河西走廊太阳辐射时空分布特征及太阳能资源评估研究

王 博，李玲萍，夏 权，姚玉壁，胡丽莉，刘明春

（1.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州730021；2.古浪县气象局，甘肃 古浪733199；3.武威国家气候观象台，甘肃 武威733000）

随着传统化石能源短缺和环境污染的日益严重，能源问题已成为制约经济社会发展的瓶颈，越来越多的国家开始开发可再生能源[1]。太阳能资源由于取之不尽和清洁无污染，已成为开发新能源的首选。近年来，国内学者基于气象站观测资料对太阳能资源的研究做了许多工作，其中有全国性的太阳能资源评估[1-3]，也有关于西北地区[4-5]、东北地区[6]等地域性的评估，而更多的是针对某个省份及所属辖区的评估，如新疆[7-8]、内蒙古[9-10]、吉林[11]、湖北[12]、上海[13]等。

甘肃省河西走廊地处青藏高原北坡的中纬度地带，属于温带大陆性干旱气候区，蕴藏着丰富的太阳能资源，有利于开发利用太阳能。由于河西走廊太阳总辐射观测站点稀疏，资料缺乏，针对该地区进行太阳辐射分析和太阳能资源评估的研究还较少[14-16]。本文充分利用河西走廊太阳辐射资料及常规气象要素等多源数据，通过经验公式并采用就近原则插值得到河西走廊各站点的太阳辐射数据，以期揭示气候变暖背景下河西走廊太阳总辐射的空间分布特征和多时间尺度变化新特征，评估该地区太阳能资源稳定度和丰富度，这对当地太阳能资源开发利用研究和促进地方经济发展具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料

选取河西走廊地区有太阳辐射站的敦煌1961—2020 年和酒泉、民勤1993—2020 年逐月太阳总辐射观测资料，河西走廊地区19 个站1961—2020 年逐月的日照百分率资料（部分月份缺失的资料采用多年平均相应月值替代，其中肃北和临泽资料分别从1973 和1967 年开始）。利用敦煌、酒泉和民勤各月的日太阳总辐射观测值与同期天文辐射之比作为因变量，以日照百分率作为自变量，通过最小二乘法建立一元回归方程并求出各月的经验系数，根据就近原则得到河西走廊其余16 个站的经验系数，进而得出河西走廊19 个站的太阳总辐射值。

1.2 方法

运用常规的气候统计方法，对河西走廊太阳总辐射求季节、年、年代平均值和相应距平值，分析其在不同时间尺度下的变化特征；进一步用最小二乘法对近60 年河西走廊太阳总辐射变化趋势进行线性趋势分析，用Morlet 小波分析不同时段变化周期，用相关系数法分析和影响太阳总辐射变化的因素。文中3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月—次年2 月为冬季。

逐日太阳总辐射[17]公式为：

式中：Q 为日太阳总辐射（MJ/（m2·d））；a、b 为经验系数，其值大小与各种物理因子（如水汽、气溶胶、云的光学性质等）有关；s 为日照百分率（%）；Q0为日天文辐射（MJ/（m2·d））。各分项计算公式如下：

式中：T 为周期（24×60×60 s）；I0为太阳常数（1.367×10-3MJ/（m2·s））；π 为圆周率；ρ 为日地相对距离；ω0为日落时角（rad）；φ 为纬度（rad）；δ 为太阳赤纬（rad）；J 为计算日在一年中的日序，例如1 月1 日为1，取值范围为1～366。

将经验系数a、b 值推算的酒泉、敦煌和民勤3站逐月太阳总辐射值与实际值作相关分析（表1），敦煌和民勤站各月太阳总辐射值都通过0.01 的显著性检验，酒泉站1、7 月通过0.05 的显著性检验，其他月份通过0.01 的显著性检验，说明a、b 值能基本反映当地的大气和天空状况，可用于各站逐日太阳总辐射的计算。因此，可利用式（1）～（5）得到其他各站历年各月总辐射。

表1 河西走廊逐月太阳总辐射值和实际值的相关系数

采用具有气候意义的30 a（1991—2020年）气候平均值，对太阳能资源丰富程度和稳定程度进行分级评估。

以太阳总辐射的年总量Qy为指标对太阳能资源丰富度评估，划分标准为：Qy≥6 300 MJ/（m2·a），资源最丰富；5 040 MJ/（m2·a）≤Qy＜6 300 MJ/（m2·a），资源很丰富；3 780 MJ/（m2·a）≤Qy＜5 040 MJ/（m2·a），资源丰富；Qy＜3 780 MJ/（m2·a），资源一般[18]。

