近30年中国太阳总辐射时空特征及趋势分析

喻丽　王姝苏　褚荣浩　顾俊杰　潘亮东

摘要[目的]研究近30年我国太阳总辐射时空分布特征及长期变化趋势。[方法]利用全国62个站点1986—2015年太阳总辐射实测资料，分析了总辐射时空分布以及变化趋势。[结果]我国太阳年总辐射总体呈现出较为明显的波动上升趋势，而季节总辐射上升幅度从大到小依次为春季、夏季、冬季、秋季；太阳总辐射呈现出西北高、东南低，内陆高、沿海低，高原高、平原低，干燥区高、湿润区低的空间分布特征，青藏高原、川黔渝山地分別为我国太阳总辐射高值和低值区；春夏两季太阳总辐射的增加是全年总辐射上升的主要原因；1996—2005年总辐射量的显著增加是导致30年来我国总辐射量增加的重要原因之一。[结论]该研究可为我国太阳能资源的有效利用提供重要科学依据。

关键词太阳总辐射；时空分布特征；变化趋势；中国

中图分类号S161.1；P467文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）33-0192-05

Temporal and Spatial Characteristics and Trend Analysis of Total Solar Radiation in China in Recent 30 Years

YU Li1，WANG Shusu1，CHU Ronghao2 et al

（1.Dafeng District Meteorological Bureau of Yancheng City，Yancheng，Jiangsu 224100；2.College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210044）

Abstract[Objective]The research aimed to study the temporal，spatial distribution characteristics and the longterm trend of the total solar radiation in China during nearly 30 years.[Method]The spatial and temporal distribution of total solar radiation and the trend of change were analyzed by using the total solar radiation data of 62 stations in China from 1986 to 2015.[Result]The annual total solar radiation in China showed a obvious trend of rising volatility，but the seasonal increase in total radiation from large to small，followed by spring，summer，winter，autumn；The total solar radiation mainly shows the spatial distribution characteristics of high northwest，low southeast，high inland，low coastal，high plateau，low plain and high dry area and low humid area.From both the annual and the seasonal radiation results，a stable high value was shown in the Tibet Plateau，a stable low value was shown in the mountainous area of Sichuan and Chongqing.The increase of total solar radiation in spring and summer was the main reason for the increase of total radiation in the whole year.The significant increase of total radiation in 1996-2005 was one of the important reasons for the increase of total radiation in China in 30 years.[Conclusion]The study can provide scientific basis for the effective use of solar energy resource in China.

Key wordsTotal solar radiation；Temporal and spatial distribution characteristics；Change trend；China

太阳辐射是地表能量的主要来源，是驱动天气、气候形成和演变的基本动力。太阳总辐射、散射辐射、直接辐射等在人类日常生活、农业、工业、建筑节能分析等相关应用中发挥着关键作用，到21世纪后期，太阳能备受关注，成为举足轻重的新能源之一[1-2]。近几十年来世界范围内绝大多数地区的太阳辐射变化趋势几乎都历经了从下降到上升的过程，即为地球的“变暗”和“变亮”。研究发现，20世纪50—90年代太阳辐射由于受到人类活动和城市化的影响明显下降，这一过程被称为“全球变暗”[3-12]；20世纪90年代以后，全球包括中国在内的大部分站点太阳辐射呈现总体上升趋势，即所谓的“全球变亮”阶段[7-8，13]，造成这种现象的原因主要是云量与城市气溶胶浓度的下降提升了无云大气层的透明度，同时全球已从1991年Pinatubo火山爆发的影响中恢复[14-15]。Liepert[16]和De等[17]研究德国与荷兰等国家太阳辐射变化特征发现，西欧地区太阳辐射在逐年降低，其中太阳辐射降低较为明显的地域通常位于主要城市附近，原因是城市的发展使得空气污染加剧，削弱了进入地表的太阳辐射。Wild等[18]研究分析欧洲1985—2005年辐射资料发现，32个网格中有26个网格的太阳辐射是上升的，占总数的81%。关于中国太阳辐射长期变化特征，学者们也进行了大量研究[19-21]。如王雅婕等[19]分析1961—2003年全国30个观测站太阳总辐射实测值发现，1961—1989年中国太阳辐射呈总体下降趋势，尤其是春夏两季下降明显，但1990—2003年辐射又有略微回升。马金玉等[22]研究1961—2009年全国57个站实测资料得出，辐射总体呈下降趋势，按年代际来看，20世纪60—70年代主要呈上升趋势，70年代以后辐射开始减少，80年代以后是辐射下降高峰时段，下降趋势一直持续到90年代初期，之后个别站点太阳辐射值呈现小幅增加。

