宋 鴿，陳正洪，劉 翔，孫朋杰，賀莉微

(1.湖北省公眾氣象服務(wù)中心，武漢 430074；2.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205)

0 引言

湖北省的化石能源相對貧乏——“缺煤少油乏氣”，合理開發(fā)利用太陽能等清潔可再生能源[1]迫在眉睫。研究湖北省內(nèi)太陽輻射的時空變化特征，對于了解該省內(nèi)氣候形成及進行太陽輻射資源合理開發(fā)利用具有重要意義。湖北省內(nèi)分布著大量氣象觀測站，可為研究某一氣候變化提供實測的資料和數(shù)據(jù)，但該省擁有長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站卻很少，僅有武漢站和宜昌站兩個站點，其臺站分布密度遠低于國家一般氣象觀測站的分布密度，這導致湖北省大部分區(qū)域的長序列太陽輻射資料的缺乏，無法對該省太陽輻射的時空變化特征展開研究。

利用國家一般氣象觀測站觀測到的日照時數(shù)等數(shù)據(jù)與太陽輻射的特定關(guān)系(即所謂的經(jīng)驗公式)來推算該地區(qū)的太陽輻射情況，成為解決擁有長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站數(shù)量少、分布密度低這一問題的主要途徑，且按該方法推算得到的太陽總輻射與實際觀測值的誤差較小[2-4]。

鄧先瑞等[5]采用左大康法計算了湖北省81個地點1961—1970年的太陽總輻射數(shù)據(jù)，并對該省太陽總輻射的時空分布特征進行了分析。劉可群等[6]利用湖北省的武漢市、宜昌市及該省周邊的5個城市的太陽輻射觀測站1961—2004年的太陽總輻射數(shù)據(jù)推算出湖北省77個地點的太陽總輻射數(shù)據(jù)，并研究了湖北省內(nèi)太陽總輻射的時空分布特征。敖銀銀等[7]利用1961—2016年隨州市附近站點的太陽輻射資料和區(qū)域內(nèi)氣象站的氣象資料推算出隨州市太陽總輻射數(shù)據(jù)，并對隨州市太陽總輻射時空分布特征進行了研究。此外，考慮到太陽輻射的物理傳輸過程，夏麗等[8]利用YHM模型研究了1980—2013年湖北省內(nèi)太陽總輻射的時空變化特征及其氣象影響因素。上述這些研究在使用經(jīng)驗公式法計算太陽輻射時均采用全區(qū)域模式計算經(jīng)驗系數(shù)，即在整個研究區(qū)域內(nèi)使用同一個經(jīng)驗系數(shù)，而未考慮經(jīng)驗系數(shù)的地域差異。基于此，本文采用單站模式，即分別利用武漢站和宜昌站兩個擁有長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站1981—2020年的太陽總輻射和日照時數(shù)資料計算武漢站和宜昌站的經(jīng)驗系數(shù)；根據(jù)距離就近原則使用武漢站和宜昌站的經(jīng)驗系數(shù)來確定湖北省境內(nèi)黃石站等15個無長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站的經(jīng)驗系數(shù)，結(jié)合這15個氣象觀測站1981—2020年的日照時數(shù)和天文輻射資料來計算其太陽總輻射數(shù)據(jù)，然后對湖北省內(nèi)太陽總輻射的時空變化特征進行分析研究。

1 資料與方法

1.1 資料來源

湖北省內(nèi)正在運行的擁有長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站僅有武漢站和宜昌站，本文選取這兩個站1981—2020年的逐日太陽總輻射資料；同時，還選取了武漢市、黃石市、十堰市、宜昌市、襄陽市、鄂州市、荊門市、孝感市、荊州市、黃岡市、咸寧市、隨州市、恩施土家族苗族自治州(下文簡稱為“恩施州”)、仙桃市、潛江市、天門市和神農(nóng)架林區(qū)這17個地區(qū)的氣象觀測站1981—2020年的逐日日照時數(shù)資料。氣象數(shù)據(jù)資料均由湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供。選取的這17個氣象觀測站的具體位置如圖1所示。根據(jù)地理位置將17 個氣象觀測站劃分為鄂西北(十堰站、襄陽站和神農(nóng)架林區(qū))、鄂西南(恩施站和宜昌站)、鄂東北(隨州站、孝感站和武漢站)、鄂東南(咸寧站、黃石站、鄂州站和黃岡站)和江漢平原(荊州站、荊門站、天門站、潛江站和仙桃站)5個區(qū)域。

