河套平原太陽輻射變化特征及其與氣象要素的相互影響

吳 霞， 姜志偉， 蒙 榮， 李云飛， 孫曉涵

（1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州 310018）

太陽輻射是生態系統的主要能量來源，是地球系統水、熱、碳循環的主要驅動力［1］，它決定了氣候的長期變化趨勢，對農業生產布局、作物生長、土壤水分蒸發和蒸騰具有重要作用［2］，是相關農業氣候研究中必不可少的參數［3］。同時太陽能的有效利用，可緩解燃料資源枯竭和環境污染問題［4］。因此，研究地表太陽輻射及其變化特征，對掌握氣候變化規律、合理規劃農業布局、有效利用太陽能資源具有重要的理論意義和應用價值。

河套平原地處內蒙古西北部，光熱資源豐富，太陽能開發利用潛力巨大。太陽能作為一種清潔能源，是河套平原將資源優勢轉化為經濟優勢，走生態高質量發展之路的重要保障，也是人類推動綠色低碳發展以應對全球氣候變化的根本途徑。研究河套平原的太陽輻射，為太陽能開發利用提供科學參考，對河套平原調整產業結構、改善環境質量、實現鄉村振興具有重要意義，同時有助于我國應對氣候變化，推動能源變革，助力國家“碳達峰、碳中和”戰略目標的實現。此外，河套平原也是我國氣候變化的敏感區和生態脆弱區，太陽輻射是該地生態治理研究中不可或缺的指標，對河套平原太陽輻射的計算和研究，不僅彌補了當地輻射數據的不足［5］，而且有助于系統了解當地氣候變化規律，為農業生產提供理論依據，促進河套平原的生態保護和高質量發展，對改善地區的生態與環境，保護生態多樣性和穩定性都具有非常重要的意義。

目前對于河套平原太陽輻射的研究尚存在一些問題。一方面站點數量有限、管理耗時費力［6］，使得太陽輻射實測數據時空分辨率不足，難以支撐河套平原實際生產和科學研究需要［7］。另一方面通過建立常規氣象因子與太陽輻射經驗關系［8-9］的估算模型［10-11］，因模型的經驗系數具有區域性限制［12-13］，無法滿足河套平原太陽輻射的估算精度。同時，我國對于太陽輻射的研究［14］大多集中在于大中區域尺度上［15-17］，對趨勢變化的分析居多［18-20］，對輻射突變、周期及相關關系的分析鮮見報道。因此，本研究采用區域適用性較強的Hybrid 模型［21］估算河套平原太陽輻射值，以補充該地的輻射數據，同時對輻射的變化趨勢、突變、周期及與其他氣象要素的相關關系進行了分析探討，為河套平原推進能源變革、應對氣候變化、綠色生態發展提供理論依據。

1 研究區概況

河套平原（40°8′～41°17′N，106°17′～109°11′E）地處內蒙古西部（圖1），黃河“幾”字灣區域，位于陰山山脈以南黃河以北，西起巴彥淖爾磴口縣，東至烏梁素海，呈扇弧形。地勢西高東低，平均海拔1007～1052 m。光照資源豐富，全年日照時數約3263 h，太陽輻射具有明顯的季節變化，年平均輻射量6030.83 MJ·m-2，僅次于西藏、青海。氣候特征為溫帶大陸性氣候，降水較少，年均降水量100～300 mm，平均氣溫5.6～7.4 ℃，積溫3362.5 ℃，雨熱同季。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

采用了來自中國氣象數據網1961—2017 年河套平原氣象站點日值觀測資料作為基礎數據，其中包括氣溫、氣壓、相對濕度、日照時數4 個氣象要素。所有數據均進行了嚴格的檢查和質量控制，數據實有率在99%以上，正確率接近100%。依據元數據質量控制說明文件，本研究進一步進行了質量控制，剔除原始數據中的異常值、缺測標識碼及其特定標識碼的數據轉換，同時，對數據進行標準化單位轉換，氣壓單位為hPa，氣溫單位為℃，相對濕度為%，日照時數為h。處理后的氣象數據將用于Hybrid太陽輻射估算模型的輸入數據。

