武汉与宜昌太阳总辐射与气象要素的关系对比研究

王丽娟　陈正洪　成驰　王俊超

摘要：利用武汉市及宜昌市2007-2008年逐时太阳总辐照量和气象要素（气温、相对湿度、云量等）实况观测资料，对比分析两地逐时太阳总辐照量与气象要素的关系。研究结果表明，太阳总辐照量具有明显的季节差异，武汉总辐照量值较宜昌地区显著偏大；两地太阳总辐照量与各气象要素相关性大体类似，不同的是宜昌气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉差，而总云量与总辐照量的相关性比武汉好；详细统计了（低、总）云量与总辐照量的相关关系，对各种天气类型（阴、晴等）进行分析后发现（低、总）云量对总辐照量影响很大，云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关；最高（低）气温与总辐照量最大（小）值存在时间差；两地夏冬两季相对湿度与总辐照量呈现出较为明显的负相关。

关键词：气象要素；云量；相关分析；太阳总辐照量

中图分类号：P422.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）01-0073-05

太阳辐射是地球上最重要的能量来源。大气和地面接收到的太阳辐射与地球气候系统之间关系密切。气候变化过程中，云、水汽、气溶胶等因素对太阳辐射的增多和减少起着重要作用，我国学者做了一些引起这种变化的可能原因及变化对能量收支、植被生长及人类生活环境等方面影响的研究[1-3]。我国气候多变，地形复杂，本研究选取武汉及宜昌两地区总辐照量、（低、总）云量、水汽及气温等观测资料来分析太阳总辐照量变化的特征及规律，进一步了解其与气温、云量等气象要素的关系，从而结合统计方法对太阳总辐照量做出比较有效的预报。

1 资料来源与处理

由于2007年以前的太阳总辐照量资料缺失，以及从2009年开始（低、总）云量的观测方式由原来的每日逐时改为一天4次（02：00、08：00、14：00及20：00），为保证观测资料时间上的连续，选取的气象资料为武汉市气象站和宜昌市气象站2007-2008年每日逐时（06：00-17：00）太阳总辐照量（单位：MJ/m2）及同期逐时气象要素（气温、云量及相对湿度等）的观测资料。本研究的气象观测资料均为北京时间，辐射为地方时滞后一些。其中粗略的分季按照3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12-2月为冬季。

2 太阳总辐照量与气象要素的关系

首先分析武汉及宜昌地区2007-2008年太阳总辐照量情况，将两年的总辐照量逐月相加得图1。由图1可见，两地夏季（6-8月）太阳总辐照量值最大，冬季（12-2月）总辐照量值最小，即太阳辐射有较明显的四季差异性；武汉地区逐月太阳总辐照量值大多数时间均大于宜昌地区，在2007年4-12月尤其显著。

在太阳辐射到达地球表面的过程中，会因为云的反射和散射、气溶胶的散射和吸收、水汽的吸收、大气的分子散射和气体吸收等作用而被削弱，同时这些因子在时空分布的变化也会在不同程度上引起太阳总辐照量的变化，下面分析它们之间的相互关系。

从表1和表2可以看出，武汉地区四季气温与总辐照量正相关且通过了显著性检验。相对湿度及（低、总）云量与总辐照量相关性较好，均通过了显著性检验。风速与总辐照量极弱相关，其只是间接体现了天气系统的影响，风速均通过了0.01的显著性检验，可能与统计样本个数较少有关。此外，水汽压与总辐照量无显著相关，没有通过显著性检验。宜昌地区与武汉地区总的情况类似，不同的是气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉要差，而总云量与总辐照量的相关性较好。

