胡景波，邱 杰，王 磊，劉雙喜

(湖州市氣象局，浙江湖州 313000)

0 引言

太陽輻射是地球最重要能量來源之一，太陽輻射的變化能影響氣壓、溫度、濕度、降水等氣象要素，是造成天氣、氣候變化的主要原因。不同地區(qū)受緯度、海拔、云量等多種因素的影響，太陽輻射存在顯著差異。太陽輻射空間分布不均勻，導(dǎo)致了氣象要素時空分布差異，這種差異影響了人類活動和動植物生長發(fā)育。另一方面，太陽能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到人們的關(guān)注，正在成為舉足輕重的新能源之一。近些年，國內(nèi)外學(xué)者對太陽輻射變化特征進行了大量的研究。喻麗[1]、李小軍[2]分析了近些年中國地表太陽輻射時空變化。左晨[3]、王占林[4]分別研究了新疆和青海地區(qū)太陽總輻射的變化特征。劉昌明[5]、趙娜[6]進行了海河流域太陽輻射評估。陳震[7]、司福意[8]、程海軍[9]分別分析了唐山、焦作、黃岡的太陽總輻射變化特征。唐曉萍[10]、陳飛霖[11]、陳玲[12]分析了南方地區(qū)重慶、陽江、東莞的輻射強度特征及影響因子。

太陽發(fā)射的能量入射到地球大氣層內(nèi)的總和稱為總輻射，是衡量太陽輻射強弱的一個重要指標(biāo)，也是用來衡量某一地區(qū)太陽能資源豐富程度的基本參考量?？傒椛浯笮∈艿胶芏嘁蛩氐挠绊?，汪凱[13]分析了中國東南部太陽輻射的影響因素，顆粒物濃度也是影響太陽輻射的因素之一。大氣中顆粒物濃度的增加除了對人體健康產(chǎn)生危害以外，還會增加大氣消光性，降低能見度和到達地面的太陽輻射，胡森林[14]分析了合肥城市氣溶膠濃度對太陽輻射的影響。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，與蘇州、無錫隔太湖相望。湖州東部為水鄉(xiāng)平原，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，太陽輻射對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。湖州西部多山地、丘陵，近幾年太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)在此區(qū)域發(fā)展較快?？紤]到輻射變化本地化分析的必要性，文章借鑒了近些年來不同區(qū)域輻射變化分析的一些方法，對湖州地區(qū)的輻射情況進行了初步分析。

1 觀測數(shù)據(jù)

1.1 觀測地點和觀測儀器

湖州國家基本氣象站是湖州市范圍內(nèi)唯一的國家級基本觀測站，湖州站建于1956年1月，位于東經(jīng)120°03′、北緯30°52′?？傒椛溆^測不屬于湖州站常規(guī)觀測內(nèi)容，是為了更好地開展氣象服務(wù)額外增加的觀測任務(wù)，因此輻射觀測設(shè)備被安裝在湖州站的輔助觀測場內(nèi)，輔助觀測場位于常規(guī)觀測場的西面，與常規(guī)要素觀測場同樣享受嚴格的探測環(huán)境保護。湖州國家基本氣象站從2009年9月開始觀測太陽總輻射，使用的觀測儀器為華創(chuàng)公司生產(chǎn)的TBQ-2-B-I型總輻射表，通過輻射中心站軟件每小時上傳1組數(shù)據(jù)，全天24h連續(xù)觀測，至今已連續(xù)觀測10年。

1.2 數(shù)據(jù)完整性

在正式處理數(shù)據(jù)之前，首先進行預(yù)處理，包括刪除缺測時次，剔除理論范圍之外的數(shù)據(jù)。在預(yù)處理過程中，發(fā)現(xiàn)因為儀器故障， 2014年5月上旬至7月上旬的輻射數(shù)據(jù)異常偏低， 7月中旬至12月下旬?dāng)?shù)據(jù)連續(xù)缺測?？紤]到2014年只有1—4月數(shù)據(jù)正常，無法統(tǒng)計輻射的季和年累計值，因此放棄了2014年的所有數(shù)據(jù)。因為夜間太陽輻射數(shù)據(jù)均為0，沒有實際的研究意義，因此只挑取6—20時的數(shù)據(jù)用作統(tǒng)計分析。綜合上述處理，最終保留了36 162個時次的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總的完整性為94.28%，具體的數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計如表1。

表1 2010—2017年數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計

2010201120122013201520162017總計實測數(shù)5 3805 3705 3725 3974 6204 7785 24536 162理論數(shù)5 4755 4755 4905 4755 4755 4905 47538 355完整性(%)98.2698.0897.8598.5884.3887.0395.8094.28

