近30 a 新疆日照時數及日照百分率時空分布特點

李 曄，林 閩，曼吾拉·卡德爾 ,林 佳

（1.新疆機場集團空管業務部，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區新能源研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

在人類眾多的能源中，電力能源最為便捷，利用太陽能發電的光電是清潔能源的重要組成。設計太陽能電站，需預測電站不同時間、不同季節的發電量及輸出功率。在影響光伏發電量的10 大因素中，排在第一位的是太陽輻射量。太陽輻射量受天氣變化的影響，很難量化，但如果對某地的“日照時數”和“日照百分率”充分了解，可為太陽輻射量是否符合太陽能電站建站要求提供很好的借鑒。黃偉等[1]研究了影響光伏發電的日照時間函數和氣象因素，估算出典型多云、陰天及雨天對光電出力的影響系數。楊金煥[2]等分析當地全年太陽能輻射強度的規律，模擬日照強度對光電出力的影響。以上研究從不同角度證明了日照時數和日照百分率對太陽輻射量的多少具有較好的指示意義。

新疆地處中緯度歐亞大陸腹地，在中國四類太陽輻射地區劃分中屬于最豐富帶和很豐富帶[3]（新疆不同區域）。在氣候條件比較符合的同時，新疆生態脆弱和地廣人稀的特點，也是建設光電站的理想地點。近幾十年的氣候變化研究表明[4]，近年中國天山地區年均氣溫上升趨勢明顯，同時中國西部有降水量增加和沙塵日數減少的趨勢[5]，氣溫、降水量和沙塵的氣候變化會帶動日照時數的氣候變化，同時天山山脈的不同區域、不同氣象要素對氣候變化的響應不同[6]。因此，對新疆地區日照時數和日照百分率的時空分布及氣候變化特征研究，有利于全面認識新疆的光能在天山南北的分布差異，為光伏電站的設立提供數據依據，減少碳排放對人們生產、生活造成損失。

2 概況和資料的選取

2.1 概況

天山呈東西走向橫亙于新疆維吾爾自治區中部，西起中國與中亞五國邊界，東至哈密市以東，南臨中國最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，北部是古爾班通古特沙漠，天山山脊平均海拔高度為4000 m。此地形特點使新疆境內海拔落差大，氣候種類多且復雜多變。根據地貌和氣候特點簡單分區，將天山以北稱北疆，天山以南為南疆，天山余脈以東為東疆。

2.2 資料的選取

所用資料為新疆34 個測站的每日日照時數和日照百分率數據，其中南疆測站15 個，北疆測站11個，東疆測站8 個。時段為1991-2020 年共30 a。定義年平均值為30 a 的平均，對日照時數進行比較時換算為每日的日照時數，這樣便于直觀理解。春季為3-5 月，夏季為6-8 月，秋季為9-11 月，冬季為12月-次年2 月。

利用ArcGIS10.5 軟件采用范克里金插值法繪制天山地區各日照時數、日照百分率的空間分布圖。根據施能等[7]的方法，計算了日照時數的氣候趨勢系數，采用回歸法檢驗變化趨勢的顯著性，當趨勢系數的絕對值P<0.05,認為氣候變化顯著。運用Morlet 小波分析法分析日照時數的周期變化特征。計算Pearson 系數判斷南疆夏季日照時數減少、東疆近10 a 日照時數顯著減少與當地降水增多的相關性。

3 新疆日照時數及日照百分率的時空分布特征

3.1 日照時數及日照百分率的空間分布

從新疆地區各測站多年平均日照時數空間分布圖可以看出（圖1a），年日照時數呈現出明顯的“東多西少”分布狀態，位于偏西部的南疆和北疆日照時數少于東疆；日照時數最高在東疆紅柳河測站，平均值為9.28 h/d，最低在北疆的精河站，均值為7.12 h/d，日照時數平均日均差達2.16 h/d；南疆日照時數總體略高與北疆，但南、北疆各地日照時數分布有高有低。對于北疆而言，北疆偏北部日照時數總體高于北疆西部和中部，極值在北部的阿勒泰，平均日照時數為8.21 h/d，與北疆最低值差1.09 h/d；對于南疆而言，南疆東部日照時數高于南疆西部，極值在偏東部的焉耆，平均日照時數為8.30 h/d，與南疆最低值差0.85 h。南疆沙漠以北及中天山一線日照時數均比遠離沙漠的地區低。