2.1 总辐照量与云的相关分析

云是大气中水汽相变的产物，它对太阳辐射影响很大，且其物理形成机制及变化比较复杂，是当前研究的一个热点及难点。在本研究所用的观测资料中，只有（低、总）云量可以直接或间接地反映云的变化。选取宜昌及武汉市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4个时次的总云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3个时段的太阳总辐照量，按四个季节进行统计，得到各季总、低云量和太阳总辐照量的对应关系。表3和表4为武汉、宜昌两地夏季（6-8月）太阳总辐射量与（低、总）云量的对应关系（其他季节略）。

从表3和表4可以看出，总辐照量受（低、总）云量影响很大，在统计中发现，即使是同一季节，同样是总、低云量均为0，两地的太阳总辐射量也有一定差异。进一步分析发现，武汉在夏季受到副热带高压控制，晴好天气多，且其处于长江流域河谷中，多湖泊，地面散热困难，导致高温高湿。而宜昌地区位于鄂西南地区，夏季常处在副热带高压边缘，有降水系统的活动，炎热的午后常有雷阵雨出现，气温及太阳辐射都会有所减弱。

通过对总辐照量值与（低、总）云量的比较不难看出，晴天即低云量为0～4成，或总云量为0～5成，或者两者同时出现；少云即低云量为3～4成，或总云量为4～5成，或者两者同时出现；多云即低云量为5～8成，或总云量为6～9成，或者两者同时出现；阴即低云量为9～10成，或总云量为10成，或者两者同时出现。总的来说，云量的增加（减少）会引起地面太阳总辐照量的减少（增加），云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关。然而，云量的变化可能并不是导致这些地区太阳辐射发生变化的主要原因，大气中的其他因素如气溶胶等，也会对太阳辐射产生重要的影响。

2.2 总辐照量与气温的相关分析

一般而言，到达地面的太阳辐射的减少或增加势必引起气温发生相应的变化，但由于城市“热岛效应”等诸多因素，到达地面的太阳短波辐射并不一定能决定气温变化的方向。实际观测与理论计算都表明，大气的加热主要是通过地表对大气的长波辐射[4]。挑选差异较为明显的冬夏两季，单纯从气温与总辐照量日变化图（图2、图3）分析发现，武汉、宜昌情况类似，气温基本上与总辐照量变化方向一致，总辐照量值越大，气温就越高，但是两者有一定的时间差。这可能有两方面的原因：一是总辐照量采用地方时间较北京时间滞后一些；二是由于当太阳辐射达到最大值时，近地面空气除了吸收来自太阳的短波辐射，还吸收了来自地面的长波辐射（地面反射的太阳辐射），热量达到最大值，气温才能达到最高值。气温最高值一般出现在午后，最低气温与总辐照量的最小值也存在相同的情况。endprint

2.3 总辐照量与相对湿度的相关分析

目前，水汽对短波太阳辐射的吸收仅相当于气溶胶对太阳直接辐射削弱的50%左右[4]，但水汽仍然是影响太阳辐射大气传输的一个重要因子，描述水汽含量时常用相对湿度作为大气中水汽含量的表征。通过冬夏季情况的比较来分析总辐照量与相对湿度的关系，首先分析2007-2008年夏季（6-8月）的情况，武汉市两年逐时总辐照量的均值是1.08 MJ/m2，相对湿度的均值是67%，宜昌市两年逐时总辐照量均值是1.09 MJ/m2，相对湿度的均值是71%；再分析2007-2008年冬季（12-2月）的情况，武汉市两年逐时总辐照量的均值是0.79 MJ/m2，相对湿度的均值是62%，宜昌市逐时总辐照量的均值是0.57 MJ/m2，相对湿度的均值是66%。结果表明，宜昌地区冬夏季相对湿度均值总是大于武汉，这可能是由宜昌地区的地理特点决定的。控制水汽压及风速，两地2007-2008年总辐照量与相对湿度偏相关分析的结果见表5。总体来说，偏相关系数与相关系数相差不大，不同的是宜昌夏季总辐照量与相对湿度的相关性要好于武汉，因此可以确定相对湿度是总辐照量的一个主要影响因素。

