成都市太陽輻射時間變化特征及對氣候因子的影響

陳 樂，賀 南，王明田，王 哲，鄭麗英*

（1.溫江區氣象局，四川 成都611130；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都610072；3.四川省氣象臺，四川 成都610072）

太陽總輻射是指在水平面上，天空2π 立體角內所接收到太陽直接輻射和散射輻射之和，其波長范圍為0.2～10 μm。地球表層99.8%的能量來源于太陽，太陽輻射是改變地氣運動，影響氣候變化的能量來源，是地球上生物、植物的生命來源，也是植物光合作用、植物蒸騰作用、土壤蒸發等陸面過程的驅動因子[1-2]。開展太陽輻射的研究對于作物引種、農業生產布局、太陽能資源利用等方面具有重要意義。

國內外學者對太陽輻射的研究主要有以下幾個方面：一是時空分布及變化規律。齊月等[3]得出太陽輻射經歷了“變暗”到“變亮”的轉變；汪凱等[4-6]研究中國江蘇、浙江、福建等省份太陽總輻射的時空分布及變化特征；高操等[7]分析了1993—2013 年中國16個輻射臺站的地面太陽總輻射、散射系數的變化情況，散射系數在大部分地區呈增加趨勢；陳忠鈺等[8]分析了四川省近44 年太陽輻射的時空變化特征。二是模型模擬。和清華等[9]以天文輻射、晴天太陽輻射和理想大氣輻射分區擬合太陽總輻射；劉媛媛等[10-11]用經驗系數的方法模擬各月太陽總輻射；蔡元剛等[12-13]基于地面氣象資料建立了太陽總輻射的計算模型；王衛東[14]基于神經網絡對西北地區太陽輻射進行模擬。三是氣候因子與太陽輻射的關系。張煥平等[15-17]研究了太陽總輻射的變化對氣溫、降水量、蒸發量等氣候因子的影響；劉長坤等[18]得出云量和水汽含量是影響太陽總輻射的變化因子。四是污染物與太陽輻射關系。劉昌明等[19]認為人類活動造成氣溶膠的增加是海河流域太陽輻射下降的重要原因；陳躍浩等[20]認為霧霾天氣對太陽輻射有明顯削弱作用。大部分學者研究主要基于太陽輻射的模型模擬、時空分布、以及太陽輻射與氣候因子、污染物的相互關系等方面，不同學者所用的資料年代、研究區域不同，太陽輻射的變化不同。太陽輻射不僅受到地理緯度、海拔等因素影響，還與太陽輻射在大氣傳播時受到的空氣分子、水汽、云等大氣因子有關。成都市位于四川盆地西部（102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N），近年來城市快速發展，人類活動加劇，已發展為全國超大型城市，有必要針對成都市太陽輻射情況進行深入研究。本文應用線性趨勢法、Mann-Kendall 等方法分析成都市太陽輻射的變化特征及對氣溫、蒸發等氣候因子的影響，為氣候變化、環境資源開發、大氣污染防治等方面提供科學參考依據。

1 資料來源

根據中國氣象局輻射觀測業務布局，溫江國家基準氣候站是成都市唯一承擔輻射觀測任務的臺站，太陽總輻射、直接輻射、散射輻射以及百葉箱氣溫、日照時數、蒸發量等觀測要素同站同址，用溫江國家站氣象輻射資料代表成都市。由于蒸發觀測方式發生變化，蒸發資料所用時段為2004—2020 年，其他資料時段為1991—2020 年。太陽輻射觀測設備的安裝符合《地面氣象觀測規范 輻射》（GB/T 35231-2017），數據資料已根據《氣象觀測資料質量控制地面氣象輻射》（QX/T 117-2020）和《氣象觀測資料質量控制地面》（QX/T 118-2020）的規定經過質控處理。

2 研究方法

2.1 數據處理

日曝輻量是1 d 內到達地面太陽輻射的累積量，年太陽總輻射是對365 或366 d 內日曝輻量的求和，單位：MJ/m2。

2.2 數據分析

2.2.1 線性趨勢法

用Y 表示樣本量為n 的某一氣候變量，用ti表示Y 對應的時間，建立Y 與ti之間的一元線性回歸方程：

式中：a 為回歸常數，b 為回歸系數，b 為傾向率，當b＞0 表示隨時間的增加呈上升趨勢；b＜0 表示隨時間的增加呈下降趨勢。

2.2.2 Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法[21]是一種非參數統計檢驗方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，可用于檢測序列的變化趨勢。本文采用Mann-Kendall 檢驗法進行氣象要素變化趨勢的判別及顯著性檢驗。

