吳林榮,王娟敏,劉海軍,孫嫻

(1.陜西省氣象臺,陜西西安 710014;2.陜西省氣候中心,陜西西安 710014)

太陽輻射是地球生態(tài)系統(tǒng)最主要和最直接的能量來源,影響到地球上所有的物理、生物和化學(xué)過程,是維持地表溫度,促進(jìn)地球上的水、大氣、生物活動和變化的主要動力。太陽輻射能量在地表上的分配變化會根本改變云覆蓋、溫度、濕度、降水和大氣環(huán)流特征,而且還伴隨著熱力和動力過程,與地表水分循環(huán)密切相關(guān)。太陽輻射及日照也直接與植物生長發(fā)育密切相關(guān),影響和決定了植物生產(chǎn)力、蛋白質(zhì)含量,特別是經(jīng)濟(jì)林果的著色及其糖分含量。因此,分析太陽輻射及日照時數(shù)變化對了解區(qū)域氣候及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具有重要意義[1-6]。通過分析陜西太陽總輻射、日照時數(shù)的時空變化特征,可以在一定程度上揭示太陽輻射的分布規(guī)律,彌補(bǔ)太陽輻射觀測站點(diǎn)較少的不足,為氣候變化及其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。測總輻射、凈輻射等項目,時段1961—2006年;延安、安康市為三級站,只觀測總輻射,時段 1990—2006年。為了統(tǒng)一,本研究分析這3站的總輻射資料。日照時數(shù)、日照百分率為陜西省98個臺站1961—2006年的月資料。太陽輻射的計算采用目前國內(nèi)外通用的氣候?qū)W方法,即公式(1)[7-11]來計算

1 資料方法

式中:Q——地表受到的太陽總輻射;Q0——起始數(shù)據(jù)(或稱背景值),Q0可以是天文輻射、晴天大氣總輻射或理想大氣總輻射;f(s,n)——以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數(shù)。

研究表明,使用晴天大氣總輻射、理想大氣總輻射或天文總輻射進(jìn)行計算差別不大[12-16],用日照百分率比云量效果好,雙因子略好,但相差不大。考慮到天文總輻射可以直接用公式計算,確定計算公式為:

采用資料全部來自陜西省氣象檔案館。陜西省P有3個太陽輻射觀測站,西安市為國家二級站,觀

式中:Q——地表受到的太陽總輻射;Q0——天文輻射;S——日照百分率;a,b——系數(shù)。

根據(jù)延安、西安、安康市這3站的各月輻射和日照百分率,采用最小二乘法[17-21]擬合出公式(2)中各月的經(jīng)驗系數(shù)a,b;然后計算出各地的地面月平均太陽總輻射,通過累加進(jìn)而推算出各地季、年太陽總輻射,并在Sufer 8.0中采用克立格插值法完成全省范圍的太陽輻射空間插值。

2 結(jié)果分析

2.1 陜西省太陽總輻射變化特征

2.1.1 陜西省太陽總輻射時間變化特征 總體而言,陜西太陽輻射量有從南向北逐漸增加的趨勢。在年內(nèi),延安總輻射值在5月份到達(dá)到最大,而西安、安康地區(qū)在7月份最大;3個站總輻射值最小的月份均出現(xiàn)在12月;陜北地區(qū)的4—8月、關(guān)中、陜南地區(qū)的5—8月是太陽總輻射較為豐富的時期(圖1)。

圖1 延安、西安、安康市平均總輻射年內(nèi)變化

分析表明,西安地區(qū)年總輻射20世紀(jì)60—80年代中期呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢,20世紀(jì)80年代中期至90年代中期出現(xiàn)了短暫的增加趨勢,20世紀(jì)90年代中期以來,總輻射又呈現(xiàn)出下降的趨勢。延安市從20世紀(jì)90年代開始呈現(xiàn)出增加的趨勢。1961年以來,西安市年總輻射年際差異較大,最大年份(1966年)總輻射可達(dá)5 174.6 MJ/m2,最少年份(1984年)僅有 3 501.1 MJ/m2,相差1 673.5 MJ/m2?？傒椛溥@種年際差異會給太陽能的持續(xù)穩(wěn)定開發(fā)利用造成一定的困難(圖2)。2.1.2 陜西省太陽總輻射空間變化特征 根據(jù)最小二乘法的擬合結(jié)果,將陜西省98個臺站的對應(yīng)天文輻射、日照百分率分別代入相應(yīng)的區(qū)域擬合方程[22],最終計算出陜西各地的月太陽總輻射,進(jìn)而推算出季、年太陽總輻射,并將計算結(jié)果在Surfer 8.0軟件中采用克立格插值法完成全省范圍的太陽輻射空間插值。結(jié)果表明,陜北地區(qū)年內(nèi)太陽總輻射基本是5月或6月達(dá)到最大值;而關(guān)中和陜南地區(qū)的年內(nèi)太陽總輻射則呈現(xiàn)出一致性的7月最大;從空間上來看,各月太陽總輻射的分布存在兩個高值地區(qū),一是陜北長城沿線,二是關(guān)中北部、陜北南部地區(qū),且各月太陽總輻射均以陜南西部山區(qū)為最低。

