基于云圖特征量的太陽輻射預(yù)報方法

蒲　肅，陳　娜，劉　抗，王有生，張文波（.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅蘭州73000；.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

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基于云圖特征量的太陽輻射預(yù)報方法

蒲肅1，陳娜2，劉抗1，王有生1，張文波1
（1.甘肅省氣象服務(wù)中心，甘肅蘭州730020；2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

摘要：利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射逐小時觀測資料，研究了敦煌太陽總輻射量與云量、紅外亮溫、大氣可降水、可見光反射率等云圖特征量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)敦煌地區(qū)太陽總輻射值的衰減值和總輻射理論值的日變化規(guī)律基本一致,敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見光反射率、大氣可降水等特征量和太陽總輻射衰減率具有很好的相關(guān)性。進而將云圖特征量作為預(yù)報因子，利用多元線性回歸方程，建立太陽總輻射量統(tǒng)計預(yù)報模型。利用2012年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射衰減率對方程進行預(yù)報效果檢驗。12個月太陽總輻射衰減率預(yù)測結(jié)果與實測值變化趨勢基本一致,表明基于云圖特征量的太陽輻射預(yù)報方法具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：云圖；特征量；太陽總輻射；預(yù)報方法

地表太陽總輻射量的預(yù)測是一個十分復(fù)雜的問題。基于太陽能幾何方程，可以利用確定性模型評估無云情況下的太陽輻射量[1]然而地表太陽輻射量不僅受地理因素和季節(jié)的影響，而且與大氣透明度、水汽含量、氣溶膠、云與太陽的相對位置等密切相關(guān)[2]，在預(yù)報的過程中，太陽輻射的衰減量與云層的關(guān)系最為密切[1，3]。目前，發(fā)達國家對太陽能預(yù)報方法的研究發(fā)展很快。一些研究通過衛(wèi)星云圖預(yù)測出地面太陽輻照強度，再根據(jù)預(yù)測模型預(yù)測光伏電站的發(fā)電情況[4，5]，我國對太陽能光伏發(fā)電預(yù)報技術(shù)的研究還處于起步階段[6]，基于衛(wèi)星云圖資料的外推方法鮮見研究，現(xiàn)有的只考慮到云量的多少對太陽總輻射的影響，并沒有系統(tǒng)的研究云圖特征量和太陽總輻射變化之間的關(guān)系。

甘肅敦煌地區(qū)降水稀少、空氣干燥、晴天多、日照充足，土地資源充足，是研究太陽輻射變化，并發(fā)展太陽能光伏發(fā)電研究的典型區(qū)域。根據(jù)政府相關(guān)規(guī)劃，甘肅河西地區(qū)將建設(shè)多個大型光伏發(fā)電基地。本文擬通過敦煌云圖特征量和太陽總輻射逐小時觀測數(shù)據(jù)，分析云圖特征量變化對地面太陽總輻射變化的影響，建立基于云圖特征量因子的太陽總輻射衰減率預(yù)報方程。本研究有利于提高太陽總輻射預(yù)報水平，為節(jié)能減排和環(huán)境保護做出貢獻。

1　資料及處理方法

1.1太陽總輻射理論值、實測值及衰減值

由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，太陽相對于地平面的位置不斷變化，使得到達地面的太陽輻射量也不斷變化。如果不考慮大氣層對太陽輻射造成的衰減，那么可以根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的變化規(guī)律計算出敦煌地面逐時次的太陽總輻射值，這是太陽總輻射的理論值。計算公式如下：

式中：GSC為太陽常數(shù)；λ為日地距離訂正系數(shù)；δ為赤緯角；φ為緯度；τt時角；n為一年中的日序號（如1月1日，n=1）。時角上午為負，下午為正，τt=15°z-7.5°，z為離正午的時間（h）。

太陽總輻射實測資料是敦煌國家基準氣象站2012年逐小時太陽輻射的實況監(jiān)測資料。

現(xiàn)實情況中，太陽輻射經(jīng)過大氣層會出現(xiàn)衰減，這種衰減既包括云對太陽輻射的衰減，還包括霧霾、灰塵造成的衰減。在本研究中只考慮云層對太陽輻射的衰減，既認，為太陽總輻射衰減值的這種不規(guī)律的變化都是由云的變化引起的。計算出敦煌站逐小時的太陽總輻射理論值之后，用它減去敦煌站逐小時太陽總輻射實際觀測值，即可得到太陽輻射通過大氣層時的衰減值。

為了更好地反映云對太陽總輻射衰減的影響，在這里引入一個概念——太陽總輻射衰減率K。太陽總輻射的衰減率反映了太陽輻射通過大氣層時的衰減情況，K定義為某時次太陽總輻射衰減值與太陽總輻射理論值的比值。在不同的周期內(nèi)，數(shù)值并不相同，在某個小時內(nèi)，太陽總輻射衰減值It與太陽總輻射理論值I的比值，即可認為是該小時太陽總輻射的衰減率K，表達式為：

