武漢地區(qū)太陽總輻射與氣象要素的關(guān)系研究

湖北省氣象服務(wù)中心 湖北省氣象能源技術(shù)開發(fā)中心 ■ 王麗娟 陳正洪 李芬

一 引言

近年來，隨著常規(guī)化石能源的加速枯竭和能源需求的日益高漲，以及全球氣候變化壓力的逐漸增大，大力開發(fā)可再生能源技術(shù)及培育市場已成為國際社會(huì)的共識(shí)。太陽能具有取之不盡，用之不竭；分布廣，無處不在；清潔無污染；不受市場波動(dòng)影響等優(yōu)點(diǎn)[1]，目前太陽能資源開發(fā)利用在整個(gè)可再生能源中投資增長速度最快。人類對太陽能資源開發(fā)利用，主要可分為光熱利用和太陽能發(fā)電。光熱利用，如太陽能熱水器、太陽能灶已深入到全世界的千家萬戶。太陽能發(fā)電主要有兩種，一是光伏發(fā)電，即利用太陽電池的光生伏打效應(yīng)，把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽欢蔷酃鉄岚l(fā)電(CSP)，利用聚光集熱器將太陽能聚集起來產(chǎn)生高溫?zé)崮埽訜峤橘|(zhì)(如蒸汽)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中光伏發(fā)電技術(shù)是主流，技術(shù)最成熟，近年來全球累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模呈指數(shù)發(fā)展且已步入大規(guī)模發(fā)展階段，截至2010年年底，全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量接近40GW[2]。聚光熱發(fā)電技術(shù)最近幾年發(fā)展趨勢非常快，主要分布在美國、西班牙、北非。據(jù)預(yù)測，2030年全球的常規(guī)能源利用將達(dá)到峰值，此后可再生能源將逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕揽浚柲苜Y源將成為其中一種主導(dǎo)的能量來源。

太陽輻射是地面的主要能量來源，同時(shí)也是地面熱量平衡的重要組成部分，大氣和地面接收到的太陽輻射能對大氣加熱、對流狀況、地面熱狀況、生物生長、人類活動(dòng)、太陽能利用等都有巨大的影響。20世紀(jì)70年代我國學(xué)者翁篤鳴[3]研究發(fā)現(xiàn)，緊密相聯(lián)的天空遮蔽度(云量)、大氣透明狀況、下墊面的物理特性、平流熱量以及水分的輸送等過程，都將導(dǎo)致太陽輻射能量的再分配，這種影響的大小具有顯著的局地性特征，此后我國不少學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究[4,5]。由于太陽輻射資源評(píng)估與預(yù)報(bào)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算(以制定發(fā)電規(guī)劃、電力調(diào)度)和預(yù)報(bào)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，本文以湖北省武漢市為研究對象，首先研究太陽總輻照量與氣象要素的關(guān)系，然后分季節(jié)建立逐時(shí)總輻照量預(yù)報(bào)模型，從而對太陽總輻照量作出有效預(yù)報(bào)。

二 資料來源與方法

由于缺失2007年以前的太陽總輻照量資料，并考慮到從2009年開始云量(低、總)的觀測方式由原來的每日逐時(shí)改為一天4次(02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)及20時(shí))，為保證觀測資料時(shí)間上連續(xù)性，選取的氣象資料為武漢市氣象站2007～2008年每日逐時(shí)(6:00～17:00)太陽總輻照量(單位：MJ/m2)及同期逐時(shí)氣象要素(風(fēng)速、氣溫、相對濕度等)的觀測資料。文中的時(shí)間均為北京時(shí)間。

首先利用2007～2008年逐時(shí)太陽總輻照量資料，對總輻照量的季節(jié)變化、日變化及其與氣象要素(氣溫、相對濕度、云量等)的相關(guān)性進(jìn)行分析，其次分季節(jié)對2007年逐時(shí)總輻照量與上述氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，對比各氣象要素對總輻照量的貢獻(xiàn)，建立逐步回歸方程，最后以2008年逐時(shí)太陽能總輻照量為對象進(jìn)行預(yù)報(bào)和誤差分析。其中粗略的分季按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季。

