西北四省太陽能資源分布與長期變化趨勢分析

李春華，朱飆

（1.蘭州資源環境職業技術大學 氣象學院，蘭州 730021；2.甘肅省氣象局，蘭州 730020）

0 引言

隨著全球能源危機和大氣污染問題日益突出，新能源日益受到重視。在各種新能源中，風能、太陽能具有無污染、可持續、總量大、分布廣、應用形式多樣等優點，受到世界各國高度重視。近年來，我國也大力提倡發展節能環保、新能源等產業，其中新能源產業重點發展風能、太陽能熱利用［1-5］和光伏/光熱發電、生物質能等。西北四省的風能、太陽能發電裝機容量發展迅速，但風能、太陽能存在能量密度低、因地而異、因時而變等不足。我國西北地區地形復雜，氣候類型多樣，是西北干旱區、東部季風區、青藏高原高寒氣候區的交匯地，同時是氣候變化敏感區和生態環境脆弱區。同時，該地區是我國風能資源豐富區，氣溫日差較大，太陽輻射強，太陽能資源總體明顯優于全國其他地區。

相關科研工作者對我國西北地區太陽能資源開展了相關研究。保廣裕等［6］分析了青海省全境太陽曝輻量變化規律及分布特征，發現青海省年太陽總曝輻量由西北向東南逐漸遞減，全省年太陽總曝輻量超過6 000 MJ/m2的有42個站點，占全省站點總數的84%。日太陽曝輻量在4—8 月最高，日輻射持續時間從3 月開始增加，9 月開始減少。朱飆等［7］利用甘肅省6 個輻射站的資料，采用氣候學方法計算評估了甘肅省太陽能資源，并給出了甘肅省太陽能參數的空間分布圖。結果表明，甘肅省中部、西部地區太陽能資源豐富。劉孝敏等［8］以甘肅省典型氣象年數據為研究對象，分析甘肅省太陽能資源的時空分布特征，并分析了甘肅省太陽能熱利用潛力和節能減排效益。達選芳等［9］在對甘肅省太陽總曝輻量預報進行訂正研究中發現，總云量對太陽輻射的衰減作用貢獻最大，其次為相對濕度。大氣透過率與氣溫呈顯著正相關，而與相對濕度、氣壓、總云量呈顯著負相關。吳林榮等［10］分析了陜西省太陽總曝輻量和日照時數的時空變化特征，結果表明，陜西省太陽總曝輻量和日照時數一致呈現從北向南遞減趨勢，且在渭北高原一帶存在太陽總曝輻量和日照時數的次高值區。研究結果可為區域氣候變化研究、農業生產及太陽能資源利用提供參考依據。韓世濤等［11］對寧夏太陽能資源進行評估分析，結果表明，寧夏屬于太陽能資源較豐富區，太陽能可利用時間較長，資源較穩定，開發利用總體條件較好。周揚等［12］用統計分析和插值相結合的方法，以太陽總曝輻量和日照時數作為評價指標，分析了西北四省近50年來太陽能資源的時空變化特征。

上述研究雖然詳細介紹了我國西北地區太陽能資源，但結論主要集中在對太陽能資源的量化分析上，未對全球變暖背景下該地區太陽能資源的長期變化趨勢進行分析。加之西北地區地域廣大，各地受到不同的天氣系統影響，太陽輻射必然存在差異［13］。因此，在對我國西北四省太陽總曝輻量特征進行分析的基礎上，進一步對太陽總曝輻量的多年變化趨勢進行分析，對于認識西北四省太陽能資源的長期趨勢與光伏電廠建成后長期收益與投資風險防范上有一定的參考價值。

1 資料和分析方法

1.1 資料

采用西北四省268個站點1978—2017年的月曝輻量數據，數據來源于國家氣象信息中心，已經過質量控制，并按照規范進行歸檔［14］。文中涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2022）4307號的中國地圖，使用Golden Software公司Surfer 8.0軟件繪制，底圖無修改。

1.2 方法

太陽能資源通常用年太陽總曝輻量來表示，由于太陽總曝輻量觀測站點比較稀疏、資料缺乏，為獲得未開展該項觀測地區的總曝輻量，通常采用氣象地面站觀測的日照時數、氣溫等數據資料。考慮區域地形狀況，基于經驗統計方法和太陽輻射大氣衰減物理過程的太陽總曝輻量綜合估算模型進行推算，前人對此作了深入研究［15-18］，其方法目前依然為使用。近年來，周勇等［19］對比分析12個基于日照百分率和12 個基于溫度的日總太陽曝輻量計算模型在我國不同氣候區的適用性。采用估算值精度高的Hybrid 模型計算年太陽曝輻量，模型的基本公式為［20］

