河套平原太阳辐射变化特征及其与气象要素的相互影响

吴 霞， 姜志伟， 蒙 荣， 李云飞， 孙晓涵

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018）

太阳辐射是生态系统的主要能量来源，是地球系统水、热、碳循环的主要驱动力［1］，它决定了气候的长期变化趋势，对农业生产布局、作物生长、土壤水分蒸发和蒸腾具有重要作用［2］，是相关农业气候研究中必不可少的参数［3］。同时太阳能的有效利用，可缓解燃料资源枯竭和环境污染问题［4］。因此，研究地表太阳辐射及其变化特征，对掌握气候变化规律、合理规划农业布局、有效利用太阳能资源具有重要的理论意义和应用价值。

河套平原地处内蒙古西北部，光热资源丰富，太阳能开发利用潜力巨大。太阳能作为一种清洁能源，是河套平原将资源优势转化为经济优势，走生态高质量发展之路的重要保障，也是人类推动绿色低碳发展以应对全球气候变化的根本途径。研究河套平原的太阳辐射，为太阳能开发利用提供科学参考，对河套平原调整产业结构、改善环境质量、实现乡村振兴具有重要意义，同时有助于我国应对气候变化，推动能源变革，助力国家“碳达峰、碳中和”战略目标的实现。此外，河套平原也是我国气候变化的敏感区和生态脆弱区，太阳辐射是该地生态治理研究中不可或缺的指标，对河套平原太阳辐射的计算和研究，不仅弥补了当地辐射数据的不足［5］，而且有助于系统了解当地气候变化规律，为农业生产提供理论依据，促进河套平原的生态保护和高质量发展，对改善地区的生态与环境，保护生态多样性和稳定性都具有非常重要的意义。

目前对于河套平原太阳辐射的研究尚存在一些问题。一方面站点数量有限、管理耗时费力［6］，使得太阳辐射实测数据时空分辨率不足，难以支撑河套平原实际生产和科学研究需要［7］。另一方面通过建立常规气象因子与太阳辐射经验关系［8-9］的估算模型［10-11］，因模型的经验系数具有区域性限制［12-13］，无法满足河套平原太阳辐射的估算精度。同时，我国对于太阳辐射的研究［14］大多集中在于大中区域尺度上［15-17］，对趋势变化的分析居多［18-20］，对辐射突变、周期及相关关系的分析鲜见报道。因此，本研究采用区域适用性较强的Hybrid 模型［21］估算河套平原太阳辐射值，以补充该地的辐射数据，同时对辐射的变化趋势、突变、周期及与其他气象要素的相关关系进行了分析探讨，为河套平原推进能源变革、应对气候变化、绿色生态发展提供理论依据。

1 研究区概况

河套平原（40°8′～41°17′N，106°17′～109°11′E）地处内蒙古西部（图1），黄河“几”字湾区域，位于阴山山脉以南黄河以北，西起巴彦淖尔磴口县，东至乌梁素海，呈扇弧形。地势西高东低，平均海拔1007～1052 m。光照资源丰富，全年日照时数约3263 h，太阳辐射具有明显的季节变化，年平均辐射量6030.83 MJ·m-2，仅次于西藏、青海。气候特征为温带大陆性气候，降水较少，年均降水量100～300 mm，平均气温5.6～7.4 ℃，积温3362.5 ℃，雨热同季。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location map of study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

采用了来自中国气象数据网1961—2017 年河套平原气象站点日值观测资料作为基础数据，其中包括气温、气压、相对湿度、日照时数4 个气象要素。所有数据均进行了严格的检查和质量控制，数据实有率在99%以上，正确率接近100%。依据元数据质量控制说明文件，本研究进一步进行了质量控制，剔除原始数据中的异常值、缺测标识码及其特定标识码的数据转换，同时，对数据进行标准化单位转换，气压单位为hPa，气温单位为℃，相对湿度为%，日照时数为h。处理后的气象数据将用于Hybrid太阳辐射估算模型的输入数据。

2.2 太阳辐射估算方法

为补充河套平原太阳辐射数据，研究采用Hybrid模型估算河套平原日值太阳辐射。该模型结合世界粮农组织模型、Gopinathan general 模型和A-P模型的优点［22］，计算简单，且考虑了辐射传输的物理过程，无需局地校正，适用于不同海拔和气候区域［23］。该模型在中国、美国、沙特阿拉伯、日本等不同气候类型区域得到了广泛的应用验证［24-26］。模型的基本公式如下［27］：