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

將預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)做如下計算：將同1年內(nèi)的同1h數(shù)據(jù)做平均，求得不同年份6—20時的小時平均值，如圖1； 將所有小時輻射累加得到1d的總輻射，在此基礎(chǔ)上得到每年的月、季、年總輻射，如圖2～4。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻射強度日變化情況

如圖1所示， 2010—2017年太陽輻射日變化曲線基本一致，日出后輻射強度隨著時間逐漸增大，中午前后達到全天最高，隨后輻射量開始減弱，日落前后輻射強度趨于0。太陽輻射的日變化呈周期性，全天基本為拋物線型變化，左右大致對稱分布。由此可見太陽高度角是影響地面輻射的重要因子。

圖1 太陽輻射日變化

2.2 輻射強度月變化情況

從圖2中可以看出近幾年來太陽總輻射的變化趨勢基本保持一致。1月份受太陽高度角偏小的影響太陽輻射最弱， 2月份開始隨著太陽高度角增大而逐漸增強， 6月份太陽輻射有個明顯的強度減弱，原因主要是本地區(qū)在6月中旬前后進入梅雨季節(jié)，一直處于連陰雨、少日照的天氣狀況。雖然太陽高度角在此階段達到最大值，但云層和雨水的阻擋和吸收，使得太陽總輻射反而減小。梅雨結(jié)束后， 7月太陽輻射達到一年中的最大值， 8月開始由于臺風(fēng)的增多，云系和降水衰減了太陽輻射總量，使得太陽輻射沒有隨著平均溫度的增加而一直增加，反而出現(xiàn)波動下降的趨勢。進入下半年后，隨著太陽高度角的減小，太陽輻射逐漸減小。

圖2 太陽輻射月變化

2.3 輻射強度季節(jié)變化情況

如圖3所示，可以看出太陽輻射強度有明顯的季節(jié)變化，夏季太陽輻射平均值最高，春季次之，秋季只比冬季略高，甚至近幾年兩者幾乎持平。理論上來說，冬季太陽高度角較低，太陽輻射量應(yīng)該與秋季有較大差距，但從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，兩者相差不大，為了探究具體原因，額外分析了近4年湖州國家基本氣象站的月報表。發(fā)現(xiàn)近幾年秋季的日照時數(shù)相比歷史同期基本都偏少，降水日數(shù)和降水量都偏多，加上冬季日照時數(shù)相比歷史同期要偏多。綜合以上原因，造成了秋冬兩季太陽輻射差距較小。

圖3 太陽輻射季節(jié)變化

2.4 總輻射強度年變化情況

從圖4可以看出，除了2015年以外，其余年份的年輻射總量基本穩(wěn)定。2014年5月至2016年春季，爆發(fā)了歷史持續(xù)時間最長的極強厄爾尼諾事件。受其影響， 2015年極端天氣氣候事件多發(fā)。2015年10月下旬至11月中旬，湖州市遭遇歷史罕見的秋季長期連陰雨天氣，降水日數(shù)之多、日照時數(shù)之少均居歷史同期首位。由于這次陰雨寡照時段分布在10月和11月，在月數(shù)據(jù)里并不能明顯地體現(xiàn)出來，如果只看輻射總量，很容易忽略這一情況。近兩年輻射總量稍有下降，考慮到可能存在的輻射年際變化，并不能就此認為本地區(qū)的輻射會處于下降趨勢中，還需要更多年份的數(shù)據(jù)加以分析。

圖4 太陽總輻射年變化

3 總輻射強度影響因子

3.1 總輻射與總、低云量的關(guān)系

湖州站月報表中云的觀測周期為6 h，分別是8、14、20時，可以把3次的云量做平均，代表當(dāng)天的平均云量。用2017年逐日太陽輻射強度和2017年逐日的平均總、低云量分別作相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)太陽輻射強度和總云量、低云量均呈反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.59和-0.70，兩者均通過了α=0.05相關(guān)性檢驗，說明低云量對輻射的影響更大。

3.2 總輻射與相對濕度的關(guān)系

利用湖州站2017年觀測的小時相對濕度，取6—20時的數(shù)據(jù)求平均，求得每天白天的平均相對濕度。剔除掉有降水的日子，將白天的平均相對濕度和太陽總輻射做相關(guān)性分析，結(jié)果相關(guān)系數(shù)為-0.65，兩者負相關(guān)性比較明顯。