式中：H為日太陽曝輻量，MJ/（m2·d）；Hb，clear為直接曝輻量，MJ/（m2·d）；Hd，clear為散射曝輻量，MJ/（m2·d）；τc為云透射率；n/N為日照率。經與曝輻量實測站點的數據進行比較，計算結果相對于實測值的平均偏差為0.011 7 MJ/（m2·d），相對偏差為0.08%，均方根誤差為2.440 0 MJ/（m2·d）。

在分析西北四省太陽總曝輻量的長期變化趨勢時，采用氣候趨勢系數進行分析。氣候趨勢系數為n個時刻（年）的要素序列與自然數列1，2，3，…，n的相關系數，可表示為

式中：n為年數；xi為第i年要素值；xˉ為多年平均值；當rxt為正（負）時，表示該要素在所計算的n年內有線性增（降）的趨勢。

2 西北四省太陽能資源

2.1 西北四省年、季太陽總曝輻量空間分布

經計算，西北四省1978—2017 年平均年太陽總曝輻量變化范圍為3 676～7 036 MJ/m2，如圖1 所示，西北四省區的太陽能資源分布特征與全國太陽能資源分布西北地區的結論一致［21］。分布趨勢自西北向東南逐漸遞減，高值區主要在青海大部、甘肅河西西部、寧夏大部與陜西北部。其中，青海省西部海拔高、日照強，年太陽總曝輻量最高，大部分地區全年太陽總曝輻量高于6 600 MJ/m2；青海省中東部大部分地區、甘肅河西走廊地區年太陽總曝輻量為6 000～6 600 MJ/m2；甘肅河東大部，陜北南部、關中大部年太陽總曝輻量為4 800～5 400 MJ/m2。甘肅隴南地區丘陵、盆地相間，濕潤多雨，同一緯度的陜南受秦嶺山脈影響，加之雨量充沛，年太陽總曝輻量僅為4 200～4 800 MJ/m2，是西北四省年太陽總曝輻量的低值區［22-23］。

西北四省冬季（12月—次年2月）太陽總曝輻量為511～1 193 MJ/m2，其中青海、甘肅河西中東部、寧夏大部、陜西北部地區大于900 MJ/m2，甘肅河西西部、甘肅南部、陜西關中地區，冬季太陽總曝輻量為700～900 MJ/m2，陜南南部、甘肅南部少部分地區冬季太陽總曝輻量低于700 MJ/m2，如圖2a 所示。西北四省春季（3—5 月）太陽總曝輻量為1 091～2 104 MJ/m2，自西北向東南逐漸遞減，高值區域在青海大部、甘肅河西、寧夏北部地區，年太陽總曝輻量高于1 800 MJ/m2；甘肅南部偏南地區、陜西南部的漢中、安康地區，年太陽總曝輻量低于1 400 MJ/m2；甘肅河東大部、寧夏南部、陜北大部地區年太陽總曝輻量為1 400～1 800 MJ/m2，如圖2b 所示。夏季（6—8月）太陽總曝輻量為1 350～2 343 MJ/m2，是全年中太陽總曝輻量最高的季節。青海大部、甘肅河西走廊及中部、寧夏大部、陜西北部地區夏季太陽總曝輻量大于1 800 MJ/m2，甘肅南部、陜南大部地區夏季太陽總曝輻量低于1 600 MJ/m2，其余地區為1 600～1 800 MJ/m2，如圖2c 所示。秋季（9—11 月）太陽總曝輻量僅723～1 557 MJ/m2，相比夏季下降幅度明顯，也低于春季，略高于冬季，說明西北四省太陽總輻射資源主要集中在春、夏季節。青海大部、甘肅河西走廊、寧夏北部地區秋季太陽總曝輻量均高于1 300 MJ/m2，甘肅南部、陜西南部地區太陽總曝輻量低于900 MJ/m2，其余地區秋季太陽總曝輻量為900～1 300 MJ/m2，如圖2d 所示。值得注意的是，位于青海、甘肅兩省交界處的祁連山地區地形復雜、海拔變化較大，加之地面日照時數觀測站點少，實際中因地形遮擋，太陽總曝輻量或小于圖2所示。

