庆阳市近60年太阳辐射的变化特征分析＊
2020-07-13路学勤赵振昌
路学勤，赵振昌，贺 涛
（庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）
全球气候变化正在影响着人类的生存与发展，气候变化对农业生产的影响关系到粮食生产安全[1-3]。在全球变暖背景下，我国50年来增温尤其显著，增温速率为0.22℃·10a-1，明显高于全球或北半球同期增温速率[4]。气候变化将对人类的社会发展、农业生产、生态环境、能源利用等诸多方面造成影响，但首当其冲的是农业[5]。太阳辐射是地球生态系统最主要和最直接的能量来源，影响到地球上的所有的物理，生物和化学过程。太阳辐射与农业生产也息息相关，随着能源短缺和环境污染的日益严重，能源问题越来越受到人们的重视，太阳能资源是取之不尽、用之不歇，而且它是最清洁的能源之一，具有直接直接开发和利用，无须开采和运输的特点。本研究利用庆阳市七县一区1960-2018年的近60年历年气象日照观测数据和西峰站1998-2018年的各月总辐射资料，分析出太阳辐射的空间分布特征和时间变化规律，提出了针对庆阳各地的总辐射计算方法,根据纬度和各县的日照,得出总辐射值,分析了太阳总辐射变化规律及演变趋势,对了解区域气候、指导农业生产和充分利用太阳能资源具有一定的指导意义。
1 资料与方法
本文所用的辐射资料为西峰基本站1998年-2018年逐月辐射资料，日照资料来源于各县气象局，资料序列为1960年-2018年。
气候学模拟计算太阳辐射的公式为：
式（1）中a、b为回归常数，Q为日太阳总辐射（单位MJ·m-2·d-1）,Q0为日天文辐射（单位MJ·m-2·d-1）。
I0是太阳常数，ρ为日地距离系数，δ是太阳赤纬，φ 是纬度，ω0是日落时角（rad）,
n是测站观测到的日照时数（单位h），N是最大可能日照时数（单位h）,
2 庆阳市各站太阳辐射的分布特征
2.1 空间分布特征
近60年的平均年太阳总辐射量的分布图(见表1)可看出，随着纬度和地形的影响年总辐射值也在发生着变化，处于纬度较高庆城、环县和塬区的西峰，年平均辐射值总量超过5500 MJ/m2，最为丰富；处于川道地区的镇原、宁县及地理位置相对偏南的合水、正宁年总辐射量在5450～5500 MJ/m2之间，较为丰富。总体来看，环县的年总辐射量最大，为5549.8MJ/m2，华池由于受到地形因素影响,虽然纬度最高,但年总辐射量最小,为5370.1MJ/m2。庆阳各县区的太阳辐射均高于全国平均值[6]200～400MJ/m2，太阳辐射资源丰富。
从年代际变化来看，北部地区上世纪60年代、南部地区上世纪70年代太阳总辐射量较为充足，80年代为普遍偏少时期，90年代北部地区增加较为显著。进入本世纪太阳总辐射量持续偏少，2011年以来，庆城、合水、宁县、正宁出现了太阳总辐射量最小值。
表1 庆阳市各县区太阳辐射变化图（单位：MJ/m2）
2.2 总辐射值的变化特征
庆阳市各地多年来年平均太阳总辐射为5485.4 MJ/m2，平均太阳总辐射在波动中下降,下降速率为4.19 MJ/m2*10a（如图1所示），与黄土高原地区太阳辐射变化规律一致[7]，但减少速率明显小于该地区，大多数年份的太阳总辐射多于历年平均值（如图2所示）。最大值出现在1965年，为5707.8MJ/m2；最小值出现在1989年，为5169.4 MJ/m2。
上世纪70年代太阳总辐射较高,80年代最低、且波动较大,相对于70年代下降了126.7 MJ/m2，90年代以后逐步回升，比80年代上升108 MJ/m2，2000年以后太阳辐射变化幅度明显变小，围绕多年平均值进行震荡，且偏少年份居多。
图1 庆阳市各地年太阳辐射平均值变化图
图2 庆阳市各地太阳辐射变化距平图
2.3 辐射随季节变化特征
按照气象上对季节的划分，通常以阳历3～5月为春季,6～8月为夏季,9～11月为秋季,12月～来年2月为冬季。由图3可知，庆阳各季太阳辐射量夏季〉春季〉秋季〉冬季，夏季辐射值最大，占全年的辐射总值的33%，冬季最少，占全年的总值的16%。
从各季节太阳总辐射变化趋势来看，春季为增加趋势，夏季、秋季、冬季均为减少趋势。其中春季的太阳辐射总量增加速率为12.98 MJ/m2*10a，夏季的太阳辐射总量的减少速率为12.66 MJ/m2*10a。
图3 庆阳市各季太阳辐射变化图
2.4 引起太阳辐射变化的因子
引起太阳辐射变化的因子有很多,但是最主要是天文、地理、气象和人为因素引起的，其中天文和地理因素在庆阳各县区是一定的，所以引起太阳辐射的时空变化主要是气象因子。诸多学者研究表明，大气中气溶胶、云量和水汽含量对地表太阳辐射造成的影响最为显著,云量尤其是低云对太阳辐射的影响最大。影响太阳辐射变化的气象因子是相互作用、互相影响的，对于它们之间的相互关系及对太阳辐射的影响权重，还需未来进一步研究。
3 总结
1）庆阳市各县区太阳辐射环县、西峰及庆城为较多地区，华池较少，但各地均高于全国平均值，太阳辐射资源丰富。从年代际变化来看，上世纪60、70及90年代太阳总辐射量较为充足，80年代为偏少时期，进入本世纪太阳总辐射量持续偏少。
2）庆阳市各地多年平均太阳总辐射在波动中下降,下降速率为4.19 MJ/m2*10a，与韩虹等研究的黄土高原地区太阳辐射变化规律一致，但减少速率明显偏小。
3）庆阳各季太阳辐射量夏季〉春季〉秋季〉冬季，夏季辐射值最大，冬季最少。从各季节太阳总辐射变化趋势来看，春季为增加趋势，夏季、秋季、冬季均为减少趋势。
4）庆阳市各地的年总辐射值5370-5550 MJ/m2之间，对于全国来说属于辐射丰富区。在经济结构调整中，要加大对太阳能资源的开发和利用，大力发展设施农业，为振兴乡村经济、改善人居环境、建设山川秀美的新庆阳提供科技支撑。