圖1 湖北省17個氣象觀測站的空間分布Fig.1 Spatial distribution of seventeen meteorological observation stations in Hubei Province

1.2 太陽總輻射的氣候?qū)W估算方法

太陽總輻射量Q的氣候?qū)W計算式為：

式中：Q0為天文輻射量；s為日照百分率；a、b均為經(jīng)驗系數(shù)。

1.2.1 天文輻射的計算[9]

天文輻射量是指太陽照射到地球大氣層上界的太陽輻射量，其僅由太陽對地球的天文位置和觀測站緯度決定。日總天文輻射量Qd的計算式為：

式中：I0為太陽常數(shù)，取1367 W/m2；ρ為日-地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的修正值；ω0為日出、日落時角；φ為氣象觀測站的地理緯度；δ為太陽赤緯角，其取值參見文獻[9]中的表2-4。

日-地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的修正值可表示為：

式中：n為一年中的日期序號。

日出、日落時角與觀測站地理緯度及太陽赤緯角的關(guān)系可表示為：

1.2.2 日照百分率的計算

日照百分率為實際日照時數(shù)N與可照時間N0的比值。其中，實際日照時數(shù)通過氣象觀測站點實測得到；可照時間是站點由日出到日落之間的時間間隔，其可表示為：

1.2.3 經(jīng)驗系數(shù)a和b的計算

根據(jù)武漢站和宜昌站歷年各月的太陽總輻射量、天文輻射量和日照百分率，采用最小二乘法擬合出式(1)中各月的a和b的值及相關(guān)系數(shù)R的值，如表1所示。

表1 武漢站和宜昌站的經(jīng)驗系數(shù)及相關(guān)系數(shù)值Table 1 Values of empirical coefficients and correlation coefficient for Wuhan Station and Yichang Station

根據(jù)表1可以得到：對于武漢站，5月通過了顯著性P<0.01的檢驗，其他各月份均通過了P<0.001的顯著性檢驗；對于宜昌站，所有月份均通過了P<0.001的顯著性檢驗。因此，表1確定的經(jīng)驗系數(shù)a和b可用于推算湖北省其他無長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站的太陽總輻射數(shù)據(jù)。

對于黃石站等15個無長序列數(shù)據(jù)的太陽輻射觀測站而言，通過采用與武漢站和宜昌站距離就近的原則來確定這些站點的經(jīng)驗系數(shù)a和b。具體方法為：距離武漢站較近的黃石站、鄂州站、孝感站、黃岡站、咸寧站、隨州站、仙桃站和天門站這8個氣象觀測站采用表1中武漢站的經(jīng)驗系數(shù)a和b；距離宜昌站較近的十堰站、襄陽站、荊門站、荊州站、恩施站、潛江站和神農(nóng)架林區(qū)站這7個氣象觀測站采用表1中宜昌站的經(jīng)驗系數(shù)a和b；將這些站點1981—2020年各月天文輻射量和日照百分率的序列代入式(1)，即可推算出這些站點各月的太陽總輻射量序列。

2 湖北省太陽總輻射的時間變化

將1981—2020年已有的武漢站和宜昌站逐年各月的太陽總輻射數(shù)據(jù)及其他15個氣象觀測站經(jīng)推算得到的逐年各月的太陽總輻射數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，從而得到湖北省內(nèi)逐年各月的太陽總輻射序列。

2.1 太陽總輻射的年際變化

1981—2020 年湖北省年太陽總輻射量的年際變化曲線如圖2所示。

圖2 1981—2020年湖北省年太陽總輻射量的年際變化曲線Fig.2 Interannual variation curves of annual total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

