格尔木太阳辐射气候特征及其与气象因子的关系

祁贵明， 李海凤

(青海省格尔木市气象局，青海格尔木 816000)



格尔木太阳辐射气候特征及其与气象因子的关系

祁贵明， 李海凤

(青海省格尔木市气象局，青海格尔木 816000)

利用1981—2015年太阳能辐射资料和同期气象资料，采用气象统计学方法，对近35年格尔木太阳能辐射变化规律及其与气象因子的相关性进行分析。结果表明，近35年来格尔木直接辐射的总体走势与年总辐射相近，但直接辐射的变幅大于总辐射。近35年虽然总辐射的变化趋势不明显，但直接辐射占总辐射的百分率存在明显的阶段性变化；总辐射年变化曲线呈双峰型，且春季比秋季多。月太阳总辐射主要与日照、总云量、水汽压、相对湿度、蒸发量、低云量等因素相关，其中日照、总云量与总辐射相关性较好。

太阳辐射；气候特征；气象因子；格尔木

太阳辐射是地表最基本、最重要的能量来源，是植物光合作用、蒸腾作用、土壤蒸发、水文循环、天气气候形成的主要驱动因子，其变化会改变温度、湿度、降水、大气环流和水文循环等过程[1]。太阳辐射及其变化的研究在国内外一直备受重视[2-4]，Abakumova等[2]分析1960—1987年前苏联地区太阳辐射减少的原因，发现云量的增加和大气能见度的降低是太阳辐射减少的主要原因；江凯等[4]探讨近半个世纪以来我国东南部太阳辐射的变化特征，并分析了太阳辐射变化的影响因素以及对区域气候的影响，结果表明，该地区地表总太阳辐射自1961年以来呈下降趋势，且其太阳辐射的变化很可能是受到低云量变化的影响。由于受到云、气溶胶、海拔、纬度等诸多因素的影响，我国各地区地表太阳辐射存在很大的时空差异[5-9]。研究地表太阳辐射的时空变化规律，不仅有助于了解区域气候变化规律，还可以间接推断该地区的大气组成及其变化，反演大气气溶胶的光学厚度及其变化，从而可分析污染物等大气环境状况。

格尔木空气稀薄，干燥少雨，日照时间长，太阳能资源十分丰富，年日照时数2937～3267 h，日照百分率达62%～85%，年太阳总辐射量6000 MJ/m2以上，属太阳能资源一类区，太阳能资源仅次于西藏。笔者利用1981—2015年格尔木太阳能辐射资料和同期气象观测资料，采用气象统计学方法，对近35年格尔木太阳能辐射变化规律及其与气象因子的相关性进行分析，以期为研究大气环境状况、开发利用太阳能资源提供依据。

1 太阳辐射变化特征分析

1.1 年际变化 由图1可见，2007年前总辐射变化趋势不明显，但变幅很大，年太阳总辐射量的最大值在1990年，为7 204.8 MJ/m2，次大值为1995年的7 193.7 MJ/m2，最小值出现在1983年，为6 500.1 MJ/m2，次小值为1998年的6 604.5 MJ/m2；1981—1997年除1981—1983和1989年为负距平外，其余13年均为正距平；1998—2015年除2004、2006、2009和2013年为正距平外，其余14年均为负距平。直接辐射与总辐射具有较好的正相关，近35年来格尔木直接辐射的总体走势与年总辐射相近，但直接辐射的变幅大于总辐射。1981—1993年多为负距平，直接辐射相对较小；1994—2007年除1996、1998和2003年为负距平外，均为正距平，但变幅较大；2008—2015年正负距平交替，直接辐射变化幅度大，尤其是2012—2014年变化尤为显著。直接辐射最大值出现在1997年，为4 986.2 MJ/m2；最小值出现在1983年，为3 672.0 MJ/m2。总体上，直接辐射20世纪90年代以来在缓慢增加，2011年后又有小幅度下降。散射辐射的变化趋势与直接辐射相反，1981—1992年均为正距平，1993—2015年除1996、2009和2012年为正距平外，其余20年均为负距平。散射辐射最大值出现在1992年，为2 929.7 MJ/m2；最小是1997年，为2 147.2 MJ/m2。