2.2 太陽輻射估算方法

為補充河套平原太陽輻射數據，研究采用Hybrid模型估算河套平原日值太陽輻射。該模型結合世界糧農組織模型、Gopinathan general 模型和A-P模型的優點［22］，計算簡單，且考慮了輻射傳輸的物理過程，無需局地校正，適用于不同海拔和氣候區域［23］。該模型在中國、美國、沙特阿拉伯、日本等不同氣候類型區域得到了廣泛的應用驗證［24-26］。模型的基本公式如下［27］：

式中：H為日太陽輻射；τc為云透射率；Hb,clear為直接輻射；Hd,clear為散射輻射；n/N為日照率；為直接透射率；為散射透射率；t1為日出時間；t2為日落時間；I0為大氣頂輻射；τoz為臭氧透射率；τw為水汽透射率；τg為永久氣體透射率；τr為瑞利散射透射率；τa為氣溶膠透射率。

2.3 太陽輻射趨勢分析法

2.3.1 線性傾向估計 太陽輻射趨勢分析最常用的方法是線性傾向估計，將太陽輻射yi看作隨時間xi變化的函數關系。公式如下［28］：

式中：a為截距；b為函數斜率，其數值表示輻射變化趨勢的大小，b＞0，表明太陽輻射隨時間變化整體呈上升趨勢，反之，b＜0時，太陽輻射呈下降趨勢。

2.3.2 累積距平 累積距平主要是用于分析太陽輻射時間序列的波動程度，研究太陽輻射實測值xi與其多年平均態xˉ的偏離程度。距平增加，表示輻射升高，距平減少則表示輻射降低［29］。公式如下［28］：

式中：為太陽輻射某一時刻的累積距平；t為時間。

2.4 太陽輻射突變檢驗法

Mann-Kendall（M-K）突變檢驗是用于檢驗太陽輻射時間序列發生突變位置的非參數檢驗方法，受人為因素影響較小，定量化程度高。公式如下［28］：

式中：UFk為標準化后的檢驗統計量；S為檢驗統計量。

UFk或UBk大于0表示輻射呈上升趨勢，小于0則呈下降趨勢。當UF、UB曲線在置信區間內存在交點,則該點為突變點。當UFk或UBk曲線超過置信區間，表明輻射變化顯著。

2.5 太陽輻射周期分析法

為探討河套平原太陽輻射的局部變化特征和振蕩周期，研究采用了小波分析法。該方法運用傅里葉展開方法將太陽輻射在時間和頻率2個方向上展開，對時頻結構進行細致地分析，確定尺度變化的時間位置，準確診斷序列變化的顯著周期［30］。同時采用小波方差來確定輻射時間序列變化的主周期。公式如下［28］：

式中：a為頻率參數；b為時間參數；Wf( )a,b為小波變換系數；ψ為母小波；t為時間；var(a)為小波方差。本研究選用Mexihat函數作為母小波［31］。

2.6 太陽輻射與氣象要素相互關系分析

2.6.1 相關分析 通過計算2 組要素間的相關系數，來定量分析太陽輻射與氣象要素間的相關性。對于2組氣象要素X和Y，相關系數r的計算公式為［28］：

式中：相關系數r取值在-1.0～1.0 之間。當r越接近1.0，正相關越顯著；當r越接近-1.0，負相關越顯著；當r=0時，則表明兩變量相互獨立。

2.6.2 交叉小波 交叉小波和小波相干是用于反映太陽輻射與其他氣象要素相關性的方法［32］。交叉小波在小波分析的基礎上，可用于分析時頻域中2個氣象要素變化周期強度相同的地方。對于時間序列太陽輻射x(t)和氣象要素y(t)，交叉小波表示為［33］：

