吳 霞， 姜志偉， 蒙 榮， 李云飛， 孫曉涵

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

太陽(yáng)輻射是生態(tài)系統(tǒng)的主要能量來(lái)源，是地球系統(tǒng)水、熱、碳循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力［1］，它決定了氣候的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、作物生長(zhǎng)、土壤水分蒸發(fā)和蒸騰具有重要作用［2］，是相關(guān)農(nóng)業(yè)氣候研究中必不可少的參數(shù)［3］。同時(shí)太陽(yáng)能的有效利用，可緩解燃料資源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題［4］。因此，研究地表太陽(yáng)輻射及其變化特征，對(duì)掌握氣候變化規(guī)律、合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)布局、有效利用太陽(yáng)能資源具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

河套平原地處內(nèi)蒙古西北部，光熱資源豐富，太陽(yáng)能開發(fā)利用潛力巨大。太陽(yáng)能作為一種清潔能源，是河套平原將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，走生態(tài)高質(zhì)量發(fā)展之路的重要保障，也是人類推動(dòng)綠色低碳發(fā)展以應(yīng)對(duì)全球氣候變化的根本途徑。研究河套平原的太陽(yáng)輻射，為太陽(yáng)能開發(fā)利用提供科學(xué)參考，對(duì)河套平原調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興具有重要意義，同時(shí)有助于我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化，推動(dòng)能源變革，助力國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。此外，河套平原也是我國(guó)氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，太陽(yáng)輻射是該地生態(tài)治理研究中不可或缺的指標(biāo)，對(duì)河套平原太陽(yáng)輻射的計(jì)算和研究，不僅彌補(bǔ)了當(dāng)?shù)剌椛鋽?shù)據(jù)的不足［5］，而且有助于系統(tǒng)了解當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?guī)律，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，促進(jìn)河套平原的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)改善地區(qū)的生態(tài)與環(huán)境，保護(hù)生態(tài)多樣性和穩(wěn)定性都具有非常重要的意義。

目前對(duì)于河套平原太陽(yáng)輻射的研究尚存在一些問(wèn)題。一方面站點(diǎn)數(shù)量有限、管理耗時(shí)費(fèi)力［6］，使得太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率不足，難以支撐河套平原實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究需要［7］。另一方面通過(guò)建立常規(guī)氣象因子與太陽(yáng)輻射經(jīng)驗(yàn)關(guān)系［8-9］的估算模型［10-11］，因模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)具有區(qū)域性限制［12-13］，無(wú)法滿足河套平原太陽(yáng)輻射的估算精度。同時(shí)，我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)輻射的研究［14］大多集中在于大中區(qū)域尺度上［15-17］，對(duì)趨勢(shì)變化的分析居多［18-20］，對(duì)輻射突變、周期及相關(guān)關(guān)系的分析鮮見報(bào)道。因此，本研究采用區(qū)域適用性較強(qiáng)的Hybrid 模型［21］估算河套平原太陽(yáng)輻射值，以補(bǔ)充該地的輻射數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)輻射的變化趨勢(shì)、突變、周期及與其他氣象要素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析探討，為河套平原推進(jìn)能源變革、應(yīng)對(duì)氣候變化、綠色生態(tài)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河套平原（40°8′～41°17′N，106°17′～109°11′E）地處內(nèi)蒙古西部（圖1），黃河“幾”字灣區(qū)域，位于陰山山脈以南黃河以北，西起巴彥淖爾磴口縣，東至烏梁素海，呈扇弧形。地勢(shì)西高東低，平均海拔1007～1052 m。光照資源豐富，全年日照時(shí)數(shù)約3263 h，太陽(yáng)輻射具有明顯的季節(jié)變化，年平均輻射量6030.83 MJ·m-2，僅次于西藏、青海。氣候特征為溫帶大陸性氣候，降水較少，年均降水量100～300 mm，平均氣溫5.6～7.4 ℃，積溫3362.5 ℃，雨熱同季。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location map of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