圖2 延安、西安、安康市平均總輻射年際變化

不同地區(qū)太陽總輻射的季節(jié)差異顯著(表1),以夏季最大,冬季最小,春、秋兩季介于其間,各季太陽總輻射均以陜南西部山區(qū)最低;各季太陽總輻射都基本呈現(xiàn)從北到南依次遞減的趨勢,但春、夏、秋三季渭北高原地區(qū)存在一個次高值區(qū),而冬季正好相反,以渭北高原地區(qū)最高,陜北長城沿線次高。

陜西省年太陽總輻射的空間分布如附圖5所示,可以看出陜西年太陽總輻射量介于3 830～5 163 MJ/m2之間,最高值區(qū)在陜北長城沿線一帶,代表站橫山5 162.17 MJ/m2,渭北高原地區(qū)為次高值區(qū),代表站澄城、合陽縣分別達(dá)到5 133.1和 5 100.1 MJ/m2,最低值區(qū)主要分布于陜南西部地區(qū),漢中的大部分縣市均不足4 200 MJ/m2,最低值站鎮(zhèn)巴為3 830.7 MJ/m2。

表1 陜西省代表站季節(jié)太陽總輻射 MJ/m2

2.2 日照時數(shù)變化特征

陜西日照時數(shù)年內(nèi)變化過程基本呈單峰型,但不同地區(qū)峰值位相不同(圖3)。陜北在5月最大,關(guān)中、陜南在7月或8月達(dá)到最大值,最低值均出現(xiàn)在12月,陜北地區(qū)4—8月、關(guān)中、陜南的 5—8月是日照時數(shù)較多的時期,這與太陽總輻射的年內(nèi)變化基本一致,說明日照時數(shù)是決定太陽總輻射的重要因子之一。

不同地區(qū)日照時數(shù)的季節(jié)差異顯著(表2),以夏季日照時數(shù)最大,冬季最小,春秋兩季介于其間,且各季節(jié)日照時數(shù)基本都呈自北向南遞減的趨勢,最高值均分布于陜北長城沿線,最低值則在陜南大巴山區(qū)。

陜西省年日照時數(shù)空間分布基本呈從北向南依次遞減的趨勢,最高值在陜北北部的長城沿線,最低值在陜南大巴山區(qū)附圖6。各地年日照時數(shù)變化于1 265～2 833 h之間,最小為鎮(zhèn)巴縣的1 265.5 h,最大為府谷縣的2 832.4 h。陜北北部年日照時數(shù)2 600～2 800 h,陜北南部年日照時數(shù)等值線呈經(jīng)向分布,東部黃河沿岸為2 400～2 500 h,西部山區(qū)為2 300～2 400 h。關(guān)中東部地區(qū)年日照時數(shù)為2 100～2 400 h,澄城和合陽分別為2 500和2 490 h,為關(guān)中日照時數(shù)最多的區(qū)域,關(guān)中西部1 900～2 300 h,西安市年日照時數(shù)僅1 664 h,為關(guān)中地區(qū)日照最少的區(qū)域。陜南商洛地區(qū)年日照時數(shù)1 800～2 100 h,漢中北部、安康北部1 600～1 800 h,漢中南部、安康南部1 200～1 600 h,鎮(zhèn)巴年日照時數(shù)最少,僅1 266 h,為陜西省日照時數(shù)最少的區(qū)域。

圖3 陜西省代表站月日照時數(shù)年內(nèi)變化

表2 陜西代表站各季節(jié)平均日照時數(shù) h

3 結(jié)論

(1)陜西太陽輻射量有從南向北逐漸增加的趨勢,其中陜北地區(qū)4—8月,關(guān)中、陜南地區(qū)5—8月是太陽總輻射較豐富時期。

(2)各季節(jié)太陽總輻射以夏季最大,冬季最小,春、秋兩季介于其間;年太陽總輻射以陜北長城沿線最高,陜南西部山區(qū)最低,且在渭北高原地區(qū)存在次高值區(qū)。

(3)陜西日照時數(shù)年內(nèi)變化過程基本呈單峰型,但不同地區(qū)峰值位相不同,陜北地區(qū)在5月最大,關(guān)中、陜南地區(qū)在7月或8月達(dá)到最大值,最低值均出現(xiàn)在12月,陜北地區(qū)的4—8月,關(guān)中、陜南地區(qū)的5—8月是日照時數(shù)較多的時期。

(4)陜西省年日照時數(shù)空間分布基本呈從北向南依次遞減的趨勢,最高值在陜北北部的長城沿線,最低值在陜南西部山區(qū),且渭北高原存在日照時數(shù)次高值區(qū),說明渭北高原一帶也是太陽能資源較為豐富的地區(qū)。

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