西北地区太阳辐射时空变化特征研究

摘 要：【目的】近年来受雾霾等环境污染影响，地表太阳辐射变化剧烈。研究西北地区太阳辐射时空变化特征对于太阳能资源利用的部署和规划具有重要意义。【方法】基于西北地区1962—2012年28个太阳辐射观测站获得的资料，利用距平分析法、距平百分率、滑动相关分析法、趋势分析法，结合ArcGIS软件，分析1962—2012年整个西北地区（新疆、青海、宁夏、陕西、甘肃）的太阳总辐射的年际变化特征。【结果】结果表明，1962—2012年，太阳总辐射的变化经历了60年代的“平稳期”阶段、70年代至80年代中期持续“下降”，之后转折回升，“上升”阶段到90年代中期便终止，随后为“振荡回落期”直至2012年。新疆、青海、宁夏、陕西、甘肃太阳总辐射的年际变化趋势与整个西北地区的变化一致。【结论】太阳总辐射的变化可能与不同省份的城市化进程、大气环境状况、气溶胶的增多，以及各个测站所处的地理位置和周围环境有密切的关系。尽管90年代之后大气透明度的增加有利于太阳总辐射的增大，但这种变化能否解释过去50年所发生的变化，目前尚无明确结论，仍需进一步深入研究。

关键词：西北地区；太阳总辐射；突变；时空变化

中图分类号：P422.1" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2025）01-0087-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.017

Temporal and Spatial Variation Characteristics of Global Solar

Radiation in Northwest China

WEN Songnan

（ School of Surveying，Mapping and Geographic Information，Lanzhou Resources amp; Environment Voc-Tech University， Lanzhou 730021， China）

Abstract：[Purposes] In recent years， due to the impact of environmental pollution such as haze， the surface solar radiation has changed drastically. Therefore， it is of great significance to study the temporal and spatial variation characteristics of solar radiation in northwest China for the deployment and planning of solar resource utilization. [Methods] Based on the data obtained from 28 solar radiation observation stations in northwest China from 1962 to 2012， using anomaly analysis， anomaly percentage， sliding correlation analysis and trend analysis， and combined with ArcGIS software， this paper analyzes the interannual variation characteristics of global solar radiation in the whole northwest China （Xinjiang， Qinghai， Ningxia， Shaanxi and Gansu） from 1962 to 2012. [Findings] The results show that from 1962 to 2012， the change of global solar radiation experienced four stages， namely， the \"stationary period\" in the 1960s， from the 1970 s to the mid-1980 s， it continued to ' fall '， and then rebounded. The ' rise ' period ended in the mid-1990 s， followed by the ' oscillation fall ' period until 2012. The interannual variation trend of global solar radiation in Xinjiang， Qinghai， Ningxia， Shaanxi and Gansu is consistent with that of the whole northwest region.[Conclusions] The change of global solar radiation may be closely related to the urbanization process in different provinces， the atmospheric environment， the increase of aerosols， and the geographical location and surrounding environment of each station. Although the increase of atmospheric transparency after the 1990s is conducive to the increase of global solar radiation， there is no clear conclusion as to whether this change can explain the changes that have taken place in the past 50 years， which requires further in-depth study.

Keywords： northwest China; global solar radiation; mutation; temporal and spatial variation

收稿日期：2024-06-12

基金项目：甘肃省高等学校创新基金项目（2022A-200）；兰州资源环境职业技术学院科研项目（Y2021C-04）；甘肃省教育厅创新基金项目“祁连山国家公园植被净初级生产力时空变化分析及预测”（2024A-271）。

作者简介：温松楠（1995—），女，硕士，讲师，研究方向：遥感与GIS应用。

0 引言

随着全球工业化的迅速发展，‌人类大量燃烧矿物燃料，全球温室气体浓度快速上升。大气中各种气体比例与成分的变化，致使全球及局部气候特征发生了明显变化（如气温、太阳辐射、水汽压、日照时数等）。其中，地面太阳辐射的变化与大气成分、水汽含量及大气悬浮物的变化等密切相关［1］。

太阳辐射对海陆温度差异、冰冻圈消退、地球大气能量平衡，以及人类活动具有重大影响，也是地球表层最终的能量来源［2-3］。受到大气层的吸收和散射的影响，到达地表的太阳辐射变化很大［4］。太阳辐射也是太阳能中最能被人类直接利用的能源形式。在不可再生资源被人类大量利用，造成能源供给紧张的当今时代，急需寻求一种可再生的、清洁的能源来代替化石燃料、煤炭等有限资源，以保证社会的长期发展和生产力的不断提高［5］。在这种形势下，太阳辐射作为一种清洁的、可大量利用的再生资源越来越受到人们的关注［6］。

对于太阳辐射变化特征的一系列研究表明，从60年代到80年中期地球表面太阳辐射以平均每年0.32%的速率在下降，从1983—2001年地表太阳辐射以每年0.1%的速率在上升［7］。自80年代后期地表太阳辐射发生了逆转，停止了1950年开始的“变暗”转为“变亮”［8］。