圖2 西北四省四季太陽總曝輻量空間分布（截圖）Fig.2 Seasonal solar radiation spatial distribution of the four provinces in northwestern China（screenshot）

綜上所述，西北四省太陽總曝輻量四季變化明顯，除青海省中部部分地方太陽總曝輻量各個季節均低于周圍地區外，西北四省大部分地區太陽總曝輻量各季節分布都呈現自西北向東南遞減的規律，其中絕大部分地方春、夏季節太陽總曝輻量對于全年貢獻較大，占60%以上。

2.2 太陽總曝輻量月變化

由于太陽與地球距離的變化，太陽總曝輻量在一年內變化明顯。選取西北四省10 個具有代表性的站，根據獲取數據繪制太陽總曝輻量年內變化如圖3 所示。由圖3 可見，西北四省代表站太陽總曝輻量年內變化趨勢一致，1—4 月快速升高、5—7 月達到最大值，8—11月快速下降、12月為最低值。

圖3 西北四省代表站太陽總曝輻量年內變化Fig.3 Annual variation of total solar exposure at representative stations in the four northwestern provinces

2.3 海拔對太陽總曝輻量影響

對日照影響較大的地理因素主要包括地形坡向與海拔高度。海拔高度越高、空氣越稀薄，大氣對太陽輻射的削弱就越少，到達地面的太陽曝輻量越多，尤其是紫外線更強。西北地區地形復雜，祁連山脈、秦嶺山脈區域海拔高度為286～4 612 m，差異巨大。太陽年總曝輻量隨海拔增高略有增加，兩者大致呈線性正相關，如圖4所示，海拔高度平均每升高100 m，年總曝輻量大約增加46 MJ/m2。

圖4 西北四省年太陽總曝輻量隨海拔高度變化Fig.4 Annual solar radiation of the four provinces in northwestern varying with altitude

太陽總曝輻量隨海拔高度略有增加在多年平均年太陽總曝輻量空間分布及冬、春、夏、秋太陽曝輻量的空間分布上也有體現，秦嶺山脈所在位置太陽總曝輻量明顯較低，而位于青海與甘肅交界處的祁連山脈大部分海拔高度高于3 500 m，因此該區域太陽總曝輻量明顯較高。當然，海拔只是影響太陽總曝輻量的因素之一，氣候系統［13］及其引起的當地空中云量的多寡［24］對于太陽曝輻量的影響則是主要因素。

2.4 西北四省太陽總曝輻量變化趨勢

圖5為西北四省各地太陽總曝輻量多年變化趨勢。由圖5 可見，西北區域太陽總曝輻量變化趨勢表現為大部分地區以減少為主，其中以青海省中西部大部區域減少最為明顯，線性趨勢系數為-0.11～-0.22，甘肅河西西部與武威地區、隴南地區、隴東北部、陜北部分地區、陜南北部表現為一致增加，其中甘肅河西西部與武威地區、陜北部分地區增加趨勢明顯，線性趨勢系數在0.07以上。

圖5 西北四省年太陽總曝輻量多年變化趨勢（截圖）Fig.5 Variation trend of total radiation of the four provinces in northwestern in recent years（screenshot）

圖6為西北四省太陽總曝輻量各季節變化趨勢。西北四省冬季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6a所示，青海西部、甘肅河西西部與河西東部、陜北大部地區、陜南少部地區表現為增加趨勢，其余大部地區表現為一致減少趨勢，寧夏北部、甘肅蘭州及青海格爾木、德令哈、同德等地減少趨勢明顯。西北四省春季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6b所示，大致以祁連山為界，祁連山以西的青海省大部總曝輻量總體表現為減少趨勢，尤其是青海省南部地區減少趨勢更加明顯。青海省北部與祁連山以東的甘肅、寧夏、陜西除個別地方外，春季太陽總曝輻量表現為一致增加的趨勢，增加趨勢比較明顯的區域主要在甘肅省酒泉大部、武威大部、陜北部分地區。西北四省夏季多年太陽總曝輻量變化趨勢如圖6c所示，表明青海、甘肅河西中部、寧夏北部、陜西中北部地區表現為一致減少，其中青海省西部地區減少趨勢最明顯。由于夏季曝輻量對全年的貢獻最明顯，所以西北四省太陽能夏季變化趨勢與年變化趨勢非常接近。甘肅大部、寧夏南部、陜南部分地區呈現略微增加的趨勢，其中甘肅酒泉北部、武威東部、陜北個別地區增加趨勢明顯。西北四省秋季多年太陽總曝輻量除個別地方外均呈現減少趨勢，其中青海省中西部地區減少趨勢最大，甘肅中部、寧夏北部、陜北部分地區減少趨勢明顯，如圖6d所示。其原因應與西北地區多年云量變化趨勢有關。據劉柏鑫等研究［16］，近36年我國北方絕大部分地區年均云量呈增加趨勢，同時各季節云量均增加，秋季北方云量增加趨勢較夏季更顯著。