從圖2可以看出：湖北省年太陽總輻射量的線性趨勢整體呈下降趨勢，以-10.82 MJ/(m2?10a)(未通過統(tǒng)計顯著性檢驗)的傾向率降低。近40年來，湖北省年太陽總輻射量的最大值為4466.52 MJ/m2，出現(xiàn)在2013年；年太陽總輻射量的最低值為3704.05 MJ/m2，出現(xiàn)在1989年；最大值和最小值的極差達到762.47 MJ/m2。從5年滑動平均值曲線可以看出：年太陽總輻射量在1983—1986年呈上升趨勢，在1987—1991年大致呈下降趨勢，在1992—1999年大致呈小幅度上升趨勢，在2000年之后大致呈下降趨勢。

湖北省在1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年這4個時段的年平均太陽總輻射量分別為：4148.73、4169.96、4162.53和4125.48 MJ/m2，且最大值為1991—2000年的年平均太陽總輻射量。湖北省1981—2020年的年太陽總輻射量的40年平均值為4151.68 MJ/m2，1991—2000和2001—2010年這2個時段的年平均太陽總輻射量明顯高于40年平均值，屬于太陽輻射偏多期；1981—1990和2011—2020年這2個時段的年平均太陽總輻射量明顯低于40年平均值，屬于太陽輻射偏少期。

對1981—2020年湖北省年太陽總輻射量進行M-K突變檢驗分析和繪制累積距平曲線，具體如圖3所示。圖中：UF為按時間序列順序計算出的統(tǒng)計量序列；UB為按時間序列逆序計算得到的統(tǒng)計量序列。

圖3 1981—2020年湖北省年太陽總輻射量的M-K突變檢驗曲線和累積距平曲線Fig.3 M-K mutation test curve and cumulative anomaly curve of annual total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

從圖3a可以看出：除在個別年份(比如：1992、2001和2002年)外，UF均小于零，說明年太陽總輻射量表現(xiàn)出下降趨勢；在1982—1985年，UF超出了0.05置信水平線，表現(xiàn)出顯著的下降趨勢。UF與UB形成的兩條曲線在1985—1992年和2002—2007年時段內(nèi)有多個交點，為了增加突變點的可信度，結(jié)合圖3b的累積距平曲線進行分析，確定湖北省年太陽總輻射量的突變點為2007年左右。

2.2 太陽總輻射的季節(jié)變化

1981—2020 年湖北省春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射量的年際變化曲線如圖4所示。

圖4 1981—2020年湖北省四季太陽總輻射量的年際變化曲線Fig.4 Interannual variation curves of total solar radiation during four seasons in Hubei Province from 1981 to 2020

從圖4可以看出：

1)春季太陽總輻射量整體呈上升趨勢，傾向率為22.83 MJ/(m2?10a) (P<0.05)；近40年來，春季太陽總輻射量的最大值和最小值分別為2011年的1338.62 MJ/m2和1991年的983.91 MJ/m2，極差為354.71 MJ/m2。

2)夏季、秋季和冬季太陽總輻射量均整體呈下降趨勢，傾向率分別為-13.01、-12.70和-8.91 MJ/(m2?10a)，均未通過統(tǒng)計顯著性檢驗；不同季節(jié)下降幅度從大到小依次為：夏季>秋季>冬季。

3)近40年來，夏季太陽總輻射量的最大值和最小值分別為1990年的1665.79 MJ/m2和2020年的1248.82 MJ/m2，極差為416.97 MJ/m2；秋季太陽總輻射量的最大值和最小值分別為1998年的1075.54 MJ/m2和2020年的780.86 MJ/m2，極差為294.68 MJ/m2；冬季太陽總輻射量的最大值和最小值分別為1982年的714.90 MJ/m2和2018年的398.02 MJ/m2，極差為316.88 MJ/m2。

湖北省在1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年這4個時段春季、夏季、秋季和冬季的季平均太陽總輻射量及40年平均值如表2所示。