對于具有n 個樣本量的時間序列x，構造一秩序列SK：

其中ri的取值如下：

式（2）中秩序列SK是第i 時刻數值大于j 時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

式（4）中：E（sk）、var（sk）是累計數sk的均值和方差，UFk為標準正態分布，是按時間序列x1，x2，…，xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平，若|UFk|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

2.3 太陽輻射散射系數

為了反映太陽散射輻射和太陽直接輻射的比重變化，高操[7]用太陽輻射散射系數描述兩者的比重變化，太陽輻射散射系數α 即太陽散射輻射D 和太陽直接輻射S 的比值：

散射系數a 主要取決于大氣氣溶膠含量，當氣溶膠含量較高時，散射系數較大；氣溶膠含量較小時，散射系數較小。

3 結果分析

3.1 太陽總輻射變化特征

3.1.1 年際變化特征

成都地區1991—2020 年地面太陽總輻射逐年增多趨勢明顯（圖1），線性傾向率為29.69 MJ（/m2·a），線性相關檢驗|r|=0.768 3＞0.448 7，通過0.01 的顯著性檢驗。年平均太陽總輻射為3 475.70 MJ/m2，最大值為4 170.81 MJ/m2出現在2018 年，最小值2 858.98 MJ/m2出現在1999 年，絕對變化幅度為1 311.83 MJ/m2。20世紀90 年代年平均太陽輻射為3 158.95 MJ/m2，21世紀00 年代為3 458.61 MJ/m2，21 世紀10 年代為3 809.55 MJ/m2，從增幅來看，21 世紀10 年代太陽總輻射增幅最大。

圖1 1991—2020 年成都市太陽總輻射的年變化

1991—2003 年太陽總輻射為負距平，累積距平呈下降趨勢（圖2）。2004—2010 年呈波動變化，處于不穩定期。2011—2020 年以正距平為主，累積距平呈快速上升趨勢。

圖2 1991—2020 年成都市太陽總輻射距平及累積距平

運用Mann-Kendall 法對太陽總輻射年變化進行突變分析，圖3 中的UFK和UFB曲線在2010 年出現交叉，由UFK曲線可見，2010 年之后，太陽總輻射有明顯增多趨勢，這種增多趨勢超過顯著性水平0.05 臨界線并通過顯著性檢驗，說明太陽總輻射增多趨勢十分顯著。成都市太陽總輻射在2010 年出現突變，突變后的年平均太陽總輻射較突變前增多497.22 MJ/m2。

圖3 1991—2020 年成都市太陽總輻射量曲線

3.1.2 月際變化

地面太陽總輻射月際呈雙峰型分布，最大月份出現在5、7 月，6 月出現了小的波谷；最小月份出現在12 月。對5、6、7 月氣象資料進行統計，日降水量≥0.1 mm 的雨日出現頻率分別為41%、50%、42%；月平均日照時數分別為111.7 、101.8、122.3 h。與5、7 月相比，6 月雨日偏多、日照時數偏少是太陽總輻射出現波谷的原因之一。

由表1 可知，1—12 月太陽總輻射線性變化均為增加趨勢，1—5 月、10、12 月均通過0.01 的顯著性檢驗，7—8 月變化趨勢通過0.05 的顯著性檢驗。變化趨勢最明顯的是8 月，每年增加3.87 MJ/m2。變化趨勢最不明顯的是9 月，每年增加0.67 MJ/m2。

表1 1991—2020 年成都市太陽總輻射逐月線性趨勢

夏季（6—8 月）太陽總輻射占全年的36%，其次是春季（3—5 月），占全年的31%，冬季最小，占全年的13%。太陽總輻射在夏季多，冬季小，存在明顯的季節變化特征。夏季太陽高度角高、日照時間長，太陽總輻射多；反之，冬季太陽高度角低、日照時間短，太陽總輻射小。

3.1.3 日際變化

選取2019 年春、夏、秋、冬四季代表性月份4、7、10、1 月逐小時地面太陽總輻射，不同月份地面太陽總輻射最大小時曝輻量出現時間不同，但日變化均呈明顯的單峰型變化，4、7 月最大小時曝輻量均出現在北京時14 時，1、10 月均出現在北京時13時，最大小時曝輻量4、7 月大于1、10 月。春、夏季最大小時曝輻量出現在北京時13—14 時，春、夏季最大小時曝輻量大于秋、冬季。

