中國地表太陽總輻射空間化模擬及其時空特征分析

曹 敏，朱曉晨

(1 中海油氣象臺，廣東 湛江 524000；2 南京信息工程大學，南京 210044)

引言

地球上的能量來源于太陽輻射，太陽輻射對地球生態系統至關重要，對大氣系統的形成與變化起著決定性作用［1］。太陽輻射是地球生態系統中生物和非生物很多重要過程中的動力，不可或缺的因子［2］。地表太陽輻射的不同分布會影響云層分布、大氣環流特征、濕度、降水，還會對生態系統模型，全球大氣環流模型的參數產生影響等［3-5］。

地表太陽輻射與溫度、日照時間、濕度等氣象因子有著密切的關系，很多學者早在20 世紀初就開始利用氣象因子構建太陽輻射的函數及模型。Angstrom 簡單的利用了日照時數因子，發現日照時數與太陽輻射存在線性關系，同時他指出其它因子，諸如降水量、云量也與太陽輻射有某種聯系，給后續學者提供了思考［6］。Linke 在1924 年提出太陽輻射與大氣渾濁度、大氣濕度相關聯，并分析了相關因子［7］。Kimball 著重分析了大氣透射率與太陽輻射之間的關系，建立了大氣透射率的相關函數模型［8］。Black在Kimball 的基礎上繼續發展，利用部分臺站的太陽輻射及云量數據集，構建了全球太陽輻射的估算模型并分析了全球的太陽輻射分布狀況［9］。此后，太陽輻射能源的開發利用使得眾多學者投入到太陽輻射估算的研究中。Bristow 和Campbell 建立了精度高達70%～90%的太陽輻射估算模型，他們利用臺站觀測到的氣溫日較差數據及太陽輻射數據，建立以地溫日較差、大氣透射率為輸入因子的太陽輻射關系函數，并得到很好的驗證［10］。劉玉潔和潘韜基于1981—2010 年全國122 個氣象站的太陽輻射和氣溫日較差觀測數據，將其輸入校驗后的Bristow-Campbell 模型，實現太陽凈輻射空間化模擬，得到的結論為：我國地表太陽凈輻射高值區位于青藏高原，低值區位于川黔地區［11］。

基于1960—2019 年較長時間周期的太陽輻射觀測數據及氣溫日較差數據，將在Bristow-Campbell模型的基礎上，充分考慮氣溫對地表太陽總輻射變化的影響，將數字高程模型(DEM)和地理信息系統運用到中國不同區域的太陽輻射計算中，實現全國太陽總輻射的空間化模擬，分析其時空特征，從而得到太陽總輻射較為穩定的區域分布及長時間周期下的年際變化規律，為太陽能開發利用提供基礎理論依據。

1 數據與方法

1.1 研究區與數據來源

研究區地理位置及輻射臺站、氣象臺站分布較不均勻，中國東部地區臺站較為密集，暫沒有收錄臺灣氣象及輻射數據，西部地區由于地形因素，人口較少，氣候惡劣，布置的氣象臺站及輻射觀測站點較少。

相關氣象因子數據及太陽輻射數據來源于中國氣象數據共享網國家氣象科學數據中心(http：//www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)，包括1960—2019 年839 個氣象站點的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫數據，及全國99 個站點的日太陽總輻射數據。數字高程數據(DEM)的海拔高度空間分辨率為1km*1km，由中國科學院資源環境科學數據中心提供。

1.2 研究方法

1.2.1 站點分區

根據中國區域的地形地勢因素和氣候因素，將全國劃分為7 大區域。氣溫較低的東北三省劃為同一區域，緯度較高，地形平坦，為東北區；將河南、河北及山東等中緯度省劃為同一區域，氣候半濕潤，降水較少，為中原區；將東南沿海省市區域及江西、湖南等省劃為同一區域，長江流域珠江流域降水豐富，溫度較高，為人口密集區，為華南區；將內蒙古橫向狹長地域劃為同一區域，牧場較多，氣候偏干旱，為內蒙區；將新疆、甘肅等省劃為同一地區，氣候最為干旱，晝夜溫差大，為西北區；將青藏高原地區劃為同一地區，海拔較高，溫度氣壓低，為青藏區；將四川盆地、云南、貴州3 省劃為同一地區，為西南區。如圖1 所示：

圖1 七大區域劃分及各區域分布情況

1.2.2 天文太陽總輻射模型

天文太陽總輻射［12］

其中太陽常數I0=1367W·m-2，小時累計值為4.921MJ·m-2·h-1，T=24；φ 表示緯度。

其中ω0為日出時角；

其中N 為一年中的日序；

其中σ 為太陽赤緯。

1.2.3 Bristow-Campbell 模型

每日太陽總輻射與日最大氣溫和日最小氣溫ΔT 存在如下關系［13］：

式中：Tt為大氣頂層太陽輻射通過大氣層的透射率，A、B、C 均為經驗系數，ΔT 為平均最高氣溫與平均最低氣溫之差。各參數均有一定的物理意義，A表示晴朗無云條件下的大氣透明度系數，B 和C 決定氣溫日較差對太陽輻射的影響程度。