表2 1981—2020年湖北省各時段的季平均太陽總輻射量及40年平均值Table 2 Seasonal average total solar radiation values and forty-year-average values at different time periods in Hubei Province from 1981 to 2020

從表2可以看出：春季平均太陽總輻射量在1991—2000年這個時段處于減少階段，夏季平均太陽總輻射量在2001—2010年這個時段處于減少階段，秋季和冬季的平均太陽總輻射量均在1991—2000年這個時段處于升高階段。湖北省季太陽總輻射量40年平均值以夏季最大，占年太陽總輻射量的35.20%；春季的值次之，占年太陽總輻射量的27.93%；冬季的值最小，占年太陽總輻射量的14.75%。

1981—2020 年湖北省春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射量的M-K突變檢驗曲線如圖5所示。

圖5 1981—2020年湖北省四季太陽總輻射量的M-K突變檢驗曲線Fig.5 M-K mutation test curves of total solar radiation during four seasons in Hubei Province from 1981 to 2020

從圖5可以看出：

1)春季太陽總輻射量的UF與UB曲線在2020年左右有1個交點，但該交點比較靠近時間序列的尾端，因此暫不將其作為考量因素，這也說明春季的太陽總輻射量未發(fā)生氣候突變。

2)夏季和冬季太陽總輻射量的UF與UB曲線均在1982年左右存在1個交點，但該交點比較靠近時間序列的開始，因此暫不將其作為考量因素，即夏季和冬季的太陽總輻射量未發(fā)生氣候突變。

3)秋季太陽總輻射量的UF與UB曲線在1982年左右有兩個交點，在2011年左右有1個交點，共3個交點。由于1982年左右的兩個交點比較靠近時間序列的開始，暫不將其作為考量因素，因此，湖北省秋季太陽總輻射量的突變點為2011年左右。

2.3 太陽總輻射的逐月變化

1981—2020 年湖北省各月平均太陽總輻射量、傾向率和相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 1981—2020年湖北省各月的月平均太陽總輻射量、傾向率和相關(guān)系數(shù)Table 3 Monthly average total solar radiation, tendency rate, and correlation coefficient in Hubei Province from 1981 to 2020

從表3可以看出：1月和5—12月的月平均太陽總輻射量隨年際變化呈下降趨勢，9月的負傾向率最大，為-7.843 MJ/(m2?10a)，10月的負傾向率最小，為-0.5717 MJ/(m2?10a)。2—4月的月平均太陽總輻射量隨年際變化呈上升趨勢，正傾向率從大到小依次為：3月>4月>2月，其中3月通過了P<0.01的顯著性檢驗。月平均太陽總輻射量隨月份變化呈單峰分布，在7月達到最大，為514.94 MJ/m2；在1月最小，為193.66 MJ/m2；極差為321.28 MJ/m2。月平均太陽總輻射量的平均值為345.97 MJ/m2，4—9月的月平均太陽總輻射量大于該平均值，說明這幾個月份屬于太陽輻射偏多期，1—3月和10—12月的月平均太陽總輻射量小于該平均值，說明這幾個月份屬于太陽輻射偏少期。

3 湖北省太陽總輻射的空間變化

1981—2020 年湖北省年、季平均太陽總輻射量的40年平均值的空間分布如圖6所示。

圖6 1981—2020年湖北省年、季平均太陽總輻射的40年平均值的空間分布Fig.6 Spatial distribution of forty-year-average values of annual and seasonal total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

