湖北省1981—2020年太阳总辐射的气候学估算及其时空变化特征分析

宋 鸽，陈正洪，刘 翔，孙朋杰，贺莉微

(1.湖北省公众气象服务中心，武汉 430074；2.湖北省气象服务中心，武汉 430205)

0 引言

湖北省的化石能源相对贫乏——“缺煤少油乏气”，合理开发利用太阳能等清洁可再生能源[1]迫在眉睫。研究湖北省内太阳辐射的时空变化特征，对于了解该省内气候形成及进行太阳辐射资源合理开发利用具有重要意义。湖北省内分布着大量气象观测站，可为研究某一气候变化提供实测的资料和数据，但该省拥有长序列数据的太阳辐射观测站却很少，仅有武汉站和宜昌站两个站点，其台站分布密度远低于国家一般气象观测站的分布密度，这导致湖北省大部分区域的长序列太阳辐射资料的缺乏，无法对该省太阳辐射的时空变化特征展开研究。

利用国家一般气象观测站观测到的日照时数等数据与太阳辐射的特定关系(即所谓的经验公式)来推算该地区的太阳辐射情况，成为解决拥有长序列数据的太阳辐射观测站数量少、分布密度低这一问题的主要途径，且按该方法推算得到的太阳总辐射与实际观测值的误差较小[2-4]。

邓先瑞等[5]采用左大康法计算了湖北省81个地点1961—1970年的太阳总辐射数据，并对该省太阳总辐射的时空分布特征进行了分析。刘可群等[6]利用湖北省的武汉市、宜昌市及该省周边的5个城市的太阳辐射观测站1961—2004年的太阳总辐射数据推算出湖北省77个地点的太阳总辐射数据，并研究了湖北省内太阳总辐射的时空分布特征。敖银银等[7]利用1961—2016年随州市附近站点的太阳辐射资料和区域内气象站的气象资料推算出随州市太阳总辐射数据，并对随州市太阳总辐射时空分布特征进行了研究。此外，考虑到太阳辐射的物理传输过程，夏丽等[8]利用YHM模型研究了1980—2013年湖北省内太阳总辐射的时空变化特征及其气象影响因素。上述这些研究在使用经验公式法计算太阳辐射时均采用全区域模式计算经验系数，即在整个研究区域内使用同一个经验系数，而未考虑经验系数的地域差异。基于此，本文采用单站模式，即分别利用武汉站和宜昌站两个拥有长序列数据的太阳辐射观测站1981—2020年的太阳总辐射和日照时数资料计算武汉站和宜昌站的经验系数；根据距离就近原则使用武汉站和宜昌站的经验系数来确定湖北省境内黄石站等15个无长序列数据的太阳辐射观测站的经验系数，结合这15个气象观测站1981—2020年的日照时数和天文辐射资料来计算其太阳总辐射数据，然后对湖北省内太阳总辐射的时空变化特征进行分析研究。

1 资料与方法

1.1 资料来源

湖北省内正在运行的拥有长序列数据的太阳辐射观测站仅有武汉站和宜昌站，本文选取这两个站1981—2020年的逐日太阳总辐射资料；同时，还选取了武汉市、黄石市、十堰市、宜昌市、襄阳市、鄂州市、荆门市、孝感市、荆州市、黄冈市、咸宁市、随州市、恩施土家族苗族自治州(下文简称为“恩施州”)、仙桃市、潜江市、天门市和神农架林区这17个地区的气象观测站1981—2020年的逐日日照时数资料。气象数据资料均由湖北省气象信息与技术保障中心提供。选取的这17个气象观测站的具体位置如图1所示。根据地理位置将17 个气象观测站划分为鄂西北(十堰站、襄阳站和神农架林区)、鄂西南(恩施站和宜昌站)、鄂东北(随州站、孝感站和武汉站)、鄂东南(咸宁站、黄石站、鄂州站和黄冈站)和江汉平原(荆州站、荆门站、天门站、潜江站和仙桃站)5个区域。

图1 湖北省17个气象观测站的空间分布Fig.1 Spatial distribution of seventeen meteorological observation stations in Hubei Province

1.2 太阳总辐射的气候学估算方法

太阳总辐射量Q的气候学计算式为：

式中：Q0为天文辐射量；s为日照百分率；a、b均为经验系数。

1.2.1 天文辐射的计算[9]

天文辐射量是指太阳照射到地球大气层上界的太阳辐射量，其仅由太阳对地球的天文位置和观测站纬度决定。日总天文辐射量Qd的计算式为：

式中：I0为太阳常数，取1367 W/m2；ρ为日-地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值；ω0为日出、日落时角；φ为气象观测站的地理纬度；δ为太阳赤纬角，其取值参见文献[9]中的表2-4。