采用了來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)1961—2017 年河套平原氣象站點(diǎn)日值觀測(cè)資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)4 個(gè)氣象要素。所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)實(shí)有率在99%以上，正確率接近100%。依據(jù)元數(shù)據(jù)質(zhì)量控制說(shuō)明文件，本研究進(jìn)一步進(jìn)行了質(zhì)量控制，剔除原始數(shù)據(jù)中的異常值、缺測(cè)標(biāo)識(shí)碼及其特定標(biāo)識(shí)碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化單位轉(zhuǎn)換，氣壓?jiǎn)挝粸閔Pa，氣溫單位為℃，相對(duì)濕度為%，日照時(shí)數(shù)為h。處理后的氣象數(shù)據(jù)將用于Hybrid太陽(yáng)輻射估算模型的輸入數(shù)據(jù)。

2.2 太陽(yáng)輻射估算方法

為補(bǔ)充河套平原太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，研究采用Hybrid模型估算河套平原日值太陽(yáng)輻射。該模型結(jié)合世界糧農(nóng)組織模型、Gopinathan general 模型和A-P模型的優(yōu)點(diǎn)［22］，計(jì)算簡(jiǎn)單，且考慮了輻射傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程，無(wú)需局地校正，適用于不同海拔和氣候區(qū)域［23］。該模型在中國(guó)、美國(guó)、沙特阿拉伯、日本等不同氣候類型區(qū)域得到了廣泛的應(yīng)用驗(yàn)證［24-26］。模型的基本公式如下［27］：

式中：H為日太陽(yáng)輻射；τc為云透射率；Hb,clear為直接輻射；Hd,clear為散射輻射；n/N為日照率；為直接透射率；為散射透射率；t1為日出時(shí)間；t2為日落時(shí)間；I0為大氣頂輻射；τoz為臭氧透射率；τw為水汽透射率；τg為永久氣體透射率；τr為瑞利散射透射率；τa為氣溶膠透射率。

2.3 太陽(yáng)輻射趨勢(shì)分析法

2.3.1 線性傾向估計(jì) 太陽(yáng)輻射趨勢(shì)分析最常用的方法是線性傾向估計(jì)，將太陽(yáng)輻射yi看作隨時(shí)間xi變化的函數(shù)關(guān)系。公式如下［28］：

式中：a為截距；b為函數(shù)斜率，其數(shù)值表示輻射變化趨勢(shì)的大小，b＞0，表明太陽(yáng)輻射隨時(shí)間變化整體呈上升趨勢(shì)，反之，b＜0時(shí)，太陽(yáng)輻射呈下降趨勢(shì)。

2.3.2 累積距平 累積距平主要是用于分析太陽(yáng)輻射時(shí)間序列的波動(dòng)程度，研究太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值xi與其多年平均態(tài)xˉ的偏離程度。距平增加，表示輻射升高，距平減少則表示輻射降低［29］。公式如下［28］：

式中：為太陽(yáng)輻射某一時(shí)刻的累積距平；t為時(shí)間。

2.4 太陽(yáng)輻射突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall（M-K）突變檢驗(yàn)是用于檢驗(yàn)太陽(yáng)輻射時(shí)間序列發(fā)生突變位置的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，受人為因素影響較小，定量化程度高。公式如下［28］：

式中：UFk為標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

UFk或UBk大于0表示輻射呈上升趨勢(shì)，小于0則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)存在交點(diǎn),則該點(diǎn)為突變點(diǎn)。當(dāng)UFk或UBk曲線超過(guò)置信區(qū)間，表明輻射變化顯著。

2.5 太陽(yáng)輻射周期分析法

為探討河套平原太陽(yáng)輻射的局部變化特征和振蕩周期，研究采用了小波分析法。該方法運(yùn)用傅里葉展開方法將太陽(yáng)輻射在時(shí)間和頻率2個(gè)方向上展開，對(duì)時(shí)頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致地分析，確定尺度變化的時(shí)間位置，準(zhǔn)確診斷序列變化的顯著周期［30］。同時(shí)采用小波方差來(lái)確定輻射時(shí)間序列變化的主周期。公式如下［28］：

