拉薩地區(qū)太陽能資源變化特征分析及評估

拉薩地區(qū)太陽能資源變化特征分析及評估楊富程;孫周;韓二紅【摘要】利用線性回歸分析法、10年滑動平均法和Mann-Kendall檢驗法，分析了拉薩地區(qū)太陽總輻射量和日照時數(shù)變化特征.拉薩地區(qū)太陽總輻射量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，一年巾太陽總輻射量的分布呈現(xiàn)單峰型,5月最高,12月最低;年日照時數(shù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，各月日照時數(shù)差異不大，全年日照時數(shù)呈雙峰型,10月日照時數(shù)最大,8月日照時數(shù)最小.對拉薩地區(qū)太陽能資源的分析和評估結果表明:拉薩地區(qū)多年平均年太陽總輻射量為7473.3MJ/m2,屬于太陽能資源最豐富區(qū);太陽能資源穩(wěn)定程度指標為1.89,穩(wěn)定程度高，且直接輻射占主導，有利于進行太陽能資源的開發(fā)利用.【期刊名稱】《可再生能源》【年(卷)，期】2014(032)012【總頁數(shù)】6頁(P1791-1796)【關鍵詞】太陽總輻射量;日照時數(shù);拉薩地區(qū);太陽能資源【作者】楊富程;孫周;韓二紅【作者單位】四川電力設計咨詢有限責任公司,四川成都610020;四川電力設計咨詢有限責任公司,四川成都610020;四川電力設計咨詢有限責任公司,四川成都610020【正文語種】中文【中圖分類】TK5110引言太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，地球上的風能、水能、海洋能和生物質能以及部分潮汐能等都來源于太陽能。目前，世界各國都非常關注太陽能資源的開發(fā)利用工作。作為適于大規(guī)模電力供應的補充方式，太陽能光伏發(fā)電或光熱發(fā)電受到越來越多的重視[1]~[3]。太陽輻射強度和日照時數(shù)是太陽能資源評價的兩個常用指標，分析其變化特征，不但對開發(fā)太陽能資源、調整能源結構具有重要的作用，而且對認識氣候資源變化以及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。近年來，一些學者對太陽輻射和日照時數(shù)的變化進行了深入研究和分析。Wild指出，1950~1990年，全球大部分區(qū)域的輻射量呈現(xiàn)下降趨勢，也就是所謂全球〃變暗”；從上世紀80年代中后期到2000年，在北半球以及南半球的澳大利亞和南極等地，到達地面上的太陽輻射量逐漸增加，即所謂全球〃變亮”[4]。自20世紀90年代開始，我國科學工作者對太陽輻射量長期變化的研究和分析表明，I960~1990年我國大部分地區(qū)的太陽輻射量呈明顯下降趨勢，但下降幅度略有差異；從1990年始，太陽輻射量出現(xiàn)回升[5],[6]。對日照時數(shù)變化特征研究表明，從1960年至今，我國大部分地區(qū)日照時數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢[1],[7]。拉薩地區(qū)屬于高原溫帶半干旱季風氣候，受下沉氣流的影響，全年多晴朗天氣，降雨稀少，冬無嚴寒，夏無酷暑。全年日照時間在3000h以上，素有“日光城”的美譽。本文對拉薩太陽總輻射量和日照時數(shù)的變化特征及內在規(guī)律進行分析研究，以期對當?shù)靥柲苜Y源的合理有效利用提供科學的依據(jù)和理論參考。1資料和分析方法1.1資料本文的主要數(shù)據(jù)資料為拉薩市1961-2013年逐月太陽總輻射量和1955-2013年逐月日照時數(shù)。文中3~5月為春季，6~8月為夏季，9~11月為秋季，12月~次年2月為冬季。1.2分析方法本文通過線性回歸分析法、距平分析法對拉薩地區(qū)太陽輻射量和日照時數(shù)進行了趨勢分析，并通過10年滑動平均法和Mann-Kendall(M-K)秩次相關性檢驗法進一步驗證和分析了拉薩地區(qū)近幾十年來太陽總輻射量和日照時數(shù)的變化特征，并依據(jù)太陽能資源的豐富程度、穩(wěn)定程度和直射比，對拉薩地區(qū)太陽能資源進行評估［8］，［9］。