式中：H为日太阳辐射；τc为云透射率；Hb,clear为直接辐射；Hd,clear为散射辐射；n/N为日照率；为直接透射率；为散射透射率；t1为日出时间；t2为日落时间；I0为大气顶辐射；τoz为臭氧透射率；τw为水汽透射率；τg为永久气体透射率；τr为瑞利散射透射率；τa为气溶胶透射率。

2.3 太阳辐射趋势分析法

2.3.1 线性倾向估计 太阳辐射趋势分析最常用的方法是线性倾向估计，将太阳辐射yi看作随时间xi变化的函数关系。公式如下［28］：

式中：a为截距；b为函数斜率，其数值表示辐射变化趋势的大小，b＞0，表明太阳辐射随时间变化整体呈上升趋势，反之，b＜0时，太阳辐射呈下降趋势。

2.3.2 累积距平 累积距平主要是用于分析太阳辐射时间序列的波动程度，研究太阳辐射实测值xi与其多年平均态xˉ的偏离程度。距平增加，表示辐射升高，距平减少则表示辐射降低［29］。公式如下［28］：

式中：为太阳辐射某一时刻的累积距平；t为时间。

2.4 太阳辐射突变检验法

Mann-Kendall（M-K）突变检验是用于检验太阳辐射时间序列发生突变位置的非参数检验方法，受人为因素影响较小，定量化程度高。公式如下［28］：

式中：UFk为标准化后的检验统计量；S为检验统计量。

UFk或UBk大于0表示辐射呈上升趋势，小于0则呈下降趋势。当UF、UB曲线在置信区间内存在交点,则该点为突变点。当UFk或UBk曲线超过置信区间，表明辐射变化显著。

2.5 太阳辐射周期分析法

为探讨河套平原太阳辐射的局部变化特征和振荡周期，研究采用了小波分析法。该方法运用傅里叶展开方法将太阳辐射在时间和频率2个方向上展开，对时频结构进行细致地分析，确定尺度变化的时间位置，准确诊断序列变化的显著周期［30］。同时采用小波方差来确定辐射时间序列变化的主周期。公式如下［28］：

式中：a为频率参数；b为时间参数；Wf( )a,b为小波变换系数；ψ为母小波；t为时间；var(a)为小波方差。本研究选用Mexihat函数作为母小波［31］。

2.6 太阳辐射与气象要素相互关系分析

2.6.1 相关分析 通过计算2 组要素间的相关系数，来定量分析太阳辐射与气象要素间的相关性。对于2组气象要素X和Y，相关系数r的计算公式为［28］：

式中：相关系数r取值在-1.0～1.0 之间。当r越接近1.0，正相关越显著；当r越接近-1.0，负相关越显著；当r=0时，则表明两变量相互独立。

2.6.2 交叉小波 交叉小波和小波相干是用于反映太阳辐射与其他气象要素相关性的方法［32］。交叉小波在小波分析的基础上，可用于分析时频域中2个气象要素变化周期强度相同的地方。对于时间序列太阳辐射x(t)和气象要素y(t)，交叉小波表示为［33］：

2.6.3 小波相干 小波相干是用来分析2个气象要素发生共同变化的局部特征，即使对应交叉小波中的低能量值区，两者在小波相干中的相关性也有可能很显著。小波相干表示为［34］：

3 结果与分析

3.1 太阳辐射的趋势变化特征

1961—2017 年河套平原太阳辐射总体年际变化不大，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈缓慢减少趋势，年平均值为6030.83 MJ·m-2（图2），属于太阳能资源丰富地区，每年4—8月辐射量占全年总辐射的58%（图3），是太阳能资源最丰富时期，适合加大太阳能开发力度。月太阳辐射呈单峰型，季节变化显著，夏季辐射量最多，冬季最少［35］。但由于受夏季风气候影响，每年6、7月河套平原降雨增加，辐射接收受到影响，而5 月天气晴朗，日照充足，因此5 月辐射量高于6、7 月，为758.12 MJ·m2。随着太阳高度角的变化［36］，辐射量逐渐最小，12 月辐射量为216.34 MJ·m-2，达全年最低值。

图2 1961—2017年河套平原日太阳辐射分布Fig.2 Distribution of daily solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

图3 1961—2017年河套平原月太阳辐射分布Fig.3 Monthly solar radiation distribution in the Hetao Plain from 1961 to 2017