经计算，近35年格尔木总辐射、散射辐射和直接辐射的气候倾向率分别为-5.1、-13.9、9.0 MJ/(m2·a)，即总辐射和散射辐射均呈减少趋势，而直接辐射呈增加趋势。经信度检验，总辐射的变化趋势不明显，直接辐射通过95%的显著性检验，散射辐射通过99.9%的显著性检验，说明近35年散射辐射的逐年减少和直接辐射的逐年增加是显著的。

图1 1981—2015年格尔木太阳总辐射(a)、直接辐射(b)和散射辐射(c)年距平值变化Fig.1 Annual anomaly change of total solar radiation(a), direct radiation(b) and scattered radiation(c) in Golmud during 1981-2015

由格尔木地面太阳直接辐射占总辐射百分率的年际变化(图2)可见，近35年虽然总辐射变化趋势不明显，但直接辐射占总辐射的百分率存在明显的阶段性变化。1981—1983、1990—1992年直接辐射所占百分率呈明显减小趋势，如1981年为61.2%，1983年锐减至56.5%，1990年为64.4%，1992年锐减至57.6%；1993—2015年直接辐射占总辐射的百分率呈逐年增加趋势，1997年最高，达70.1%，其次为2005年的9.2%、2013年的68.0%。

图2 1981—2015年格尔木直接辐射占总辐射百分率的年际变化Fig.2 Annual variation of percentage of direct radiation in total radiation in Golmud during 1981-2015

1.2 月变化 由图3可见，近35年格尔木总辐射月变化呈双峰型，从3月开始急剧增加，5月达峰值(799.9 MJ/m2)，6月略有下降后，7月又回升达次高值，9月迅速下降，12月达最小值(324.8 MJ/m2)；月总辐射主要集中在4—8月，占年总辐射的53.8%以上。从季节来看，春季比秋季多，主要由于春季3月以后太阳直射北半球，白昼时间长，秋季9月后直射南半球，昼短夜长。近35年格尔木直接辐射变化与总辐射基本相似，呈双峰态，3—5月急剧增加，6月略有下降，7、8月又逐渐回升，8月达最大值(487.0 MJ/m2)；散射辐射呈单峰型，5月为最大，12月最小。

图3 1981—2015年格尔木太阳总辐射、直接辐射和散射辐射月变化Fig.3 Monthly variation of total solar radiation, direct radiation and scattered radiation in Golmud during 1981-2015

1.3 日变化 分析2009年1月—2014年12月格尔木逐日逐时辐射资料发现，日辐射持续时间最长的是5、6和7月，辐射时间达15 h/d，但07:00和21:00的辐射量非常小；日辐射持续最短的是1和12月，辐射时间为11 h/d。取20个晴天、多云和阴天个例对格尔木、诺木洪、小灶火1和7月辐射资料进行分析，其余月份晴天、多云和阴天情况下变化趋势非常相似。由图4可见，在晴天条件下，7月自太阳升起辐射逐步增加，逐时增量随太阳高度角的增加而减小，至15：00辐射量达全天最大值；此后，辐射逐渐减少，减少量随太阳高度角的变小而增加。1月辐射的日变化与7月相同，只是日出时间比7月延迟，而日落提前到来，因此辐射时数相应比7月缩短5 h；逐时辐射比7月均小，但最大值仍出现在15：00。在多云和阴天条件下，无论是7月还是1月，其日变化与晴天很相似，全天最大值仍出现在15：00。此外，由于云层对总辐射的影响，阴天1、7月各时的辐射均少于晴天。

