(guī)律，還可以推斷該地區(qū)的其他一些大氣狀況（如氣溶膠光學厚度）、開展作物氣候生產潛力分析和建立作物產量模型[2-5]。太陽能作為一種清潔能源，在有效應對氣候變暖、能源危機方面也受到世人越來越廣泛的關注[6-7]。對太陽能資源時空變化規(guī)律、開發(fā)利用潛力的研究和評估也成為國內外學者近年來研究的熱點[8-11]。

河西走廊東部位于烏鞘嶺以西，祁連山北麓，行政區(qū)域包括天祝藏族自治縣、古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣、永昌縣，介于36°29′—39°27′ N，101°49′—104°16′ E 之間，海拔高度1300～3100 m，總土地面積3.23 萬km2。境內光資源豐富，日較差大，干旱少雨，蒸發(fā)量大，中北部川區(qū)多年降水量只有113～171 mm，年蒸發(fā)量1500～2700 mm，年日照時數2568～3134 h，日照百分率59%～70%，屬于典型的干旱半干旱氣候。由于獨特的氣候成為甘肅省最主要的商品糧基地與經濟作物集中產區(qū)之一。武威也是全國首批6個光伏發(fā)電大規(guī)模應用示范基地之一，目前已建成百萬千瓦級光伏發(fā)電基地。甘肅“十四五”規(guī)劃提出，要持續(xù)推進河西特大型新能源基地建設，打造金（昌）張（掖）武（威）千萬千瓦級風光電基地，持續(xù)擴大光伏發(fā)電規(guī)模。因此，開展走廊東部太陽輻射時空分布規(guī)律和變化特點研究，有利于合理開發(fā)當地光熱資源，對于調整當地農業(yè)種植結構和能源結構，減少大氣污染物和溫室氣體排放，有效應對氣候變化，實現(xiàn)“雙碳”目標，促進當地經濟社會發(fā)展具有重要的現(xiàn)實和深遠的歷史意義。

1 資料來源與分析方法

1.1 資料來源

選取河西走廊東部的烏鞘嶺（37°12′N，102°52E，海拔3045.1 m）、古浪（37°28′ N，102°54′ E，海拔2072.4 m）、永昌（38°14′N，101°58′E，海拔1976.9 m）、武威（站址在涼州區(qū)，37°55′N，102°40′E，海拔1531.5 m）和民勤（38°38′ N，103°05′E，海拔1369.1 m）5 個氣象站點分別代表石羊河上游（烏鞘嶺、古浪、永昌3 站平均）、中游（武威）和下游（民勤）。氣象資料為1959—2020年（烏鞘嶺、古浪、永昌）、1953—2020年（武威、民勤）歷年觀測資料。1993—2020 年逐月、逐日太陽總輻射資料來自民勤國家三級輻射觀測站，站址和民勤國家基準氣候觀測站在同一觀測場。

1.2 分析方法

1.2.1 趨勢分析用一次直線方程描述年太陽總輻射的變化趨勢[12]，如式(1)所示。

式中：P(t)為年太陽總輻射隨年份變化的模擬值，t為年序，a0和a1為經驗常數，a1×10 a稱為氣候傾向率，表示年太陽總輻射每10a的變化速率。

1.2.2 突變分析采用Mann-Kendall 法（簡稱M-K 法）對太陽總輻射的突變特征進行檢測分析。設太陽總輻射時間序列為x1，x2，...，xn，Sk表示第i個樣本xi＞xj(1≤j≤i)的累計數，定義統(tǒng)計量如式(2)所示。

式中，Sk是第i個樣本大于第j個樣本的個數的累計值(1≤j≤i)。在原序列隨機獨立的假設下，Sk的標準化序列U(Sk)在給定的顯著性水平α0下，α1＜α0時，拒絕原假設，認為序列存在一個長期的趨勢變化。所有的U(Sk)(1≤k≤n)將組成一條曲線UF，對x序列的逆序列重復上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1；UB1=0，得到曲線UB。UF大（?。┯?則表明序列呈上升（下降）趨勢，當UF超過臨界線時，表明上升（下降）的趨勢顯著。如果UF和UB曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，這個交點即是突變點，該點對應的時刻就是突變開始的時間[13]。