本研究利用1962—2012年的太阳辐射观测资料研究我国西北地区（新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西） 连续50年的太阳总辐射时空变化特征，以期为太阳能资源利用的部署和规划提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

西北地区太阳辐射观测站点示意如图1所示。其中，阿勒泰、塔城、伊宁、和田、哈密、敦煌、西宁、银川、西安等9个辐射站点为二级站，若羌、玉树、吐鲁番三个辐射站点为三级站。此外还增设了12个三级观测站（奇台、焉耆、库车、阿克苏、酒泉、民勤、刚察、固原、延安、果洛、天水、安康）。

1.2 数据来源

本研究的资料均来源于中国气象数据共享网。采用所有观测站的逐年、月资料，其中总辐射序列从1962—2012年，保证研究资料在时间序列、站点数目和观测指标上的一致性。

2 研究方法

2.1 距平分析法

距平计算公式为式（1）。

Si=Xi- [x]" "（1）

式中：lt;E：＼2023田田＼2-＼河南科技202501＼Image＼image3.pdfgt;为距平，lt;E：＼2023田田＼2-＼河南科技202501＼Image＼image4.pdfgt;为序列中第i个对应的值， [x]为均值。利用该方法可以计算出某一值偏离均值的距离，得到整个时间序列内某一现象的波动状况，判断其变化趋势。

2.2 距平百分率分析法

距平百分率计算公式为式（2）。

Si=（Xi- [x]）/[x]*100% （2）

式中各变量代表的意义同（式）1。此方法可以更明显地突出一组数据偏离均值的程度。

2.3 滑动相关分析方法

为剔除偶然因素的影响，采用5年滑动平均值，得出滑动曲线图形，以判断太阳辐射在整个时间序列上的变化趋势。其公式为式（3）。

[x]5= （xi-2+xi-1+xi+xi+1+xi+2）/5" " （3）

式中各变量代表的意义同式（1）。

2.4 趋势分析方法

利用最小二乘法拟合一元线性方程为式（4），

y=ax+b" （4）

式中：a表示太阳辐射气候倾向率。a的正负代表太阳辐射的上升或下降，a绝对值的大小则表示上升与下降的幅度。

3 太阳总辐射的时空变化特征

3.1 年际时间序列变化

1962—2012年的太阳总辐射变化如图2所示。由图2可知，年平均值为186.76 W·m-2，除1975、1979年外都呈正距平，其高值主要集中在60年代。西北地区近50年太阳总辐射总体呈降低趋势，虽然在20世纪80年代末期到90年代初期出现了回升的状态，但并没有达到60年代太阳辐射的最大值，最后呈震荡下降。这一过程可总结为“平稳期-下降回升期-上升期-振荡回落期”4个阶段。出现这4个阶段变化的原因离不开各气象要素的变化，尤其是气温的变化，90年代以来，由于全球火山喷发出现了相对平静的时期，全球太阳的总辐射也出现回落期。

3.2 年际空间变化特征

按照西北地区各省份的行政边界对研究区进行分区，划分为5个子区域（新疆、青海、宁夏、甘肃、陕西）。对各个子区域内的太阳辐射观测站点记录的太阳总辐射按照年代顺序求每年平均值，形成了一个从1962—2012年的时间序列观测值。按照划分的子区域得出每个研究区的距平百分率，经过对比各个省份的年太阳总辐射距平百分率的变化。在1962—1968年全部区域内太阳总辐射相对较高，总体处于“变亮”趋势。1969—1987年各省太阳总辐射处于振荡下降的状态，其中宁夏在1983—1987年出现了一个峰值，最大太阳辐射值大于前一阶段的平均值。陕西省在1984年总辐射发生了突变，与整个研究时间序列值相比呈现历史期最低值，在1989年历史期次低值出现，值为-15.01；新疆、青海、陕西太阳总辐射在持续降低，青海在1986年明显“变暗”。1988—1996年各省份逐渐“变亮”，太阳总辐射稍有回升，处于振荡增大的状态，较前一时间段每个子区域都出现了“变亮”的现象，但其均值并没有高于第一阶段。

从总体趋势看，新疆、青海、宁夏、陕西、甘肃的太阳总辐射的变化符合西北地区从1962—2012年的总体变化趋势，虽然各个省份在某年出现突变现象，但依然可以将该省的太阳总辐射按照距平百分率划分为4个阶段即“平稳期—下降回升期—上升期—振荡回落期”（如图3所示）。

3.3 不同省份的季节变化

为进一步研究西北地区太阳总辐射时空变化特征，对1962—2012年各个测站的值以季节为单位，以各省份的行政边界为研究区进行划分，分析

不同季节不同年份不同区域太阳总辐射的时空变化特征，再把每个季节距平百分率的变化与全年整个时间序列的变化进行比较，得出季节变化与年际变化的内在关系。西北地区不同季节各个省份年际变化的距平百分率曲线如图4所示。