在計算晴朗無云條件下的大氣透明度系數的過程中，Kreith 和Kreider 提出一個經驗方程，其擬合的誤差范圍在3%以內，計算公式為［14］

式中：Mh為一定高度下的大氣量，M0為海平面的大氣量，Ph/P0為大氣壓修正系數，H 為太陽高度角(rad)，h 為海拔高度(m)。

地表水平面的太陽總輻射(Q)可以通過下面的公式表達［15］：

1.2.4 模擬精度檢驗系數

Bristow-Campbell 模型的模擬精度采用Nash-Sutcliffe 系數(Ens)來檢驗，其計算公式為：

式中：Si為實測值；Ssim為模擬值；Saver為實測平均值；n 為實測數據個數。當Si=Ssim時，Ens=1；若Ens為負值，說明模型模擬平均值比直接使用實測平均值的可信度更低［16］。

2 結果與分析

2.1 模擬結果檢驗

中國大陸地表區域廣袤，模型在各大區域訂正的系數有很大的差異性。B 系數最大在內蒙區(0.085)，最小在華南區(0.014)；C 系數最大在中原區(2.341)，最小在內蒙區(1.399)。B、C 均為經驗系數且具有物理含義，詳見公式(6)及參考文獻。在各大區域進行精度檢驗，擬合度良好。如表1 所示：

表1 全國七大區域Bristow－Campbell 模型系數校正結果

2.2 中國太陽總輻射模擬

根據公式(1)—(5)，計算全國各站點天文太陽總輻射；基于數字高程數據(DEM)的海拔高度及各站點太陽高度角，采用公式(8)—(10)，計算出全國的大氣量分布，進而采用公式(7)計算得到大氣透明度系數；采用公式(6)及公式(11)，經估算模式計算得到全國各站點的模擬值，統計1960—2019 年各站點太陽輻射的日均值，使用地理信息數據分析平臺，實現中國大陸地表太陽總輻射的空間化模擬。從圖2 中可以看到：中國大陸地表的輻射資源分布不均，各地區差異性大。青藏高原一帶的太陽總輻射為全國最高值，多年日均值在18MJ·m-2以上，局部區域達到20MJ·m-2以上。四川盆地及西北塔里木盆地為中國大陸的太陽總輻射最低值，多年日均值不到青藏高原的一半，在10MJ·m-2以下。長江中下游以南區域、四川盆地以東區域太陽總輻射值較小，在12MJ·m-2左右。華南區域接收大氣上層的太陽輻射較多，多年輻射日均值為14～16MJ·m-2。東北地區區域遼闊，但由于海拔較高，大氣上層接收的太陽輻射較小，到達地面的太陽總輻射損失率小，多年輻射日均值為12～14MJ·m-2。內蒙地區的地表太陽總輻射較大，多年輻射日均值在16MJ·m-2左右，最高值可達18MJ·m-2。西北地區局地差異大，山脈與盆地交錯分布(三山夾兩盆)，地形起伏十分大，在海拔高的地區多年輻射日均值達到16MJ·m-2以上，而在海拔較低的盆地多年輻射日均值小于12MJ·m-2。

圖2 1960—2019 年全國太陽總輻射日均值

中國大陸地區的地表太陽總輻射分布總體上南多北少，西多東少，受地形海拔因素影響很大。

2.3 年際變化分析

對中國大陸各區域1960—2019 年的地表太陽總輻射進行年際變化分析，得到各區域的太陽總輻射擬合分布函數，如圖3 所示：對研究區整體而言，1960—2019 年的地表太陽總輻射呈減小趨勢，地表總輻射變化趨勢為-0.0074MJ·m-2yr-1。中國大陸地表太陽總輻射年日均值在13.5～15MJ·m-2之間浮動，1964—1976 年地表太陽總輻射有明顯減小的趨勢，1977—1979 年地表太陽總輻射有一個上升的拐點，而后在1980—2005 年地表太陽總輻射在14MJ·m-2上下浮動，無明顯變化趨勢，2006 年之后，地表太陽總輻射呈上升趨勢，均值超過14MJ·m-2。

圖3 中國各區域1960—2019 年平均地表太陽總輻射變化趨勢

東北區、西北區、中原區及青藏區的地表總輻射呈減小趨勢，其中中原地區的太陽總輻射減小趨勢最為明顯；內蒙區、華南區和西南區的地表太陽總輻射呈增加趨勢，其中西南地區的太陽總輻射增加最為明顯。多數地區在2014 年之后的太陽總輻射有明顯增加趨勢。該趨勢的改變可能與城市化發展息息相關，城市化進程與大氣污染治理改變了大氣透明度，及城市內的溫度分布，進而改變了到達地表的太陽總輻射。

3 結論

中國大陸地表的輻射資源分布十分不均，各地區差異性大，地表太陽總輻射分布總體上南多北少，西多東少，受地形海拔因素影響很大，該結論與劉玉潔和潘韜在2012 年基于Bristow-Campbell 模型模擬得到太陽輻射資源空間分布的結論一致［11］；鄒玲基于中國大陸地區1961—2013 年地表輻射日值數據集，構建多個地表太陽輻射估算模型，得到的太陽總輻射時空分布結論與本文一致［17］。由于地理位置海波高度因素，青藏高原一帶的太陽總輻射為全國最高值，多年日均值在18MJ·m-2以上，局部區域達到20MJ·m-2以上。四川盆地及西北塔里木盆地為中國大陸的太陽總輻射最低值。

從年際變化來看，1960—2019 年中國地表太陽總輻射呈減小趨勢。其中中原地區的太陽總輻射減小趨勢最為明顯，而內蒙區、華南區和西南區的地表太陽總輻射呈增加趨勢，其中西南地區的太陽總輻射增加最為明顯。