1.2.3 太陽總輻射的氣候學計算自1924 年Agnstrom最先提出利用晴天（可能）太陽總輻射和日照百分率計算月太陽總輻射的氣候學方法，此后該方法被普遍采用，但在如何提高計算式中的系數的空間穩(wěn)定性方面，是當前總輻射氣候計算方法進一步研究的重要課題[2,14]。為此，許多學者針對太陽幾何因素、不同地形（海拔高度、坡度、坡向）、云量和其他非均質性大氣因素等進行了大量研究[15-19]。目前，總輻射的氣候學計算主要有3 種，一是基于大量觀測樣本分析基礎上的統(tǒng)計反演法。二是考慮太陽輻射在大氣中的傳輸、削弱過程（云、氣溶膠、水汽和各種氣體成分的散射、吸收、反射等作用）形成的輻射傳輸理論進行計算的物理反演法。三是考慮地形自身和相互之間對太陽輻射的遮蔽，以及坡地的反射作用影響即復雜地形下的計算方法。另外初始值(Q0)的計算包括天文輻射、理想大氣總輻射和晴天總輻射[20]，因本研究區(qū)屬祁連山北坡沖積扇緩坡地帶和內陸河岸沖積扇，平川區(qū)地形較平坦，且流域各代表氣象站點具有多年連續(xù)的日照百分率觀測資料，故文中采用基于地面觀測資料的統(tǒng)計反演法，初始值(Q0)采用天文輻射的方法進行計算，總輻射計算方程如式(3)所示[21]。

式中，Q為日太陽總輻射[MJ/(m2·d)]；Q0為日天文輻射[MJ/(m2·d)]；S為日照百分率(%)；a、b為經驗系數，其值大小與各種物理因子如水汽、氣溶膠、云的光學性質等有關。各分項計算如式(4)所示。

式中I0為太陽常數=0.0820[MJ/(m2·min)]；ρ為日地相對距離的倒數，如式(5)所示。

δ為太陽赤緯(rad)，如式(6)所示。

J為計算日在一年中的日序，1月1日為1，取值范圍為1到365或366；ω0為日落時角(rad)，如式(7)所示。

式中φ為緯度(rad)；n為實際日照時數(h)；N為最大可能日照時數(h)，如式(8)～(9)所示。

本研究利用下游民勤輻射站1993—2020 年各月的日太陽總輻射觀測值與同期天文輻射之比作為因變量，以日照百分率作為自變量，通過最小二乘法建立一元回歸方程并求出各月的經驗系數a和b（表1），各月回歸方程的復相關系數R在0.5912～0.8547，回歸F值均通過了0.01水平顯著性檢驗。擬合計算民勤各月總輻射相對誤差在-0.14%～0.31%，年總輻射相對誤差為0.06%（表2）。聯(lián)合國糧農組織(FAO)推薦的a=0.25和b=0.50 計算的太陽月總輻射相對誤差在-0.01%～3.48%，年總輻射相對誤差為1.42%，前者較后者相對誤差偏小1.36%。說明用求算的各月a和b用于走廊東部其他各站太陽總輻射的計算是可行的。利用式(3)～(9)即可分別求出上游、中游、下游及走廊東部（上、中、下游平均）歷年逐日和各月總輻射。

表1 民勤站各月經驗系數、回歸檢驗

表2 民勤站1993—2020年各月太陽總輻射擬合誤差估算%

1.2.4 總輻射空間模擬利用走廊東部民勤、武威、古浪、天祝、烏鞘嶺、永昌、肅南及周邊張掖市的山丹、民樂、高臺、臨澤共11 個氣象站的年太陽總輻射建立地理信息多元回歸模型，利用遙感圖像處理軟件ENVI5.2 對1 km×1 km DEM 高程分布圖進行處理運算，即獲得整個河西走廊東部年太陽總輻射精細化空間分布模擬?；貧w方程如式(10)所示。

式中，Q：太陽總輻射(MJ/m2)，δ：經度，φ：緯度，H：海拔高度。方程通過信度0.05顯著水平檢驗。

2 結果與分析

2.1 總輻射空間分布

河西走廊東部1959—2020 年年太陽總輻射在5414.19～6500.36 MJ/m2之間變化，平均值為5947.54 MJ/m2。下游最大，多年平均為6189.8 MJ/m2，中游次之，為6005.7 MJ/m2，上游最小，為5885.0 MJ/m2。