2.6.3 小波相干 小波相干是用來分析2個氣象要素發生共同變化的局部特征，即使對應交叉小波中的低能量值區，兩者在小波相干中的相關性也有可能很顯著。小波相干表示為［34］：

3 結果與分析

3.1 太陽輻射的趨勢變化特征

1961—2017 年河套平原太陽輻射總體年際變化不大，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈緩慢減少趨勢，年平均值為6030.83 MJ·m-2（圖2），屬于太陽能資源豐富地區，每年4—8月輻射量占全年總輻射的58%（圖3），是太陽能資源最豐富時期，適合加大太陽能開發力度。月太陽輻射呈單峰型，季節變化顯著，夏季輻射量最多，冬季最少［35］。但由于受夏季風氣候影響，每年6、7月河套平原降雨增加，輻射接收受到影響，而5 月天氣晴朗，日照充足，因此5 月輻射量高于6、7 月，為758.12 MJ·m2。隨著太陽高度角的變化［36］，輻射量逐漸最小，12 月輻射量為216.34 MJ·m-2，達全年最低值。

圖2 1961—2017年河套平原日太陽輻射分布Fig.2 Distribution of daily solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

圖3 1961—2017年河套平原月太陽輻射分布Fig.3 Monthly solar radiation distribution in the Hetao Plain from 1961 to 2017

從整體上看，近57 a 太陽輻射有所減少但整體變化幅度不大。其中1974 年地面輻射量最大，為6346.41 MJ·m-2，1992年最小，為5670.59 MJ·m-2（圖4）。有研究表明1992年東亞夏季風較弱［37］，使得夏季氣溫偏低，地面接收輻射量較少。河套平原年太陽輻射量低值區主要集中在20世紀60年代和80年代，80 年代之前表現為波動上升，80—90 年代以下降為主，90 年代之后逐漸上升并趨于穩定波動，與中國以及全球范圍內太陽輻射在1990 年前先“變暗”后“變亮”的趨勢一致。河套平原21 世紀10 年代總體輻射量有所減少，這是由于大氣污染，空氣中顆粒物的增加使到達地面的太陽輻射減少。

圖4 1961—2017年河套平原年太陽輻射變化Fig.4 Changes in solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

河套平原四季分明，夏季輻射量最高，年均值為2138 MJ·m-2，以0.14 MJ·（10a）-1的速率圍繞平均值略微波動下降（圖5）。以1983 年和1996 年分為三個階段，其中1984—1996 年間輻射波動較小，而1984年之前和1996年之后波動較大（圖5b）。冬季輻射量最少，年均值為793 MJ·m-2，約為夏季的1/3，這與其他學者對研究區太陽總輻射研究結果相一致［38］。冬季輻射波動變化顯著，以7.06 MJ·（10a）-1的速率呈下降趨勢，以1985年為節點大致呈2種變化，1985 年以前多為上升趨勢，1985—2017 年多為下降趨勢，太陽輻射變化呈上升-下降交替出現趨勢。秋季平均太陽輻射量為1188 MJ·m-2，以1.70 MJ·（10a）-1的速率平穩波動下降，整體變動大于夏季，但較為穩定?？傮w以1970年、2007年為節點，大致呈三階段，1970 年之前多為下降趨勢，1970—2006年為上升趨勢，2007年之后多為下降趨勢。春季平均輻射量為1906 MJ·m-2，以8.59 MJ·（10a）-1的速率呈顯著上升趨勢，1964—1974 年呈上升趨勢，1974—1992年為下降趨勢，1992年之后逐漸上升并波動變化。除春季外，夏秋冬三季整體呈下降趨勢，基本符合前人對西北地區太陽輻射的研究［39］。河套平原四季輻射變化基本遵循“升-降”相間的變化規律，春季變化幅度最大，冬季次之，夏、秋季基本呈穩定趨勢。

圖5 1961—2017年河套平原太陽輻射季節變化Fig.5 Seasonal changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