格尔木逐小时平均辐射≥2.0 MJ/m2且逐小时最大辐射≥3.0 MJ/m2的时间3月出现在13：00—16：00，4月出现在12:00—17：00，5月出现在11：00—17：00，6、7和8月均出现在12：00—17：00，9月出现在13：00—16：00，10月出现在13：00—15：00；逐小时平均辐射极值为3.24 MJ/m2，出现在5月份14:00，最大辐射极值为4.05 MJ/m2，分别出现在5月14:00和6月15：00，1、2、11和12月均未出现逐小时平均辐射≥2.0 MJ/m2且逐小时最大辐射≥3.0 MJ/m2的情况，说明格尔木全年日辐射主要集中在3—10月的11：00—17：00。

2 格尔木太阳辐射与气象因子的关系

从表1可以看出，月太阳总辐射主要与日照、总云量、水汽压、相对湿度、蒸发量、低云量等因素相关性较好，其中日照与总辐射相关性最好。影响太阳总辐射/晴空辐射的因子主要是日照百分率(表2)，而日平均地表温度与该比值呈显著的正相关，主要反映的是太阳辐射对地表的加热作用；与总云量和低云量相关系数很高，但偏相关系数却相当低，说明总云量和低云量对该比值的作用实际上是通过影响日照百分率造成的。

由于云对太阳辐射的遮挡、吸收、散射等作用，成为影响辐射甚至影响气候的一个重要因素。尤其在柴达木盆地更是如此。总云量愈多可明显减少太阳总辐射和直接辐射，而使散射辐射显著增加，其相关系数均达显著水平，低云量总体上也起到削弱太阳总辐射和直接辐射的作用但不明显。

注：a1、b1、c1为1月；a2、b2、c2为7月。Note:a1,b1，c1 was Jan.;a2,b2,c2 was Jul.图4 格尔木(a)、诺木洪(b)、小灶火(c)晴天、多云和阴天状况下1、7月太阳总辐射日变化Fig.4 Diurnal variation of total solar radiation in Jan. and Jul. under sunny, cloudy and overcast sky conditions in Golmud(a), Nomhon(b), Xiaozaohuo(c)

月份Month日照Sunshine总云量Totalcloudcover水汽压Watervaporpressure低云量Lowcloudcover相对湿度Relativehumidity蒸发量Evaporationcapacity降水量Rainfall气压Pressure平均气温Averagetemperature日较差Diurnalrange风速Windspeed10.713-0.61-0.47-0.41-0.260.259-0.2300.523-0.3100.299-0.02020.823-0.65-0.29-0.22-0.22-0.050-0.0700.429-0.2300.138-0.19030.683-0.72-0.21-0.21-0.250.1390.0720.360-0.1400.256-0.05040.751-0.71-0.43-0.28-0.570.191-0.1500.4140.161-0.0400.02450.719-0.50-0.60-0.47-0.690.338-0.4600.2540.3590.0740.01660.780-0.48-0.63-0.25-0.760.475-0.5100.2040.4420.2930.11670.518-0.46-0.39-0.35-0.590.361-0.460-0.1000.3310.4150.00180.814-0.71-0.66-0.52-0.770.375-0.6400.3370.1680.1520.19290.855-0.65-0.51-0.36-0.660.452-0.410-0.0500.1640.1650.138100.784-0.61-0.63-0.62-0.600.437-0.3600.034-0.1300.1090.124110.717-0.31-0.44-0.52-0.360.438-0.0800.442-0.0600.1970.366120.754-0.38-0.44-0.56-0.150.504-0.1700.184-0.3700.5670.465

表2 格尔木太阳总辐射/晴空辐射与气象要素的相关性

Table 2 The correlation of global solar radiation in Golmud / sky radiation and meteorological factors

