貴州省太陽總輻射計算及其分布規(guī)律

1、貴州省太陽總輻射計算及其分布規(guī)律貴州省太陽總輻射計算及其分布規(guī)律第36卷第1期2021年2月氣象科技Vol.36,No.1Feb.2021貴州省太陽總輻射計算及其分布規(guī)律胡家敏吳戰(zhàn)平陳中云徐永靈(1貴州省山地氣候與資源重點實驗室,2貴州省氣候中心,貴陽550002)摘要利用貴州省僅有的3個輻射觀測站資料,比較了用日照百分率擬合與全國通用公式兩種方法計算的總輻射的誤差,結(jié)果表明:用日照百分率的計算方法,其月值和年值的平均相對誤差的絕對值都小于10%,其效果明顯優(yōu)于用全國通用公式。在貴州省,太陽總輻射是隨著海拔高度的增加而增加,故選擇日照百分率按照海拔高度來分別擬合月總輻射的方法,利用197120

2、00年的有關資料,計算了貴州省各地的總輻射,并分析了其空間分布特征。關鍵詞貴州太陽總輻射分布特征計算誤差目前,太陽輻射的計算方法可分為2類:一是統(tǒng)計模式方法,利用有限的地面輻射觀測站資料與影響太陽輻射的各類因子建立統(tǒng)計模型來計算;二是利用衛(wèi)星測值反演推算。由于受觀測資料的限制,國內(nèi)一般都采用統(tǒng)計方法,且基本上都是利用氣候?qū)W方法,可歸納為以下3種:Q=QOf(s,n),Q=Q1f(s,n),Q=Q2f(s,n)。Q為地表接收到的太陽總輻射,f(s,n)是以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數(shù),Q0、Q1、Q2分別為天文總輻射、晴天大氣總輻射、理想大氣總輻射,這3種基數(shù)值從3個不同的方面反映了太

3、陽輻射在受到云削弱前的狀態(tài),天文總輻射QO表征了太陽輻射在受到大氣削弱前的狀態(tài),可按天文公式比較精確地直接計算。理想大氣總輻射Q1考慮了干潔大氣中分子對輻射的影響,但理想大氣總輻射沒有包含大氣中削弱太陽輻射的主要因子水汽和氣溶膠的影響。晴天大氣總輻射Q2包含了實際大氣中水汽和氣溶膠對輻射削弱的影響,從而使系數(shù)能比較單純地依賴于云的光學性質(zhì)。從理論說,天文輻射是實際總輻射的第1近似,理想大氣總輻射是第2近似,晴天總輻射是第3近似,晴天總輻射應最接近于實際總輻射。祝昌漢2等利用全國日射資料站的實測輻射資料和日照百分率,分別用3種基數(shù)來擬合系數(shù)a、b和相對誤差，并統(tǒng)計它們的平均值和變異系數(shù)，得出a、

4、b系數(shù)的變異系數(shù)均以晴天總輻射為基數(shù)計算的最小,并且擬合的相對誤差也最小1。1計算方法與資料由于貴州省的輻射觀測站很少,以前有3個輻射站點,分別是貴陽站、威寧站和遵義站,而目前只有貴陽一個輻射站點了,其他地區(qū)的輻射狀況要依靠間接計算來獲得,故而計算方法的選取顯得十分重要。考慮到天文輻射可直接用公式計算得到和日照百分率資料的可取性,本文確定的公式為:Q=Q0(a+bs)式中:Q0為天文輻射，s為日照百分率。貴州省的地形起伏很大,東西海拔高度相差最大的達2700m以上,而海拔高度越高空氣越稀薄,對太陽輻射的削弱和阻擋作用越小,而且由于貴州省多陰雨天氣,空氣中的水汽含量較大,對太陽輻射的削弱更多,海

5、拔高度對太陽輻射的影響不可忽略。但是由于貴州省輻射站點稀少,歷史上只有3個不同海拔高度的輻射資料,不可能建立太陽輻射與海拔高度的相關方程,再加上南北緯距相差不大,最大約為4(最北的氣象站道真緯度為2853,最南的冊亨站緯度為2459)。從這個角度上考慮用海拔高度的不同來分區(qū)建模(柯曉新3以降雨量來分區(qū)建模以提高經(jīng)驗公式的精度),具體是:海拔小于900m的站點,用遵義作者簡介:胡家敏,女,1971年生,碩士,助工,主要從事生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象研究,Email:hujiamin71收稿日期:2021年11月20日;定稿日期:2021年5月29日氣象科技第36卷站建立的方程來計算太陽輻射;海拔大于900m