3.2 太陽輻射的突變特征

1961—2017 年河套平原年太陽輻射M-K 突變檢驗結果顯示，UF-UB曲線幾乎均處于顯著性水平α=0.05 置信區間內，表明年太陽輻射無顯著變化。但1993年前后輻射表現為明顯的上升下降趨勢，所以該點為輻射變化較大的轉折點（圖6）。UF曲線在20 世紀80 年代之前呈波動式上升趨勢，表明太陽輻射增加，80—90 年代逐漸下降，表明太陽輻射減少，90年代后略微上升后呈較平穩式波動。這與大多數學者提出的我國及全球太陽輻射變化趨勢中以90 年代為分界線，先下降后上升的觀點相符合。

圖6 1961—2017年河套平原年太陽輻射M-K檢驗Fig.6 Solar radiation M-K inspection in Hetao Plain from 1961 to 2017

1961—2017 年河套平原季節太陽輻射突變檢驗結果顯示，春季太陽輻射整體呈上升趨勢，1980—1984年增幅超過置信區間臨界線，為顯著上升，有明顯增暖趨勢。春季UF-UB曲線相交與1972年、1993 年，該點為輻射變化的突變點（圖7a）。夏季太陽輻射基本均未超過α=0.05顯著水平臨界線，整體變化不顯著，UF-UB曲線交于1967 年、1997 年（圖7b），該年為輻射變化較大的轉折點，這與1967年東亞夏季風較強，1968年之后逐漸減弱導致的氣候變化有關［40］。秋季太陽輻射1980—1987 年UF曲線超過α=0.05顯著水平臨界線，表明該階段輻射變化顯著，且UF-UB曲線交于2014 年（圖7c），該年為輻射變化的突變點。冬季太陽輻射突變檢驗中，1965年、1968—1972年、1991—1996年、2006—2017年多個時間段超過置信區間，呈顯著下降趨勢，UFUB曲線交于1984 年（圖7d），表明輻射量在該點前后發生較大變化，與東亞冬季風在1980年左右先增強后減弱的現象有關［40］。

圖7 1961—2017年河套平原太陽輻射季節M-K檢驗Fig.7 Seasonal M-K inspection of solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

3.3 太陽輻射的周期特征

河套平原太陽輻射變化周期復雜多樣，小波系數圖中等值線密度代表周期長短，小波方差圖峰值處的尺度為太陽輻射時間序列變化的主周期。

由圖8 可知，在21～27 a 大尺度周期上，年太陽輻射周期變化規律顯著，第一主周期為24 a，共發生5 次轉變，呈低高交替變化。1971 年之前地面接收太陽輻射量偏低，1971—1982年處于太陽輻射量較高階段，1983—1994 年太陽輻射量較低，1995—2006 年處于偏高階段，2007 年至今處于偏低階段。3～9 a 小尺度周期，太陽輻射存在小周期振蕩。至2017年等值線仍處于負值且未完全閉合。

圖8 1961—2017年河套平原太陽輻射小波變化Fig.8 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

由圖9可知，春季主周期為27 a，從該時間尺度看，太陽輻射存在低高交替的顯著周期變化。1993年輻射發生突變之后，大尺度周期變化逐漸變得不顯著。在3～9 a 小尺度上，春季太陽輻射量在小范圍變化規律逐漸顯著，春季第二主周期為6 a。

圖9 1961—2017年河套平原春季太陽輻射小波變化Fig.9 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the spring of 1961-2017

夏季呈現較為復雜的周期變化（圖10），周期振蕩次數和突變點增多，但周期振蕩結構并不完整和顯著。夏季主周期為27 a，在該尺度下存在較大的周期變化，但自1997 年后，輻射的大尺度變化規律發生改變，逐漸轉為6～9 a 小尺度的顯著變化。至2017年負值等值線未閉合，表明近幾年夏季將持續處于太陽輻射量偏低期。

