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(dòng)平均法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法，分析了拉薩地區(qū)太陽總輻射量和日照時(shí)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(shí)數(shù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，各月日照時(shí)數(shù)差異不大，全年日照時(shí)數(shù)呈雙峰型,10月日照時(shí)數(shù)最大,8月日照時(shí)數(shù)最小.對拉薩地區(qū)太陽能資源的分析和評估結(jié)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(biāo)為1.89,穩(wěn)定程度高，且直接輻射占主導(dǎo)，有利于進(jìn)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(guān)鍵詞】太陽總輻射量;日照時(shí)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(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川成都610020;四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川成都610020;四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)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(fēng)能、水能、海洋能和生物質(zhì)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(guān)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(yīng)的補(bǔ)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(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)是太陽能資源評價(jià)的兩個(gè)常用指標(biāo)，分析其變化特征，不但對開發(fā)太陽能資源、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有重要的作用，而且對認(rèn)識氣候資源變化以及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。近年來，一些學(xué)者對太陽輻射和日照時(shí)數(shù)的變化進(jìn)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(jì)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(dá)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(jì)90年代開始，我國科學(xué)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(shí)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(shí)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(fēng)氣候，受下沉氣流的影響，全年多晴朗天氣，降雨稀少，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。全年日照時(shí)間在3000h以上，素有“日光城”的美譽(yù)。本文對拉薩太陽總輻射量和日照時(shí)數(shù)的變化特征及內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析研究，以期對當(dāng)?shù)靥柲苜Y源的合理有效利用提供科學(xué)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(shí)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(shí)數(shù)進(jìn)行了趨勢分析，并通過10年滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall(M-K)秩次相關(guān)性檢驗(yàn)法進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(rèn)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(dòng)［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(dòng)平均距平值來看，上世紀(jì)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(gè)短暫的、較大的上升趨勢；從本世紀(jì)開始，年太陽總輻射量呈現(xiàn)上下波動(dòng)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(jì)60年代和70年代為拉薩地區(qū)太陽總輻射量高值時(shí)段，遠(yuǎn)高于多年平均值；80年代和90年代為太陽總輻射量低值時(shí)段，遠(yuǎn)低于多年平均值。自本世紀(jì)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(jié)果相吻合。上世紀(jì)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(jì)60年代和70年代，拉薩地區(qū)4個(gè)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(gè)季節(jié)的太陽總輻射量平均值均低于多年平均值；本世紀(jì)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(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)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(yàn)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(yàn)。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(yàn)，其余3季均通過99%的顯著性置信檢驗(yàn)；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(yàn)，3,4,5,6,8月的總輻射量通過95%顯著性置信檢驗(yàn)，9月的太陽總輻射量通過90%顯著性置信檢驗(yàn)。圖3拉薩地區(qū)各時(shí)段太陽總輻射量M-K法統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Fig.3M-KstatisticstestvalueofglobalsolarirradianceatdifferentperiodsinLhasaarea2.2年內(nèi)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(nèi)變化特征圖。圖4拉薩地區(qū)年內(nèi)各月太陽總輻射量變化圖Fig.4MonthlyvariationsofglobalsolarirradianceinLhasaarea圖4顯示，年內(nèi)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(nèi)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(shí)數(shù)變化特征日照時(shí)數(shù)是表征太陽光照時(shí)間長短的物理量，它表示某地太陽能資源可被利用時(shí)間的多少。影響日照時(shí)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(shí)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(shí)數(shù)長達(dá)3010.4h；年日照時(shí)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(shí)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(shí)數(shù)振蕩幅度較小，上世紀(jì)90年代末至本世紀(jì)，日照時(shí)數(shù)振幅相比以前較大。