3.3 總輻射與部分氣象要素極值的關(guān)系

分析了湖州站2017年所有的觀測數(shù)據(jù)，選出了3個可能相關(guān)性較高的氣象要素極值，分別是日最高溫度、日最小相對濕度、日最高地面溫度。分別使用2017年逐日太陽輻射與上述3類極值數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析。結(jié)果與日最高溫度相關(guān)系數(shù)為0.68，與日最小相對濕度相關(guān)系數(shù)為-0.69，與最高地面溫度相關(guān)系數(shù)為0.76，均通過了α=0.05相關(guān)性檢驗，結(jié)果說明這3個極值一定程度上可以作為當(dāng)天太陽輻射強度的參考。

3.4 總輻射與顆粒物濃度的關(guān)系

有學(xué)者認為大氣的污染程度也是影響太陽輻射強度的因素之一，它們對太陽輻射強度的衰減主要是通過氣溶膠粒子的吸收與散射作用。為了檢驗兩者在該地區(qū)的相關(guān)程度，該文利用湖州站2017年P(guān)M10、PM2.5和PM1的日平均值數(shù)據(jù)，與太陽輻射強度做相關(guān)性分析。湖州站的大氣成分觀測儀器型號為Grimm180，觀測地點與太陽輻射相差不到100m，都在觀測站大院內(nèi)?？紤]到有降雨時顆粒物濃度和太陽輻射的數(shù)值都會降低，導(dǎo)致相關(guān)性結(jié)論不準(zhǔn)確，因此將有雨量的日子剔除。兩者相關(guān)性結(jié)果如表2、3所示。

表2 太陽輻射不同季節(jié)與氣溶膠粒子濃度相關(guān)性

春夏秋冬PM10-0.44 0.24 -0.28 -0.19 PM2.5-0.45 0.27 -0.22 -0.14 PM1-0.44 0.28 -0.20 -0.13

由表2可見，在湖州地區(qū)，兩者一年四季的相關(guān)性并不相同。春季、秋季和冬季的太陽輻射與氣溶膠粒子濃度有不同程度的負相關(guān)性，即顆粒物濃度越高，太陽輻射越低。圖5為12月21—26日一次較長時間霾天氣過程中顆粒物濃度與日輻射總量的變化關(guān)系，這次過程中，顆粒物濃度與輻射量的反相關(guān)表現(xiàn)得很明顯，呈現(xiàn)有規(guī)律的此長彼降的變化。27日下午天氣轉(zhuǎn)雨，云量增長，兩者同時下降。

圖5 一次霾天氣過程顆粒物濃度和日輻射總量變化

夏季兩者存在相關(guān)系數(shù)在0.25左右的正相關(guān)，這與之前的研究結(jié)論有差距。具體分析了湖州地區(qū)夏季3個月的顆粒物濃度變化情況，發(fā)現(xiàn)在夏季高溫時段，長時間無雨的情況下顆粒物難以擴散，濃度會明顯增加，就會出現(xiàn)溫度越高，太陽輻射越大，顆粒物濃度也越大的情況。當(dāng)這種情況在夏季多次發(fā)生時，從數(shù)據(jù)上來看，兩者就會產(chǎn)生一定的正相關(guān)。綜上，初步認為在湖州地區(qū)，大氣成分中PM10、PM2.5和PM1的值與太陽輻射的相關(guān)性應(yīng)該按季節(jié)具體分析，不能簡單考略為全年太陽輻射的影響因子。

4 結(jié)論

(1)日出后太陽輻射強度逐漸增大，中午時達到全天最高，正午過后開始減弱。夏季最高，春季次之，秋季比冬季略高，春夏季明顯高于秋冬季。

(2)1月太陽輻射最弱，隨后開始增強， 6月份受梅雨影響太陽輻射偏小。7月太陽輻射最強， 8月開始由于臺風(fēng)的增多，太陽輻射沒有繼續(xù)增加，又隨著太陽高度角的減小，太陽輻射逐漸減小，全年極大值一般出現(xiàn)在7-8月。

(3)太陽輻射強度與總云量、低云量、最小相對濕度為負相關(guān)，與日最高溫度、最高地溫、相對濕度呈正相關(guān)。晴天時，太陽輻射與顆粒物濃度PM10、PM2.5、PM1的相關(guān)性基本一致，春、秋和冬季呈負相關(guān)，夏季呈正相關(guān)。

(4)日常的天氣預(yù)報和農(nóng)業(yè)服務(wù)過程中，當(dāng)需要預(yù)報太陽輻射強度時，需要考慮到當(dāng)?shù)靥栞椛鋸姸鹊哪曜兓?guī)律，在不同的天氣過程中還需要考慮不同的輻射影響因子。