日-地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值可表示为：

式中：n为一年中的日期序号。

日出、日落时角与观测站地理纬度及太阳赤纬角的关系可表示为：

1.2.2 日照百分率的计算

日照百分率为实际日照时数N与可照时间N0的比值。其中，实际日照时数通过气象观测站点实测得到；可照时间是站点由日出到日落之间的时间间隔，其可表示为：

1.2.3 经验系数a和b的计算

根据武汉站和宜昌站历年各月的太阳总辐射量、天文辐射量和日照百分率，采用最小二乘法拟合出式(1)中各月的a和b的值及相关系数R的值，如表1所示。

表1 武汉站和宜昌站的经验系数及相关系数值Table 1 Values of empirical coefficients and correlation coefficient for Wuhan Station and Yichang Station

根据表1可以得到：对于武汉站，5月通过了显著性P<0.01的检验，其他各月份均通过了P<0.001的显著性检验；对于宜昌站，所有月份均通过了P<0.001的显著性检验。因此，表1确定的经验系数a和b可用于推算湖北省其他无长序列数据的太阳辐射观测站的太阳总辐射数据。

对于黄石站等15个无长序列数据的太阳辐射观测站而言，通过采用与武汉站和宜昌站距离就近的原则来确定这些站点的经验系数a和b。具体方法为：距离武汉站较近的黄石站、鄂州站、孝感站、黄冈站、咸宁站、随州站、仙桃站和天门站这8个气象观测站采用表1中武汉站的经验系数a和b；距离宜昌站较近的十堰站、襄阳站、荆门站、荆州站、恩施站、潜江站和神农架林区站这7个气象观测站采用表1中宜昌站的经验系数a和b；将这些站点1981—2020年各月天文辐射量和日照百分率的序列代入式(1)，即可推算出这些站点各月的太阳总辐射量序列。

2 湖北省太阳总辐射的时间变化

将1981—2020年已有的武汉站和宜昌站逐年各月的太阳总辐射数据及其他15个气象观测站经推算得到的逐年各月的太阳总辐射数据取算术平均值，从而得到湖北省内逐年各月的太阳总辐射序列。

2.1 太阳总辐射的年际变化

1981—2020 年湖北省年太阳总辐射量的年际变化曲线如图2所示。

图2 1981—2020年湖北省年太阳总辐射量的年际变化曲线Fig.2 Interannual variation curves of annual total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

从图2可以看出：湖北省年太阳总辐射量的线性趋势整体呈下降趋势，以-10.82 MJ/(m2•10a)(未通过统计显著性检验)的倾向率降低。近40年来，湖北省年太阳总辐射量的最大值为4466.52 MJ/m2，出现在2013年；年太阳总辐射量的最低值为3704.05 MJ/m2，出现在1989年；最大值和最小值的极差达到762.47 MJ/m2。从5年滑动平均值曲线可以看出：年太阳总辐射量在1983—1986年呈上升趋势，在1987—1991年大致呈下降趋势，在1992—1999年大致呈小幅度上升趋势，在2000年之后大致呈下降趋势。

湖北省在1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年这4个时段的年平均太阳总辐射量分别为：4148.73、4169.96、4162.53和4125.48 MJ/m2，且最大值为1991—2000年的年平均太阳总辐射量。湖北省1981—2020年的年太阳总辐射量的40年平均值为4151.68 MJ/m2，1991—2000和2001—2010年这2个时段的年平均太阳总辐射量明显高于40年平均值，属于太阳辐射偏多期；1981—1990和2011—2020年这2个时段的年平均太阳总辐射量明显低于40年平均值，属于太阳辐射偏少期。

对1981—2020年湖北省年太阳总辐射量进行M-K突变检验分析和绘制累积距平曲线，具体如图3所示。图中：UF为按时间序列顺序计算出的统计量序列；UB为按时间序列逆序计算得到的统计量序列。

图3 1981—2020年湖北省年太阳总辐射量的M-K突变检验曲线和累积距平曲线Fig.3 M-K mutation test curve and cumulative anomaly curve of annual total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

从图3a可以看出：除在个别年份(比如：1992、2001和2002年)外，UF均小于零，说明年太阳总辐射量表现出下降趋势；在1982—1985年，UF超出了0.05置信水平线，表现出显著的下降趋势。UF与UB形成的两条曲线在1985—1992年和2002—2007年时段内有多个交点，为了增加突变点的可信度，结合图3b的累积距平曲线进行分析，确定湖北省年太阳总辐射量的突变点为2007年左右。