1.2云圖特征量

云圖資料為國家衛(wèi)星氣象中心2012年逐小時云圖監(jiān)測資料，選用風云二號氣象衛(wèi)星（簡稱FY2）衛(wèi)星云圖資料。將敦煌站經(jīng)緯度（40.15°N,94.68°E）轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度投影和標稱圖坐標，敦煌站在等經(jīng)緯度投影圖像中位置為（i=397,j=894），在標稱圖上位置為（i=697,j=1296）。分別從標稱圓盤圖和等經(jīng)緯度投影云圖數(shù)據(jù)文件中提取出該經(jīng)緯度的云量，亮溫，可見光反射率，大氣可降水等數(shù)據(jù)。

2　敦煌太陽總輻射變化分析

圖1和圖2分別為敦煌2012年冬季（1月1～5日）和夏季期間（7月1～5日）太陽總輻射理論值與實測值的對比。

圖1　2012年1月1～5日太陽總輻射理論值與實測值對比

圖2　2012年7月1～5日太陽總輻射理論值與實測值對比

從圖中可以看出，無論是冬季還是夏季，敦煌太陽總輻射的實際觀測值和理論值都有較大的差異。冬季太陽總輻射理論值明顯低于夏季，冬季的最大值只有夏季的1/2，但每日的太陽總輻射理論值變化趨勢基本一致。夜間為零，日出后隨著時間推移逐漸增大，到中午達到最大值，然后隨時間推移逐漸減小，到日落后減小為零。實測的輻射值在日際變化中大體上遵循相同的變化規(guī)律。

圖3　2012年1月1～5日太陽總輻射理論值與衰減值對比

圖4　2012年7月1～5日太陽總輻射理論值與衰減值對比

圖3和圖4分別為敦煌2012年冬季1月1～5日和夏季7月1～5日逐小時太陽總輻射衰減值和太陽總輻射理論值的對比。太陽總輻射衰減值在一天當中的變化規(guī)律和總輻射理論值的變化趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小，在太陽總輻射理論值為零的時候也為零。冬季太陽總輻射的衰減明顯小于夏季，而且冬季太陽總輻射衰減值的曲線更為光滑，即冬季太陽總輻射衰減值的變化更符合太陽總輻射理論值變化的規(guī)律。這主要是因為相比夏季，冬季天氣情況較為穩(wěn)定，云的變化相對較少，對太陽總輻射衰減的影響較為穩(wěn)定，所以，太陽總輻射衰減值的變化更具規(guī)律性。

從圖中可以看出，在短期內(nèi)太陽總輻射理論值變化不大，1月1～5日每日太陽總輻射理論值的最大值在229到226kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽總輻射理論值的最大值在452到451kJ/cm2之間變化。相比較而言，輻射衰減值的變化卻比較明顯，1月1-5日每日太陽總輻射衰減值的最大值在121到78kJ/cm2之間變化，7月1～5日每日太陽總輻射衰減值的最大值在276到163kJ/cm2之間變化，其變化的幅度要明顯大于太陽總輻射理論值的變化。

從逐小時的數(shù)據(jù)對比來看，太陽總輻射衰減值和太陽總輻射理論值的變化規(guī)律并不符合，有時理論值在增大，但太陽總輻射衰減值在減小，有時理論值在減小，但太陽總輻射衰減值卻在增大。太陽總輻射衰減值的這種不規(guī)律變化正是影響太陽能光伏發(fā)電預(yù)報準確率的最主要原因。

3　云圖特征量與太陽總輻射衰減率相關(guān)性分析

3.1云量與太陽總輻射衰減率相關(guān)性分析

本研究中用于分析的云量是總云量，總云量的定義是天空在觀測時被所有的云遮蔽的總成數(shù)。從逐月分析云量與太陽總輻射衰減率之間的相關(guān)可看出，云量與太陽總輻射衰減率之間全年均為正相關(guān)，但12月份08、17兩個時次相關(guān)顯著性明顯偏弱。其余月份均可通過α=0.05的顯著性檢驗，特別是10月其相關(guān)顯著性明顯偏高，甚至可以超過α= 0.01的信度檢驗，這可能與西北地區(qū)10月多連陰雨天氣有關(guān)。也就是說，全年絕大多數(shù)時次，云量偏多時，太陽總輻射衰減率增大。

3.2紅外亮溫與太陽總輻射衰減率相關(guān)性分析

亮溫即亮度溫度，云圖亮溫溫度是指將衛(wèi)星觀測到的輻射看成普朗克黑體輻射，并據(jù)此算出的溫度。目前采用的衛(wèi)星掃描輻射計包括4個紅外通道。下面分析各通道亮溫與太陽總輻射衰減率的相關(guān)性。