圖1 新疆地區30 a 平均日照時數（a）、日照百分率（b）空間分布圖

新疆多年平均日照百分率空間分布圖（圖1b）同年日照時數分布圖大體相同，東疆地區日照百分率平均值高達78%，在光照充足的同時氣候條件也非常穩定，但吐魯番測站除外。氣候條件表現與日照時數相差較大的測站均在南疆沙漠邊緣和中天山附近，如和田、塔中，雖然天氣條件相對穩定，但日照時數并不理想。

圖2 是新疆地區不同季節各測站日照時數的空間分布，春季，日照時數整體偏多，高值區位于東疆，次高區為北疆，南疆相對偏少。夏季日照時數的高值中心處于東疆和北疆，尤其是北疆北部日照時數均達10 h/d 以上；南疆地區雖然整體夏季日照時數偏低，但也有10.4 h/d 的高值中心，位于喀什地區，低值中心在環塔克拉瑪干沙漠南部。秋季的日照時數最大區仍在東疆，北疆北部日照時數顯著減少，南疆日照時數降幅不大。相對其他三季而言，冬季日照時數最少，北疆西部為日照時數低點，南疆日照時數相比秋季變化不大。

圖2 新疆地區不同季節日照時數的空間分布(a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

對不同氣候區日照時數、日照百分率的極值以及各季日照時數、日照百分率在全年的占比進行比較（表1），北疆、東疆的日照時數和日照百分率極值均落在同樣地區，而南疆最高、最低的日照時數和日照百分率極值并不在同一地區，表明南疆日照能量不穩定；夏季日照時數占全年日照時數的比重最高，冬季最低；東疆四季日照時數在全年的分布比較均勻；北疆冬、夏兩季日照時數占全年日照時數的比重相差大，分別為32.9%和15.9%，南疆次之。

表1 不同氣候區日照時數、日照百分率的極值及在全年的占比

與不同季節各測站日照百分率的空間分布（圖略）進行比較，除夏季北疆草原的日照百分率與日照時數差距較大外，其他地區與日照時數基本相符。

上述分析表明，新疆地區日照時數和日照百分率的空間分布地區性變差明顯，新疆東部為高值區，日照時數高的同時氣候也很穩定，且四季分布均勻；其次是天山以南地區的南疆；天山以北地區全年的日照時數略低于南疆，且四季分布不均，日照百分率不高。以上特點與新疆特殊的地形和氣候特征分不開。從太陽輻射能的角度衡量，東疆除吐魯番外，均為理想的光能利用區，南疆除塔克拉瑪干沙漠及緊鄰區外，光能利用也很理想，北疆因受氣候影響，太陽輻射能地區和季節差異性大，需分片區具體區分。

3.2 年日照時數及日照百分率的時間變化

圖3 是1991-2020 年新疆年日照時數的時間變化?？煽闯?，近30 a 新疆地區年日照時數總體上呈微減趨勢，減少速率為12.7 h·（10a）-1，p=0.51 未通過顯著性檢驗。2016 年日照時數明顯偏少，對照歷史資料，2016 年年降水量為新疆1961 年以來歷史最多，在超強厄爾尼諾事件背景下，全疆平均降水量偏多近5 成，造成了日照時數的最低年。1997 年為新疆區域氣候變暖拐點[8]，當年日照時數為近30 a 最高，自1997 年后，新疆區域四季平均氣溫均呈上升趨勢，很明顯日照時數并沒有同氣溫同步變化。對30 a 日照時數進行周期分析(圖4），有20 a 和10-12 a 的周期，2000-2005 年、2015-2016 年左右處在周期的負位相，1997-1999 年、2017-2018 年左右處在的周期的正位相。

圖3 1991-2020 年新疆地區年日照時數的時間變化（單位：h）

圖4 30 a 新疆日照時數（a）Morkt 小波指數分布和(b)方差變化

進一步分析發現，前15 a（1991-2005 年）日照時數呈上升趨勢，尤其是90 年代（1991～2000 年）上升速率達118.7 h·（10a）-1，而后15 a 呈下降趨勢，尤其是后10 a（2011-2020）下降速率為212.9 h·（10a）-1。上升、下降趨勢的抵消可能是造成趨勢變化的顯著性檢驗均為不顯著的原因。