2.2 太阳总辐射的季节变化

1981—2020 年湖北省春季、夏季、秋季和冬季太阳总辐射量的年际变化曲线如图4所示。

图4 1981—2020年湖北省四季太阳总辐射量的年际变化曲线Fig.4 Interannual variation curves of total solar radiation during four seasons in Hubei Province from 1981 to 2020

从图4可以看出：

1)春季太阳总辐射量整体呈上升趋势，倾向率为22.83 MJ/(m2•10a) (P<0.05)；近40年来，春季太阳总辐射量的最大值和最小值分别为2011年的1338.62 MJ/m2和1991年的983.91 MJ/m2，极差为354.71 MJ/m2。

2)夏季、秋季和冬季太阳总辐射量均整体呈下降趋势，倾向率分别为-13.01、-12.70和-8.91 MJ/(m2•10a)，均未通过统计显著性检验；不同季节下降幅度从大到小依次为：夏季>秋季>冬季。

3)近40年来，夏季太阳总辐射量的最大值和最小值分别为1990年的1665.79 MJ/m2和2020年的1248.82 MJ/m2，极差为416.97 MJ/m2；秋季太阳总辐射量的最大值和最小值分别为1998年的1075.54 MJ/m2和2020年的780.86 MJ/m2，极差为294.68 MJ/m2；冬季太阳总辐射量的最大值和最小值分别为1982年的714.90 MJ/m2和2018年的398.02 MJ/m2，极差为316.88 MJ/m2。

湖北省在1981—1990、1991—2000、2001—2010和2011—2020年这4个时段春季、夏季、秋季和冬季的季平均太阳总辐射量及40年平均值如表2所示。

表2 1981—2020年湖北省各时段的季平均太阳总辐射量及40年平均值Table 2 Seasonal average total solar radiation values and forty-year-average values at different time periods in Hubei Province from 1981 to 2020

从表2可以看出：春季平均太阳总辐射量在1991—2000年这个时段处于减少阶段，夏季平均太阳总辐射量在2001—2010年这个时段处于减少阶段，秋季和冬季的平均太阳总辐射量均在1991—2000年这个时段处于升高阶段。湖北省季太阳总辐射量40年平均值以夏季最大，占年太阳总辐射量的35.20%；春季的值次之，占年太阳总辐射量的27.93%；冬季的值最小，占年太阳总辐射量的14.75%。

1981—2020 年湖北省春季、夏季、秋季和冬季太阳总辐射量的M-K突变检验曲线如图5所示。

图5 1981—2020年湖北省四季太阳总辐射量的M-K突变检验曲线Fig.5 M-K mutation test curves of total solar radiation during four seasons in Hubei Province from 1981 to 2020

从图5可以看出：

1)春季太阳总辐射量的UF与UB曲线在2020年左右有1个交点，但该交点比较靠近时间序列的尾端，因此暂不将其作为考量因素，这也说明春季的太阳总辐射量未发生气候突变。

2)夏季和冬季太阳总辐射量的UF与UB曲线均在1982年左右存在1个交点，但该交点比较靠近时间序列的开始，因此暂不将其作为考量因素，即夏季和冬季的太阳总辐射量未发生气候突变。

3)秋季太阳总辐射量的UF与UB曲线在1982年左右有两个交点，在2011年左右有1个交点，共3个交点。由于1982年左右的两个交点比较靠近时间序列的开始，暂不将其作为考量因素，因此，湖北省秋季太阳总辐射量的突变点为2011年左右。

2.3 太阳总辐射的逐月变化

1981—2020 年湖北省各月平均太阳总辐射量、倾向率和相关系数如表3所示。

表3 1981—2020年湖北省各月的月平均太阳总辐射量、倾向率和相关系数Table 3 Monthly average total solar radiation, tendency rate, and correlation coefficient in Hubei Province from 1981 to 2020

从表3可以看出：1月和5—12月的月平均太阳总辐射量随年际变化呈下降趋势，9月的负倾向率最大，为-7.843 MJ/(m2•10a)，10月的负倾向率最小，为-0.5717 MJ/(m2•10a)。2—4月的月平均太阳总辐射量随年际变化呈上升趋势，正倾向率从大到小依次为：3月>4月>2月，其中3月通过了P<0.01的显著性检验。月平均太阳总辐射量随月份变化呈单峰分布，在7月达到最大，为514.94 MJ/m2；在1月最小，为193.66 MJ/m2；极差为321.28 MJ/m2。月平均太阳总辐射量的平均值为345.97 MJ/m2，4—9月的月平均太阳总辐射量大于该平均值，说明这几个月份属于太阳辐射偏多期，1—3月和10—12月的月平均太阳总辐射量小于该平均值，说明这几个月份属于太阳辐射偏少期。