2太陽總輻射量變化特征太陽總輻射是太陽直接輻射與散射輻射之和，太陽能資源的多寡以太陽總輻射量來度量，它直接反映了太陽能資源的可開發(fā)程度。一般認為，影響陸面太陽輻射狀況的因子主要有4大類：天文因子、地表因子、大氣因子和人類活動［10］。2.1年際變化特征拉薩地區(qū)1961-2013年平均太陽總輻射量為7473.3MJ/m2，是我國太陽能資源豐富地區(qū)之一。1960年以來拉薩地區(qū)太陽總輻射量年際變化如圖1所示。圖1拉薩地區(qū)太陽總輻射量年際距平變化過程線Fig.1AnnualvariationsofglobalsolarirradianceanomaliesinLhasaarea圖2拉薩地區(qū)四季太陽總輻射量距平年際變化過程線Fig.2SeasonalvariationsofglobalsolarirradianceanomaliesinLhasaarea由圖1可知：①拉薩地區(qū)年太陽總輻射量呈現(xiàn)下降趨勢，降幅為160.3(MJ-m-2)/10a。太陽總輻射年總量最高值出現(xiàn)在1965年，為8609.4MJ/m2;最低值出現(xiàn)在1991年，為5595.3MJ/m2，最高值與最低值之差為3014.1MJ/m2。②從歷年太陽總輻射量10年滑動平均距平值來看，上世紀90年代以前，拉薩地區(qū)年太陽總輻射量總體呈現(xiàn)較大的下降趨勢。從70年代末到80年代初，年太陽總輻射量的變化較為平緩；從80年代末至90年代末，年太陽總輻射量呈現(xiàn)一個短暫的、較大的上升趨勢；從本世紀開始，年太陽總輻射量呈現(xiàn)上下波動狀態(tài)，但振幅較小。③從不同年代的太陽總輻射量來看，上世紀60年代和70年代為拉薩地區(qū)太陽總輻射量高值時段，遠高于多年平均值；80年代和90年代為太陽總輻射量低值時段，遠低于多年平均值。自本世紀以來，年代太陽總輻射量平均值接近多年平均太陽總輻射量的平均值。這與世界各國對太陽總輻射量的研究結果相吻合。上世紀60年代以來，拉薩地區(qū)四季太陽總輻射量變化如圖2所示。由圖2可知：1961-2013年，拉薩地區(qū)春、夏、秋和冬季的季節(jié)太陽總輻射量呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中總輻射量下降幅度最小的是春季，下降的幅度為33.2(MJ-m-2)/10a;下降幅度最大的是夏季，下降幅度為46.6(MJ?m-2)/10a。從不同年代太陽總輻射量來看，上世紀60年代和70年代，拉薩地區(qū)4個季節(jié)的太陽總輻射量平均值均高于多年平均值；80年代和90年代，4個季節(jié)的太陽總輻射量平均值均低于多年平均值；本世紀前10年，春季和秋季的太陽總輻射量平均值高于多年平均值，夏季和冬季的太陽總輻射量平均值低于多年平均值。采用M-K法對拉薩年太陽總輻射量、各季節(jié)太陽總輻射量和各月太陽總輻射量的序列進行檢驗，檢驗結果如圖3。由圖可知，拉薩地區(qū)1961-2013年太陽總輻射量的M-K檢驗值小于零，說明總輻射量呈下降趨勢，并且通過99%的顯著性置信檢驗。拉薩地區(qū)四季太陽輻射總量均呈現(xiàn)不同的下降趨勢，春季通過95%的顯著性置信檢驗，其余3季均通過99%的顯著性置信檢驗；拉薩各月太陽總輻射量均呈現(xiàn)下降趨勢，其中1,2,7,10,11,12月的總輻射量通過99%顯著性置信檢驗，3,4,5,6,8月的總輻射量通過95%顯著性置信檢驗，9月的太陽總輻射量通過90%顯著性置信檢驗。圖3拉薩地區(qū)各時段太陽總輻射量M-K法統(tǒng)計檢驗值Fig.3M-KstatisticstestvalueofglobalsolarirradianceatdifferentperiodsinLhasaarea2.2年內變化特征圖4為拉薩地區(qū)1961-2013年的多年平均太陽總輻射量年內變化特征圖。圖4拉薩地區(qū)年內各月太陽總輻射量變化圖Fig.4MonthlyvariationsofglobalsolarirradianceinLhasaarea圖4顯示，年內各月平均太陽總輻射量呈現(xiàn)單峰型，其中5月份的多年平均太陽總輻射量最高，為785MJ/m2,6月和7月次之；12月的平均太陽總輻射量最低，為462MJ/m2,1月次之。從季節(jié)來看，年內太陽輻射量從大到小依次為夏季(2186MJ/m2)＞春季(2093MJ/m2)＞秋季(1740MJ/m2)＞冬季(1453MJ/m2)。