气象要素Meteorologicalelements相关系数Correlationcoefficient偏相关系数Partialcorrel-ationcoefficient日白天降水量Precipitationduringtheday-0.333-0.138日平均低云量Dailyaveragelowcloudcover-0.4510.052日平均地表温度Dailymeansurfacetemperature0.0100.302日平均风速Dailyaveragewindspeed0.0370.008日平均气温Dailyaveragetempera-ture-0.057-0.295日平均气压Dailyaverageairpres-sure0.0120.084日平均水汽压Dailyaveragewatervaporpressure-0.301-0.012日平均相对湿度Dailyaveragerela-tivehumidity-0.5170.039日平均总云量Dailyaveragetotalcloudcover-0.671-0.010日气温日较差Diurnalrangeofdailytemperature0.7680.143日日照百分率Dailysunshineper-centage0.9310.313日日照时数Dailysunshinehours0.903-0.005

3 结论

(1)近35年来格尔木直接辐射的总体走势与年总辐射相近，但直接辐射的变幅大于总辐射。

(2)近35年虽然总辐射的变化趋势不明显，但直接辐射占总辐射的百分率存在明显的阶段性变化；总辐射年变化曲线呈双峰型，且春季比秋季多。

(3)月太阳总辐射主要与日照、总云量、水汽压、相对湿度、蒸发量、低云量等因素相关；其中日照、总云量与总辐射相关性较好。

(4)总云量愈多可明显减少太阳总辐射和直接辐射，而使散射辐射显著增加。

[1] 白建辉，王庚辰.影响太阳总辐射各主要因子的分析[J].高原气象，1994,13(4)：485-487.

[2] ABAKUMOVA G M，FEIGELSON E M，RUSSAK V，et al.Evaluation of long-term changes in radiation,cloudiness,and surface temperature on the territory of the former Soviet Union[J].Journal of climate,1996,9(6):1319-1327.

[3] LIEPERT B G.Observed reductions of surface solar radiation at sites in the United States and worldwide from 1961 to 1990[J].Geophysical research letters,2002,29(10):1421.

[4] 汪凯,叶红,陈峰，等.中国东南部太阳辐射变化特征、影响因素及其对区域气候的影响[J].生态环境学报，2010,19(5):1119-1124.

[5] 吕宁，刘荣高，刘纪远.1998-2002年中国地表太阳辐射的时空变化分析[J].地球信息科学学报，2009,11(5):623-630.

[6] 杨建莹，刘勤，严昌荣，等.近48a华北区太阳辐射量时空格局的变化特征[J].生态学报，2011,31(10):2748-2756.

[7] 申彦波，赵东，祝昌汉，等.近50年来鄂尔多斯地面太阳辐射的变化及与相关气象要素的联系[J].高原气象，2009,28(4):786-794.

[8] 祁栋林,李晓东,郭彩萍,等.1980～2010年青藏高原柴达木盆地太阳辐射变化特征研究[J].安徽农业科学，2013，41(10)：4484-4488，4492.

[9] 李月高，汪青春.柴达木盆地太阳能资源分布及评估初探[J].青海科技,2009,16(2):31-34.

The Relationship between Solatr Radiation Climate Characteristics and Meteorological Factors in Golmud

QI Gui-ming, LI Hai-feng

(Golmud Meteorological Bureau, Golmud, Qinghai 816000)

Using solar radiation data and contemporaneous meteorological data during 1981-2015, adopting meteorological statistics method, the variation law of solar radiation in Glomud in recent 35 years and its correlation with meteorological factors were analyzed. The results showed that the overall trend of Golmud direct radiation in recent 35 years is similar to annual total radiation, but the amplitude of direct radiation is larger than total radiation. Although the variation trend of total radiation is not obvious, the percentage of direct radiation to total radiation has obvious phasic change; the annual change curve of total radiation presents double peak type,radiation in spring is more than that in autumn. Monthly total solar radiation are mainly correlated with sunshine, total colud cover, water vapor pressure, relative humidity, evaporation capacity, low cloud cover, among which, sunshine, total cloud cover are closely related to total radiation.

Solar radiation; Climate characteristics; Meteorological factors; Golmud

祁贵明(1972- )，男，青海湟中人，高级工程师，从事应用气象服务研究。

2016-09-21

S 161.1

A

0517-6611(2016)36-0213-03