圖6 西北四省太陽總曝輻量各季節變化趨勢（截圖）Fig.6 Seasonal variation of total solar radiation of the four provinces in northwestern（screenshot）

2.5 西北四省太陽能資源區劃

根據GB/T 31155—2014《太陽能資源等級 總輻射》，以年太陽能總曝輻量為指標，可將西北四省劃分為太陽能資源Ⅰ類區（最豐富區，年太陽總曝輻量＞6 300 MJ/m2）、Ⅱ類區（很豐富區，年太陽總曝輻量為5 040～6 300 MJ/m2）和Ⅲ類區（豐富區，年太陽總曝輻量為3 780～5 039 MJ/m2），如圖7 所示。其中，Ⅰ類區包括青海西部、北部、中部等大部分地區、甘肅河西走廊西部、中部地區；Ⅱ類區包括青海東南部、甘肅河東除南部外的大部分區域、寧夏大部、陜西北部、關中地區；Ⅲ類區主要包括甘肅南部、陜南大部。

圖7 西北四省太陽能資源區劃（截圖）Fig.7 Solar energy resources zoning of the four provinces in northwestern China（screenshot）

綜上所述，西北四省太陽能資源豐富，可開發時間長，加之西北西部干旱少雨，多為荒漠戈壁，人煙稀少，地勢平坦，基本無作物種植。在此開發太陽能不占用農田，易于鋪設道路，開發成本低，同時每年太陽能可利用時間長，有利于太陽能穩定、持續地開發利用。

3 結論

（1）西北四省各地的年太陽總曝輻量為3 676～7 036 MJ/m2，分布趨勢自西北向東南逐漸遞減，年太陽總輻射高值區主要在青海大部、甘肅河西西部、寧夏大部與陜西北部；各季年太陽總曝輻量分布形勢同樣是自西北向東南逐漸遞減，夏季最高，春季次之，冬季最低。海拔增高會引起太陽年總曝輻量升高，兩者大致呈線性正相關，海拔高度每升高100 m，年太陽總曝輻量增加約46 MJ/m2。

（2）從西北四省10個代表站太陽總曝輻量年內變化看，各地變化態勢一致，1—4 月快速增高、5—7月達到最大值，8—12月快速下降、12月為最低值。

（3）西北四省各地太陽總曝輻量多年氣候趨勢系數為-0.22～0.18，顯示該地區太陽總曝輻量總體表現為大部分地區減少，其中以青海省中西部大部區域減少最為明顯，甘肅河西西部與武威地區、隴南地區、隴東北部、陜北部分地區、陜南北部表現為一致增加，其中甘肅河西西部與武威地區、陜北部分地區增加趨勢明顯。各季變化趨勢空間分布與年類似，但秋季多年太陽總曝輻量呈現一致減少趨勢的范圍在四季中最大，大部區域氣候趨勢系數為-0.18～0.06，春季多年太陽總曝輻量呈現一致增加趨勢的范圍在四季中最大。

本文從區域角度分析了我國西北四省太陽能總曝輻量的空間分布特征與多年變化趨勢，其中對于西北四省的太陽能資源分布特征與區劃與全國太陽能資源分布西北地區結論相一致，但本文進一步補充分析了該地區太陽能的長期變化趨勢，明確了從長期看，年、季太陽曝輻量增多與減少的區域，對于在目前西北地區氣候暖濕化背景下該地區光伏電廠建設及建成后長期收益估算與風險防范有一定的參考價值，對今后開發利用前景具有指導作用，同時為研究區充分利用太陽能資源提供理論參考。未來，隨著全球光伏產業技術發展，太陽能利用成本不斷下降，轉化效率不斷提高，太陽能的占比將逐步提升。當然，本文雖采用了精度較高的Hybrid 模型計算太陽曝輻量，但未對復雜地形區進行額外的再次訂正，后續研究將借鑒他人的研究成果，對于復雜山地的數據再進行進一步校正。