上世紀(jì)50年代、80年代和2010-2013年的年日照時(shí)數(shù)平均值大于多年平均值；上世紀(jì)60年代、70年代的年日照時(shí)數(shù)平均值與多年日照時(shí)數(shù)平均值大致相當(dāng)；90年代和本世紀(jì)前10幾年,年日照時(shí)數(shù)平均值低于多年平均日照時(shí)數(shù)。圖5拉薩地區(qū)日照時(shí)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(shí)數(shù)距平值的平均值。表2為各時(shí)段的M-K檢驗(yàn)值。表1拉薩不同年代日照時(shí)數(shù)距平值的平均值Table1AveragedsunshinedurationanomaliesatdifferenttimeperiodsinLhasaarea（h）時(shí)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(shí)段日照時(shí)數(shù)M-K法統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Table2M-KstatisticstestvalueofsunshinedurationatdifferenttimeperiodsinLhasaarea時(shí)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(shí)數(shù)來看，只有上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)前10年的平均日照時(shí)數(shù)少于多年平均日照時(shí)數(shù)，其中2010~2013的年日照時(shí)數(shù)平均值遠(yuǎn)高于多年平均日照時(shí)數(shù)。從四季日照時(shí)數(shù)來看，上世紀(jì)60年代，春季和夏季的年代日照時(shí)數(shù)少于同期平均日照時(shí)數(shù)；70年代，春季和冬季的日照時(shí)數(shù)增長比較明顯，夏季日照時(shí)數(shù)減少比較明顯；80年代春季的年日照時(shí)數(shù)平均值低于同期多年平均日照時(shí)數(shù)，其余3季的日照時(shí)數(shù)均大于多年平均值；上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)的2000~2009年，四季平均日照時(shí)數(shù)均低于同期多年平均值；2010~2013年日照時(shí)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(shí)數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值小于零，說明年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，但未通過顯著性檢驗(yàn)。2,3,4,6月的M-K檢驗(yàn)值小于零，說明這4個(gè)月的日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。2月份的日照時(shí)數(shù)系列通過90%的顯著性置信檢驗(yàn)；3月的日照時(shí)數(shù)系列通過99%的顯著性置信檢驗(yàn)；其余月份日照時(shí)數(shù)系列的M-K檢驗(yàn)值均小于零，呈現(xiàn)下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗(yàn)。3.2年內(nèi)變化特征圖6為拉薩各月日照時(shí)數(shù)變化圖。圖6拉薩地區(qū)年內(nèi)各月日照時(shí)數(shù)變化圖Fig.6MonthlyvariationsofsunshinedurationinLhasaarea從圖6可見：①拉薩多年各月平均日照時(shí)數(shù)年內(nèi)變化幅度不大，日照時(shí)數(shù)最長的是10月份，日照時(shí)數(shù)為282.2h；其次是5月份，日照時(shí)數(shù)為280.4h；日照時(shí)數(shù)最短的是8月份，為222.1h。日照時(shí)數(shù)最長月份和最短月份相差僅60.1h。②拉薩年內(nèi)日照時(shí)數(shù)的分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，兩個(gè)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(jié)束后的10月份，兩個(gè)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(nèi)日照時(shí)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(biāo)進(jìn)行太陽能資源豐富程度評估。資源豐富程度分為4個(gè)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(shí)數(shù)大于6h的日數(shù)最大值與最小值的比值，可反映當(dāng)?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(jì)算公式為式中：K為太陽能資源穩(wěn)定程度指標(biāo)，Kv2為穩(wěn)定，2驅(qū)“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(shí)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(biāo)可將全國太陽能資源分為4個(gè)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(dǎo)（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(dǎo)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(dǎo)DRx<0.355結(jié)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(yàn)。1961-1990年太陽總輻射量下降趨勢顯著；從上世紀(jì)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(yàn)。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(shí)數(shù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，減幅為1.4h/a。上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)前10年，拉薩地區(qū)年日照時(shí)數(shù)的減幅較大；2010-2013年日照時(shí)數(shù)增幅較大，尤其以春季增幅最為顯著；一年四季日照時(shí)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(dǎo)，有利于進(jìn)行太陽能資源的開發(fā)利用。參考文獻(xiàn)：[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)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(bào)，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(shí)數(shù)的氣候特征分析[J].氣象科學(xué)，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(guān)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(shí)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(qiáng).氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學(xué)，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[