圖10 1961—2017年河套平原夏季太陽輻射小波變化Fig.10 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the summer of 1961-2017

秋季太陽輻射在27 a 和30 a 周期變化明顯（圖11），為第一主周期，6 a 為第二主周期。27～33 a 大尺度周期，秋季太陽輻射周期變化近似呈對稱分布，表現為低高交替變化，3～9 a小尺度周期，周期振蕩頻繁，表現為多次連續的交替變化。2017年末負值等值線未閉合，預計近幾年秋季太陽輻射仍處于較低時期。

圖11 1961—2017年河套平原秋季太陽輻射小波變化Fig.11 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the autumn of 1961-2017

冬季太陽輻射量在大尺度周期振蕩格局極為鮮明（圖12），發生高低交替7次變化，21 a為第一主周期，周期振蕩幾乎貫穿整個時間尺度，18 a和24 a為第二主周期，在小尺度周期波動不顯著。太陽輻射于1984年發生下降突變，由輻射量高值區轉變為20世紀80年代中期至90年代初的低值區。2017年末正值等值線未形成完整周期，表明近幾年冬季將處于太陽輻射偏高期。

圖12 1961—2017年河套平原冬季太陽輻射小波變化Fig.12 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the winter of 1961-2017

3.4 太陽輻射與氣象要素相關性分析

河套平原地面太陽輻射與氣象要素(氣溫、氣壓、相對濕度、日照時數)相關性分析結果顯示（圖13），太陽輻射和日照時數相關性為0.805，與氣溫的相關性為0.698，與氣壓的相關性為-0.603，與相對濕度的相關性為-0.301，均通過了α=0.05 的顯著性檢驗。

圖13 1961—2017年河套平原太陽輻射與氣象要素相關關系Fig.13 Correlation between solar radiation and meteorological elements in the Hetao Plain from 1961 to 2017

日照時數與太陽輻射的相關性最大，這是因為日照時數是太陽實際照射地面的時間，它的增加（減少）會直接導致到達地面的太陽輻射增加（減少）［41］。氣溫與太陽輻射量的相關性較大，太陽輻射是氣溫變化的原因之一，太陽高度角大，地面接收的太陽輻射量增多，氣溫升高，兩者呈正相關的關系。氣壓與太陽輻射的相關性略小于氣溫，氣壓通過影響水汽含量間接影響輻射量，氣壓高，大氣水汽含量增加，導致輻射量減少。相對濕度與太陽輻射的相關性較小，相對濕度可以在一定程度上反映大氣中的水汽含量，水汽能直接吸收部分太陽短波輻射，使地面接收的太陽輻射下降，兩者為負相關，但相對濕度并不完全代表大氣水汽含量，輻射變化還受到其他因素的影響，故兩者相關性較弱。

河套平原太陽輻射和其氣象要素的相關關系存在周期性波動。交叉小波用于反映輻射與氣象要素共有周期的強度，可找出兩序列周期性強度一致的區域。由圖14可知，氣溫與太陽輻射兩者的共振高能量區主要在32 a的周期尺度，在1986—1991年，2001—2006年等多時間尺度上主要呈正相關關系。氣壓與太陽輻射存在32 a左右的共振周期，兩者在1976—1981年存在顯著負相關關系，在其他年份存在相對較弱的負相關關系。相對濕度與太陽輻射在16～32 a尺度上，存在1976—1981年、1986—1993年共振高值能量區，為負相關關系。日照時數與太陽輻射存在顯著的正相關關系，幾乎貫穿各個周期尺度，在16～32 a 周期尺度上，分別在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右兩者存在共振高值能量區。

圖14 1961—2017年河套平原太陽輻射與氣象要素交叉小波Fig.14 The cross wavelet diagram of solar radiation and meteorological elements in Hetao Plain from 1961 to 2017

