新疆石河子太陽總輻射特征及相關要素分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 王 剛

1 引言

太陽照射到地平面上的輻射為太陽輻射，太陽輻射穿過大氣層而到達地面時，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對太陽輻射的吸收、反射和散射，使輻射強度減弱。不同季節、不同氣象條件下到達地面的太陽輻射強度都是不相同的。近年來，由于臭氧層變薄，溫室氣體在上層大氣中的積累，會增大散射輻射，再加上新疆石河子污染日趨嚴重，從而嚴重影響太陽總輻射量。通過分析新疆石河子45a 的太陽總輻射資料，了解新疆石河子太陽總輻射的多年變化規律和由于空氣污染對太陽總輻射影響的程度，進一步分析其形成的原因。

2 總輻射

水平表面上，在2π 立體角內所接收到的太陽直接輻射和散射太陽輻射之和稱為總輻射，為投射在垂直于陽光的單位面積上單位時間內的能量，單位cal/cm2或MJ/m2。太陽總輻射量有顯著的日變化和年變化。山西省觀象臺1959～2003 年地面總輻射的資料的單位不統一，1985年以前的總輻射單位為cal/cm2，1986年以后改為MJ/m2，為了研究的需要將1959～1985 年的資料進行換算，統一單位為MJ/m2。換算關系為1cal＝4.187J 1MJ＝1 000 000J。

2.1 太陽總輻射量的逐年變化特征

直接利用太陽總輻射量45a資料變化趨勢會包含有環流形勢年際變化的影響，若經過5a年滑動平均處理后，環流形勢年際變化的影響就會縮小，從而顯示長期穩定變化。制作的圖1為年總輻射量逐年曲線。通過5a滑動平均的方法削弱振幅，濾掉過程中小的周期性振動而顯示出較大的變化趨勢，從曲線的變化來分析總輻射量氣候變化特征。

用線性傾向的最小二乘法估計總輻射量氣候變化趨勢。自變量x 為年際變化，因變量y 為年總輻射量逐年變化，建立線性傾向方程：

其中b為年總輻射量的線性趨勢， b＞0表示年總輻射量呈上升趨勢；b＜0 表示年總輻射量呈下降走勢。

圖1 年總輻射量逐年變化趨勢圖

得出太陽總輻射氣候傾向方程：

從結果表明，太陽總輻射線性變率為-15.963MJ/m2太陽總輻射平均每10a以-159.63MJ/m2氣候傾向率下降，其間含有小波動。即b＜0太陽總輻射總體呈明顯下降趨勢。通過5a滑動平均曲線分析看出60年代末到70年代中期為最高峰，以后直線下降，90年代初處于低谷狀態，90年代末有所回升，2000年以后又有下降的跡象。從年總輻射量的分析看到年傾向率下降明顯，年總輻射量逐年減少。從太陽總輻射逐年變化來看68 年達到最大值大于6 800.0MJ/m2，2003 年落到最低值小于4 500.0MJ/m2。

2.2 太陽總輻射量的周期變化

小波分析是通過平移和伸縮參數對數據的不同頻率分量采用不同持續時間的窗函數來分析資料，從而實現資料不同頻率分量有不同時頻分辨率，所謂小波，就是小的波形，是指它具有衰減性和波動性，即振幅呈正負相間的震蕩形式，經小波分解后，圖像輪廓主要體現在小波系數的低頻部分，而細節部分主要體現在高頻部分，因此可以采用不同的量化方法對不同層次的低頻系數和高頻系數進行量化處理。小波分析是時間～頻率分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，尺度參量較大時（相當于低頻），時域分辨率較低，頻域分辨率較高，當尺度參量較小時（相當于高頻）時域分辨率較高，頻域分辨率較低。因此當尺度參量從小逐漸增大時，時頻分辨率就會發生相應的變化，這種特性稱為小波的“變焦”特性或多分辨率分析。窗口的面積是保持不變的，即時域分辨率的增加，必然導致頻域分辨率的減小。分析檢測高頻分量時，時間窗口自動變窄，頻率窗口高度增加；分析檢測低頻特性時，時間窗口自動變寬，頻率窗口高度減小，從而達到時～頻窗口和諧變化。

小波函數Ψ(t)可以取不同形式，本文采用墨西哥帽小波進行變換的方法分析太陽年總輻射量的年際變化

對一個時間序列，可以用小波系數極值方法推得其中存在的周期與尺度a的關系為T=3.974a，圖2為新疆石河子市年年總輻射量小波分析圖。從圖2可以看到，小波系數分布形成正負相間的振蕩中心。這顯示了新疆石河子市45a太陽年總輻射量包含了多個周期變化。1981年以前，在高頻部分有明顯的11年周期，恰與太陽黑子活動的11周期相符。1981～1986年變化較為急劇，1986年以后又有明顯的11年周期。從低頻部分看，1981年是一個突變點，在1981年之前多是正距平，之后多是負距平。