利用遙感圖像處理軟件ENVI5.2（DEMYM 高程分辨率1 km×1 km）得出走廊東部太陽總輻射空間分布（圖1），由圖可見，總輻射基本沿緯向和沿祁連山走向（西北—東南）分布，和日照百分率空間分布基本一致，表現(xiàn)為“川區(qū)多、山區(qū)少，北部多，南部少”的特點，在38°N以北、海拔高度小于1600 m的平川區(qū)，包括涼州區(qū)中北部、民勤縣，太陽年總輻射在6000 MJ/m2以上，日照百分率在69%以上，是年太陽總輻射最豐富地區(qū)，總輻射、日照百分率像元面積分別占總土地面積的54.4%、66%。其中，民勤北部西渠、東鎮(zhèn)、北山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)年總輻射可達到6300 MJ/m2以上，日照百分率在75%以上。在37°30′—38°N、海拔高度1600～2000 m地區(qū)，包括涼州區(qū)中南部、古浪縣中北部及沿山區(qū)，隨著緯度降低、海拔高度升高，總輻射逐漸減小，由于高差增大，層次分布也越加明顯，太陽總輻射在5800～6000 MJ/m2，日照百分率在66%～69%，是年太陽總輻射次豐富區(qū)域，總輻射、日照百分率像元面積分別占總土地面積的22.9%、15%。在37°30′ N 以南、海拔2200～3000 m 的中、高山區(qū)，太陽總輻射5600～5800 MJ/m2，日照百分率在63%～66%，總輻射、日照百分率像元面積分別占總土地面積的19.6%、17%。祁連山區(qū)海拔大于3000 m的高山區(qū)年總輻射小于5600 MJ/m2以上，日照百分率小于63%，總輻射、日照百分率像元面積分別占總土地面積的3.1%、2%。按照王炳忠等[22]對中國太陽能資源豐富程度的劃分，走廊東部年太陽總輻射在5400～6700 MJ/m2范圍，屬于太陽能資源較豐富地帶。

圖1 河西走廊東部太陽總輻射空間分布

2.2 總輻射時間分布

2.2.1 年際變化走廊東部總輻射1959年以來總體呈波動增加趨勢（圖2a），線性傾向率為14.35 MJ/(m2·10 a)。峰值出現(xiàn)在1997 年(6324.1 MJ/m2)，谷值出現(xiàn)在1989年(5815.2 MJ/m2)，總輻射≥5800 MJ/m2的年份占100%(62/62)。M-K 法檢測表明，走廊東部總輻射分別于1965、1972、1982、1986、1989 年出現(xiàn)5 個突變點（圖3a），分別經歷增（減）幾個不同時期。但總體上可分為2個明顯的分布階段，即1959—1989年（共31年）總輻射處于較低水平，變化范圍在5815.2～6142.1 MJ/m2，較多年平均偏少35.3 MJ/m2。其中1967—1970年代總輻射增加趨勢明顯，通過0.05 顯著性檢驗(U0.05=1.96)。后一階段從1989年突變點出現(xiàn)以來，即1990—2020年（共31年）總輻射始終處于較高水平且較穩(wěn)定，曲線波動較小，變化范圍在5850.4～6324.1 MJ/m2，較前一階段平均偏多70.6 MJ/m2。特別從2002年以后總輻射增加趨勢通過0.05顯著性檢驗，2014、2015年通過0.001顯著性檢驗(U0.05=2.45)。走廊東部總輻射2 個時間段分布呈減少和增加的差異性分布特點，與全球和中國大部分區(qū)域的地面太陽輻射都經歷了一個從減少（1950—1990 年）到增加（20 世紀80 年代中后期至2000 年）的過程即“變暗”“變亮”的研究結果基本吻合[23-24]。

圖2 河西走廊東部年太陽總輻射年際變化

圖3 河西走廊東部年總輻射氣候突變檢驗曲線

上游1959年以來總輻射變化總體呈增加趨勢（圖2b），線性傾向率為14.83 MJ/(m2·10 a)，年際變化動態(tài)呈“M”型。峰值出現(xiàn)在2008年(5998.2 MJ/m2)，谷值出現(xiàn)在1961 年(5472.7 MJ/m2)，總輻射≥5800 MJ/m2的年份占50% (31/62)。M-K 法檢測表明，總輻射分別于1988、1995 年出現(xiàn)2 個突變點（圖3b），1959—1987 年總輻射呈明顯的增加趨勢，1964、1965、1976—1983年通過0.05顯著性檢驗，1966—1975年增加趨勢十分顯著，通過0.001 顯著性檢驗。1987—1992 年呈減少趨勢，但減少趨勢不明顯，1988 年總輻射為1962 年以來最低值(5602.6 MJ/m2)。1995 年突變點出現(xiàn)以后總輻射呈明顯的增加趨勢，2013—2019 年增加趨勢通過0.05 顯著性檢驗，這一結果和整個河西走廊的升溫突變年份一致[25-26]。

