武漢與宜昌太陽(yáng)總輻射與氣象要素的關(guān)系對(duì)比研究.doc

武漢與宜昌太陽(yáng)總輻射與氣象要素的關(guān)系對(duì)比研究 王麗娟，陳正洪，成馳，王俊超 （湖北省氣象服務(wù)中心，武漢；中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢） 摘要：利用武漢市及宜昌市年逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量和氣象要素（氣溫、相對(duì)濕度、云量等）實(shí)況觀測(cè)資料，對(duì)比分析兩地逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與氣象要素的關(guān)系。研究結(jié)果表明，太陽(yáng)總輻照量具有明顯的季節(jié)差異，武漢總輻照量值較宜昌地區(qū)顯著偏大；兩地太陽(yáng)總輻照量與各氣象要素相關(guān)性大體類似，不同的是宜昌氣溫、相對(duì)濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢好；詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了（低、總）云量與總輻照量的相關(guān)關(guān)系，對(duì)各種天氣類型（陰、晴等）進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)（低、總）云量對(duì)總輻照量影響很大，云量與太陽(yáng)總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)；最高（低）氣溫與總輻照量最大（?。┲荡嬖跁r(shí)間差；兩地夏冬兩季相對(duì)濕度與總輻照量呈現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)。 關(guān)鍵詞：氣象要素；云量；相關(guān)分析；太陽(yáng)總輻照量 ：A：0439114（15）010073-05 ：18 iesbetweenin ， （，；，） ：tincluding，wasbasedonedtdTwasthatinswere.Twasthe，werethatof（，）ed（，）d.Twasnegativewasbias（）（）eatinehadlynegative ：； ： 基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（）；氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目（） 作者簡(jiǎn)介：王麗娟（），女，青海西寧人，工程師，主要從事行業(yè)氣象服務(wù)及太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)報(bào)，（電話）（電子信箱） 。 太陽(yáng)輻射是地球上最重要的能量。大氣和地面接收到的太陽(yáng)輻射與地球氣候系統(tǒng)之間關(guān)系密切。氣候變化過(guò)程中，云、水汽、氣溶膠等因素對(duì)太陽(yáng)輻射的增多和減少起著重要作用，我國(guó)學(xué)者做了一些引起這種變化的可能原因及變化對(duì)能量收支、植被生長(zhǎng)及人類生活環(huán)境等方面影響的研究。我國(guó)氣候多變，地形復(fù)雜，本研究選取武漢及宜昌兩地區(qū)總輻照量、（低、總）云量、水汽及氣溫等觀測(cè)資料來(lái)分析太陽(yáng)總輻照量變化的特征及規(guī)律，進(jìn)一步了解其與氣溫、云量等氣象要素的關(guān)系，從而結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法對(duì)太陽(yáng)總輻照量做出比較有效的預(yù)報(bào)。 與處理 由于年以前的太陽(yáng)總輻照量資料缺失，以及從年開(kāi)始（低、總）云量的觀測(cè)方式由原來(lái)的每日逐時(shí)改為一天次（：、：、：及：），為保證觀測(cè)資料時(shí)間上的連續(xù)，選取的氣象資料為武漢市氣象站和宜昌市氣象站年每日逐時(shí)（：）太陽(yáng)總輻照量（單位：）及同期逐時(shí)氣象要素（氣溫、云量及相對(duì)濕度等）的觀測(cè)資料。本研究的氣象觀測(cè)資料均為北京時(shí)間，輻射為地方時(shí)滯后一些。其中粗略的分季按照月為春季，月為夏季，月為秋季，月為冬季。 太陽(yáng)總輻照量與氣象要素的關(guān)系 首先分析武漢及宜昌地區(qū)年太陽(yáng)總輻照量情況，將兩年的總輻照量逐月相加得圖。由圖可見(jiàn)，兩地夏季（月）太陽(yáng)總輻照量值最大，冬季（月）總輻照量值最小，即太陽(yáng)輻射有較明顯的四季差異性；武漢地區(qū)逐月太陽(yáng)總輻照量值大多數(shù)時(shí)間均大于宜昌地區(qū)，在年月尤其顯著。 在太陽(yáng)輻射到達(dá)地球表面的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樵频姆瓷浜蜕⑸?、氣溶膠的散射和吸收、水汽的吸收、大氣的分子散射和氣體吸收等作用而被削弱，同時(shí)這些因子在時(shí)空分布的變化也會(huì)在不同程度上引起太陽(yáng)總輻照量的變化，下面分析它們之間的相互關(guān)系。 從表和表可以看出，武漢地區(qū)四季氣溫與總輻照量正相關(guān)且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)濕度及（低、總）云量與總輻照量相關(guān)性較好，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。