式中：a為頻率參數(shù)；b為時(shí)間參數(shù)；Wf( )a,b為小波變換系數(shù)；ψ為母小波；t為時(shí)間；var(a)為小波方差。本研究選用Mexihat函數(shù)作為母小波［31］。

2.6 太陽(yáng)輻射與氣象要素相互關(guān)系分析

2.6.1 相關(guān)分析 通過(guò)計(jì)算2 組要素間的相關(guān)系數(shù)，來(lái)定量分析太陽(yáng)輻射與氣象要素間的相關(guān)性。對(duì)于2組氣象要素X和Y，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為［28］：

式中：相關(guān)系數(shù)r取值在-1.0～1.0 之間。當(dāng)r越接近1.0，正相關(guān)越顯著；當(dāng)r越接近-1.0，負(fù)相關(guān)越顯著；當(dāng)r=0時(shí)，則表明兩變量相互獨(dú)立。

2.6.2 交叉小波 交叉小波和小波相干是用于反映太陽(yáng)輻射與其他氣象要素相關(guān)性的方法［32］。交叉小波在小波分析的基礎(chǔ)上，可用于分析時(shí)頻域中2個(gè)氣象要素變化周期強(qiáng)度相同的地方。對(duì)于時(shí)間序列太陽(yáng)輻射x(t)和氣象要素y(t)，交叉小波表示為［33］：

2.6.3 小波相干 小波相干是用來(lái)分析2個(gè)氣象要素發(fā)生共同變化的局部特征，即使對(duì)應(yīng)交叉小波中的低能量值區(qū)，兩者在小波相干中的相關(guān)性也有可能很顯著。小波相干表示為［34］：

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽(yáng)輻射的趨勢(shì)變化特征

1961—2017 年河套平原太陽(yáng)輻射總體年際變化不大，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈緩慢減少趨勢(shì)，年平均值為6030.83 MJ·m-2（圖2），屬于太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)，每年4—8月輻射量占全年總輻射的58%（圖3），是太陽(yáng)能資源最豐富時(shí)期，適合加大太陽(yáng)能開發(fā)力度。月太陽(yáng)輻射呈單峰型，季節(jié)變化顯著，夏季輻射量最多，冬季最少［35］。但由于受夏季風(fēng)氣候影響，每年6、7月河套平原降雨增加，輻射接收受到影響，而5 月天氣晴朗，日照充足，因此5 月輻射量高于6、7 月，為758.12 MJ·m2。隨著太陽(yáng)高度角的變化［36］，輻射量逐漸最小，12 月輻射量為216.34 MJ·m-2，達(dá)全年最低值。

圖2 1961—2017年河套平原日太陽(yáng)輻射分布Fig.2 Distribution of daily solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

圖3 1961—2017年河套平原月太陽(yáng)輻射分布Fig.3 Monthly solar radiation distribution in the Hetao Plain from 1961 to 2017

從整體上看，近57 a 太陽(yáng)輻射有所減少但整體變化幅度不大。其中1974 年地面輻射量最大，為6346.41 MJ·m-2，1992年最小，為5670.59 MJ·m-2（圖4）。有研究表明1992年?yáng)|亞夏季風(fēng)較弱［37］，使得夏季氣溫偏低，地面接收輻射量較少。河套平原年太陽(yáng)輻射量低值區(qū)主要集中在20世紀(jì)60年代和80年代，80 年代之前表現(xiàn)為波動(dòng)上升，80—90 年代以下降為主，90 年代之后逐漸上升并趨于穩(wěn)定波動(dòng)，與中國(guó)以及全球范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射在1990 年前先“變暗”后“變亮”的趨勢(shì)一致。河套平原21 世紀(jì)10 年代總體輻射量有所減少，這是由于大氣污染，空氣中顆粒物的增加使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減少。

圖4 1961—2017年河套平原年太陽(yáng)輻射變化Fig.4 Changes in solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