小波相干用于反映太陽輻射與氣象要素周期性變化趨勢的一致性，可在時頻域中找出2 個時間序列共同變化的區域。由圖15可知，氣溫與太陽輻射在1998—2002 年時段具有16 a 時間尺度的顯著共振周期，為負相關，相關系數達到0.8。氣壓與太陽輻射在1972—1978年存在16～32 a時間尺度的顯著負相關共振周期，在其他頻段上沒有顯著的相關能量區。相對濕度與太陽輻射在1981—1991 年具有16～32 a 時間尺度的顯著負相關共振周期，相關系數達到0.9，表現出較強的相關特征，此外，在1995年前后出現8～13 a時間尺度的顯著共振周期，相關系數可達0.8。日照時數與太陽輻射在各個時間尺度均存在較強的正相關關系，兩者呈現非常好的一致性，說明日照時數是太陽輻射的主要影響因素。

圖15 1961—2017年河套平原太陽輻射與氣象要素小波相干Fig.15 Wavelet coherence diagram of solar radiation and meteorological elements in Hetao Plain from 1961 to 2017

4 討論

研究利用輻射估算模型得到的太陽輻射值探討了河套平原太陽輻射的年、季節變化規律，但以氣象站點的數據來反映整個河套平原太陽輻射的變化特征，具有一定的局限性，模型計算的誤差值雖然控制在合理范圍之內，但仍與實測值存在稍許誤差。對于太陽輻射與氣象要素相互影響的研究，討論了日照時數、相對濕度以及氣溫、氣壓與輻射的相互關系，但不同因素對輻射變化的影響仍需進一步量化分析，包括太陽輻射與氣溶膠、云量的相互影響，有待后續進行研究。

5 結論

（1）河套平原太陽能資源豐富，1961—2017 年地面接收太陽輻射年平均值為6030.83 MJ·m-2，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈緩慢減少趨勢，低值區主要集中在20世紀60年代和80年代，以90年代為分界線，呈先下降后上升趨勢。季節特征明顯，夏季輻射量最高，年均值為2138 MJ·m-2，冬季最低，為793 MJ·m-2。春季太陽輻射量呈顯著上升趨勢，延緩了河套平原年輻射的下降趨勢，這與春季少云少雨輻射透過率高有關，夏秋冬三季整體呈現下降趨勢。河套平原太陽輻射突變不顯著，年、春季和夏季發生突變位置大致相同，年突變發生在1993 年，春季突變點為1972 年、1993 年，夏季突變點為1967 年、1997 年，秋季突變發生于2014 年，冬季突變于1984年。

（2）河套平原年太陽輻射量周期變化規律極顯著，主周期為24 a。春夏季主周期均為27 a，秋季主周期為30 a，冬季太陽輻射主周期21 a。春季大尺度周期振蕩不顯著，3～9 a 小尺度上，振蕩規律逐漸顯著。夏季周期振蕩次數和突變點增多，周期振蕩結構不顯著。秋季太陽輻射量周期振蕩近似成對稱分布，為5 個顯著階段。冬季太陽輻射在大尺度周期振蕩鮮明，幾乎貫穿整個時間尺度。

（3）河套平原太陽輻射與其氣象要素均存在32 a的共振周期，其中，日照時數與輻射的相關性為0.805，氣溫次之為0.698，氣壓與輻射的相關性為-0.603，相對濕度與輻射相關性較小為-0.301。日照時數與太陽輻射在16～32 a 周期尺度上，分別在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右存在兩者共振高值能量區。氣溫與太陽輻射在1973—1981年呈顯著負相關，在1986年左右發生突變，在1986—1991 年、2001—2006 年等多時間尺度上主要呈正相關關系。氣壓與太陽輻射在1976—1981 年存在負相關關系。相對濕度與太陽輻射的相關性較弱，存在8～16 a 和16～32 a2 個共振周期，在16～32 a 尺度上，兩者在1976—1981 年、1986—1993 年共振高值能量區對應，在8～16 a 尺度上，2007年、2012年左右存在共振周期。