3日照時數(shù)變化特征日照時數(shù)是表征太陽光照時間長短的物理量，它表示某地太陽能資源可被利用時間的多少。影響日照時數(shù)的氣象因子很多，通常主要因子有云量、水氣壓、降水等[11],[12]。3.1年際變化特征圖5為拉薩地區(qū)多年日照時數(shù)距平的變化過程線。由圖可見，拉薩地區(qū)1955~2013年平均日照時數(shù)長達3010.4h；年日照時數(shù)最大值出現(xiàn)于2009年，為3245.2h，最小值出現(xiàn)于2000年，為2672.9h。拉薩地區(qū)多年的年日照時數(shù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，減幅為1.4h/10a。1995年以前日照時數(shù)振蕩幅度較小，上世紀90年代末至本世紀，日照時數(shù)振幅相比以前較大。上世紀50年代、80年代和2010-2013年的年日照時數(shù)平均值大于多年平均值；上世紀60年代、70年代的年日照時數(shù)平均值與多年日照時數(shù)平均值大致相當；90年代和本世紀前10幾年,年日照時數(shù)平均值低于多年平均日照時數(shù)。圖5拉薩地區(qū)日照時數(shù)距平值年際變化特征曲線Fig.5AnnualvariationsofsunshinedurationanomaliesinLhasaarea表1給出了拉薩地區(qū)不同年代日照時數(shù)距平值的平均值。表2為各時段的M-K檢驗值。表1拉薩不同年代日照時數(shù)距平值的平均值Table1AveragedsunshinedurationanomaliesatdifferenttimeperiodsinLhasaarea（h）時段1955~1959年1960~1969年1970~1979年1980~1989年1990~1999年2000~2009年2010~2013年年25.2010.221.7-46.8-31.9112.4春季-25.5-5.259.3-7.0-0.8-2.739.6夏季26.7-14.6-39.99.6-13.2-12.828.7秋季38.25.3-3.911.9-20.6-8.216.4冬季-28.414.147.64.5-10.1-7.124.6表2拉薩地區(qū)各時段日照時數(shù)M-K法統(tǒng)計檢驗值Table2M-KstatisticstestvalueofsunshinedurationatdifferenttimeperiodsinLhasaarea時段1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年Z值-0.81.72.81.0-0.60.1-0.3-0.3-0.6-1.0-1.6-1.6-0.1表1顯示，從年日照時數(shù)來看，只有上世紀90年代和本世紀前10年的平均日照時數(shù)少于多年平均日照時數(shù)，其中2010~2013的年日照時數(shù)平均值遠高于多年平均日照時數(shù)。從四季日照時數(shù)來看，上世紀60年代，春季和夏季的年代日照時數(shù)少于同期平均日照時數(shù)；70年代，春季和冬季的日照時數(shù)增長比較明顯，夏季日照時數(shù)減少比較明顯；80年代春季的年日照時數(shù)平均值低于同期多年平均日照時數(shù)，其余3季的日照時數(shù)均大于多年平均值；上世紀90年代和本世紀的2000~2009年，四季平均日照時數(shù)均低于同期多年平均值；2010~2013年日照時數(shù)增幅較大，以春季最為顯著。由表2可知，拉薩地區(qū)年日照時數(shù)M-K統(tǒng)計檢驗值小于零，說明年日照時數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，但未通過顯著性檢驗。2,3,4,6月的M-K檢驗值小于零，說明這4個月的日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。2月份的日照時數(shù)系列通過90%的顯著性置信檢驗；3月的日照時數(shù)系列通過99%的顯著性置信檢驗；其余月份日照時數(shù)系列的M-K檢驗值均小于零，呈現(xiàn)下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗。3.2年內變化特征圖6為拉薩各月日照時數(shù)變化圖。圖6拉薩地區(qū)年內各月日照時數(shù)變化圖Fig.6MonthlyvariationsofsunshinedurationinLhasaarea從圖6可見：①拉薩多年各月平均日照時數(shù)年內變化幅度不大，日照時數(shù)最長的是10月份，日照時數(shù)為282.2h；其次是5月份，日照時數(shù)為280.4h；日照時數(shù)最短的是8月份，為222.1h。日照時數(shù)最長月份和最短月份相差僅60.1h。②拉薩年內日照時數(shù)的分布呈現(xiàn)雙峰結構，兩個峰值出現(xiàn)在太陽高度角比較大、雨季開始前的5月份和雨季結束后的10月份，兩個谷值出現(xiàn)在太陽高度角比較小的2月份和8月份。③從季節(jié)來看，年內日照時數(shù)為秋季（787.2h）＞春季（774.1h）＞冬季（739.8h）＞夏季（708.7h）。4太陽能資源評估4.1太陽能資源豐富程度評估以太陽總輻射的年總量為指標進行太陽能資源豐富程度評估。資源豐富程度分為4個等級（表3）。表3太陽能資源豐富程度等級Table3Richnessgradeofsolarenergyresources等級資源豐富程度太陽總輻射年總量/MJ-m-2I資源最豐富＞6300H資源很豐富5040-63000資源豐富3780-5040IV資源一般＜37801961-2013年拉薩地區(qū)多年平均太陽總輻射年總量為7473.3MJ/m2。因此，拉薩地區(qū)屬于太陽能資源最豐富區(qū)。4.2太陽能資源穩(wěn)定程度評估一年中各月日照時數(shù)大于6h的日數(shù)最大值與最小值的比值，可反映當?shù)靥柲苜Y源全年變幅的大小，比值越小說明全年太陽能資源越穩(wěn)定，越利于太陽能資源的利用。計算公式為式中：K為太陽能資源穩(wěn)定程度指標，Kv2為穩(wěn)定，2驅“為較穩(wěn)定，K>4為不穩(wěn)定；day1,day2，…，day12為1~12月各月的日照時數(shù)大于6的日數(shù)。圖7顯示了拉薩地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定程度的年變化。1955-2013年，拉薩地區(qū)最大火值出現(xiàn)在1998年（K=3.22）；最小K值出現(xiàn)在2009年（K=1.30）;多年平均K值為1.89。由此可知，拉薩地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定程度較高，有利于太陽能資源的開發(fā)利用。圖7拉薩地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定程度逐年變化過程線Fig.7AnnualvariationsofsolarenergyresourcestabilityinLhasaarea4.3直射比直射比是指直接輻射占總輻射量的比例［13］。采用直射比作為衡量指標可將全國太陽能資源分為4個等級（表4）。拉薩地區(qū)1961-2013年直接輻射量多年平均值為5364.51MJ/m2，多年平均直射比為0.72，可見拉薩地區(qū)為直接輻射占主導（A）的太陽輻射形式等級。表4太陽輻射形式等級Table4Levelofsolarirradianceform太陽輻射描述符號分級閾值直接輻射主導ARx>0.6直接輻射較多B0.5<Rx<0.6散射輻射較多C0.35<Rx<0.5散射輻射主導DRx<0.355結論拉薩地區(qū)年太陽總輻射量呈下降趨勢，且通過99%顯著性檢驗。1961-1990年太陽總輻射量下降趨勢顯著；從上世紀90年代初至2000年，太陽總輻射量逐漸增加。拉薩地區(qū)四季太陽總輻射量均呈現(xiàn)下降趨勢，且均通過95%的顯著性檢驗。一年四季太陽總輻射量從大到小依次為夏季〉春季〉秋季〉冬季。拉薩地區(qū)年日照時數(shù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，減幅為1.4h/a。上世紀90年代和本世紀前10年，拉薩地區(qū)年日照時數(shù)的減幅較大；2010-2013年日照時數(shù)增幅較大，尤其以春季增幅最為顯著；一年四季日照時數(shù)從長到短依次為秋季〉春季〉冬季〉夏季。