太阳能资源稳定程度用各月日照时数＞6 h 天数的最大值和最小值的比值来表示：

式中：D1，D2，…D12为1—12 月各月日照时数＞6 h 的天数；Max 和Min 分别为求最大值和最小值的标准函数；K 为太阳能资源稳定程度指标，其中K＜2 为稳定，2≤K≤4 为较稳定，K＞4 为不稳定。

2 结果与分析

2.1 太阳总辐射的空间分布特征

从太阳总辐射空间分布（图1a）可以看出，河西走廊总辐射的空间分布总体上从西向东递减。各站年平均总辐射在5 762～6 398 MJ/m2，最大值出现在西北部的敦煌，最小值出现在东南部的乌鞘岭。

图1 河西走廊年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）及冬季（e）总辐射空间分布（单位：MJ/m2）

河西走廊春、夏、秋、冬季的平均总辐射分别为1 842、2 062、1 293、929 MJ/m2，即夏季最多，冬季最少，春季多于秋季（表1）。不同季节和年总辐射的空间分布有所不同。各站春季（图1b）最大值出现在鼎新，最小值出现在肃南；夏季（图1c）与年分布相似，最大值出现在敦煌，最小值出现在乌鞘岭；秋季（图1d）最大值出现在敦煌，最小值出现在乌鞘岭；冬季（图1e）最大值出现在乌鞘岭，最小值出现在马鬃山。

河西走廊夏、秋季和年的总辐射空间分布相似，由西向东、由北向南减少，春季和年辐射空间分布也基本相似，而冬季的辐射空间分布为随纬度的增高而减小。说明年辐射空间分布特征的贡献主要是夏、秋季，其次是春季。

2.2 太阳总辐射的时间变化特征

河西走廊太阳辐射（图2a）变化显著，呈单峰型。其中，5 月太阳总辐射最强，其次为6、7 月，主要原因可能是对流云系影响了到达地面的直接辐射。12月太阳总辐射最弱，其次为1、11月。

图2 河西走廊太阳总辐射月（a）、季变化（b）

太阳总辐射存在明显的季节变化（图2b），表现为单峰型。其中，夏季太阳总辐射最强，冬季最弱，春季大于秋季。夏季太阳总辐射为冬季的2 倍以上。

从1961—2020 年太阳总辐射的逐年变化（图3）可知，近60 年河西走廊太阳总辐射呈增加趋势，其线型倾向率为6.3 MJ/（m2·10 a）。其中最大值出现在1998 年，最小值出现在2008 年。

图3 河西走廊太阳总辐射年际变化

河西走廊4 个季节的太阳总辐射变化曲线显示，夏、秋、冬季太阳总辐射呈下降趋势，气候倾向率分别为-5.0、-0.03、-0.3 MJ/（m2·10 a）；春季呈增加趋势，气候倾向率为11.6 MJ/（m2·10 a）。说明近60年河西走廊太阳总辐射的增加趋势主要是春季太阳总辐射增加的贡献。在不同年代，四季的太阳总辐射变化（表2）也存在明显差异。20 世纪60 年代，夏季的正距平最大，秋季最小，表明四季中夏季的贡献最大；70 年代四季都为负距平，贡献最大的是春季；80年代秋季为正距平，其他3 个季节为负距平，春季负距平最大，即80 年代春季贡献最大；90 年代4 个季节都为正距平；21 世纪00 年代春、夏季为正距平，秋、冬季为负距平，秋、冬季贡献最大，且刚好相互抵消；21 世纪10 年代夏季为负距平，其他3 个季节为正距平，其中春季贡献最大，同时发现春、夏季贡献为同期最大，冬季为同期最小。

表2 河西走廊各年代太阳总辐射距平/（MJ/m2）

从各年代太阳总辐射距平（表2）可知，20 世纪80 年代太阳总辐射最少，从20 世纪90 年代起维持正距平，且20 世纪90 年代太阳总辐射最强，21 世纪10 年代次之。表明年太阳总辐射与河西走廊气候变暖同步[14]，气候变暖气候背景下河西走廊降水呈增多趋势，降水的增多有效抑制了大气污染物，有利于太阳总辐射的增强。

2.3 太阳总辐射的周期变化特征

近60 年，河西走廊年总辐射（图4a）在各年代都存在周期振荡，除了21 世纪10 年代都表现出2～3和5～6 a 的短周期振荡，20 世纪80 年代存在8～10 a 周期变化，20 世纪60 年代中期到70 年代初、21 世纪10 年代存在14～19 a 的长周期。各个季节的总辐射（图4b～4e）表现出不同的周期振荡。河西走廊地区年、季总辐射的显著周期表现为2～3、5～6 a 短周期振荡及8～10 a 的长周期振荡。

