成都市太阳辐射时间变化特征及对气候因子的影响

陈 乐，贺 南，王明田，王 哲，郑丽英*

（1.温江区气象局，四川 成都611130；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都610072；3.四川省气象台，四川 成都610072）

太阳总辐射是指在水平面上，天空2π 立体角内所接收到太阳直接辐射和散射辐射之和，其波长范围为0.2～10 μm。地球表层99.8%的能量来源于太阳，太阳辐射是改变地气运动，影响气候变化的能量来源，是地球上生物、植物的生命来源，也是植物光合作用、植物蒸腾作用、土壤蒸发等陆面过程的驱动因子[1-2]。开展太阳辐射的研究对于作物引种、农业生产布局、太阳能资源利用等方面具有重要意义。

国内外学者对太阳辐射的研究主要有以下几个方面：一是时空分布及变化规律。齐月等[3]得出太阳辐射经历了“变暗”到“变亮”的转变；汪凯等[4-6]研究中国江苏、浙江、福建等省份太阳总辐射的时空分布及变化特征；高操等[7]分析了1993—2013 年中国16个辐射台站的地面太阳总辐射、散射系数的变化情况，散射系数在大部分地区呈增加趋势；陈忠钰等[8]分析了四川省近44 年太阳辐射的时空变化特征。二是模型模拟。和清华等[9]以天文辐射、晴天太阳辐射和理想大气辐射分区拟合太阳总辐射；刘媛媛等[10-11]用经验系数的方法模拟各月太阳总辐射；蔡元刚等[12-13]基于地面气象资料建立了太阳总辐射的计算模型；王卫东[14]基于神经网络对西北地区太阳辐射进行模拟。三是气候因子与太阳辐射的关系。张焕平等[15-17]研究了太阳总辐射的变化对气温、降水量、蒸发量等气候因子的影响；刘长坤等[18]得出云量和水汽含量是影响太阳总辐射的变化因子。四是污染物与太阳辐射关系。刘昌明等[19]认为人类活动造成气溶胶的增加是海河流域太阳辐射下降的重要原因；陈跃浩等[20]认为雾霾天气对太阳辐射有明显削弱作用。大部分学者研究主要基于太阳辐射的模型模拟、时空分布、以及太阳辐射与气候因子、污染物的相互关系等方面，不同学者所用的资料年代、研究区域不同，太阳辐射的变化不同。太阳辐射不仅受到地理纬度、海拔等因素影响，还与太阳辐射在大气传播时受到的空气分子、水汽、云等大气因子有关。成都市位于四川盆地西部（102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N），近年来城市快速发展，人类活动加剧，已发展为全国超大型城市，有必要针对成都市太阳辐射情况进行深入研究。本文应用线性趋势法、Mann-Kendall 等方法分析成都市太阳辐射的变化特征及对气温、蒸发等气候因子的影响，为气候变化、环境资源开发、大气污染防治等方面提供科学参考依据。

1 资料来源

根据中国气象局辐射观测业务布局，温江国家基准气候站是成都市唯一承担辐射观测任务的台站，太阳总辐射、直接辐射、散射辐射以及百叶箱气温、日照时数、蒸发量等观测要素同站同址，用温江国家站气象辐射资料代表成都市。由于蒸发观测方式发生变化，蒸发资料所用时段为2004—2020 年，其他资料时段为1991—2020 年。太阳辐射观测设备的安装符合《地面气象观测规范 辐射》（GB/T 35231-2017），数据资料已根据《气象观测资料质量控制地面气象辐射》（QX/T 117-2020）和《气象观测资料质量控制地面》（QX/T 118-2020）的规定经过质控处理。

2 研究方法

2.1 数据处理

日曝辐量是1 d 内到达地面太阳辐射的累积量，年太阳总辐射是对365 或366 d 内日曝辐量的求和，单位：MJ/m2。

2.2 数据分析

2.2.1 线性趋势法

用Y 表示样本量为n 的某一气候变量，用ti表示Y 对应的时间，建立Y 与ti之间的一元线性回归方程：

式中：a 为回归常数，b 为回归系数，b 为倾向率，当b＞0 表示随时间的增加呈上升趋势；b＜0 表示随时间的增加呈下降趋势。

2.2.2 Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法[21]是一种非参数统计检验方法，不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，可用于检测序列的变化趋势。本文采用Mann-Kendall 检验法进行气象要素变化趋势的判别及显著性检验。