太阳能资源大规模的开发与利用，对于调整能源结构、改善空气质量、应对气候变化等都具有重大意义。我国太阳能资源丰富且分布广泛，很多区域的太阳能资源优于日本和欧洲等太阳能利用发达国家，太阳能资源开发潜力很大[23-24]。此外，我国太阳总辐射分布范围广，区域分布、日、季节等短期以及年际与年代际等长期变化特征不尽相同，因此想要有效地利用太阳能资源，首先必须了解太阳辐射的时空分布特征及其变化趋势，在此基础上，确定有开发利用价值的区域以及该区域太阳能资源充足的时间段，从而充分有效地利用太阳能资源。笔者利用全国62个站点1986—2015年太阳日总辐射值，详细分析了近30年我国太阳总辐射的时空分布及其演变特征，旨在为我国太阳能资源的有效利用提供重要的科学指导与理论依据。

1资料与方法

1.1数据来源

该研究数据来源于国家气象信息中心1986—2015年大连、二连浩特、广州等全国62个辐射站点太阳日总辐射实测资料，对数据进行内插订正，以保证其有效性。辐射站点具体分布如图1所示。

总辐射

均值差ΔQa=2-1，2006—2015年与1996—2005年总辐射均值差

ΔQb=3-2。季节按气象季节划分方法，即春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。该研究分季节、分年代对日总辐射趋势变化以及变化时空格局进行深入研究，采用Mann-Kendall 方法 （M-K法） 对太阳总辐射变化趋势进行趋势及显著性检验。

2结果与分析

2.1太阳总辐射时空分布特征

2.1.1时间变化特征。从图2可以看出，1986—2015年中国太阳总辐射呈明显波动上升趋势，不同年份间变化情况有所差异。1986—1989年太阳总辐射小幅下降，这与20世纪50—90年代“全球变暗”的研究结果基本吻合[25]。20世纪90年代前期，总辐射量呈现出较为显著的上升趋势；1994—2015年总辐射沿趋势线上下小幅波动，变化趋势减弱。总体而言，1986—2015年太阳总辐射呈现出较为明显的波动上升趋势，这与20世纪90年代以后“全球变亮”的研究结果基本一致[26]。

从图3可以看出，近30年中国各季节太阳总辐射均呈小幅上升趋势，总体趋势表现为春季>夏季>冬季>秋季，秋冬两季上升趋势与春夏两季相比并不明显。与全年总辐射量相比，四季太阳总辐射的长期变化特征尤其是春夏两季与年总辐射变化趋势较为接近，说明春夏两季总辐射的增加是全年辐射上升的主要原因。

2.1.2空间分布特征。

太阳总辐射是地表接收的太陽辐射能量的总和，在辐射平衡中起着重要作用，因受到地形、季风、海拔和经纬度等因素的作用，中国太阳总辐射量具有明显的空间分布特征。从图4可看出，近30年我国全年太阳总辐射量总体介于3 309.00～7 580.00 MJ/（m2·d），总体呈现出西北高、东南低，内陆高、沿海低，高原高、平原低，干燥区高、湿润区低的空间分布特征。

青藏高原由于地势高、气候干燥、空气稀薄、大气透明度高，成为稳定的高值区，最高中心出现在狮泉河以及雅鲁藏布江一带，达7 500.00 MJ/（m2·d）以上。次高值区经过南疆地区后继续向东北和柴达木盆地延伸，一直到达甘肃西北部、内蒙西部以及新疆东部的三省交界地带。内蒙中北部、腾格里沙漠以西甘蒙两省交界处以及云南香格里拉地区也伴有5 976.00～6 510.00 MJ/（m2·d）的高值分布，造成上述分布特征的主要原因是西北沙漠地区云量少，导致大气逆辐射较弱，大气对太阳辐射的削弱作用减弱，且降水量少；而香格里拉地区总辐射量多是因为地处川、滇、藏三省交汇处，海拔高且位于横断山脉迎风坡，到达地面的太阳辐射较多。