中游1953年以來總輻射變化總體呈減小趨勢（圖2c），線性傾向率為-21.1 MJ/(m2·10 a)，是走廊東部總輻射唯一減少的地區(qū)，年際變化動態(tài)呈“M”型。峰值出現(xiàn)在1997 年(6378.5 MJ/m2)，谷值出現(xiàn)在2018 年(5633.4 MJ/m2)，總輻射≥5800 MJ/m2的年份占90%(61/68)。M-K法檢測表明，總輻射分別于1974、1992、2016 年出現(xiàn)3 個突變點（圖3c），1953—1973 年總輻射呈增加趨勢，但增加趨勢不明顯。1974—1993年呈明顯的減少趨勢，其中，1981—1982、1983—1991 年減少趨勢十分明顯，分別通過0.05、0.001 顯著性檢驗。1992—2014年呈明顯的增加趨勢，1992—1995年增加趨勢通過0.05 顯著性檢驗。2017—2020 年呈明顯的減少趨勢。

下游1953年以來總輻射變化總體呈增加趨勢（圖2d），線性傾向率為34.79 MJ/(m2·10 a)，也是走廊東部增加趨勢最明顯的地區(qū)，年際變化動態(tài)呈“W”型。峰值出現(xiàn)在2020 年(6702.0 MJ/m2)，谷值出現(xiàn)在1975 年(5849.8 MJ/m2)，總輻射≥5800 MJ/m2的年份占100%(68/68)。M-K 法檢測表明，總輻射分別于1978、1984年出現(xiàn)2 個突變點（圖3d），1953—1977 年總輻射呈減少趨勢，1962、1964、1969—1970 年減少趨勢通過0.05顯著性檢驗。1978—1980年總輻射呈增加趨勢，但增加趨勢不明顯。1980—1982出現(xiàn)短暫減少后，與1984年再次出現(xiàn)突變，1987—2020 年增加趨勢十分明顯，通過0.05或0.01顯著性檢驗，這一結果與全國平均氣溫明顯增暖時間一致[27]。

以上不同區(qū)域總輻射趨勢變化特征與降水、日照的趨勢變化基本相吻合。分析發(fā)現(xiàn)，自20世紀50年代以來，中游總輻射呈減小趨勢，與降水增加、日照減少有關，降水、日照傾向率分別為4.4 mm/10 a、-5.7 h/10 a。上、下游總輻射呈增加趨勢，降水雖呈增加趨勢，但增幅均小于涼州區(qū)，氣候傾向率分別為3.2、2.2 mm/10 a。而日照時數兩地均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為14.1、37.0 h/10 a。說明隨著氣候變化，走廊東部太陽總輻射亦呈現(xiàn)出不同的變化響應特征。

2.2.2 季節(jié)變化走廊東部總輻射四季多年平均值，夏季（6—8月）最大為2005.8 MJ/m2，春季（3—5月）次之為1794.1 MJ/m2，秋季（9—11 月）再次為1245.3 MJ/m2，冬季（12 月—次年2 月）最小為950.1 MJ/m2。歷年變化表現(xiàn)為春季、冬季呈增加趨勢，線性傾向率分別為18.12、1.49 MJ/(m2·10 a)，春季增加明顯。夏季、秋季呈減小趨勢，線性傾向率分別為-2.12、-3.54 MJ/(m2·10 a)。從區(qū)域變化看，上、中、下游春季總輻射均呈增加趨勢，下游增幅最大，線性傾向率為24.55 MJ/(m2·10 a)。夏季總輻射只有下游呈增加趨勢，上、中游呈減小趨勢。秋季總輻射均呈減小趨勢，特別是中游減幅最大，線性傾向率為-12.09 MJ/(m2·10 a)。冬季總輻射中游呈減小趨勢，下游、上游呈增加趨勢（表3、圖4）。

圖4 河西走廊東部季節(jié)總輻射歷年變化

表3 不同區(qū)域季節(jié)總輻射、傾向率

2.2.3 月變化走廊東部歷年月平均太陽總輻射分布呈單峰型（圖5a），曲線呈正偏態(tài)分布，峰值出現(xiàn)在5 月，多年平均為746.23 MJ/m2，谷值出現(xiàn)在12月，多年平均為285.08 MJ/m2，最大月是最小月的2.6倍。4—8月太陽總輻射為3481.4 MJ/m2，占全年總輻射的55%。由圖可見，5、6 月的總輻射值大于7、8 月，這是因為春末夏初正值流域干旱時段，降水少，空氣絕對濕度小，大氣透明狀況良好，總輻射值增大。夏季季節(jié)降雨過程較多，空氣水汽含量大，大氣透明度差，反射輻射增加導致總輻射值減小有關[28]。