图4 河西走廊年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）及冬季（e）总辐射小波分析

2.4 太阳总辐射变化影响因素分析

太阳总辐射的分布是多因子作用的结果。选取浮尘日数等9 个可能影响太阳辐射的气象要素，尝试从相关系数的角度研究影响太阳辐射的气象因子，资料选取有辐射观测资料的敦煌、酒泉和民勤3个气象站点，结果见表3。

表3 河西走廊太阳总辐射变化与各影响因子的相关系数

太阳辐射量与各气象要素相关性分析表明，浮尘、扬沙、沙尘暴日数与辐射量大多呈负相关，说明低能见度对太阳辐射的遮挡作用；气温和辐射量总体呈正相关，表明太阳辐射对温度的正反馈；相对湿度和太阳辐射呈负相关，说明水汽含量偏多，使得气溶胶浓度偏高，对太阳辐射有一定的阻挡或散射作用；降水量和太阳辐射呈负相关，降水一方面影响了水汽含量，另一方面影响了日照时数，对太阳辐射有削弱作用。总云量、低云量与辐射量绝大多数呈负相关，表明云层遮挡对太阳辐射的重要影响。

2.5 太阳能资源评估

河西走廊太阳能资源丰富程度（图5a）总体上呈现由西北向东南递减的趋势。太阳能最丰富的地区位于河西走廊北部酒泉一带，其中包括敦煌、马鬃山、金塔和鼎新，最高可达6 382.4 MJ/m2，该地区气候干燥，云雨天气偏少，日照时间相对较长，使得全年均能接收到较强且稳定的太阳辐射。其他地区年总辐射量为5 040～6 300 MJ/m2，属于“资源很丰富”。进一步分析河西走廊各月日照时数＞6 h 的天数（表4）可知，各月日照时数＞6 h 的天数平均为296 d，日照时数＞6 h 的天数也由西北向东南递减，马鬃山最多，为321 d，其次是鼎新，为316 d。由此可见，河西走廊太阳能资源丰富，开发利用太阳能资源的优势很大。

图5 河西走廊太阳能资源丰富度（a）和稳定度（b）分布

表4 河西地区各月日照时数＞6 h 天数 d

资源的稳定度是太阳能开发中需要考虑的一个重要因素。由图5b 可知，除乌鞘岭以外，河西走廊其他地区太阳能资源稳定度均＜2，为“稳定”。其中马鬃山稳定度最高，稳定度指数为1.33。河西走廊太阳能资源稳定程度总体表现为由西北向东南递减的趋势，与资源丰富度相一致，即资源相对丰富的地区稳定度也相对较高。

3 结论

利用河西走廊3 个太阳辐射站和19 个气象站数据资料，给出了该地区太阳总辐射空间分布和时间变化特征，并分析了该地区太阳总辐射的气候影响因素，得出主要结论如下：

（1）河西走廊年太阳总辐射空间分布不均，总体呈现从西北向东南递减，最大值出现在河西走廊西北端的敦煌，最小值出现在东南端的乌鞘岭；不同季节和年总辐射的空间分布不同，春、夏、秋季和年总辐射空间分布基本相似，均为由西向东、由北向抽减少而冬季是随纬度的增高而减小。

（2）河西走廊太阳总辐射在月和季节分布上呈单峰型，太阳总辐射5 月最强，12 月最弱，夏季最强，冬季最弱；近60 年河西走廊太阳总辐射呈增加趋势，其线型倾向率为6.3 MJ/（m2·10 a），其中夏、秋、冬季总辐射呈减少趋势，下降最明显的是夏季，春季呈明显的增加趋势。近60 年河西走廊太阳总辐射的增加趋势主要是春季太阳总辐射增加的贡献。

（3）近60 年河西走廊总辐射各年代都存在周期振荡。河西走廊地区年、季总辐射的显著周期表现为2～3、5～6 a 的短周期及8～10 a 的长周期振荡。

（4）太阳总辐射量与相对湿度、降水量、总云量、低云量及浮尘、扬沙、沙尘暴日数总体呈负相关，与气温和日照时数呈正相关。

（5）河西走廊太阳能资源丰富程度和稳定度表现一致，都表现为由西北向东南递减的趋势，资源相对丰富的地区稳定度也相对较高。

本文采用较长序列的气象资料，利用统计学方法揭示了甘肃河西走廊地区的时空变化特征和影响该地区太阳辐射的气象要素，是对前人工作的补充和深入。但河西走廊地形地貌特征多样，加上影响辐射的实际物理机制也比较复杂，因此针对该地区的太阳辐射规律和影响因子还需进一步研究。