基于ERA-5再分析資料的黃石市太陽總輻射變化特征分析

宋 鴿，劉 翔，羅 嘉，車召貴

(湖北省公眾氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430074)

1 引言

太陽輻射是指太陽以電磁波的形式不斷地向外傳遞能量，其所傳遞的能量是地球大氣運(yùn)動(dòng)和光熱能的主要能量來源。傳遞到地球大氣層的太陽輻射能量巨大，每秒所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于500萬t煤。此外，太陽輻射能還具有取之不盡、用之不竭，分布廣、無處不在，清潔無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，恰好滿足了人們對能源日益增長的需求，有效地利用太陽能這種可再生能源顯得尤為重要[2，3]。2011年5月份，IPCC對多種可再生能源資源(如太陽能、風(fēng)能和水電等)進(jìn)行了評(píng)估，指出在所有可再生能源中太陽能資源可開發(fā)潛力是最高的[4]。我國的光伏發(fā)電并網(wǎng)的裝機(jī)容量位居世界前列，其中2021年新增裝機(jī)容量0.53億kW，太陽能發(fā)電實(shí)現(xiàn)了歷史性突破，總裝機(jī)容量達(dá)到了3.06億kW，其相當(dāng)于十幾個(gè)三峽電站。

黃石市位于湖北省東南部，太陽能資源極其豐富，合理開發(fā)利用太陽能資源以緩解該地區(qū)能源短缺的供需矛盾。黃石地區(qū)缺乏長序列太陽輻射觀測站，這就使得研究黃石地區(qū)太陽總輻射的變化特征變得困難。基于日照時(shí)數(shù)估算太陽總輻射的氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)公式法在一定程度上可以近似推算無長序列輻射觀測站的實(shí)際太陽總輻射[5～8]，一些學(xué)者采用該方法對湖北省區(qū)域內(nèi)太陽輻射進(jìn)行研究。鄧先瑞和劉可群等[9，10]利用該方法推算得到湖北省無長序列輻射觀測站地區(qū)(包含黃石站)的太陽總輻射，并研究了湖北省區(qū)域內(nèi)太陽輻射的時(shí)空分布特征。敖銀銀等[11]利用同樣方法對隨州市太陽總輻射時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究。近年來，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中資料同化技術(shù)的再分析資料在氣候變化研究中逐漸被應(yīng)用[12～15]，該方法被認(rèn)為是實(shí)際太陽總輻射的最優(yōu)反映[16～18]，而目前基于再分析資料的湖北省區(qū)域內(nèi)太陽總輻射的研究較少[19]。本文采用太陽總輻射的ERA-5再分析資料對黃石市太陽總輻射的變化特征進(jìn)行分析研究。

2 資料與方法

選取歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECWMF提供的1981～2020年黃石站的ERA-5單月平均輻射資料。按春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)和冬季(12月至次年2月份)來劃分四季，采用線性傾向估計(jì)、5年滑動(dòng)平均、M-K突變檢驗(yàn)和累積距平4種方法[20]對近40年來黃石市太陽總輻射的變化特征進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃石市年太陽總輻射變化特征分析

如圖1所示，黃石市年太陽總輻射隨年際變化整體呈上升趨勢，氣候傾向率為53.91 MJ/(m2·10a)，未通過α=0.10的顯著性檢驗(yàn)。從5年滑動(dòng)平均曲線可以看出年太陽總輻射量在1983～1986年呈上升趨勢，在1987～1991年呈下降趨勢，在1992～1994年呈上升趨勢，在1995～1998年呈小幅度下降趨勢，在1999～2006年呈上升趨勢，在2007年之后呈下降趨勢。近40年來黃石市年太陽總輻射量的平均值為5065.41 MJ/m2，最大值和最小值分別為5533.88 MJ/m2和4574.69 MJ/m2，分別出現(xiàn)在2004年和1989年，極差為959.19 MJ/m2。在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4個(gè)時(shí)段，黃石市年平均太陽總輻射分別為4966.55 MJ/m2、4945.80 MJ/m2、5296.59 MJ/m2和5052.72 MJ/m2，年平均太陽總輻射隨年代際增加呈波浪起伏變化，21世紀(jì)初年平均太陽總輻射量大于歷年均值，其余各年代均低于歷年均值。

圖1 1981～2020年黃石市年太陽總輻射的年際變化

從圖2(a)可以看出，在1981～2003年(1986年和1988年除外)，UF<0，說明年太陽總輻射表現(xiàn)出下降的趨勢，其中1982～1983年，UF超出了0.05置信水平線，表現(xiàn)出顯著的下降趨勢；在2004～2020年，UF>0，說明年太陽總輻射表現(xiàn)出上升的趨勢，其中在2008～2014年，UF超出了0.05置信水平線，表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。UF與UB兩條曲線在2000年左右和2015～2018年范圍內(nèi)有3個(gè)交點(diǎn)，為了增加突變點(diǎn)的可信度，結(jié)合圖2(b)所示累積距平曲線的結(jié)果，可以看出黃石市年太陽總輻射的突變點(diǎn)為2000年和2015年左右。