風(fēng)速與總輻照量極弱相關(guān)，其只是間接體現(xiàn)了天氣系統(tǒng)的影響，風(fēng)速均通過(guò)了的顯著性檢驗(yàn)，可能與統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)較少有關(guān)。此外，水汽壓與總輻照量無(wú)顯著相關(guān)，沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。宜昌地區(qū)與武漢地區(qū)總的情況類似，不同的是氣溫、相對(duì)濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢要差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性較好。 總輻照量與云的相關(guān)分析 云是大氣中水汽相變的產(chǎn)物，它對(duì)太陽(yáng)輻射影響很大，且其物理形成機(jī)制及變化比較復(fù)雜，是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)及難點(diǎn)。在本研究所用的觀測(cè)資料中，只有（低、總）云量可以直接或間接地反映云的變化。選取宜昌及武漢市年逐日：、：、：、：共個(gè)時(shí)次的總云量、低云量和：、：、：共個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)總輻照量，按四個(gè)季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各季總、低云量和太陽(yáng)總輻照量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表和表為武漢、宜昌兩地夏季（月）太陽(yáng)總輻射量與（低、總）云量的對(duì)應(yīng)關(guān)系（其他季節(jié)略）。 從表和表可以看出，總輻照量受（低、總）云量影響很大，在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，即使是同一季節(jié)，同樣是總、低云量均為，兩地的太陽(yáng)總輻射量也有一定差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，武漢在夏季受到副熱帶高壓控制，晴好天氣多，且其處于長(zhǎng)江流域河谷中，多湖泊，地面散熱困難，導(dǎo)致高溫高濕。而宜昌地區(qū)位于鄂西南地區(qū)，夏季常處在副熱帶高壓邊緣，有降水系統(tǒng)的活動(dòng)，炎熱的午后常有雷陣雨出現(xiàn)，氣溫及太陽(yáng)輻射都會(huì)有所減弱。 通過(guò)對(duì)總輻照量值與（低、總）云量的比較不難看出，晴天即低云量為成，或總云量為成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；少云即低云量為成，或總云量為成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；多云即低云量為成，或總云量為成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)；陰即低云量為成，或總云量為成，或者兩者同時(shí)出現(xiàn)。總的來(lái)說(shuō)，云量的增加（減少）會(huì)引起地面太陽(yáng)總輻照量的減少（增加），云量與太陽(yáng)總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)。然而，云量的變化可能并不是導(dǎo)致這些地區(qū)太陽(yáng)輻射發(fā)生變化的主要原因，大氣中的其他因素如氣溶膠等，也會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生重要的影響。 總輻照量與氣溫的相關(guān)分析 一般而言，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射的減少或增加勢(shì)必引起氣溫發(fā)生相應(yīng)的變化，但由于城市“熱島效應(yīng)”等諸多因素，到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射并不一定能決定氣溫變化的方向。實(shí)際觀測(cè)與理論計(jì)算都表明，大氣的加熱主要是通過(guò)地表對(duì)大氣的長(zhǎng)波輻射。挑選差異較為明顯的冬夏兩季，單純從氣溫與總輻照量日變化圖（圖、圖）分析發(fā)現(xiàn)，武漢、宜昌情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但是兩者有一定的時(shí)間差。這可能有兩方面的原因：一是總輻照量采用地方時(shí)間較北京時(shí)間滯后一些；二是由于當(dāng)太陽(yáng)輻射達(dá)到最大值時(shí)，近地面空氣除了吸收太陽(yáng)的短波輻射，還吸收了地面的長(zhǎng)波輻射（地面反射的太陽(yáng)輻射），熱量達(dá)到最大值，氣溫才能達(dá)到最高值。氣溫最高值一般出現(xiàn)在午后，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在相同的情況。 總輻照量與相對(duì)濕度的相關(guān)分析 目前，水汽對(duì)短波太陽(yáng)輻射的吸收僅相當(dāng)于氣溶膠對(duì)太陽(yáng)直接輻射削弱的左右，但水汽仍然是影響太陽(yáng)輻射大氣傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因子，描述水汽含量時(shí)常用相對(duì)濕度作為大氣中水汽含量的表征。