3 湖北省太阳总辐射的空间变化

1981—2020 年湖北省年、季平均太阳总辐射量的40年平均值的空间分布如图6所示。

图6 1981—2020年湖北省年、季平均太阳总辐射的40年平均值的空间分布Fig.6 Spatial distribution of forty-year-average values of annual and seasonal total solar radiation in Hubei Province from 1981 to 2020

从图6可以得到以下结论：

1)从年平均太阳总辐射量的40年平均值的空间分布来看，十堰市年平均太阳总辐射量的40年平均值最大，达到4515.53 MJ/m2，鄂州市、黄冈市、襄阳市、孝感市、仙桃市、潜江市、随州市、宜昌市次之，恩施州的年平均太阳总辐射量的40年平均值最小，为3620.95 MJ/m2，最大值和最小值的差值达到894.58 MJ/m2。鄂西北、鄂西南、鄂东北、鄂东南和江汉平原的年平均太阳总辐射量的40年平均值分别为4334.97、3728.57、4211.89、4179.68和4152.39 MJ/m2，由此可见，年平均太阳总辐射量高值区主要分布在鄂西北、鄂东北、鄂东南和江汉平原地区，而鄂西南地区的年平均太阳总辐射量偏少，这与文献[6]的研究结果一致。此外，与文献[6]中图1a所示的1961—2004年湖北省年平均太阳总辐射量的空间分布对比后可以发现：1981—2020年这40年间湖北省不同地区的年平均太阳总辐射量均有不同程度的减少，这与城市化发展排放大量气溶胶对气象观测环境的影响有一定的关系[10]。

2)从季平均太阳总辐射量的40年平均值的空间分布来看，十堰市春季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，为1368.95 MJ/m2；恩施州春季平均太阳总辐射量的40年平均值最小，仅为1002.45 MJ/m2；二者差值为366.50 MJ/m2。鄂州市夏季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，为1548.51 MJ/m2；宜昌市夏季平均太阳总辐射量的40年平均值最小，仅为1371.14 MJ/m2；二者差值为177.37 MJ/m2。黄冈市秋季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，为1005.22 MJ/m2；恩施州秋季平均太阳总辐射量的40年平均值最小，仅为773.85 MJ/m2；二者差值为231.37 MJ/m2。十堰市冬季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，为693.10 MJ/m2；恩施州冬季平均太阳总辐射量的40年平均值最小，仅为452.29 MJ/m2；二者差值为240.81 MJ/m2。另外还可以看出，春、夏、秋、冬的季平均太阳总辐射量40年平均值高值区主要分布在鄂西北地区(相应的值依次为1290.85、1480.39、909.45和656.65 MJ/m2)、鄂东北地区(相应的值依次为1170.63、1460.32、944.31和638.55 MJ/m2)、鄂东南地区(相应的值依次为1123.47、1471.38、960.66和626.82 MJ/m2)和江汉平原地区(相应的值依次为1148.78、1475.94、923.03和606.18 MJ/m2)，而四季的季平均太阳总辐射量40年平均值的低值区在鄂西南地区(相应的值依次为1048.30、1382.36、803.50和495.18 MJ/m2)。

4 结论

本文对湖北省1981—2020年的太阳总辐射的时空变化特征进行了分析，得到了以下结论：

1)湖北省内太阳总辐射的时间变化特征方面：年太阳总辐射量随年际的变化呈下降趋势，并在2007年左右发生突变，且年平均太阳总辐射量在1991—2000年时段为最大值。夏季、秋季和冬季太阳总辐射量随年际的变化均呈下降趋势，而春季呈上升趋势，其中，秋季太阳总辐射量在2011年左右发生突变；春季和夏季平均太阳总辐射量分别在1991—2000年时段和2001—2010年时段取得最小值，秋季和冬季平均太阳总辐射量均在1991—2000年时段取得最大值；夏季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，春季的值次之，冬季的值最小。1月和5—12月的月平均太阳总辐射量随年际的变化呈下降趋势，而2—4月呈上升趋势；月平均太阳总辐射量随月份变化呈单峰分布，在7月达到最大。

2)湖北省内太阳总辐射的空间变化特征方面：太阳总辐射量的高值区主要分布在鄂西北、鄂东北、鄂东南和江汉平原地区，而鄂西南地区相对较少；其中，十堰市的年、春季和冬季平均太阳总辐射量的40年平均值最大，鄂州市和黄冈市的夏季和秋季平均太阳总辐射量的40年平均值分别取得最大值，恩施州的年均太阳总辐射量的40年平均值最小。

本文研究结果对于了解湖北省内气候的形成及进行太阳能资源的合理开发利用具有重要意义。