6、而小于1500m的站點,用貴陽站點資料建立的方程來計算太陽輻射;海拔大于1500m的所有站點用威寧站點資料建立的方程來計算太陽輻射。2月天文輻射計算方法的確定2.1日出日落時角的計算方法不考慮坡度坡向的平地的可照時數(shù)可由平地太陽日出日落的時角(0)公式:0=arccos-tantan(1)其中:為緯度;為赤緯,可利用以下公式:=0.006894-0.399512cos+0.072057sin-0.006799cos2+0.00089sin2-0.002697cos3+0.001480sin3式中:為日角,=2(n-1)/365,n為日序,從1365,1月1日為1,以次類推。2.2月天文總輻射的

7、計算由日天文輻射總量公式計算出日天文總輻射,然后逐日累加求出月天文總輻射。日天文輻射總量的計算公式4:00sinsin+sin0coscos)(3)式中:T為一天的周期(246060s),0為日落時角,為地理緯度,為太陽赤緯,I0為太陽常數(shù)(13.6710-4MJm-2s-1),為日地相對距離,即某天的日地距離(r)與日地平均距離(r0)的比值,可由下列公式求得:2 =(r/r0)2=1.000110+0.03221cos+0.001280sin+0.000719cos2+0.000077sin2由太陽赤緯、日落時角0、日地相對距離、緯度等數(shù)據(jù),利用VB編程計算出每日的天文輻射,再逐日累加求得

8、每月的天文輻射,得到貴州省全省各地的每月天文輻射。2. 3用日照百分率計算月總輻射及檢驗根據(jù)貴陽、遵義、威寧歷年各月的實測太陽總輻射和相應的日照百分率，用SPSS軟件和線性回歸方法,對逐月太陽輻射進行擬合,結(jié)果見表1。從表1可以看出各月的相關系數(shù)都在0.60以上,大部分在0.9以上,F值都遠遠大于F0.01,回歸方程有意義。表1貴陽、遵義、威寧站月太陽輻射計算公式中各月經(jīng)驗系數(shù)和統(tǒng)計檢驗值5bRFabRFa0.1140.7700.932184.90.0980.8580.86079.220.1220.7240.945227.032 月0.1330.6510.79849.1480.1110.776

9、0.910134.460.1690.6070.917142.013 月0.1230.5540.890102.650.1140.7460.916146.710.1360.6340.928166.964 月0.1710.4410.67423.350.1300.5930.84066.860.1770.5180.87789.735 月0.1590.4380.84067.310.1280.5670.87893.970.1630.5260.890102.366 月0.1530.4450.81956.850.1340.5560.921155.920.1790.4610.86479.167 月0.1040.5

10、570.893110.720.1680.4250.85475.500.1760.4720.86076.718 月0.1060.5670.86583.070.1490.4740.88096.160.1520.5430.918144.379 月0.1530.4970.76639.680.1280.5450.891107.720.1540.5510.906124.2110 月0.1300.5750.88092.950.1260.6280.893109.650.1080.7240.902117.3611 月0.1160.6910.900114.520.1090.7800.934190.530.1430

11、.6590.948238.6212 月0.1390.6390.85975.840.1270.6480.922158.950.1740.6000.906124.15采用表1各月擬合公式進行貴州省各個站點的月輻射總量的擬合,即用多年平均日照百分率（19712000年日照百分率資料）擬合多年平均月輻射值,計算擬合值與實測值的多年平均相對誤差（表2）。由表2可以看出各站擬合的相對誤差大都在10%之內(nèi),只有個別月份（貴陽3月,遵義8月）超過了10%。相對誤差基本上都是負值,這可能是貴州的陰天較多,用天文輻射作為基數(shù),在大氣中的水汽和氣溶膠對太陽輻射的削弱上考慮不夠,但是總體擬合的效果還是相當好的,這說明

12、用日照百分率建立的回歸方程具有一定的代表性,可以用來推算全省的太陽總輻射。第1期胡家敏等:貴州省太陽總輻射計算及其分布規(guī)律表2利用日照百分率計算的平均月總輻射與觀測值的相對誤差2 月-4-5-23 月-7-18-24 月-6-6-25 月-1-6-26 月-3-2-17 月-5-8-68 月-30-6-49 月-2-2-110 月50-411 月3-3-1全年2-6-22.4全國通用公式計算月總輻射利用朱志輝的多因子綜合法月值公式(全國通用公式)計算月總輻射,其公式為:Q=W(0.160+0.612X1+0.0384X1X2-0.00313X1X3-0.000469X2X3)式中,Q為月總輻射

13、,W為天文輻射月總量,X1為月平均日照百分率,X2為海拔高度(km),X3為月平均水汽壓(hPa)。由表3可以看出,用通用公式計算的多年平均月總輻射的相對誤差較用日照百分率擬合的結(jié)果大。比較得出,在貴州省用日照百分率擬合的公式優(yōu)于全國通用公式,與劉新安等用遼寧省的資料計算的結(jié)果是相反的。還可以看出,用通用公式計算的多年平均月總輻射的相對誤差是隨著海拔高度的增加而增加的而且基本上都是負值(除遵義的1月為0外),這可能是通用公式中的海拔訂正項系數(shù)在貴州是偏大的緣故。表3日照模型和通用公式計算的平均月總輻射與觀測值的相對誤差方法日照模型通用公式站點遵義貴陽威寧遵義貴陽威寧1 月-8-3-10-11-