由图4（a）可知，西北地区不同省份在1962—1975年变化幅度不大，相对稳定。这一时间段内，陕西的太阳总辐射变化最大，不同年份之间的差距比较明显，但绝大多数年份太阳总辐射都大于均值，距平百分率变化范围为：-15.93～37.33。1976年开始下降，至1992年转为上升，到1995年停止了增加趋势，进入回落阶段，之后又趋于平稳；宁夏在这个时间序列内出现了历史最高值，陕西出现了历史最低值，其余各省份处于波动下降，但最大值未超过前一时期的最大辐射值。由图4（b）可知，变化情况与春季类似，从60年代到70年代初期，大多省份都处于平稳变化状态，并在均值以上变动，其后开始下降，直到80年代末期，出现了一个上升趋势，到90年代中期进入回落阶段，甘肃、宁夏已降落至均值并在这一值附近变动，陕西却偏离均值继续上升，到2007年回到均值附近，青海、新疆在稳定一段时间后继续降低远离均值，并在2010年再次回升。由图4（c）可知，各省份从1962年到70年代初期，均呈增加的趋势，除甘肃在1962年前后和1967年附近低于均值外，其余各省太阳总辐射都大于均值，宁夏、陕西分别在1967年与1972年出现历史期最大值，在70年代初期到末期，各省份太阳总辐射均处于下落状态，最终低于均值。80年代到90年代初期各地区进入了第一次上升阶段，至均值附近波动。其中，陕西省的变化最为突出，从整个时期的最低值增大至这一阶段的最高值，距平百分率的变化范围为：-28%～17%，90年代到2012年各省份变化都不明显，只有甘肃在大多数年份间高于均值，其余地区在低于均值的某一值附近摆动。由图4（d）可知，各省份变化趋势与夏季类似，陕西年际间的变化率比较大，但趋势变化非常小。

为详细比较各区域的不同，计算得出了各区域不同季节太阳总辐射的太阳辐射气候倾向率见表1。由表1可知，新疆、青海、宁夏、陕西变化基本一致，都呈下降趋势，且都在平均值附近变动，并由此导致了全年平均呈显著下降趋势。其中，新疆在冬季下降幅度最大，并通过了99%的信度检验，呈显著下降状态，高于全年整个时间序列的平均下降值；青海、陕西下降幅度最大的季节为秋季，前者通过了90%的信度检验，其余各季节都没达到90%的可信度水平，后者虽然相对在秋季下降最明显，但四个季节都未能通过90%可信度检验；甘肃各季节太阳总辐射总体上有所增加，夏季和秋季都略高于平均值，春季下降幅度最大，夏季为上升最快的季节，并达到4个季节的最大值却低于全年平均，以后又出现了持续下降的趋势，冬季已降至平均线以下，但全部季节和整个时间序列的全年平均值都未能通过90%的可信度检验。

4 结论

本研究采用距平分析、趋势线分析等方法，结合西北地区28个太阳辐射观测站的逐月与逐年的太阳总辐射，对西北地区1962—2012年的太阳总辐射变化做了详细研究，主要结论如下。

①1962—2012年西北地区太阳总辐射的变化共经历了“平稳期—下降回升期—上升期—振荡回落期”4个阶段。

②新疆、青海、宁夏、陕西、甘肃五省的年际太阳总辐射的变化经历了“平稳期—下降回升期—上升期—振荡回落期”4个阶段。

③到达地表的太阳总辐射的变化与大气成分、云量、大气中水汽的含量，以及大气悬浮物含量等密切相关。综合来看，引起太阳总辐射的变化可能与不同省份的城市化进程、大气环境状况、气溶胶的增多，以及各个测站所处的地理位置和周围环境有密切的关系。80年代中期发生在西北地区，以及各个省份太阳辐射由“降低”到“升高”变化中，“降低”可能与当地工业化进程，人为气溶胶的排放相关。但对于90年代中期的“升高“现象目前还缺乏直接的证据。尽管90年代之后大气透明度的增加有利于到达地面的太阳总辐射的增大，但这种变化能否解释过去50年所发生的变化，目前尚无明确结论，仍需进一步深入研究。

参考文献：

［1］ 许建明， 何金海， 阎凤霞. 1961—2007年西北地区地面太阳辐射长期变化特征研究［J］.气候与环境研究.2010，15（1）：89-96.

［2］CHE H Z， SHI G， ZHANG X，et al. Analysis of 40 years of solar radiation data from China，1961—2000［J］. Geophysical Research. 2005，32（6）：803-1，5.

［3］ SHI G， CHEN Z， WANG B， et al. Data quality assessment and the long-term trend of ground solar radiation in China［J］.Journal of Applied Meteorology and Climatology，2008，47（4）：1006-1016.

［4］熊燕琳，周筠珺.四川地区地面太阳总辐射时空分布及气象影响因素研究［J］.太阳能学报，2020，41（12）：162-171.

［5］王娟敏，孙娴，孙睿，等.2000—2016年中国再分析辐射资料与观测值对比［J］.热带气象学报，2020，36（6）：734-743.

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［8］王凌钰，周勇，刘艳峰.中国太阳辐射时空变化趋势研究［J］.暖通空调，2024，54（6）：103-111，64.