三 結(jié)果分析

1 太陽總輻照量的季節(jié)和日變化

圖1是武漢站2007～2008年四季逐時(shí)平均太陽總輻照量變化曲線。可見這兩年太陽輻射的季節(jié)、日變化趨勢基本相似，即夏季最多，冬季最少，春秋居中，一天中以12:00左右最大，這是由地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成與太陽的相對位置(太陽高度角)的季節(jié)變化引起的。

2 各季逐時(shí)太陽總輻照量與其他氣象要素的相關(guān)分析

選取武漢市2007～2008年逐日8～16時(shí)8個(gè)時(shí)次的氣象要素及太陽總輻照量進(jìn)行相關(guān)分析(表1)，對四季地面太陽總輻照量和各季氣象要素值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)水汽壓與總輻照量相關(guān)性最差，且沒有通過顯著性檢驗(yàn)。氣溫、相對濕度、云量(低、總)和風(fēng)速均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，從物理角度來看風(fēng)與總輻照量關(guān)系不大，而風(fēng)速均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)的結(jié)論可能與統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)較少有關(guān)，相對濕度及云量(低、總)與總輻照量負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分季節(jié)看，春夏總輻照量與相對濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更顯著，而與云量(低、總)的相關(guān)性則在春冬兩季更好。

表1 武漢地區(qū)四季逐時(shí)太陽總輻照量與其他氣象要素的相關(guān)系數(shù)

3 各季逐時(shí)太陽總輻照量預(yù)報(bào)方程的建立

以2007年武漢地區(qū)四季逐時(shí)總輻照量與氣象要素資料為例，選取(10:00～15:00)時(shí)段，對影響太陽總輻照量逐時(shí)的氣象要素進(jìn)行篩選，建立回歸模型，得到武漢地區(qū)各季逐時(shí)總輻照量預(yù)報(bào)模型，表2～表5是各季某些時(shí)次逐步回歸方程中各要素回歸系數(shù)的估計(jì)值及總輻照量與各要素的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R)。總的來看，總輻照量y與各季建立的逐時(shí)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，相關(guān)性較好。分季節(jié)看，春季總輻照量與相對濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與相對濕度、總云量關(guān)系密切，但氣溫對總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對濕度、水汽壓有關(guān)。冬季的情況較復(fù)雜，由于太陽高度角及日照時(shí)數(shù)的影響，總輻照量值顯著下降，總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切，這與其他季節(jié)不同。經(jīng)過檢驗(yàn)，各季建立的擬合方程F統(tǒng)計(jì)量均大于信度為0.05時(shí)的3.86，因此這些方程可用來估計(jì)或預(yù)報(bào)總輻照量強(qiáng)度。表2～表5中*均表示該時(shí)次建立回歸方程中該項(xiàng)因子回歸系數(shù)為空，即經(jīng)過計(jì)算此項(xiàng)因子對方程沒有貢獻(xiàn)。

4 誤差分析

本文采用平均絕對百分比誤差(MAPE)進(jìn)行誤差分析，其計(jì)算公式如下：

表2 武漢地區(qū)春季10～15時(shí)逐步回歸方程系數(shù)估計(jì)及復(fù)相關(guān)系數(shù)

表3 武漢地區(qū)夏季10～15時(shí)逐步回歸方程系數(shù)估計(jì)及復(fù)相關(guān)系數(shù)

表4 武漢地區(qū)秋季10～15時(shí)逐步回歸方程系數(shù)估計(jì)及復(fù)相關(guān)系數(shù)