拉薩地區(qū)屬于我國太陽能資源最豐富區(qū)，太陽能資源穩(wěn)定程度較高，且其直接輻射占主導，有利于進行太陽能資源的開發(fā)利用。參考文獻：[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.4-10.WangChanggui,WangSicheng.Solarphotovoltaicpowergenerationutilitytechnology[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2009.4-10.齊冰，邵碧嘉，杜榮光.杭州太陽能資源變化特征及評估[J].科技通報，2012,28(5):59-61.QiBing,ShaoBijia,DuRongguang.CharacteristicsandassessmentofsolarenergyresourcesvariationinHangzhou[J].BulletinofScienceandTechnology,2012,28(5):59-61.沈瑱，曾燕，肖卉，等.江蘇省日照時數(shù)的氣候特征分析[J].氣象科學，2007,27(4):425-429.Shenzhen,ZengYan,XiaoHui,etal.Changesofsunshinehoursintherecent40yearsoverJiangsuprovince[J].ScientiaMeteorologicaSinica,2007,27(4):425-429.WildM,GilgenH,RoeschA,etal.Fromdimmingtobrightening:decadalchangesinsolarradiationatEarth'ssurface[J].Science,2005,308:847-850.[5]彭艷，王釗，李星敏，等.近50a西安太陽輻射變化特征及相關影響因子分析[J].干旱區(qū)地理，2012，35（5）：738-740.PengYan，Wangzhao，LiXingmin，etal.VariationofsurfacesolarradiationanditsimpactfactorsofXi'aninrecent50years[J].AridLandGeography，2012，35（5）：738-740.LiangF，XiaXA.Long-termtrendsinsolarradiationandtheassociatedclimaticfactorsoverChinafor1961-2000[J].AnnGeophys，2005，23:2425-2432.陳碧輝，張平，郝可俊，等.近50年成都市日照時數(shù)變化規(guī)律[J].氣象科技，2008，26（6）：760-763.ChenBihui，ZhangPing，HaoKejun，etal.VariationcharacteristicsofsunshinedurationinChengduinrecent50years[J].MeteorologicalScienceandTechnology，2008，26（6）：760-763.陳娟，徐丹丹，羅宇翔，等.近50年來云貴高原太陽輻射變化特征及影響[J].長江流域資源與環(huán)境，2012,21（1）：180-181.ChenJuan,XuDandan,LuoYuxiang,etal.ChangesinsolarradiationandtheirclimaticinfluencesoverYunnan-Guizhouplateaufor1961-2009[J].ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin,2012,21（1）：180-181.符淙斌，王強.氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學，1992,16（4）:482-493.FuZongbin,WangQiang.Thedefinitionanddetectionoftheabruptclimaticchange[J].ScientiaAtmophericaSinica,1992,16（4）：482-493.劉昌明，劉肖莽，鄭紅星，等.海河流域太陽輻射變化及其原因分析[