基于MK檢驗的延安站30年輻射量特征分析

王重洋，弓 衛(wèi)，暢蓬博

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710000）

0 引言

近年來全球氣候變暖日益嚴(yán)重,極端天氣事件頻發(fā),影響了人類的生產(chǎn)和生活。陜西北部地區(qū)太陽能資源較為豐富,該地區(qū)近幾年開發(fā)建設(shè)了很多大型光伏基地,太陽輻射的變化直接影響這些工程的收益。

本文選取陜西省延安站30 年輻射數(shù)據(jù)作為研究對象,探討其輻射量年際變化特征及其突變（M-K）檢驗,有助于理解延安地區(qū)太陽能資源更深層次的變化規(guī)律,同時對陜西北部地區(qū)應(yīng)用太陽能資源有舉足輕重的意義。

1 研究區(qū)域概況

延安位于陜西北部,地處黃土高原的中南部。北部與榆林連接,南部與銅川、咸陽、渭南三市相接,東部與山西臨汾、呂梁相望,西部與甘肅慶陽相鄰。全市總占地面積為37037 km2。延安屬于暖溫帶半濕潤氣候區(qū),春季干燥少雨,氣候多變,有大風(fēng)、揚沙天氣；夏季炎熱多雨,有時伴有冰雹,無酷熱期；秋季氣溫下降迅速,多濕潤、陰雨天氣；冬季少雨雪,多西北風(fēng),干冷明朗。

延安地區(qū)年日照時數(shù)大致為2418 h,日照百分比大致為55%,年太陽總輻射量在5000 MJ/m2以上（見圖1）,太陽能資源較為豐富,并且具有開發(fā)價值。

圖1 延安市水平面總輻射空間變化分布圖

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文選取延安氣象觀測站1990年～2019年的逐月輻射量觀測資料,數(shù)據(jù)來源為國家氣象信息中心,且數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格控制。

2.2 研究方法

Mann-Kendall趨勢檢驗法（M-K）是一種應(yīng)用廣泛的統(tǒng)計檢驗方法,可用于預(yù)測溫度,降水和氣壓等氣象要素的長期變化趨勢[1]。非參數(shù)檢驗方法也稱無分布檢驗,變化要素不一定具備正態(tài)分布特征,也不會受到少數(shù)異常值的影響,定量化程度高,檢測范圍寬,干擾度小,計算簡單,因此適用于具有非正態(tài)分布特征的變化趨勢分析,如氣象要素等。設(shè)A1,A2,…,An為時間序列變量,n為樣本個數(shù),則統(tǒng)計量S可被定義[2]為：

式中：sgn代表符號函數(shù)；

S代表正態(tài)分布,均值等于0,其方差計算如式（3）所示。

Mann-Kendall統(tǒng)計量公式中不同S區(qū)間對應(yīng)Z值為：

接著,運用M-K檢驗法進行突變分析。

綜上所述,在M-K法趨勢檢驗中,代入具體的置信水平a值大小,若|Z|≥Z1-a/2,則假設(shè)不成立。當(dāng)Z＞0時,則表示幅度增加,當(dāng)Z＜0時,則表示幅度減少。當(dāng)|Z|≥1.28時,表示顯著性檢驗大于90%,當(dāng)|Z|≥1.64時,表示顯著性檢驗大于95%,當(dāng)|Z|≥2.32時,表示顯著性檢驗大于99%[2]。

然后,使用M-K檢驗法進行時間序列突變分析,結(jié)構(gòu)如式（5）所示：

統(tǒng)計量的計算公式：

式中：E（Sk）表示均值,Var（Sk）表示方差,按式（7）計算：

時間序列按照An,An-1,…,A1順序排列,且根據(jù)上述方法,使對UBk和UFk曲線進行繪制,在置信區(qū)間|U|≤1.96中,若UBk和UFk兩曲線出現(xiàn)交點,則交點為該時間序列突變點,且輸入置信度水平為0.95。

3 輻射量量時間變化特征

3.1 輻射量年際變化特征及其突變（M-K）檢驗

延安站1990年～2019年近30年的年均輻射量為5049 MJ/m2,整體來看呈增加趨勢（見圖2）,且輻射量增加趨勢顯著。

圖2 延安站年平均輻射量變化趨勢

通過延安站近30 年的輻射量數(shù)據(jù)對延安站年均輻射量進行M-K突變檢驗,結(jié)果見圖3,延安站輻射量的UF曲線在2000 年以前介于0～1.96之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈上升趨勢。2000 年以后UF曲線超過臨界值,表明輻射量增加趨勢十分明顯。在0.05 的置信度水平下,延安站輻射量在2014 年左右發(fā)生突變。

圖3 延安站年平均輻射量M-K檢驗

3.2 輻射量季節(jié)變化特征及其突變（M-K）檢驗

為了進一步研究延安站輻射量變化特點及趨勢,對站點的季節(jié)輻射量數(shù)據(jù)分別進行研究,分析不同季節(jié)輻射量的振蕩周期,見圖4。

圖4 延安站不同季節(jié)輻射量M-K檢驗

如圖4（a）,在春季期間,延安站輻射量的UF曲線在1993年以前介于-1.96～0 之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈下降趨勢；1993 年～2004 年之間UF值介于0～1.96 之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈上升趨勢；2004 年以后UF曲線超過臨界值,表明輻射量增加趨勢十分明顯；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在2001年、2002 年與2005年發(fā)生突變。

如圖4（b）,在夏季期間,延安站輻射量的UF曲線在 1990 年 ～1991年、1997年 ～2005年與 2015年以后介于0～1.96 之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈上升趨勢；1992年～1996年與2006年～2014年UF值介于-1.96～0之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈下降趨勢；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在2014年發(fā)生突變。

如圖4（c）,在秋季期間,延安站輻射量的UF曲線在1990年～2000年、2002年 ～2003年 與 2016年以后 介于0～1.96之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈上升趨勢；2001年與2004年～2015年UF值介于-1.96～0之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈下降趨勢；在0.05的置信度水平下,延安站輻射量在1991年～1992年、1995年～1998年、2016年～2018年發(fā)生連續(xù)突變。

如圖4（d）,在冬季期間,延安站輻射量的UF曲線在2002 之前介于0～1.96 之間,表明變化曲線趨勢和突變不明顯,且序列呈上升趨勢；2003年以后UF曲線超過臨界值,表明輻射量增加趨勢十分明顯；在0.05 的置信度水平下,延安站輻射量在2002 年發(fā)生突變。

4 結(jié)論

本文對延安站近30 年輻射量進行線性回歸分析,結(jié)合M-K檢驗對太陽輻射量的變化趨勢進行分析,并對太陽輻射量不同季節(jié)變化轉(zhuǎn)折點進行判斷,得到以下主要結(jié)論：

（1）M-K突變檢驗顯示,延安站太陽輻射量在2014年發(fā)生突變,2000 年以前整體呈上升趨勢,并于2014 年以后達到顯著上升水平。

（2）通過對比各個季節(jié)的M-K突變檢驗結(jié)果,延安站在2014 年發(fā)生的突變主要與夏季突變有關(guān),與其他季節(jié)無必然聯(lián)系。

因此,在延安地區(qū)利用太陽能資源時應(yīng)著重考慮季節(jié)性氣候變化對太陽能資源的影響。