对于具有n 个样本量的时间序列x，构造一秩序列SK：

其中ri的取值如下：

式（2）中秩序列SK是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

式（4）中：E（sk）、var（sk）是累计数sk的均值和方差，UFk为标准正态分布，是按时间序列x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平，若|UFk|＞Uα，则表明序列存在明显的趋势变化。

2.3 太阳辐射散射系数

为了反映太阳散射辐射和太阳直接辐射的比重变化，高操[7]用太阳辐射散射系数描述两者的比重变化，太阳辐射散射系数α 即太阳散射辐射D 和太阳直接辐射S 的比值：

散射系数a 主要取决于大气气溶胶含量，当气溶胶含量较高时，散射系数较大；气溶胶含量较小时，散射系数较小。

3 结果分析

3.1 太阳总辐射变化特征

3.1.1 年际变化特征

成都地区1991—2020 年地面太阳总辐射逐年增多趋势明显（图1），线性倾向率为29.69 MJ（/m2·a），线性相关检验|r|=0.768 3＞0.448 7，通过0.01 的显著性检验。年平均太阳总辐射为3 475.70 MJ/m2，最大值为4 170.81 MJ/m2出现在2018 年，最小值2 858.98 MJ/m2出现在1999 年，绝对变化幅度为1 311.83 MJ/m2。20世纪90 年代年平均太阳辐射为3 158.95 MJ/m2，21世纪00 年代为3 458.61 MJ/m2，21 世纪10 年代为3 809.55 MJ/m2，从增幅来看，21 世纪10 年代太阳总辐射增幅最大。

图1 1991—2020 年成都市太阳总辐射的年变化

1991—2003 年太阳总辐射为负距平，累积距平呈下降趋势（图2）。2004—2010 年呈波动变化，处于不稳定期。2011—2020 年以正距平为主，累积距平呈快速上升趋势。

图2 1991—2020 年成都市太阳总辐射距平及累积距平

运用Mann-Kendall 法对太阳总辐射年变化进行突变分析，图3 中的UFK和UFB曲线在2010 年出现交叉，由UFK曲线可见，2010 年之后，太阳总辐射有明显增多趋势，这种增多趋势超过显著性水平0.05 临界线并通过显著性检验，说明太阳总辐射增多趋势十分显著。成都市太阳总辐射在2010 年出现突变，突变后的年平均太阳总辐射较突变前增多497.22 MJ/m2。

图3 1991—2020 年成都市太阳总辐射量曲线

3.1.2 月际变化

地面太阳总辐射月际呈双峰型分布，最大月份出现在5、7 月，6 月出现了小的波谷；最小月份出现在12 月。对5、6、7 月气象资料进行统计，日降水量≥0.1 mm 的雨日出现频率分别为41%、50%、42%；月平均日照时数分别为111.7 、101.8、122.3 h。与5、7 月相比，6 月雨日偏多、日照时数偏少是太阳总辐射出现波谷的原因之一。

由表1 可知，1—12 月太阳总辐射线性变化均为增加趋势，1—5 月、10、12 月均通过0.01 的显著性检验，7—8 月变化趋势通过0.05 的显著性检验。变化趋势最明显的是8 月，每年增加3.87 MJ/m2。变化趋势最不明显的是9 月，每年增加0.67 MJ/m2。

表1 1991—2020 年成都市太阳总辐射逐月线性趋势

夏季（6—8 月）太阳总辐射占全年的36%，其次是春季（3—5 月），占全年的31%，冬季最小，占全年的13%。太阳总辐射在夏季多，冬季小，存在明显的季节变化特征。夏季太阳高度角高、日照时间长，太阳总辐射多；反之，冬季太阳高度角低、日照时间短，太阳总辐射小。

3.1.3 日际变化

选取2019 年春、夏、秋、冬四季代表性月份4、7、10、1 月逐小时地面太阳总辐射，不同月份地面太阳总辐射最大小时曝辐量出现时间不同，但日变化均呈明显的单峰型变化，4、7 月最大小时曝辐量均出现在北京时14 时，1、10 月均出现在北京时13时，最大小时曝辐量4、7 月大于1、10 月。春、夏季最大小时曝辐量出现在北京时13—14 时，春、夏季最大小时曝辐量大于秋、冬季。