从整体上看，近57 a 太阳辐射有所减少但整体变化幅度不大。其中1974 年地面辐射量最大，为6346.41 MJ·m-2，1992年最小，为5670.59 MJ·m-2（图4）。有研究表明1992年东亚夏季风较弱［37］，使得夏季气温偏低，地面接收辐射量较少。河套平原年太阳辐射量低值区主要集中在20世纪60年代和80年代，80 年代之前表现为波动上升，80—90 年代以下降为主，90 年代之后逐渐上升并趋于稳定波动，与中国以及全球范围内太阳辐射在1990 年前先“变暗”后“变亮”的趋势一致。河套平原21 世纪10 年代总体辐射量有所减少，这是由于大气污染，空气中颗粒物的增加使到达地面的太阳辐射减少。

图4 1961—2017年河套平原年太阳辐射变化Fig.4 Changes in solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

河套平原四季分明，夏季辐射量最高，年均值为2138 MJ·m-2，以0.14 MJ·（10a）-1的速率围绕平均值略微波动下降（图5）。以1983 年和1996 年分为三个阶段，其中1984—1996 年间辐射波动较小，而1984年之前和1996年之后波动较大（图5b）。冬季辐射量最少，年均值为793 MJ·m-2，约为夏季的1/3，这与其他学者对研究区太阳总辐射研究结果相一致［38］。冬季辐射波动变化显著，以7.06 MJ·（10a）-1的速率呈下降趋势，以1985年为节点大致呈2种变化，1985 年以前多为上升趋势，1985—2017 年多为下降趋势，太阳辐射变化呈上升-下降交替出现趋势。秋季平均太阳辐射量为1188 MJ·m-2，以1.70 MJ·（10a）-1的速率平稳波动下降，整体变动大于夏季，但较为稳定。总体以1970年、2007年为节点，大致呈三阶段，1970 年之前多为下降趋势，1970—2006年为上升趋势，2007年之后多为下降趋势。春季平均辐射量为1906 MJ·m-2，以8.59 MJ·（10a）-1的速率呈显著上升趋势，1964—1974 年呈上升趋势，1974—1992年为下降趋势，1992年之后逐渐上升并波动变化。除春季外，夏秋冬三季整体呈下降趋势，基本符合前人对西北地区太阳辐射的研究［39］。河套平原四季辐射变化基本遵循“升-降”相间的变化规律，春季变化幅度最大，冬季次之，夏、秋季基本呈稳定趋势。

图5 1961—2017年河套平原太阳辐射季节变化Fig.5 Seasonal changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

3.2 太阳辐射的突变特征

1961—2017 年河套平原年太阳辐射M-K 突变检验结果显示，UF-UB曲线几乎均处于显著性水平α=0.05 置信区间内，表明年太阳辐射无显著变化。但1993年前后辐射表现为明显的上升下降趋势，所以该点为辐射变化较大的转折点（图6）。UF曲线在20 世纪80 年代之前呈波动式上升趋势，表明太阳辐射增加，80—90 年代逐渐下降，表明太阳辐射减少，90年代后略微上升后呈较平稳式波动。这与大多数学者提出的我国及全球太阳辐射变化趋势中以90 年代为分界线，先下降后上升的观点相符合。

图6 1961—2017年河套平原年太阳辐射M-K检验Fig.6 Solar radiation M-K inspection in Hetao Plain from 1961 to 2017

1961—2017 年河套平原季节太阳辐射突变检验结果显示，春季太阳辐射整体呈上升趋势，1980—1984年增幅超过置信区间临界线，为显著上升，有明显增暖趋势。春季UF-UB曲线相交与1972年、1993 年，该点为辐射变化的突变点（图7a）。夏季太阳辐射基本均未超过α=0.05显著水平临界线，整体变化不显著，UF-UB曲线交于1967 年、1997 年（图7b），该年为辐射变化较大的转折点，这与1967年东亚夏季风较强，1968年之后逐渐减弱导致的气候变化有关［40］。秋季太阳辐射1980—1987 年UF曲线超过α=0.05显著水平临界线，表明该阶段辐射变化显著，且UF-UB曲线交于2014 年（图7c），该年为辐射变化的突变点。冬季太阳辐射突变检验中，1965年、1968—1972年、1991—1996年、2006—2017年多个时间段超过置信区间，呈显著下降趋势，UFUB曲线交于1984 年（图7d），表明辐射量在该点前后发生较大变化，与东亚冬季风在1980年左右先增强后减弱的现象有关［40］。

图7 1961—2017年河套平原太阳辐射季节M-K检验Fig.7 Seasonal M-K inspection of solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