3.2 直接輻射變化特征

3.2.1 年變化

年平均直接輻射為1 549.94 MJ/m2，最大值為1 856.71 MJ/m2，出現在2018 年；最小值為557.2 MJ/m2，出現在2000 年，絕對變化幅度為1 299.51 MJ/m2（圖4a）。20 世紀90 年代年平均直接輻射為951.4 MJ/m2，21 世紀00 年代為1 110.5 MJ/m2，21 世紀10 年代為1 447.2 MJ/m2，年代際呈遞增趨勢。由圖4a 可知，直接輻射呈逐年增大趨勢，線性傾向率為20.25 MJ/（m2·a），通過0.01 的顯著性檢驗。

圖4 1991—2020 年成都市太陽直接輻射（a）、散射輻射（b）、散射系數（c）年變化趨勢

3.2.2 月變化

最大月份出現在8 月，其次在5 月；最小月份出現在12 月。4—8 月直接輻射月總量占全年的62%，逐月線性趨勢中6、9、11、12 月呈弱增加趨勢，未通過顯著性檢驗，其余月份隨時間增加明顯，通過顯著性檢驗。

3.3 散射輻射變化特征

3.3.1 年變化

年平均散射輻射為2 464.80 MJ/m2，最大值為2 821.31 MJ/m2，出現在2018 年；最小值為2 112.87 MJ/m2，出現在2020 年（圖4b）。20 世紀90 年代平均散射輻射為2 419.2 MJ/m2，21 世紀00 年代為2 587.4 MJ/m2，21 世紀10 年代散射輻射為2 412.4 MJ/m2，年代際21 世紀00 年代散射輻射出現最大值。由圖4b，散射輻射逐年呈弱減小趨勢，但未通過顯著性檢檢。

3.3.2 月變化

月變化中散射輻射呈雙峰分布，最大值出現在5、7 月，最小值出現在12 月。1—12 月除9 月呈減小趨勢并通過0.01 的顯著性檢性外，其他月份隨時間的變化不明顯。

3.4 散射系數的變化

成都市太陽輻射散射系數多年年平均為1.59，即散射輻射大于直接輻射。年最大值為6.16，出現在2000 年；最小值為1.32，出現在2018 年。由圖4c 可知，成都市太陽輻射散射系數呈逐年減小趨勢，線性傾向率為0.06/a，線性相關檢驗|r|=0.5 596＞0.448 7，通過0.01 的顯著性檢驗。

散射系數月際呈波動變化，5、7 月線性減小趨勢通過0.05 的顯著性檢驗，其余月份變化不明顯。

3.5 太陽輻射增加的原因

通常情況下，太陽輻射與云量密切相關。在地面氣象觀測業務中，云量的觀測采用人工定時觀測，不能很好地反映一天中云量的連續性變化，而日照觀測采用實時連續觀測，一天中日照時數的大小能很好地反映天空總云量的多少，當日照時數為0 時，表明這一天云層厚，白天天氣狀況為陰天。一年中日照時數為0 的日數與太陽總輻射的年際變化呈顯著負相關，兩者的相關系數為-0.781，通過0.01 的顯著性檢驗，年日照時數為0 的日數少，太陽總輻射大，太陽總輻射與天空陰晴有關。由圖5 可知，年日照時數為0 的日數呈逐年減小趨勢，每年減少1.4 d，通過0.001 的顯著性檢驗，意味著白天天空為滿云的日數減少，總云量也呈減少趨勢，太陽總輻射增加主要原因是云量減少。

