基于ERA-5再分析资料的黄石市太阳总辐射变化特征分析

宋 鸽，刘 翔，罗 嘉，车召贵

(湖北省公众气象服务中心，湖北 武汉 430074)

1 引言

太阳辐射是指太阳以电磁波的形式不断地向外传递能量，其所传递的能量是地球大气运动和光热能的主要能量来源。传递到地球大气层的太阳辐射能量巨大，每秒所产生的能量相当于500万t煤。此外，太阳辐射能还具有取之不尽、用之不竭，分布广、无处不在，清洁无污染等诸多优点[1]，恰好满足了人们对能源日益增长的需求，有效地利用太阳能这种可再生能源显得尤为重要[2，3]。2011年5月份，IPCC对多种可再生能源资源(如太阳能、风能和水电等)进行了评估，指出在所有可再生能源中太阳能资源可开发潜力是最高的[4]。我国的光伏发电并网的装机容量位居世界前列，其中2021年新增装机容量0.53亿kW，太阳能发电实现了历史性突破，总装机容量达到了3.06亿kW，其相当于十几个三峡电站。

黄石市位于湖北省东南部，太阳能资源极其丰富，合理开发利用太阳能资源以缓解该地区能源短缺的供需矛盾。黄石地区缺乏长序列太阳辐射观测站，这就使得研究黄石地区太阳总辐射的变化特征变得困难。基于日照时数估算太阳总辐射的气候学经验公式法在一定程度上可以近似推算无长序列辐射观测站的实际太阳总辐射[5～8]，一些学者采用该方法对湖北省区域内太阳辐射进行研究。邓先瑞和刘可群等[9，10]利用该方法推算得到湖北省无长序列辐射观测站地区(包含黄石站)的太阳总辐射，并研究了湖北省区域内太阳辐射的时空分布特征。敖银银等[11]利用同样方法对随州市太阳总辐射时空分布特征进行了研究。近年来，基于数值天气预报中资料同化技术的再分析资料在气候变化研究中逐渐被应用[12～15]，该方法被认为是实际太阳总辐射的最优反映[16～18]，而目前基于再分析资料的湖北省区域内太阳总辐射的研究较少[19]。本文采用太阳总辐射的ERA-5再分析资料对黄石市太阳总辐射的变化特征进行分析研究。

2 资料与方法

选取欧洲中期天气预报中心ECWMF提供的1981～2020年黄石站的ERA-5单月平均辐射资料。按春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)和冬季(12月至次年2月份)来划分四季，采用线性倾向估计、5年滑动平均、M-K突变检验和累积距平4种方法[20]对近40年来黄石市太阳总辐射的变化特征进行分析。

3 结果与分析

3.1 黄石市年太阳总辐射变化特征分析

如图1所示，黄石市年太阳总辐射随年际变化整体呈上升趋势，气候倾向率为53.91 MJ/(m2·10a)，未通过α=0.10的显著性检验。从5年滑动平均曲线可以看出年太阳总辐射量在1983～1986年呈上升趋势，在1987～1991年呈下降趋势，在1992～1994年呈上升趋势，在1995～1998年呈小幅度下降趋势，在1999～2006年呈上升趋势，在2007年之后呈下降趋势。近40年来黄石市年太阳总辐射量的平均值为5065.41 MJ/m2，最大值和最小值分别为5533.88 MJ/m2和4574.69 MJ/m2，分别出现在2004年和1989年，极差为959.19 MJ/m2。在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4个时段，黄石市年平均太阳总辐射分别为4966.55 MJ/m2、4945.80 MJ/m2、5296.59 MJ/m2和5052.72 MJ/m2，年平均太阳总辐射随年代际增加呈波浪起伏变化，21世纪初年平均太阳总辐射量大于历年均值，其余各年代均低于历年均值。

图1 1981～2020年黄石市年太阳总辐射的年际变化

从图2(a)可以看出，在1981～2003年(1986年和1988年除外)，UF<0，说明年太阳总辐射表现出下降的趋势，其中1982～1983年，UF超出了0.05置信水平线，表现出显著的下降趋势；在2004～2020年，UF>0，说明年太阳总辐射表现出上升的趋势，其中在2008～2014年，UF超出了0.05置信水平线，表现出显著的上升趋势。UF与UB两条曲线在2000年左右和2015～2018年范围内有3个交点，为了增加突变点的可信度，结合图2(b)所示累积距平曲线的结果，可以看出黄石市年太阳总辐射的突变点为2000年和2015年左右。