安徽农业科学2017年

川黔渝地区由于山地分布较多，且为四川盆地所在区域，成为稳定的低值区，最低值小于3 900.00 MJ/（m2·d）。以此极低值区为中心向东延伸经湖北、江西至长江中下游地区，向东南一直延伸到湖南直至两广、福建地区，从而形成次低值区。其他相对低值区主要位于我国东北地区和新疆西北部额尔齐斯河地区。由于东北三省地处我国高纬度地区，冬季太阳高度低、日照时数少，且夏季降雨时段较多、太阳总辐射小。新疆额尔齐斯河流域地处阿尔泰山与塔尔巴哈台山之间，大气扩散条件差，从而削弱到达地表的太阳辐射，导致总辐射低于新疆其他区域。此外，我国华北平原南部全年总辐射值较低，北部辐射值相对较高，部分地区仍低于全国均值[5 113.69 MJ/（m2·d）]。

随着季节的演变，全国总辐射量的空间分布也发生着相应变化。春季（图5a），总辐射量最高值区域为西藏狮泉河地区，达2 200.42 MJ/（m2·d），西藏其余地区总辐射量基本介于1 850.00～2 100.00 MJ/（m2·d）的高值区，且延伸至柴达木盆地、嘉峪关以西直至新甘蒙三省交汇处。另一相对高值区介于1 600.00～1 850.00 MJ/（m2·d），主要包括云南、宁夏、新疆以及内蒙大部地区、青海东部、西藏东南部和甘肃中部等地区，但新疆准格尔盆地和喀什地区辐射值又出现相应减少。全国范围内的低值区基本位于30°N以南、100°E以东区域内。太阳总辐射最低值出现在广州，为863.92 MJ/（m2·d），由此低值中心向外扩散，向北到达江西西南部、湖南大部以及福建莆田、福州、宁德沿海一带，向西北到达广西、贵州、重庆大部分区域以及四川泸州、宜宾、成都沿线一带。

夏季（图5b），全国总辐射值呈现普遍上升趋势。在强大夏季东南季风的影响下，总辐射空间分布分割线基本呈东

北—西南走向。最高值出现在西藏狮泉河和拉萨、青海柴达木盆地、新甘蒙交汇处以及新疆准格尔盆地以西地区，最高值达2 298.14 MJ/（m2·d）；高于1 600.00 MJ/（m2·d）的高值区从滇藏交汇处出发，沿东北向经过四川西北部，进入甘肃大部地区以及宁夏全境，之后进入陕西北部以及山西大部地区，最后向东北方延伸直至京津冀后到达东北区域。夏季低值区主要位于我国西南、华南、华东、华中以及华北大部分地区，最低值位于成都，为1 200.11 MJ/（m2·d）。除此之外，东北三江平原、长白山地区以及辽东半岛以北的营口、鞍山地区也是相对低值区域。

秋季（图5c），与春夏两季相比，秋季太阳总辐射有所下降。最高值与最低值中心配置形势与全年总辐射基本一致。青藏高原两高值中心虽仍维持，但其范围进一步扩大，沿喜马拉雅山脉一带分布，最高值达1 747.18 MJ/（m2·d）。其次介于1 350.00～1 600.00 MJ/（m2·d）的高值中心区域主要包括青海与西藏大部、甘肃东北以及南疆地区。与全年总辐射分布类似，低值中心位于川渝黔山地，且陕西西南部与四川交界处也处于低值中心范围内，最低值为637.86 MJ/（m2·d），并以此为中心向东部和东南部延伸以及北部延伸。

冬季（图5d），我国各地太阳总辐射普遍降至全年最低，但青藏高原高值中心及川渝黔山地的低值中心保持不变。以昆仑山、唐古拉山、横断山三大山脉作为辐射高低值的隔离带，总辐射高值带主要位于三大山脉以南的滇藏全境、青海东南地区以及四川西部地区。进而形成2个最高值点：西藏境内与不丹接壤的藏南地区以及云南北部与川藏交界处，最高值达1 402.29 MJ/（m2·d）。而低值中心位于川渝黔大部地区，最低值为376.18 MJ/（m2·d）。新疆准格尔盆地与塔里木盆地也出现2个小低值区，主要原因是由于沙漠地区气候干燥，空气浑浊，到达地面的太阳辐射遭到削弱。另一个小低值区出现在我国东北黑龙江与松花江流域，这是由于此区域处于我国最高纬度区，冬季日照时间少、太阳辐射小。