圖5 太陽總輻射月變化及趨勢變化曲線

月總輻射歷年變化走廊東部及上、中游2—5月呈增加趨勢，氣候傾向率1.1～8.2 MJ/(m2·10 a)（圖5b），其中3 月增幅最大，在5.4～8.2 MJ/(m2·10 a)。其它各月總輻射均呈減小趨勢，其中減幅最大月份走廊東部、上游出現(xiàn)在8月，分別為-3.8、-3.7 MJ/(m2·10 a)。下游除9月為負值[-4.4 MJ/(m2·10 a)]外，其它月份均呈增加趨勢，其中3、4、5月增加明顯，在6.8～9.5 MJ/(m2·10 a)，最大值出現(xiàn)在4月。

2.2.4 日變化以下游民勤縣為例，2020年1、5、8、10月日太陽總輻射均呈單峰型分布（圖6），峰值出現(xiàn)在正午12:00—13:00 時，平均值為2.51 MJ/m2。上午10 時至下午15 時總輻射占日總輻射的73%。一年中因不同季節(jié)日出、日落時間不同，造成一日中各時次總輻射不同。其中5、6、7月3個月日日照時間最長達16 h，日總輻射值在24.0～25.5 MJ/m2，3—4、8—9 月日日照時間為14 h，日總輻射值在18.0～22.2 MJ/m2，1—2、10—12 月日日照時間為10～12 h，日總輻射值在10.0～15.8 MJ/m2。日總輻射最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在12月，與多年月總輻射值分布時間一致。

圖6 2020年民勤縣日總輻射分布曲線

3 結論和建議

（1）走廊東部太陽總輻射年平均值為5947.54 MJ/m2，屬于太陽能資源較豐富帶。隨著緯度升高、海拔高度降低，總輻射逐漸增大，川區(qū)最大，山區(qū)最小。其中總輻射≥5800 MJ/m2的土地面積達2.50萬km2，占總土地面積的77.4%。上、中、下游總輻射≥5800 MJ/m2的年份分別占50%、90%、100%。

（2）走廊東部歷年總輻射變化總體呈增加趨勢，線性傾向率為14.35 MJ/(m2·10 a)。其中，1959—1989年代呈減少趨勢，1989 年突變點出現(xiàn)以來呈增加趨勢，變化趨勢與全球和全國大部分區(qū)域先“變暗”后“變亮”的過程較為一致。上、下游呈增加趨勢，中游呈減小趨勢。

（3）總輻射季節(jié)分配特點為夏季＞春季＞秋季＞冬季。春、冬季呈增加趨勢，夏、秋季呈減小趨勢。其中，下游春季增幅明顯，線性傾向率為24.55 MJ/(m2·10 a)。中游秋季減幅最為明顯，線性傾向率為-12.09 MJ/(m2·10 a)。

（4）總輻射月、日分布均呈單峰型，月總輻射5 月最大，12月最小。2—5月呈增加趨勢，8—10月呈減小趨勢。日變化峰值出現(xiàn)在正午12:00—13:00 時，10:00—15:00 總輻射占日總輻射的73%。歷年變化月、日增幅均以下游最大。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

（5）影響太陽總輻射變化因素很多，目前在全球范圍主要從有云、氣溶膠、水汽、大氣散射和吸收、太陽活動、城市化等方面開展研究[24]。走廊東部太陽總輻射的增加除與氣候變化有關外，可能與近年來開展壓沙種草種樹恢復植被、大風沙塵天氣過程減少有關，特別是下游沿沙區(qū)隨著生態(tài)改善，有利于減少空氣中氣溶膠粒子，提高大氣透明度，從而使總輻射透射率增大。有關本區(qū)域總輻射變化影響因素及影響機理有待今后更進一步深入研究。

（6）河西走廊東部總輻射高值區(qū)多處于戈壁、荒漠地帶，且總輻射呈增加趨勢，具有很大的開發(fā)前景。具有不占用農田耕地、建設成本低、國土空間利用率高、經濟效益高等優(yōu)點，十分有利于太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展。且在荒漠區(qū)建設光伏發(fā)電基地可以改善局地小氣候環(huán)境，具有增加荒漠區(qū)空氣相對濕度、減小風速、增加土壤濕度等環(huán)境效應[29-32]，對于荒漠區(qū)防風固沙、恢復植被十分有利，兼具經濟效益和生態(tài)效益相統(tǒng)一。