河套平原四季分明，夏季輻射量最高，年均值為2138 MJ·m-2，以0.14 MJ·（10a）-1的速率圍繞平均值略微波動(dòng)下降（圖5）。以1983 年和1996 年分為三個(gè)階段，其中1984—1996 年間輻射波動(dòng)較小，而1984年之前和1996年之后波動(dòng)較大（圖5b）。冬季輻射量最少，年均值為793 MJ·m-2，約為夏季的1/3，這與其他學(xué)者對(duì)研究區(qū)太陽(yáng)總輻射研究結(jié)果相一致［38］。冬季輻射波動(dòng)變化顯著，以7.06 MJ·（10a）-1的速率呈下降趨勢(shì)，以1985年為節(jié)點(diǎn)大致呈2種變化，1985 年以前多為上升趨勢(shì)，1985—2017 年多為下降趨勢(shì)，太陽(yáng)輻射變化呈上升-下降交替出現(xiàn)趨勢(shì)。秋季平均太陽(yáng)輻射量為1188 MJ·m-2，以1.70 MJ·（10a）-1的速率平穩(wěn)波動(dòng)下降，整體變動(dòng)大于夏季，但較為穩(wěn)定。總體以1970年、2007年為節(jié)點(diǎn)，大致呈三階段，1970 年之前多為下降趨勢(shì)，1970—2006年為上升趨勢(shì)，2007年之后多為下降趨勢(shì)。春季平均輻射量為1906 MJ·m-2，以8.59 MJ·（10a）-1的速率呈顯著上升趨勢(shì)，1964—1974 年呈上升趨勢(shì)，1974—1992年為下降趨勢(shì)，1992年之后逐漸上升并波動(dòng)變化。除春季外，夏秋冬三季整體呈下降趨勢(shì)，基本符合前人對(duì)西北地區(qū)太陽(yáng)輻射的研究［39］。河套平原四季輻射變化基本遵循“升-降”相間的變化規(guī)律，春季變化幅度最大，冬季次之，夏、秋季基本呈穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖5 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射季節(jié)變化Fig.5 Seasonal changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

3.2 太陽(yáng)輻射的突變特征

1961—2017 年河套平原年太陽(yáng)輻射M-K 突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，UF-UB曲線幾乎均處于顯著性水平α=0.05 置信區(qū)間內(nèi)，表明年太陽(yáng)輻射無(wú)顯著變化。但1993年前后輻射表現(xiàn)為明顯的上升下降趨勢(shì)，所以該點(diǎn)為輻射變化較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖6）。UF曲線在20 世紀(jì)80 年代之前呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)，表明太陽(yáng)輻射增加，80—90 年代逐漸下降，表明太陽(yáng)輻射減少，90年代后略微上升后呈較平穩(wěn)式波動(dòng)。這與大多數(shù)學(xué)者提出的我國(guó)及全球太陽(yáng)輻射變化趨勢(shì)中以90 年代為分界線，先下降后上升的觀點(diǎn)相符合。

圖6 1961—2017年河套平原年太陽(yáng)輻射M-K檢驗(yàn)Fig.6 Solar radiation M-K inspection in Hetao Plain from 1961 to 2017

1961—2017 年河套平原季節(jié)太陽(yáng)輻射突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，春季太陽(yáng)輻射整體呈上升趨勢(shì)，1980—1984年增幅超過(guò)置信區(qū)間臨界線，為顯著上升，有明顯增暖趨勢(shì)。春季UF-UB曲線相交與1972年、1993 年，該點(diǎn)為輻射變化的突變點(diǎn)（圖7a）。夏季太陽(yáng)輻射基本均未超過(guò)α=0.05顯著水平臨界線，整體變化不顯著，UF-UB曲線交于1967 年、1997 年（圖7b），該年為輻射變化較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這與1967年?yáng)|亞夏季風(fēng)較強(qiáng)，1968年之后逐漸減弱導(dǎo)致的氣候變化有關(guān)［40］。秋季太陽(yáng)輻射1980—1987 年UF曲線超過(guò)α=0.05顯著水平臨界線，表明該階段輻射變化顯著，且UF-UB曲線交于2014 年（圖7c），該年為輻射變化的突變點(diǎn)。冬季太陽(yáng)輻射突變檢驗(yàn)中，1965年、1968—1972年、1991—1996年、2006—2017年多個(gè)時(shí)間段超過(guò)置信區(qū)間，呈顯著下降趨勢(shì)，UFUB曲線交于1984 年（圖7d），表明輻射量在該點(diǎn)前后發(fā)生較大變化，與東亞冬季風(fēng)在1980年左右先增強(qiáng)后減弱的現(xiàn)象有關(guān)［40］。