14、92 月-4-5-2-2-11-103 月-7-18-2-13-17-84 月-6-6-2-14-17-115 月-1-6-2-14-20-236 月-3-2-1-22-24-387 月-5-8-6-17-22-408 月-30-6-4-13-19-349 月-2-2-1-12-18-3310 月50-4-8-12-2811 月3-3-1-6-12-1712 月4104-7-9全年2-6-2-10-16-22注:日照模型是指用日照百分率擬合公式計算的月總輻射。3 貴州省太陽總輻射的分布特征3.1太陽總輻射的年際變化圖1給出貴陽、威寧、遵義3站19611991年太陽總輻射的變化曲線?？梢钥闯瞿晏?/p>

15、陽總輻射基本上是隨著海拔高度的增加而增加,威寧的年太陽輻射為4262.335198.01MJm,貴陽的年太陽總輻射為2886.474351.07MJm,遵義的年太陽總輻射為2767.73816.8MJm-2。從變化趨勢來看,3站的年際變化呈現(xiàn)下降趨勢,其中貴陽和遵義每年的下降幅度分別達到30.46MJm-2和28.48MJm-2,而威寧的太陽總輻射變化不大,每年的下降幅度只為2.69MJm-2。威寧和貴陽的地理緯度相差不大(只差17),海拔高度相差大(相差1162.1m),由此可以看出海拔高度是影響太陽輻射的重要因子,按照海拔高度來分區(qū)擬合太陽輻射是可行的。3. 2太陽總輻射的空間分布圖2是貴

16、州省各地年平均太陽總輻射的分布圖,可以看出貴州省的年平均太陽總輻射分布特征是西部和西南部高,該區(qū)年平均太陽輻射大于4000MJm-2,中部低,年平均太陽輻射小于3500MJm-2。高值區(qū)出現(xiàn)在海拔最高的威寧(4594.80MJm),而威寧的多年平均日照百分率是最高的)-2圖119611991年貴陽、遵義、威寧太陽輻射變化曲線氣象科技第36卷MJm)。貴州省多年平均太陽輻射在3149.164594.80MJm-2之間,據(jù)研究太陽總輻射一般大于5016MJm-2才有利用價值,很明顯貴州省的太陽輻射值很低不好利用。根據(jù)王炳忠等的太陽能區(qū)劃指標和結(jié)果:太陽能資源較貧帶的總輻射年總量為41765040M

17、Jm-2,太陽能資源貧乏帶的總輻射年總量不足4176MJm太陽總輻射屬于貧乏帶或較貧乏帶。變量擬合的太陽輻射效果良好,年輻射多年平均相對誤差小于10%,擬合結(jié)果可靠(2) 利用全國通用公式計算的月總輻射的效果要比用日照百分率擬合的效果差。(3) 貴州省的地理緯度差異小,年太陽總輻射有隨著海拔高度的增加而增加的趨勢威寧的年太陽輻射(4594.80MJm)最高。(4) 貴州省年太陽總輻射在3149.164594.80MJm-2之間,屬于貧乏帶或較貧乏帶。參考文獻1 白建輝,王庚辰.影響太陽總輻射各主要因子的分析J.高原氣象,1994,13(4):485-488.2 祝昌漢.再論總輻射氣候?qū)W計算方法

18、(一)J.南京氣象學院學報,1982,5(1):15-24.3 柯曉新.甘肅省太陽輻射氣候?qū)W計算J.甘肅氣象,1994,12(1):18-21.4 王建源,馮建設.山東省太陽輻射的計算及其分布J.氣象科技,2021,34(1):98-100.5 林正云.福建省太陽能總輻射和地面輻射平衡的分布J.太陽能學報,1994,15(3):248-256.圖2貴州省年平均太陽總輻射(MJm)分布6劉新安,范遼生.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征J.資源科學,2002,24(1):83-87.7王炳忠.中國太陽能資源利用區(qū)劃J.太陽能學報1983,4(3):221-228.(1)貴州省以天文輻射為基數(shù),

19、以日照百分率為CalculationMethodandDistributionalCharacteristicsofSolarGlobalRadiationinGuizhouProvinceHuJiaminWuZhanpingChenZhongyunXuYongling(1GuizhouKeyLaboratoryofMountainousClimateandResources,2GuizhouProvincialClimateCenter,Guiyang550002)Abstract:ByusingtheobservationdatafromonlythreesolarradiationstationsinGuizhouProvince,com-pariso