3.2 直接辐射变化特征

3.2.1 年变化

年平均直接辐射为1 549.94 MJ/m2，最大值为1 856.71 MJ/m2，出现在2018 年；最小值为557.2 MJ/m2，出现在2000 年，绝对变化幅度为1 299.51 MJ/m2（图4a）。20 世纪90 年代年平均直接辐射为951.4 MJ/m2，21 世纪00 年代为1 110.5 MJ/m2，21 世纪10 年代为1 447.2 MJ/m2，年代际呈递增趋势。由图4a 可知，直接辐射呈逐年增大趋势，线性倾向率为20.25 MJ/（m2·a），通过0.01 的显著性检验。

图4 1991—2020 年成都市太阳直接辐射（a）、散射辐射（b）、散射系数（c）年变化趋势

3.2.2 月变化

最大月份出现在8 月，其次在5 月；最小月份出现在12 月。4—8 月直接辐射月总量占全年的62%，逐月线性趋势中6、9、11、12 月呈弱增加趋势，未通过显著性检验，其余月份随时间增加明显，通过显著性检验。

3.3 散射辐射变化特征

3.3.1 年变化

年平均散射辐射为2 464.80 MJ/m2，最大值为2 821.31 MJ/m2，出现在2018 年；最小值为2 112.87 MJ/m2，出现在2020 年（图4b）。20 世纪90 年代平均散射辐射为2 419.2 MJ/m2，21 世纪00 年代为2 587.4 MJ/m2，21 世纪10 年代散射辐射为2 412.4 MJ/m2，年代际21 世纪00 年代散射辐射出现最大值。由图4b，散射辐射逐年呈弱减小趋势，但未通过显著性检检。

3.3.2 月变化

月变化中散射辐射呈双峰分布，最大值出现在5、7 月，最小值出现在12 月。1—12 月除9 月呈减小趋势并通过0.01 的显著性检性外，其他月份随时间的变化不明显。

3.4 散射系数的变化

成都市太阳辐射散射系数多年年平均为1.59，即散射辐射大于直接辐射。年最大值为6.16，出现在2000 年；最小值为1.32，出现在2018 年。由图4c 可知，成都市太阳辐射散射系数呈逐年减小趋势，线性倾向率为0.06/a，线性相关检验|r|=0.5 596＞0.448 7，通过0.01 的显著性检验。

散射系数月际呈波动变化，5、7 月线性减小趋势通过0.05 的显著性检验，其余月份变化不明显。

3.5 太阳辐射增加的原因

通常情况下，太阳辐射与云量密切相关。在地面气象观测业务中，云量的观测采用人工定时观测，不能很好地反映一天中云量的连续性变化，而日照观测采用实时连续观测，一天中日照时数的大小能很好地反映天空总云量的多少，当日照时数为0 时，表明这一天云层厚，白天天气状况为阴天。一年中日照时数为0 的日数与太阳总辐射的年际变化呈显著负相关，两者的相关系数为-0.781，通过0.01 的显著性检验，年日照时数为0 的日数少，太阳总辐射大，太阳总辐射与天空阴晴有关。由图5 可知，年日照时数为0 的日数呈逐年减小趋势，每年减少1.4 d，通过0.001 的显著性检验，意味着白天天空为满云的日数减少，总云量也呈减少趋势，太阳总辐射增加主要原因是云量减少。