圖7 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射季節(jié)M-K檢驗(yàn)Fig.7 Seasonal M-K inspection of solar radiation in Hetao Plain from 1961 to 2017

3.3 太陽(yáng)輻射的周期特征

河套平原太陽(yáng)輻射變化周期復(fù)雜多樣，小波系數(shù)圖中等值線密度代表周期長(zhǎng)短，小波方差圖峰值處的尺度為太陽(yáng)輻射時(shí)間序列變化的主周期。

由圖8 可知，在21～27 a 大尺度周期上，年太陽(yáng)輻射周期變化規(guī)律顯著，第一主周期為24 a，共發(fā)生5 次轉(zhuǎn)變，呈低高交替變化。1971 年之前地面接收太陽(yáng)輻射量偏低，1971—1982年處于太陽(yáng)輻射量較高階段，1983—1994 年太陽(yáng)輻射量較低，1995—2006 年處于偏高階段，2007 年至今處于偏低階段。3～9 a 小尺度周期，太陽(yáng)輻射存在小周期振蕩。至2017年等值線仍處于負(fù)值且未完全閉合。

圖8 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射小波變化Fig.8 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain from 1961 to 2017

由圖9可知，春季主周期為27 a，從該時(shí)間尺度看，太陽(yáng)輻射存在低高交替的顯著周期變化。1993年輻射發(fā)生突變之后，大尺度周期變化逐漸變得不顯著。在3～9 a 小尺度上，春季太陽(yáng)輻射量在小范圍變化規(guī)律逐漸顯著，春季第二主周期為6 a。

圖9 1961—2017年河套平原春季太陽(yáng)輻射小波變化Fig.9 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the spring of 1961-2017

夏季呈現(xiàn)較為復(fù)雜的周期變化（圖10），周期振蕩次數(shù)和突變點(diǎn)增多，但周期振蕩結(jié)構(gòu)并不完整和顯著。夏季主周期為27 a，在該尺度下存在較大的周期變化，但自1997 年后，輻射的大尺度變化規(guī)律發(fā)生改變，逐漸轉(zhuǎn)為6～9 a 小尺度的顯著變化。至2017年負(fù)值等值線未閉合，表明近幾年夏季將持續(xù)處于太陽(yáng)輻射量偏低期。

圖10 1961—2017年河套平原夏季太陽(yáng)輻射小波變化Fig.10 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the summer of 1961-2017

秋季太陽(yáng)輻射在27 a 和30 a 周期變化明顯（圖11），為第一主周期，6 a 為第二主周期。27～33 a 大尺度周期，秋季太陽(yáng)輻射周期變化近似呈對(duì)稱分布，表現(xiàn)為低高交替變化，3～9 a小尺度周期，周期振蕩頻繁，表現(xiàn)為多次連續(xù)的交替變化。2017年末負(fù)值等值線未閉合，預(yù)計(jì)近幾年秋季太陽(yáng)輻射仍處于較低時(shí)期。

圖11 1961—2017年河套平原秋季太陽(yáng)輻射小波變化Fig.11 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the autumn of 1961-2017

冬季太陽(yáng)輻射量在大尺度周期振蕩格局極為鮮明（圖12），發(fā)生高低交替7次變化，21 a為第一主周期，周期振蕩幾乎貫穿整個(gè)時(shí)間尺度，18 a和24 a為第二主周期，在小尺度周期波動(dòng)不顯著。太陽(yáng)輻射于1984年發(fā)生下降突變，由輻射量高值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)?0世紀(jì)80年代中期至90年代初的低值區(qū)。2017年末正值等值線未形成完整周期，表明近幾年冬季將處于太陽(yáng)輻射偏高期。