3.3 太阳辐射的周期特征

河套平原太阳辐射变化周期复杂多样，小波系数图中等值线密度代表周期长短，小波方差图峰值处的尺度为太阳辐射时间序列变化的主周期。

由图8 可知，在21～27 a 大尺度周期上，年太阳辐射周期变化规律显著，第一主周期为24 a，共发生5 次转变，呈低高交替变化。1971 年之前地面接收太阳辐射量偏低，1971—1982年处于太阳辐射量较高阶段，1983—1994 年太阳辐射量较低，1995—2006 年处于偏高阶段，2007 年至今处于偏低阶段。3～9 a 小尺度周期，太阳辐射存在小周期振荡。至2017年等值线仍处于负值且未完全闭合。

图8 1961—2017年河套平原太阳辐射小波变化Fig.8 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

由图9可知，春季主周期为27 a，从该时间尺度看，太阳辐射存在低高交替的显著周期变化。1993年辐射发生突变之后，大尺度周期变化逐渐变得不显著。在3～9 a 小尺度上，春季太阳辐射量在小范围变化规律逐渐显著，春季第二主周期为6 a。

图9 1961—2017年河套平原春季太阳辐射小波变化Fig.9 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the spring of 1961-2017

夏季呈现较为复杂的周期变化（图10），周期振荡次数和突变点增多，但周期振荡结构并不完整和显著。夏季主周期为27 a，在该尺度下存在较大的周期变化，但自1997 年后，辐射的大尺度变化规律发生改变，逐渐转为6～9 a 小尺度的显著变化。至2017年负值等值线未闭合，表明近几年夏季将持续处于太阳辐射量偏低期。

图10 1961—2017年河套平原夏季太阳辐射小波变化Fig.10 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the summer of 1961-2017

秋季太阳辐射在27 a 和30 a 周期变化明显（图11），为第一主周期，6 a 为第二主周期。27～33 a 大尺度周期，秋季太阳辐射周期变化近似呈对称分布，表现为低高交替变化，3～9 a小尺度周期，周期振荡频繁，表现为多次连续的交替变化。2017年末负值等值线未闭合，预计近几年秋季太阳辐射仍处于较低时期。

图11 1961—2017年河套平原秋季太阳辐射小波变化Fig.11 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the autumn of 1961-2017

冬季太阳辐射量在大尺度周期振荡格局极为鲜明（图12），发生高低交替7次变化，21 a为第一主周期，周期振荡几乎贯穿整个时间尺度，18 a和24 a为第二主周期，在小尺度周期波动不显著。太阳辐射于1984年发生下降突变，由辐射量高值区转变为20世纪80年代中期至90年代初的低值区。2017年末正值等值线未形成完整周期，表明近几年冬季将处于太阳辐射偏高期。

图12 1961—2017年河套平原冬季太阳辐射小波变化Fig.12 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the winter of 1961-2017

3.4 太阳辐射与气象要素相关性分析

河套平原地面太阳辐射与气象要素(气温、气压、相对湿度、日照时数)相关性分析结果显示（图13），太阳辐射和日照时数相关性为0.805，与气温的相关性为0.698，与气压的相关性为-0.603，与相对湿度的相关性为-0.301，均通过了α=0.05 的显著性检验。

图13 1961—2017年河套平原太阳辐射与气象要素相关关系Fig.13 Correlation between solar radiation and meteorological elements in the Hetao Plain from 1961 to 2017

日照时数与太阳辐射的相关性最大，这是因为日照时数是太阳实际照射地面的时间，它的增加（减少）会直接导致到达地面的太阳辐射增加（减少）［41］。气温与太阳辐射量的相关性较大，太阳辐射是气温变化的原因之一，太阳高度角大，地面接收的太阳辐射量增多，气温升高，两者呈正相关的关系。气压与太阳辐射的相关性略小于气温，气压通过影响水汽含量间接影响辐射量，气压高，大气水汽含量增加，导致辐射量减少。相对湿度与太阳辐射的相关性较小，相对湿度可以在一定程度上反映大气中的水汽含量，水汽能直接吸收部分太阳短波辐射，使地面接收的太阳辐射下降，两者为负相关，但相对湿度并不完全代表大气水汽含量，辐射变化还受到其他因素的影响，故两者相关性较弱。