通道1亮溫、通道2亮溫、通道3亮溫與太陽總輻射衰減率都以負相關(guān)為主，只有個別月份存在正相關(guān)，且這些月份集中在冬、春季節(jié)。一年中一般情況下通道1、2、3亮溫越大，太陽總輻射衰減率越小，但是冬、春季節(jié)會有通道1、2、3亮溫越大，太陽總輻射衰減率也越大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

通道4亮溫與太陽總輻射衰減率以負相關(guān)為主，個別月份存在正相關(guān)，這些月份集中在春末夏初、秋末時段，且出現(xiàn)正相關(guān)的時次主要集中在一天中的15～18時，即15～18時通道4亮溫越大，太陽總輻射衰減率從越大的現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率要遠高于其他時次。

3.3大氣可降水與太陽總輻射衰減率相關(guān)性分析

大氣可降水指晴空條件下大氣柱中水汽總含量。在有云情況下，衛(wèi)星探測到的是云頂及其以上大氣的輻射，基本探測不到云中及其以下大氣的輻射，因此，只有晴空時才能利用紅外分裂窗反演大氣可降水。

大氣可降水與太陽總輻射衰減率3～8月為正相關(guān)，其余月份負相關(guān)。特別是7、8月降水相對豐沛的月份中，其正相關(guān)顯著性明顯增高，而相對顯著的負相關(guān)存在于10月。3～8月大氣可降水量偏多則太陽總輻射衰減率大，其余月份大氣可降水量偏多則太陽總輻射衰減率小。大氣可降水對太陽總輻射衰減率的影響因為時間不同有所差異，中午10～14時大氣可降水與太陽總輻射衰減率之間的相關(guān)性最為明顯，其余時次的相關(guān)性相對較弱。

3.4可見光反射率與太陽總輻射衰減率相關(guān)性分析

可見光反射率又稱反照率，在可見光云圖上，物像的色調(diào)取決于反射太陽輻射的強度。而衛(wèi)星接收到的反射太陽輻射的多少取決于兩個因素：一是入射到目標物上的太陽輻射的多少；二是目標物反照率的大小。

可見光反射率與太陽總輻射衰減率以正相關(guān)為主，只有個別月份存在負相關(guān)，負相關(guān)主要是出現(xiàn)在冬季。反射率和太陽總輻射衰減率整體上呈現(xiàn)正相關(guān)分布，也就是可見光反射率大，太陽總輻射衰減率就大，但在冬季也會偶爾出現(xiàn)可見光反射率大而太陽總輻射衰減率小的現(xiàn)象。

4　基于云圖特征量的太陽總輻射衰減率預(yù)報方程

通過各時次云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關(guān)性分析，我們基本了解了云圖特征量對太陽總輻射衰減率的影響規(guī)律，各云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關(guān)系數(shù)如圖5所示。

圖5　2012年1～12月各因子太陽總輻射衰減率相關(guān)系數(shù)

利用2013年敦煌云圖特征量資料和太陽總輻射衰減率對方程進行預(yù)報效果檢驗。12個月太陽總輻射衰減率預(yù)測結(jié)果與實測值變化趨勢基本一致。對比12個月，9月實測值與預(yù)測值之間的差值最小，5月最大。1、3、4、5、6、7、9、11月預(yù)測方程得出的結(jié)果小于實測值，2、8、10、12月時預(yù)測方程得出的結(jié)果要大于實測值，但預(yù)報誤差都比較小。如圖6所示。

圖6　2013年1～12月太陽總輻射衰減率預(yù)測與實際值對比

5　小結(jié)

無論是冬季還是夏季，敦煌太陽總輻射的實測值和理論值都有較大差異，太陽輻射經(jīng)過大氣層時會出明顯的衰減。敦煌太陽總輻射衰減值和理論值的日變化規(guī)律趨于一致，總輻射衰減值隨理論值的增大而增大，隨之減小而減小。但從逐小時甚至更短時間段的數(shù)據(jù)分析，太陽總輻射衰減值和理論值的變化規(guī)律并不符合。

敦煌站云圖的云量、紅外亮溫、可見光反射率、大氣可降水等特征量和太陽總輻射衰減率具有很好的相關(guān)性。不同特征量相關(guān)系數(shù)不同，同一特征量在不同月份相關(guān)系數(shù)變化也比較明顯，尤其在7、8月份降水相對豐沛的月份中，其相關(guān)顯著性明顯增高。由此可見，太陽總輻射的變化與云圖特征量之間存在密切相關(guān)。

基于云圖特征量和太陽總輻射衰減率的相關(guān)性建立預(yù)報方程，通過預(yù)報效果檢驗，證明有較高的預(yù)報準確率。這種預(yù)報方法對于改進現(xiàn)有光伏發(fā)電功率預(yù)報預(yù)測方法，提高光伏發(fā)電功率預(yù)報準確率具有重要的意義。

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中圖分類號：P422.1