通過(guò)冬夏季情況的比較來(lái)分析總輻照量與相對(duì)濕度的關(guān)系，首先分析年夏季（月）的情況，武漢市兩年逐時(shí)總輻照量的均值是，相對(duì)濕度的均值是，宜昌市兩年逐時(shí)總輻照量均值是，相對(duì)濕度的均值是；再分析年冬季（月）的情況，武漢市兩年逐時(shí)總輻照量的均值是，相對(duì)濕度的均值是，宜昌市逐時(shí)總輻照量的均值是，相對(duì)濕度的均值是。結(jié)果表明，宜昌地區(qū)冬夏季相對(duì)濕度均值總是大于武漢，這可能是由宜昌地區(qū)的地理特點(diǎn)決定的。控制水汽壓及風(fēng)速，兩地年總輻照量與相對(duì)濕度偏相關(guān)分析的結(jié)果見(jiàn)表?？傮w來(lái)說(shuō)，偏相關(guān)系數(shù)與相關(guān)系數(shù)相差不大，不同的是宜昌夏季總輻照量與相對(duì)濕度的相關(guān)性要好于武漢，因此可以確定相對(duì)濕度是總輻照量的一個(gè)主要影響因素。 分析夏季時(shí)武漢及宜昌地區(qū)的總輻照量與相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)圖，可見(jiàn)兩年間武漢、宜昌兩地太陽(yáng)總輻照量各季逐時(shí)變化與相對(duì)濕度變化呈負(fù)相關(guān)，且通過(guò)的顯著性檢驗(yàn)。 小結(jié)與討論 按季節(jié)對(duì)武漢、宜昌兩地進(jìn)行逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與氣象要素相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩地情況大致類似，氣溫與總輻照量呈正相關(guān)且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)濕度及（低、總）云量與總輻照量相關(guān)性較好，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。此外，水汽壓與總輻照量無(wú)顯著相關(guān)，沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。不同的是宜昌地區(qū)氣溫、相對(duì)濕度及低云量與總輻照量的相關(guān)性比武漢差，而總云量與總輻照量的相關(guān)性較好。 云量是影響太陽(yáng)輻射的最重要的因子之一。本文著重分析了（低、總）云量對(duì)太陽(yáng)總輻照量的重要影響，選取宜昌及武漢市年逐日：、：、：、：共個(gè)時(shí)次的總云量、低云量和：、：、：共個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)總輻照量，按照四個(gè)季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：區(qū)分晴、陰天氣的情況下，兩地總的來(lái)說(shuō)都遵循著云量的增加（減少）會(huì)引起地面太陽(yáng)總輻照量的減少（增加），云量與太陽(yáng)總輻照量存在比較明顯的負(fù)相關(guān)。但值得一提的是，云量和太陽(yáng)輻射之間關(guān)系很復(fù)雜，難以解釋。由于數(shù)據(jù)有限，本文僅分析了（低、總）云量對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，還有氣溶膠、下墊面性質(zhì)等諸多影響因素尚未引入分析，因此該地區(qū)太陽(yáng)輻射變化的確切影響機(jī)制，尚需要進(jìn)一步的研究。 氣溫與總輻照量的相關(guān)性不大，實(shí)際觀測(cè)與理論計(jì)算都表明，大氣的加熱主要是通過(guò)地表對(duì)大氣的長(zhǎng)波輻射，湍流熱交換及潛熱交換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，。但單純分析冬夏兩季日變化，武漢、宜昌兩地情況類似，氣溫基本上與總輻照量變化方向一致，總輻照量值越大，氣溫就越高，但兩者有一定的時(shí)間差，這是因?yàn)楫?dāng)太陽(yáng)輻射達(dá)到最大值時(shí)，近地面空氣除了吸收太陽(yáng)的短波輻射，還吸收了地面的長(zhǎng)波輻射，熱量達(dá)到最大值，氣溫才能達(dá)到最高值，最高氣溫一般出現(xiàn)在午后。同樣地，最低氣溫與總輻照量的最小值也存在時(shí)間差。這些情況說(shuō)明氣溫不單受太陽(yáng)輻射的影響，還與下墊面的地理特征等有關(guān)。通過(guò)相對(duì)濕度與總輻照量偏相關(guān)分析及對(duì)比兩者年隨時(shí)間變化圖可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度與總輻照量呈負(fù)相關(guān)。 本研究資料僅限于武漢及宜昌兩站每日逐時(shí)的太陽(yáng)總輻照量和氣象要素的資料，太陽(yáng)輻射是大范圍長(zhǎng)期作用的因素，僅兩站短期資料可能難以精確反映普遍規(guī)律。 上述氣象要素與太陽(yáng)總輻照量之間復(fù)雜、不穩(wěn)定的關(guān)系，并非本研究的研究區(qū)域所特有，而是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究中所面臨的共同難點(diǎn)，其中可能包含了比較復(fù)雜但也相當(dāng)重要的科學(xué)問(wèn)題，值得進(jìn)行深入的分析。 參考文獻(xiàn)： 李韌，季國(guó)良，楊文，等敦煌地區(qū)晴空散射輻射影響因子的統(tǒng)計(jì)特征高原氣