河套平原太阳辐射和其气象要素的相关关系存在周期性波动。交叉小波用于反映辐射与气象要素共有周期的强度，可找出两序列周期性强度一致的区域。由图14可知，气温与太阳辐射两者的共振高能量区主要在32 a的周期尺度，在1986—1991年，2001—2006年等多时间尺度上主要呈正相关关系。气压与太阳辐射存在32 a左右的共振周期，两者在1976—1981年存在显著负相关关系，在其他年份存在相对较弱的负相关关系。相对湿度与太阳辐射在16～32 a尺度上，存在1976—1981年、1986—1993年共振高值能量区，为负相关关系。日照时数与太阳辐射存在显著的正相关关系，几乎贯穿各个周期尺度，在16～32 a 周期尺度上，分别在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右两者存在共振高值能量区。

图14 1961—2017年河套平原太阳辐射与气象要素交叉小波Fig.14 The cross wavelet diagram of solar radiation and meteorological elements in Hetao Plain from 1961 to 2017

小波相干用于反映太阳辐射与气象要素周期性变化趋势的一致性，可在时频域中找出2 个时间序列共同变化的区域。由图15可知，气温与太阳辐射在1998—2002 年时段具有16 a 时间尺度的显著共振周期，为负相关，相关系数达到0.8。气压与太阳辐射在1972—1978年存在16～32 a时间尺度的显著负相关共振周期，在其他频段上没有显著的相关能量区。相对湿度与太阳辐射在1981—1991 年具有16～32 a 时间尺度的显著负相关共振周期，相关系数达到0.9，表现出较强的相关特征，此外，在1995年前后出现8～13 a时间尺度的显著共振周期，相关系数可达0.8。日照时数与太阳辐射在各个时间尺度均存在较强的正相关关系，两者呈现非常好的一致性，说明日照时数是太阳辐射的主要影响因素。

图15 1961—2017年河套平原太阳辐射与气象要素小波相干Fig.15 Wavelet coherence diagram of solar radiation and meteorological elements in Hetao Plain from 1961 to 2017

4 讨论

研究利用辐射估算模型得到的太阳辐射值探讨了河套平原太阳辐射的年、季节变化规律，但以气象站点的数据来反映整个河套平原太阳辐射的变化特征，具有一定的局限性，模型计算的误差值虽然控制在合理范围之内，但仍与实测值存在稍许误差。对于太阳辐射与气象要素相互影响的研究，讨论了日照时数、相对湿度以及气温、气压与辐射的相互关系，但不同因素对辐射变化的影响仍需进一步量化分析，包括太阳辐射与气溶胶、云量的相互影响，有待后续进行研究。

5 结论

（1）河套平原太阳能资源丰富，1961—2017 年地面接收太阳辐射年平均值为6030.83 MJ·m-2，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈缓慢减少趋势，低值区主要集中在20世纪60年代和80年代，以90年代为分界线，呈先下降后上升趋势。季节特征明显，夏季辐射量最高，年均值为2138 MJ·m-2，冬季最低，为793 MJ·m-2。春季太阳辐射量呈显著上升趋势，延缓了河套平原年辐射的下降趋势，这与春季少云少雨辐射透过率高有关，夏秋冬三季整体呈现下降趋势。河套平原太阳辐射突变不显著，年、春季和夏季发生突变位置大致相同，年突变发生在1993 年，春季突变点为1972 年、1993 年，夏季突变点为1967 年、1997 年，秋季突变发生于2014 年，冬季突变于1984年。

（2）河套平原年太阳辐射量周期变化规律极显著，主周期为24 a。春夏季主周期均为27 a，秋季主周期为30 a，冬季太阳辐射主周期21 a。春季大尺度周期振荡不显著，3～9 a 小尺度上，振荡规律逐渐显著。夏季周期振荡次数和突变点增多，周期振荡结构不显著。秋季太阳辐射量周期振荡近似成对称分布，为5 个显著阶段。冬季太阳辐射在大尺度周期振荡鲜明，几乎贯穿整个时间尺度。

（3）河套平原太阳辐射与其气象要素均存在32 a的共振周期，其中，日照时数与辐射的相关性为0.805，气温次之为0.698，气压与辐射的相关性为-0.603，相对湿度与辐射相关性较小为-0.301。日照时数与太阳辐射在16～32 a 周期尺度上，分别在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右存在两者共振高值能量区。气温与太阳辐射在1973—1981年呈显著负相关，在1986年左右发生突变，在1986—1991 年、2001—2006 年等多时间尺度上主要呈正相关关系。气压与太阳辐射在1976—1981 年存在负相关关系。相对湿度与太阳辐射的相关性较弱，存在8～16 a 和16～32 a2 个共振周期，在16～32 a 尺度上，两者在1976—1981 年、1986—1993 年共振高值能量区对应，在8～16 a 尺度上，2007年、2012年左右存在共振周期。