2.2太阳总辐射时空变化趋势

从图6可看出，近30年中国全年和四季太阳总辐射各站点大都呈上升趋势；春夏两季总辐射上升幅度较大、秋冬两季总辐射上升幅度较小。

通过分析62个站点总辐射变化发现，全年总辐射呈显著上升的站点有14个，不显著上升的站点有29个，上升的站点占总数的69%，上升的站点大范围集中在我国南方地区，东北、华北和西北的部分地区也有少数上升站点。从四季总辐射变化来看，春季有21个站点总辐射显著上升，28个站点不显著上升，上升的站点占比79%，此外，夏季上升的站点占比68%，春夏两季上升的站点无明显区域分布规律，呈零散分布。与春夏两季相比，秋冬两季上升幅度较小且上升的站点数相应减少，上升的站点占总数的55%左右。与全年上升的站点分布情况类似，秋冬两季的上升站点主要集中在南方大部分地区，北方地区少量分散分布。结合以上分析可看出，春夏两季太阳总辐射的增加是全年总辐射呈上升趋势的主要原因。

2.3太阳总辐射时空变化格局

为进一步了解我国不同地区以及不同年代太阳总辐射的变化情况，分别计算出1996—2005年與1986—1995年总辐射均值差ΔQa、2006—2015年与1996—2005年总辐射均值差ΔQb，以此来分析全国各个区域不同年代际太阳总辐射变化幅度的时空分布格局。

由图7a可见，与1986—1995年太阳总辐射均值相比，1996—2005年全国大部分站点太阳总辐射呈明显上升趋势，其中青海南部以及西藏南部的青藏高原地区上升趋势最为明显。全国有16个站点呈减少趋势，占总数的26%，且辐射下降的站点主要分布在西北、华北、西南地区，河南、广西、辽宁等地有零星下降的站点分布。

从图7b可以看出，近10年与1996—2005年太阳总辐射均值相比，其中有32个站点总辐射呈下降趋势，30个站点总辐射呈上升趋势，辐射升降站点基本呈1∶1分布。下降的站点集中分布在我国华北、西北等秦岭淮河以北的北方地区，西南部的西藏、云南、四川等地区也有个别下降的站点；而辐射上升的站点主要分布在我国东北、华东、华中、华南以及新疆东北部等区域。总体而言，太阳总辐射变化分布格局较为分散，变化值呈正负间隔分布。综上所述，1996—2005年总辐射量的显著增加是导致30年来我国总辐射量增加的重要原因之一。

3结论

通过对62个站点太阳日总辐射资料的统计与分析，具体阐明了我国太阳总辐射的时空分布特征以及近30年的长期变化特征，得到以下结论：

（1） 我国太阳总辐射主要分布特征是西北高东南低、内陆地区高于沿海地区、高原地区高于平原地区、干燥地区高于湿润地区。青藏高原地区为稳定高值区，川黔渝山地为常年稳定低值区。

（2） 30年来我国太阳总辐射总体呈上升趋势，其中20世纪90年代前期总辐射上升趋势最为显著。四季辐射均呈现上升趋势，其中春季上升幅度最大，其次是夏季、冬季和秋季。春夏两季总辐射的增加是全年总辐射呈上升趋势的主要原因。

（3） 通过对全年和四季总辐射进行M-K检验，结果发现各站点大多呈上升趋势。春夏两季总辐射上升幅度大于秋冬两季，表明春夏两季太阳总辐射的增加是全年总辐射上升的主要原因。

（4） 我国全年总辐射年代变化特征： 1996—2005年与前10年相比大部分站点辐射上升，且集中分布在青海和西藏南部，而近10年与1996—2005年相比，升降站点呈1∶1分布，且分布不集中。四季总辐射变化格局依各季节而异，辐射上升最明显的地区都为狮泉河与那曲两站。1996—2005年总辐射量的显著增加是导致30年来我国总辐射量增加的重要原因之一。

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