图2 1981-2020年黄石市年太阳总辐射的M-K突变检验曲线和累积距平曲线

3.2 黄石市季太阳总辐射变化特征分析

图3给出了1981～2020年黄石市春季、夏季、秋季和冬季太阳总辐射的年际变化曲线。可以看出，春季、夏季和秋季的太阳总辐射随年际变化整体均呈上升趋势，气候倾向率分别为44.99 MJ/(m2·10a)、8.715 MJ/(m2·10a)和8.195 MJ/(m2·10a)，上升速率依次为：春季>夏季>秋季，其中春季通过了α=0.01的显著性检验；近40年来，春季太阳总辐射的平均值为1406.94 MJ/m2，最大值和最小值分别为1672.70 MJ/m2(2011年)和1168.44 MJ/m2(1991年)，极差为504.26 MJ/m2；夏季太阳总辐射的平均值为1651.79 MJ/m2，最大值和最小值分别为1849.32 MJ/m2(2006年)和1369.46 MJ/m2(1993年)，极差为479.85 MJ/m2；秋季太阳总辐射的平均值为1144.21 MJ/m2，最大值和最小值分别为1311.29 MJ/m2(2007年)和922.71 MJ/m2(2016年)，极差为388.58 MJ/m2。冬季的太阳总辐射随年际变化整体呈下降趋势，气候倾向率为-11.79 MJ/(m2·10a)；近40年来冬季太阳总辐射的平均值为864.57 MJ/m2，最大值和最小值分别为1015.90 MJ/m2(2010年)和548.90 MJ/m2(2018年)，极差为467.00 MJ/m2。

图3 1981～2020年黄石市四季太阳总辐射的年际变化

在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4个时段，黄石市春季、夏季、秋季和冬季平均太阳总辐射及历年均值如表1所示。可以看出春季和夏季平均太阳总辐射随年代增加呈波浪起伏变化，均在21世纪初和20世纪90年代取得最大和最小；秋季平均太阳总辐射从20世纪80年代至21世纪初处于升高阶段，在21世纪初和20世纪80年代取得最大和最小；冬季平均太阳总辐射在20世纪90年代处于升高阶段，在20世纪90年代和21世纪10年代取得最大和最小。近40年来黄石市夏季太阳总辐射历年均值最大，春季次之，冬季最小。

表1 1981～2020年黄石市各年代的季平均太阳总辐射及历年均值

图4给出了1981～2020年黄石市春季、夏季、秋季和冬季太阳总辐射的M-K突变检验曲线和累积距平曲线。从图4中可以看出春季太阳总辐射的UF与UB曲线在2004年左右、2008～2014年和2019年左右有7个交点，结合累积距平曲线的结果，可以确定春季太阳总辐射在2004年左右发生气候突变。夏季太阳总辐射的UF与UB曲线在2004年左右、2010～2014年和2017～2020年存在7个交点，结合累积距平曲线的结果，可以确定夏季太阳总辐射在2004年左右发生气候突变。秋季太阳总辐射的UF与UB曲线在1985年、2015年和2019年左右有3个交点，结合累积距平曲线的结果，可以确定秋季太阳总辐射在1985年和2015年左右发生气候突变。冬季太阳总辐射的UF与UB曲线在2013年左右有1个交点，结合累积距平曲线的结果，可以确定冬季太阳总辐射未发生气候突变。

图4 1981～2020年黄石市四季太阳总辐射的(a1-a4)M-K突变检验曲线和(b1-b4)累积距平曲线

3.3 黄石市月太阳总辐射变化特征分析

从图5可以看出，太阳总辐射随月份变化呈单峰型分布，月太阳总辐射的平均值为422.12 MJ/m2，最大值和最小值分别为577.46 MJ/m2和为283.17 MJ/m2，分别出现在7月份和1月份，最大值和最小值极差为294.29 MJ/m2。4～9月份月平均太阳总辐射大于平均值，1～3月份和10～12月份月平均太阳总辐射小于平均值。

图5 1981～2020年黄石市太阳总辐射的月变化

4 结论

(1)黄石市年太阳总辐射随年际的变化呈上升趋势，在21世纪初年平均太阳总辐射取得最大值，且年太阳总辐射在2000年和2015年左右发生突变。

(2)黄石市春季、夏季和秋季太阳总辐射随年际的变化均呈上升趋势，而冬季呈下降趋势，其中春季上升幅度最大，且通过了α=0.01的显著性检验；春季、夏季和秋季平均太阳总辐射量均在21世纪初取得最大，冬季平均太阳总辐射量在20世纪90年代取得最大；夏季太阳总辐射历年均值最大，春季次之，冬季最小；春季和夏季太阳总辐射均在2004年左右发生气候突变，秋季太阳总辐射在1985年和2015年左右发生气候突变。

(3)黄石市月平均太阳总辐射随月份变化呈单峰型分布，在7月份达到最大值。