從圖6可以得到以下結(jié)論：

1)從年平均太陽總輻射量的40年平均值的空間分布來看，十堰市年平均太陽總輻射量的40年平均值最大，達到4515.53 MJ/m2，鄂州市、黃岡市、襄陽市、孝感市、仙桃市、潛江市、隨州市、宜昌市次之，恩施州的年平均太陽總輻射量的40年平均值最小，為3620.95 MJ/m2，最大值和最小值的差值達到894.58 MJ/m2。鄂西北、鄂西南、鄂東北、鄂東南和江漢平原的年平均太陽總輻射量的40年平均值分別為4334.97、3728.57、4211.89、4179.68和4152.39 MJ/m2，由此可見，年平均太陽總輻射量高值區(qū)主要分布在鄂西北、鄂東北、鄂東南和江漢平原地區(qū)，而鄂西南地區(qū)的年平均太陽總輻射量偏少，這與文獻[6]的研究結(jié)果一致。此外，與文獻[6]中圖1a所示的1961—2004年湖北省年平均太陽總輻射量的空間分布對比后可以發(fā)現(xiàn)：1981—2020年這40年間湖北省不同地區(qū)的年平均太陽總輻射量均有不同程度的減少，這與城市化發(fā)展排放大量氣溶膠對氣象觀測環(huán)境的影響有一定的關(guān)系[10]。

2)從季平均太陽總輻射量的40年平均值的空間分布來看，十堰市春季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，為1368.95 MJ/m2；恩施州春季平均太陽總輻射量的40年平均值最小，僅為1002.45 MJ/m2；二者差值為366.50 MJ/m2。鄂州市夏季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，為1548.51 MJ/m2；宜昌市夏季平均太陽總輻射量的40年平均值最小，僅為1371.14 MJ/m2；二者差值為177.37 MJ/m2。黃岡市秋季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，為1005.22 MJ/m2；恩施州秋季平均太陽總輻射量的40年平均值最小，僅為773.85 MJ/m2；二者差值為231.37 MJ/m2。十堰市冬季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，為693.10 MJ/m2；恩施州冬季平均太陽總輻射量的40年平均值最小，僅為452.29 MJ/m2；二者差值為240.81 MJ/m2。另外還可以看出，春、夏、秋、冬的季平均太陽總輻射量40年平均值高值區(qū)主要分布在鄂西北地區(qū)(相應(yīng)的值依次為1290.85、1480.39、909.45和656.65 MJ/m2)、鄂東北地區(qū)(相應(yīng)的值依次為1170.63、1460.32、944.31和638.55 MJ/m2)、鄂東南地區(qū)(相應(yīng)的值依次為1123.47、1471.38、960.66和626.82 MJ/m2)和江漢平原地區(qū)(相應(yīng)的值依次為1148.78、1475.94、923.03和606.18 MJ/m2)，而四季的季平均太陽總輻射量40年平均值的低值區(qū)在鄂西南地區(qū)(相應(yīng)的值依次為1048.30、1382.36、803.50和495.18 MJ/m2)。

4 結(jié)論

本文對湖北省1981—2020年的太陽總輻射的時空變化特征進行了分析，得到了以下結(jié)論：

1)湖北省內(nèi)太陽總輻射的時間變化特征方面：年太陽總輻射量隨年際的變化呈下降趨勢，并在2007年左右發(fā)生突變，且年平均太陽總輻射量在1991—2000年時段為最大值。夏季、秋季和冬季太陽總輻射量隨年際的變化均呈下降趨勢，而春季呈上升趨勢，其中，秋季太陽總輻射量在2011年左右發(fā)生突變；春季和夏季平均太陽總輻射量分別在1991—2000年時段和2001—2010年時段取得最小值，秋季和冬季平均太陽總輻射量均在1991—2000年時段取得最大值；夏季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，春季的值次之，冬季的值最小。1月和5—12月的月平均太陽總輻射量隨年際的變化呈下降趨勢，而2—4月呈上升趨勢；月平均太陽總輻射量隨月份變化呈單峰分布，在7月達到最大。

2)湖北省內(nèi)太陽總輻射的空間變化特征方面：太陽總輻射量的高值區(qū)主要分布在鄂西北、鄂東北、鄂東南和江漢平原地區(qū)，而鄂西南地區(qū)相對較少；其中，十堰市的年、春季和冬季平均太陽總輻射量的40年平均值最大，鄂州市和黃岡市的夏季和秋季平均太陽總輻射量的40年平均值分別取得最大值，恩施州的年均太陽總輻射量的40年平均值最小。

本文研究結(jié)果對于了解湖北省內(nèi)氣候的形成及進行太陽能資源的合理開發(fā)利用具有重要意義。