图5 1991—2020 年成都市年日照时数为0 的日数变化

3.6 太阳总辐射对气候因子的影响

3.6.1 气温

太阳辐射通过大气到达地球表面，地表吸收太阳辐射能量使地表温度升高，太阳辐射与地表温度有着较直接的因果关系，太阳总辐射与地表最高温度的相关系数达到0.856，达到0.01 的显著性水平，表明太阳辐射越强，地表温度越高。地表温度的升高又会以对流等形式加热近地面空气，地表最高温度与最高气温之间关系密切，两者的相关系数为0.877，表明最高气温随地表温度的变化而变化。太阳总辐射与最高气温呈正相关，相关系数为0.712，通过0.01 的显著性检验，最高气温随太阳辐射的强弱而变化。年平均最高气温与太阳总辐射的变化趋势中，年平均最高气温呈线性增加，线性倾向率为0.05 ℃/a，通过0.01 的显著性检验，年平均最高气温与太阳总辐射的变化趋势一致，太阳总辐射是影响最高气温的首要因素。年平均最高气温与年太阳总辐射两者的线性关系可表示为：y=0.001 2x+16.396，年太阳总辐射增加10 MJ（/m2·a），年平均最高气温增加0.012 ℃。

3.6.2 蒸发量

蒸发量与太阳总辐射曝辐量呈正相关，相关系数为0.839，通过0.01 的显著性检验。年蒸发量与年太阳总辐射两者的线性关系可表示为：y = 0.115 6x+222.79，年太阳总辐射增加10 MJ（/m2·a），年蒸发量将增加1.2 mm。

春、夏、秋、冬四季太阳总辐射与蒸发的相关关系均呈正相关（表2），太阳总辐射越大，地面蒸发越快。冬季太阳总辐射与蒸发线性趋势一致，均随年份的变化呈增大趋势，两者均通过显著性检验。

表2 1991—2020 年成都市太阳总辐射与蒸发分季变化趋势及检验

3.6.3 日照时数

太阳总辐射与日照时数有较好的相关性，相关系数为0.848，通过0.01 的相关性检验。年日照时数与地面太阳总辐射的线性关系可表示为：y=0.167 4x+382.27，年太阳总辐射增加10 MJ/（m2·a），年日照时数增加1.7 h。

4 讨论

研究中太阳辐射增加的同期，降水量减少[22]，蒸发量增加，存在干旱化的趋势。郑祚芳等[23]得出北京城市干岛效应与城市化进程有密切联系，城市化已对气候变化产生了影响[24-26]，成都市近10 年耕地面积大幅减少，城镇用地大幅增加，城市化进程导致下垫面发生大规模改变，很可能也会出现与北京地区类似的干岛效应，在这种背景下，成都市太阳辐射的变化是源于自然的气候波动，还是源于城市化对局部气候产生的影响，城市化、太阳辐射、气候系统的相互关系比较复杂，解决这些问题还需要使用气候、大气环境、云物理等多方面的科学数据进行广泛深入的跟踪分析。

太阳辐射增加的同期，成都地区极端高温显著增加[27]，极端高温事件显著增多；同时，臭氧污染呈现上升趋势[28]。太阳辐射的增加已对人们的健康、生态环境产生直接影响，有必要尽快开展成都市太阳辐射的应用研究，建立太阳辐射的预测服务模式。

5 结论

基于成都市温江国家基准气候站1991—2020年太阳辐射资料及气候资料，应用线性趋势、Mann-KendaⅡ等方法研究成都市太阳辐射的年、月、日变化特征，以及太阳总辐射的变化对气温、蒸发等气候因子的影响，得出以下结论：

（1）太阳总辐射呈增加趋势，线性倾向率为29.69 MJ（/m2·a）（|r|＞r0.01），年平均太阳总辐射为3 475.70 MJ/m2；月际呈双峰型分布，最大出现在5、7 月，最小出现在12 月；日际分布均呈单峰型，最大小时曝辐量出现时间在北京时13—14 时。太阳直接辐射年总量呈增加趋势，其线性倾向率为20.25 MJ/（m2·a）。散射辐射呈下降趋势，但不显著。散射系数年平均为1.59，逐年减小趋势显著。

（2）太阳总辐射与最高气温、蒸发、日照时数呈正相关。太阳总辐射每年增加10 MJ/m2，年平均最高气温增加0.012 ℃，年日照时数增加1.7 h，年蒸发量增加1.2 mm。

（3）成都市一年中日照时数为0 的日数变化可有效表征总云量的年际变化。1991—2020 年日照时数为0 的日数与太阳总辐射呈负相关，两者的相关系数为-0.781。年日照时数为0 的日数逐年减少，线性倾向率为1.4 d/a，即表征了成都市总云量呈减少趋势，太阳总辐射增加的主要原因是总云量减少。