分析1991-2020 年的日照百分率（圖略），氣候趨勢總體呈增加趨勢，變化很微小，但個別年份陡增陡減，反映出極端天氣對日照百分率的影響。

從新疆不同季節日照時數的時間變化可看出(圖5)，四季日照時數均呈現減少趨勢，春、夏、秋、冬季的減少速率分別為7.5 h·（10a）-1、7.9 h·（10a）-1、2.5 h·（10a）-1、11.8 h·（10a）-1，冬季減少趨勢相對顯著。近10a（2011～2020 年）春季日照時數以193.8h·（10a）-1的速率減少（圖略），認為是春季日照時數減少的主要貢獻項，此年代夏季日照時數也有減少趨勢，而秋、冬季節是弱增加趨勢。

圖5 新疆多年平均四季日照時數變化趨勢（單位：h）（a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）

綜合以上分析，新疆日照時數近30 a 總體呈弱的減少趨勢，但未通過顯著性檢驗，具體分析發現90年代日照時數增加，20 世紀10 年代開始減少；從四季日照時數角度分析，冬季日照時數減少速率最大，近10 a 春季日照時數減少明顯。Morlet 小波分析表明日照時數有20 a 和10-12 a 的周期變化。

3.3 新疆各氣候區日照時數時間變化特點

新疆北疆、東疆、南疆的日照時數時間變化各有其特點（圖略），近30 a 來，北疆、東疆日照時數以34.0 h·（10a）-1、68.8 h·（10a）-1的速率減少，而南疆以25.7 h·（10a）-1的速率增加；具體分析顯示，東疆近10 a（2011-2020 年）日照時數顯著減少，達408.1 h·（10a）-1。

春季北、東、南疆的日照時數隨時間變化不明顯；夏季北疆為增加趨勢，而南疆和東疆均為減少趨勢，尤其是南疆，減少速率為21.5 h·（10a）-1；秋季北疆日照時數為減少趨勢；冬季各地均無明顯變化（圖略）。

Pearson 相關適合衡量兩個變量的觀測值成對且每對觀測值直接相互獨立的兩組數據之間的相關性，越接近1 或-1，說明相關性越強。計算了東疆近10 a（2011-2020 年）日照時數和與之對應的降水量的Pearson 系數，數值為-0.53，說明東疆日照時數與降水量為負相關，降水增多的確是東疆日照時數減少的原因之一。同樣計算了南疆夏季日照時數和與之對應的降水量的Pearson 系數，數值為-0.15，說明日照時數與降水量為負相關，降水增多不是南疆日照時數減少的主要原因，這可能和近年來南疆夏季極端天氣增多有關[9]

以上分析表明，東疆日照時數的氣候變化呈減少趨勢，近10 a 減少顯著，Pearson 檢驗表明降水增多是東疆日照時數減少的原因之一；南疆的日照時數氣候變化趨勢為增加，但未通過顯著性檢驗，其中夏季的日照時數呈減少狀態；北疆日照時數氣候變化呈減少趨勢，主要是秋季日照時數減少的貢獻。

4 結論

（1）新疆日照時數和日照百分率的空間分布整體呈“東多西少”的分布狀態，隨時間變化為減少趨勢，尤其是20 世紀10 年代以后，減少趨勢更為顯著。四季的日照時數也存在減少趨勢，尤其是近10 a的春季減少速率大。Pearson 檢驗證明隨著新疆氣候暖濕化的變化，東疆近10 a 日照時數減少與日照時數為負相關。

（2）30 a 日照時數小波分析表明，日照時數有20 a 和10-12 a 的周期變化。

（3）新疆東疆日照時數和日照百分率數值高，且四季分布均勻，從太陽輻射能的角度衡量，除吐魯番地區外，均為理想的光能利用區。

（4）南疆日照時數少于東疆多于北疆，氣候趨勢呈增加趨勢，塔克拉瑪干沙漠及中天山周邊日照時數不高。

（5）北疆地形復雜造成日照時數和日照百分率差異大，尤其是草原區日照百分率低，太陽能獲取不穩定。