圖2 1981-2020年黃石市年太陽總輻射的M-K突變檢驗(yàn)曲線和累積距平曲線

3.2 黃石市季太陽總輻射變化特征分析

圖3給出了1981～2020年黃石市春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射的年際變化曲線。可以看出，春季、夏季和秋季的太陽總輻射隨年際變化整體均呈上升趨勢，氣候傾向率分別為44.99 MJ/(m2·10a)、8.715 MJ/(m2·10a)和8.195 MJ/(m2·10a)，上升速率依次為：春季>夏季>秋季，其中春季通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；近40年來，春季太陽總輻射的平均值為1406.94 MJ/m2，最大值和最小值分別為1672.70 MJ/m2(2011年)和1168.44 MJ/m2(1991年)，極差為504.26 MJ/m2；夏季太陽總輻射的平均值為1651.79 MJ/m2，最大值和最小值分別為1849.32 MJ/m2(2006年)和1369.46 MJ/m2(1993年)，極差為479.85 MJ/m2；秋季太陽總輻射的平均值為1144.21 MJ/m2，最大值和最小值分別為1311.29 MJ/m2(2007年)和922.71 MJ/m2(2016年)，極差為388.58 MJ/m2。冬季的太陽總輻射隨年際變化整體呈下降趨勢，氣候傾向率為-11.79 MJ/(m2·10a)；近40年來冬季太陽總輻射的平均值為864.57 MJ/m2，最大值和最小值分別為1015.90 MJ/m2(2010年)和548.90 MJ/m2(2018年)，極差為467.00 MJ/m2。

圖3 1981～2020年黃石市四季太陽總輻射的年際變化

在1981～1990、1991～2000、2001～2010和2011～2020年4個(gè)時(shí)段，黃石市春季、夏季、秋季和冬季平均太陽總輻射及歷年均值如表1所示。可以看出春季和夏季平均太陽總輻射隨年代增加呈波浪起伏變化，均在21世紀(jì)初和20世紀(jì)90年代取得最大和最小；秋季平均太陽總輻射從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初處于升高階段，在21世紀(jì)初和20世紀(jì)80年代取得最大和最小；冬季平均太陽總輻射在20世紀(jì)90年代處于升高階段，在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)10年代取得最大和最小。近40年來黃石市夏季太陽總輻射歷年均值最大，春季次之，冬季最小。

表1 1981～2020年黃石市各年代的季平均太陽總輻射及歷年均值

圖4給出了1981～2020年黃石市春季、夏季、秋季和冬季太陽總輻射的M-K突變檢驗(yàn)曲線和累積距平曲線。從圖4中可以看出春季太陽總輻射的UF與UB曲線在2004年左右、2008～2014年和2019年左右有7個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定春季太陽總輻射在2004年左右發(fā)生氣候突變。夏季太陽總輻射的UF與UB曲線在2004年左右、2010～2014年和2017～2020年存在7個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定夏季太陽總輻射在2004年左右發(fā)生氣候突變。秋季太陽總輻射的UF與UB曲線在1985年、2015年和2019年左右有3個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定秋季太陽總輻射在1985年和2015年左右發(fā)生氣候突變。冬季太陽總輻射的UF與UB曲線在2013年左右有1個(gè)交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線的結(jié)果，可以確定冬季太陽總輻射未發(fā)生氣候突變。

圖4 1981～2020年黃石市四季太陽總輻射的(a1-a4)M-K突變檢驗(yàn)曲線和(b1-b4)累積距平曲線

3.3 黃石市月太陽總輻射變化特征分析

從圖5可以看出，太陽總輻射隨月份變化呈單峰型分布，月太陽總輻射的平均值為422.12 MJ/m2，最大值和最小值分別為577.46 MJ/m2和為283.17 MJ/m2，分別出現(xiàn)在7月份和1月份，最大值和最小值極差為294.29 MJ/m2。4～9月份月平均太陽總輻射大于平均值，1～3月份和10～12月份月平均太陽總輻射小于平均值。

圖5 1981～2020年黃石市太陽總輻射的月變化

4 結(jié)論

(1)黃石市年太陽總輻射隨年際的變化呈上升趨勢，在21世紀(jì)初年平均太陽總輻射取得最大值，且年太陽總輻射在2000年和2015年左右發(fā)生突變。

(2)黃石市春季、夏季和秋季太陽總輻射隨年際的變化均呈上升趨勢，而冬季呈下降趨勢，其中春季上升幅度最大，且通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；春季、夏季和秋季平均太陽總輻射量均在21世紀(jì)初取得最大，冬季平均太陽總輻射量在20世紀(jì)90年代取得最大；夏季太陽總輻射歷年均值最大，春季次之，冬季最小；春季和夏季太陽總輻射均在2004年左右發(fā)生氣候突變，秋季太陽總輻射在1985年和2015年左右發(fā)生氣候突變。

(3)黃石市月平均太陽總輻射隨月份變化呈單峰型分布，在7月份達(dá)到最大值。