圖12 1961—2017年河套平原冬季太陽(yáng)輻射小波變化Fig.12 Wavelet changes of solar radiation in the Hetao Plain during the winter of 1961-2017

3.4 太陽(yáng)輻射與氣象要素相關(guān)性分析

河套平原地面太陽(yáng)輻射與氣象要素(氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù))相關(guān)性分析結(jié)果顯示（圖13），太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)相關(guān)性為0.805，與氣溫的相關(guān)性為0.698，與氣壓的相關(guān)性為-0.603，與相對(duì)濕度的相關(guān)性為-0.301，均通過(guò)了α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

圖13 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射與氣象要素相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between solar radiation and meteorological elements in the Hetao Plain from 1961 to 2017

日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射的相關(guān)性最大，這是因?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)是太陽(yáng)實(shí)際照射地面的時(shí)間，它的增加（減少）會(huì)直接導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射增加（減少）［41］。氣溫與太陽(yáng)輻射量的相關(guān)性較大，太陽(yáng)輻射是氣溫變化的原因之一，太陽(yáng)高度角大，地面接收的太陽(yáng)輻射量增多，氣溫升高，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。氣壓與太陽(yáng)輻射的相關(guān)性略小于氣溫，氣壓通過(guò)影響水汽含量間接影響輻射量，氣壓高，大氣水汽含量增加，導(dǎo)致輻射量減少。相對(duì)濕度與太陽(yáng)輻射的相關(guān)性較小，相對(duì)濕度可以在一定程度上反映大氣中的水汽含量，水汽能直接吸收部分太陽(yáng)短波輻射，使地面接收的太陽(yáng)輻射下降，兩者為負(fù)相關(guān)，但相對(duì)濕度并不完全代表大氣水汽含量，輻射變化還受到其他因素的影響，故兩者相關(guān)性較弱。

河套平原太陽(yáng)輻射和其氣象要素的相關(guān)關(guān)系存在周期性波動(dòng)。交叉小波用于反映輻射與氣象要素共有周期的強(qiáng)度，可找出兩序列周期性強(qiáng)度一致的區(qū)域。由圖14可知，氣溫與太陽(yáng)輻射兩者的共振高能量區(qū)主要在32 a的周期尺度，在1986—1991年，2001—2006年等多時(shí)間尺度上主要呈正相關(guān)關(guān)系。氣壓與太陽(yáng)輻射存在32 a左右的共振周期，兩者在1976—1981年存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在其他年份存在相對(duì)較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。相對(duì)濕度與太陽(yáng)輻射在16～32 a尺度上，存在1976—1981年、1986—1993年共振高值能量區(qū)，為負(fù)相關(guān)關(guān)系。日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，幾乎貫穿各個(gè)周期尺度，在16～32 a 周期尺度上，分別在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右兩者存在共振高值能量區(qū)。

圖14 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射與氣象要素交叉小波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陽(yáng)輻射與氣象要素周期性變化趨勢(shì)的一致性，可在時(shí)頻域中找出2 個(gè)時(shí)間序列共同變化的區(qū)域。由圖15可知，氣溫與太陽(yáng)輻射在1998—2002 年時(shí)段具有16 a 時(shí)間尺度的顯著共振周期，為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8。氣壓與太陽(yáng)輻射在1972—1978年存在16～32 a時(shí)間尺度的顯著負(fù)相關(guān)共振周期，在其他頻段上沒有顯著的相關(guān)能量區(qū)。相對(duì)濕度與太陽(yáng)輻射在1981—1991 年具有16～32 a 時(shí)間尺度的顯著負(fù)相關(guān)共振周期，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9，表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)特征，此外，在1995年前后出現(xiàn)8～13 a時(shí)間尺度的顯著共振周期，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8。日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射在各個(gè)時(shí)間尺度均存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，兩者呈現(xiàn)非常好的一致性，說(shuō)明日照時(shí)數(shù)是太陽(yáng)輻射的主要影響因素。