分析夏季时武汉及宜昌地区的总辐照量与相对湿度数据，结果见图4，可见2007-2008两年间武汉、宜昌两地太阳总辐照量各季逐时变化与相对湿度变化呈负相关，且通过0.01的显著性检验。

3 小结与讨论

按季节对武汉、宜昌两地进行逐时太阳总辐照量与气象要素相关分析，发现两地情况大致类似，气温与总辐照量呈正相关且通过显著性检验。相对湿度及（低、总）云量与总辐照量相关性较好，均通过了显著性检验。此外，水汽压与总辐照量无显著相关，没有通过显著性检验。不同的是宜昌地区气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉差，而总云量与总辐照量的相关性较好。

云量是影响太阳辐射的最重要的因子之一。本文着重分析了（低、总）云量对太阳总辐照量的重要影响，选取宜昌及武汉市2007-2008年逐日11：00、12：00、13：00、14：00共4个时次的总云量、低云量和11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00共3个时段的太阳总辐照量，按照四个季节进行统计发现：区分晴、阴天气的情况下，两地总的来说都遵循着云量的增加（减少）会引起地面太阳总辐照量的减少（增加），云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关。但值得一提的是，云量和太阳辐射之间关系很复杂，难以解释。由于数据有限，本文仅分析了（低、总）云量对太阳辐射的影响，还有气溶胶、下垫面性质等诸多影响因素尚未引入分析，因此该地区太阳辐射变化的确切影响机制，尚需要进一步的研究。

气温与总辐照量的相关性不大，实际观测与理论计算都表明，大气的加热主要是通过地表对大气的长波辐射，湍流热交换及潜热交换过程来实现[5，6]。但单纯分析冬夏两季日变化，武汉、宜昌两地情况类似，气温基本上与总辐照量变化方向一致，总辐照量值越大，气温就越高，但两者有一定的时间差，这是因为当太阳辐射达到最大值时，近地面空气除了吸收来自太阳的短波辐射，还吸收了来自地面的长波辐射，热量达到最大值，气温才能达到最高值，最高气温一般出现在午后。同样地，最低气温与总辐照量的最小值也存在时间差。这些情况说明气温不单受太阳辐射的影响，还与下垫面的地理特征等有关。通过相对湿度与总辐照量偏相关分析及对比两者2007-2008年随时间变化图可以发现，相对湿度与总辐照量呈负相关。

本研究资料仅限于武汉及宜昌两站每日逐时的太阳总辐照量和气象要素的资料，太阳辐射是大范围长期作用的因素，仅两站短期资料可能难以精确反映普遍规律。

上述气象要素与太阳总辐照量之间复杂、不稳定的关系，并非本研究的研究区域所特有，而是当前国内外研究中所面临的共同难点[7]，其中可能包含了比较复杂但也相当重要的科学问题，值得进行深入的分析。

参考文献：

[1] 李 韧，季国良，杨 文，等.敦煌地区晴空散射辐射影响因子的统计特征[J].高原气象，2004，23（1）：116-122.

[2] 李克让，林贤超，王维强.近四十年来我国气温的长期变化趋势[J].地理研究，1990，9（4）：26-37.

[3] 李晓文，李维亮，周秀骥.中国近30年太阳辐射状况研究[J].应用气象学报，1998，9（1）：24-31.

[4] 翁笃鸣.中国辐射气候[M].北京：气象出版社，1997.

[5] LECKNER B.The spectral distribution of solar radiation at the earths surface-elements of a model[J]. Solar Energy，1978， 20（2）：143-150.

[6] 白建辉，王庚辰.晴天地面太阳紫外总辐射的观测结果和统计计算方法[J].太阳能学报，1993，14（4）：364-370.

[7] WILD M，GILGEN H，ROESCH A，et al.From dimming to brightening：Decadal changes in solar radiation at earths surface[J].Science，2005，308：847-850.endprint