圖5 1991—2020 年成都市年日照時數為0 的日數變化

3.6 太陽總輻射對氣候因子的影響

3.6.1 氣溫

太陽輻射通過大氣到達地球表面，地表吸收太陽輻射能量使地表溫度升高，太陽輻射與地表溫度有著較直接的因果關系，太陽總輻射與地表最高溫度的相關系數達到0.856，達到0.01 的顯著性水平，表明太陽輻射越強，地表溫度越高。地表溫度的升高又會以對流等形式加熱近地面空氣，地表最高溫度與最高氣溫之間關系密切，兩者的相關系數為0.877，表明最高氣溫隨地表溫度的變化而變化。太陽總輻射與最高氣溫呈正相關，相關系數為0.712，通過0.01 的顯著性檢驗，最高氣溫隨太陽輻射的強弱而變化。年平均最高氣溫與太陽總輻射的變化趨勢中，年平均最高氣溫呈線性增加，線性傾向率為0.05 ℃/a，通過0.01 的顯著性檢驗，年平均最高氣溫與太陽總輻射的變化趨勢一致，太陽總輻射是影響最高氣溫的首要因素。年平均最高氣溫與年太陽總輻射兩者的線性關系可表示為：y=0.001 2x+16.396，年太陽總輻射增加10 MJ（/m2·a），年平均最高氣溫增加0.012 ℃。

3.6.2 蒸發量

蒸發量與太陽總輻射曝輻量呈正相關，相關系數為0.839，通過0.01 的顯著性檢驗。年蒸發量與年太陽總輻射兩者的線性關系可表示為：y = 0.115 6x+222.79，年太陽總輻射增加10 MJ（/m2·a），年蒸發量將增加1.2 mm。

春、夏、秋、冬四季太陽總輻射與蒸發的相關關系均呈正相關（表2），太陽總輻射越大，地面蒸發越快。冬季太陽總輻射與蒸發線性趨勢一致，均隨年份的變化呈增大趨勢，兩者均通過顯著性檢驗。

表2 1991—2020 年成都市太陽總輻射與蒸發分季變化趨勢及檢驗

3.6.3 日照時數

太陽總輻射與日照時數有較好的相關性，相關系數為0.848，通過0.01 的相關性檢驗。年日照時數與地面太陽總輻射的線性關系可表示為：y=0.167 4x+382.27，年太陽總輻射增加10 MJ/（m2·a），年日照時數增加1.7 h。

4 討論

研究中太陽輻射增加的同期，降水量減少[22]，蒸發量增加，存在干旱化的趨勢。鄭祚芳等[23]得出北京城市干島效應與城市化進程有密切聯系，城市化已對氣候變化產生了影響[24-26]，成都市近10 年耕地面積大幅減少，城鎮用地大幅增加，城市化進程導致下墊面發生大規模改變，很可能也會出現與北京地區類似的干島效應，在這種背景下，成都市太陽輻射的變化是源于自然的氣候波動，還是源于城市化對局部氣候產生的影響，城市化、太陽輻射、氣候系統的相互關系比較復雜，解決這些問題還需要使用氣候、大氣環境、云物理等多方面的科學數據進行廣泛深入的跟蹤分析。

太陽輻射增加的同期，成都地區極端高溫顯著增加[27]，極端高溫事件顯著增多；同時，臭氧污染呈現上升趨勢[28]。太陽輻射的增加已對人們的健康、生態環境產生直接影響，有必要盡快開展成都市太陽輻射的應用研究，建立太陽輻射的預測服務模式。

5 結論

基于成都市溫江國家基準氣候站1991—2020年太陽輻射資料及氣候資料，應用線性趨勢、Mann-KendaⅡ等方法研究成都市太陽輻射的年、月、日變化特征，以及太陽總輻射的變化對氣溫、蒸發等氣候因子的影響，得出以下結論：

（1）太陽總輻射呈增加趨勢，線性傾向率為29.69 MJ（/m2·a）（|r|＞r0.01），年平均太陽總輻射為3 475.70 MJ/m2；月際呈雙峰型分布，最大出現在5、7 月，最小出現在12 月；日際分布均呈單峰型，最大小時曝輻量出現時間在北京時13—14 時。太陽直接輻射年總量呈增加趨勢，其線性傾向率為20.25 MJ/（m2·a）。散射輻射呈下降趨勢，但不顯著。散射系數年平均為1.59，逐年減小趨勢顯著。

（2）太陽總輻射與最高氣溫、蒸發、日照時數呈正相關。太陽總輻射每年增加10 MJ/m2，年平均最高氣溫增加0.012 ℃，年日照時數增加1.7 h，年蒸發量增加1.2 mm。

（3）成都市一年中日照時數為0 的日數變化可有效表征總云量的年際變化。1991—2020 年日照時數為0 的日數與太陽總輻射呈負相關，兩者的相關系數為-0.781。年日照時數為0 的日數逐年減少，線性傾向率為1.4 d/a，即表征了成都市總云量呈減少趨勢，太陽總輻射增加的主要原因是總云量減少。