圖15 1961—2017年河套平原太陽(yáng)輻射與氣象要素小波相干Fig.15 Wavelet coherence diagram of solar radiation and meteorological elements in Hetao Plain from 1961 to 2017

4 討論

研究利用輻射估算模型得到的太陽(yáng)輻射值探討了河套平原太陽(yáng)輻射的年、季節(jié)變化規(guī)律，但以氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)反映整個(gè)河套平原太陽(yáng)輻射的變化特征，具有一定的局限性，模型計(jì)算的誤差值雖然控制在合理范圍之內(nèi)，但仍與實(shí)測(cè)值存在稍許誤差。對(duì)于太陽(yáng)輻射與氣象要素相互影響的研究，討論了日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度以及氣溫、氣壓與輻射的相互關(guān)系，但不同因素對(duì)輻射變化的影響仍需進(jìn)一步量化分析，包括太陽(yáng)輻射與氣溶膠、云量的相互影響，有待后續(xù)進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

（1）河套平原太陽(yáng)能資源豐富，1961—2017 年地面接收太陽(yáng)輻射年平均值為6030.83 MJ·m-2，以0.3 MJ·（10a）-1的速率呈緩慢減少趨勢(shì)，低值區(qū)主要集中在20世紀(jì)60年代和80年代，以90年代為分界線，呈先下降后上升趨勢(shì)。季節(jié)特征明顯，夏季輻射量最高，年均值為2138 MJ·m-2，冬季最低，為793 MJ·m-2。春季太陽(yáng)輻射量呈顯著上升趨勢(shì)，延緩了河套平原年輻射的下降趨勢(shì)，這與春季少云少雨輻射透過(guò)率高有關(guān)，夏秋冬三季整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。河套平原太陽(yáng)輻射突變不顯著，年、春季和夏季發(fā)生突變位置大致相同，年突變發(fā)生在1993 年，春季突變點(diǎn)為1972 年、1993 年，夏季突變點(diǎn)為1967 年、1997 年，秋季突變發(fā)生于2014 年，冬季突變于1984年。

（2）河套平原年太陽(yáng)輻射量周期變化規(guī)律極顯著，主周期為24 a。春夏季主周期均為27 a，秋季主周期為30 a，冬季太陽(yáng)輻射主周期21 a。春季大尺度周期振蕩不顯著，3～9 a 小尺度上，振蕩規(guī)律逐漸顯著。夏季周期振蕩次數(shù)和突變點(diǎn)增多，周期振蕩結(jié)構(gòu)不顯著。秋季太陽(yáng)輻射量周期振蕩近似成對(duì)稱分布，為5 個(gè)顯著階段。冬季太陽(yáng)輻射在大尺度周期振蕩鮮明，幾乎貫穿整個(gè)時(shí)間尺度。

（3）河套平原太陽(yáng)輻射與其氣象要素均存在32 a的共振周期，其中，日照時(shí)數(shù)與輻射的相關(guān)性為0.805，氣溫次之為0.698，氣壓與輻射的相關(guān)性為-0.603，相對(duì)濕度與輻射相關(guān)性較小為-0.301。日照時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射在16～32 a 周期尺度上，分別在1973—1981 年、1986—1995 年、1997—2005 年左右存在兩者共振高值能量區(qū)。氣溫與太陽(yáng)輻射在1973—1981年呈顯著負(fù)相關(guān)，在1986年左右發(fā)生突變，在1986—1991 年、2001—2006 年等多時(shí)間尺度上主要呈正相關(guān)關(guān)系。氣壓與太陽(yáng)輻射在1976—1981 年存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。相對(duì)濕度與太陽(yáng)輻射的相關(guān)性較弱，存在8～16 a 和16～32 a2 個(gè)共振周期，在16～32 a 尺度上，兩者在1976—1981 年、1986—1993 年共振高值能量區(qū)對(duì)應(yīng)，在8～16 a 尺度上，2007年、2012年左右存在共振周期。