式中，i表示第i個(gè)時(shí)刻；N表示時(shí)間序列長度；為第小時(shí)預(yù)報(bào)值；為第i小時(shí)的實(shí)況觀測值。

首先根據(jù)已建立的逐步多元回歸方程，選取2007年10時(shí)、11時(shí)、12時(shí)、13時(shí)、14時(shí)及15時(shí)5個(gè)時(shí)段，對方程進(jìn)行擬合效果檢驗(yàn)，結(jié)果(見表6)表明：秋季誤差最小，冬季最大，其次是夏季、春季。然后用同樣的方法對2008進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)(表7)，其計(jì)算得到的理論值與樣本實(shí)際值誤差較穩(wěn)定，基本維持在約20%，秋季(9～11月)誤差最小，其次是春季(3～5月)和夏季(6～8月)，冬季(12～2月)的誤差最大。四季中，冬季總輻照量的值較其他三季小得多，且在陰天即低云量(9～10)成，或總云量10成，或兩者同時(shí)出現(xiàn)的情況下，總輻照量多為0值，這些因素導(dǎo)致冬季的總輻照量誤差較大。夏季的百分比誤差也不小，直接原因可能是夏季武漢地區(qū)陰雨天氣較多，影響太陽輻射的因素更為復(fù)雜。

表6 擬合2007年四季太陽輻射平均絕對百分比誤差(MAPE)

表7 預(yù)測2008年四季逐時(shí)太陽輻射平均絕對百分比誤差(MAPE)

四 結(jié)果與討論

(1) 對武漢逐時(shí)太陽總輻照量與氣象要素分季節(jié)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，其與氣溫、相對濕度、水汽壓及云量(低、總)有關(guān)系，其中相對濕度及云量(低、總)與總輻照量呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步以季節(jié)來分析，春夏總輻照量與相對濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更密切，與云量(低、總)在春夏兩季的相關(guān)性較好。

(2) 選取武漢四季每天(10:00～15:00)5個(gè)時(shí)段，用逐步回歸方法對各氣象要素及總輻照量資料進(jìn)行擬合，剔除次要因子可發(fā)現(xiàn)，四季每日逐時(shí)影響因子不盡相同，春季總輻照量與相對濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與與相對濕度、總云量關(guān)系密切，但氣溫對總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對濕度、水汽壓有關(guān)。冬季總輻照量值顯著下降，總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切，這與其他季節(jié)不同。

(3) 氣溫與總輻照量的相關(guān)不大，實(shí)際觀測與理論計(jì)算都表明，大氣的加熱主要是通過地表對大氣的長波輻射、湍流熱交換及潛熱交換過程實(shí)現(xiàn)[6,7]。夏天氣溫最高，但分析發(fā)現(xiàn)，基本上每天10:00～15:00時(shí)建立的逐步回歸方程都將氣溫剔除。風(fēng)速其實(shí)對總輻照量沒有直接影響，但間接體現(xiàn)了天氣狀況的影響，比如冬季由于偏北大風(fēng)天氣發(fā)生頻率最高，降水偏少而使武漢的空氣常常較混濁，自然對太陽輻射有一定影響。描述水汽含量時(shí)常用相對濕度和地面水汽壓作為大氣中水汽含量表征。回歸方程都表明，相對濕度是影響總輻照量的重要因子，水汽壓也對總輻照量有影響，兩者都體現(xiàn)了水汽影響太陽輻射的大氣傳輸。一般而言，云量的增加(減少)會(huì)引起地面太陽輻射的減少(增加)。從回歸方程看，總云量較低時(shí)云量對總輻照量的影響大。但值得一提的是，云量和太陽輻射之間關(guān)系很復(fù)雜，難以解釋的。研究表明[8]，我國大部分地區(qū)的總云量在過去幾十年間都呈減少的趨勢，然而此結(jié)論同樣無法用于完全解釋期間地面太陽輻射的變化。

(4) 本文資料僅限于武漢站每日逐時(shí)的太陽總輻照量和氣象要素的資料，而太陽輻射是大范圍長期作用的因素，僅單站短期資料可能難以精確反映普遍規(guī)律。

上述氣象要素與太陽總輻照量之間復(fù)雜、不穩(wěn)定的關(guān)系，并非本文的研究區(qū)域所特有，而是當(dāng)前國內(nèi)外研究中所面臨的共同難點(diǎn)[9]，其中可能包含了較復(fù)雜但也相當(dāng)重要的科學(xué)問題，值得進(jìn)一步深入分析。

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