圖2 新疆石河子年總輻射量資料小波分析圖

2.3 太陽總輻射量的季節變化

地球處于運行軌道的不同位置時，太陽光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季變化，冬季太陽低于地平線的時間長，而夏季則高于地平線的時間長。到達地面的太陽輻射從圖3太陽總輻射量四季變化可見，夏季太陽總輻射量最大，冬季太陽總輻射量最小。

圖3 太陽總輻射四季逐年變化圖

用線性傾向的最小二乘法估計總輻射量各季節趨勢。得出各季節太陽總輻射氣候傾向方程：

從結果表明，各季節年總輻射量平均值比較為夏季＞春季＞秋季＞冬季。太陽總輻射各季節線性傾向變率均為負值，說明各季節太陽總輻射都有不同程度的衰減，夏季太陽總輻射氣候傾向率下降最多為-54.301MJ/m2/10a，夏季與春季波動較大，其中夏季太陽總輻射在1967、1986年有突變，整個夏季總輻射最多達2075.75MJ/m2；而冬季與秋季上下波動不明顯，在60年代變化較大外，其余年份變化較為平緩。從5a滑動平均的變化顯示，60年代中期到70年代中期各季節年總輻射量平均值較高，70年代后期開始步入下降趨勢，80 年代與90 年代后期略有上升，但總的趨勢是下降，到2003年處于低谷狀態。

2.4 日照時數的年代變化

日照是氣候形成的重要因素，日照時數也是表征氣候變化的主要氣象要素之一，是指太陽照射到地面所經歷的時間，以小時為單位。隨著全球氣候的改變，各地區日照也隨之發生了顯著變化，用新疆石河子50a 日照時數的逐年值來分析變化趨勢，對了解變化規律及氣候特征有著重要作用。

圖4 年日照時逐年變化圖

對新疆石河子市1954～2003年的年日照時數資料進行一元回歸分析，可以得到年日照時數隨時間變化的統計方程y=-8.7 456x+2 771.8，其中y代表年日照時數，x是時間序數，從年日照時數變化曲線圖3中可以看出，新疆石河子市年日照時數變化總趨勢是趨于減少的，且減少的趨勢非常明顯，平均每10a約減少近90h，1981年以前的年日照時數基本都在2 400h以上，減少趨勢不是很明顯；從1982年開始，日照時數開始明顯減少，其中有四年降到2 200h左右，到2003 年達到最低值2 135.4h。此分析與太陽總輻射的周期變化相吻合。

3 原因分析

太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、云滴等質點時，都要發生散射。散射不吸收輻射能，而是改變輻射方向，使太陽輻射以質點為中心向四面八方傳播，經過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。因此，太陽輻射通過大氣時，如果空氣中存在較多的塵埃或霧粒，因散射的結果，使太陽輻射削弱。陰雨天，多霧天，煙霾天太陽的透明度很差，參與反射作用的質點增多，散射輻射增強太陽輻射被削弱很多；而晴朗天氣，大氣透明度好，空氣中參與反射作用的雜質少，因而散射輻射減弱，太陽輻射被削弱的少。

能見度的觀測有一定的人為因素，但省觀象臺觀測能見度10km的目標物較為明顯，易于觀測，有一定的可信度。利用新疆石河子市1954～2003年地面實測的能見度低于10km煙、霾、輕霧次數累加資料，分析了新疆石河子空氣污染長期變化情況和對太陽輻射的影響。50年代中期以后到60年代中期能見度較差，60年代中期以后至70年代初能見度低于10km煙、霾、輕霧次數最少均少于200次，這與太陽總輻射分析中60年代中期以后至70年代初最大相對應，70年代中期以來隨年代推移，其變化不太明顯，到90年代后一段時間能見度低于10km煙、霾、輕霧次數減少，90年代以后能見度低于10km煙、霾、輕霧次數逐年增加，到90年代末期以后均大于400次。從線性傾向方程y=3.3 635x+239.31分析，能見度低于10km煙、霾、輕霧次數不斷增加，多年平均在239次以上，而近幾年已多達500多次，說明污染程度日趨嚴重。

4 結論

城市化進程的加快必然導致能見度的惡化，主要原因是人類活動排放的廢氣雜質直接進入大氣，大氣的懸浮微粒增多，使輕霧、雨、煙和霾現象增加。能見度惡化可以表明，空中塵埃量增多，空氣日益惡濁.這種大氣狀況的改變，導致散射輻射增多，能見度惡化，日照時數減少，使太陽總輻射大大衰減，說明到達地面的太陽總輻射量的減弱與大氣透明度降低、混濁度提高即空氣污染物逐漸增多有較密切的關系。