西北地区太阳能资源时空分布及稳定性分析

西北地区太阳能资源时空分布及稳定性分析

气候变化是一个复杂的科学问题。在气候变化本身的理解、影响、适应和缓解方面，人类仍有许多未知的领域。地面太阳辐射是反映气候变化的一个重要信号,自然值得关注。过去国内外对太阳能资源的研究主要集中在太阳辐射的气候学计算与分析。左大康等最早对我国地区太阳能总辐射的空间分布特征进行研究并绘制了我国各月总辐射与年总辐射分布图。近年来,随着国内学者王炳忠于1983年首次提出我国太阳能区划指标后,诸多研究者基于气象站观测资料对部分省市太阳能资源的时空分布及区划做了许多工作[9,10,11,12,13,14,15]。对太阳辐射的研究共同得出一个结论,即中国部分地区的太阳辐射和直接辐射呈减少趋势,其可能的主要原因是大气中悬浮粒子浓度的增加。最近有研究表明,20世纪60—80年代我国直接辐射资源总体呈减少趋势,但是自90年代起下降趋势停止,甚至略有增加。虽然已有的研究对太阳能资源的空间分布特征进行了分析,但很少有学者从区域的角度去分析太阳能变化规律及空间分布格局。太阳辐射的时空分布及其变化规律、气候条件对光热利用系统的成本、价值及经济效益有巨大的影响。本研究选用我国西北地区(包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆)27个辐射站1961—2008年的太阳总辐射资料和163个气象站1958—2008年的日照时数资料,旨在揭示全球气候变化情景下我国西北地区太阳总辐射和日照时数的变化趋势及空间分布格局,其对于理解全球气候变化将有积极意义,也为西北地区充分合理地开发利用太阳能资源提供理论参考。1数据和方法1.1太阳辐射观测资料选取我国西北地区西安、兰州、延安、银川、西宁、乌鲁木齐等163个气象站逐日日照时数观测资料(1958—2008年)及年均降水资料(1960—2008年);西安、乌鲁木齐、兰州等27个辐射站逐日太阳总辐射观测资料(1961—2008年);此外还包括国家基础地理信息中心提供的1∶400万全国行政区划图。所有资料均经过检查,部分年份缺失的资料采用多年平均相应月(年)值替代。同时由于辐射资料测量基准不同,1981-01-01之前的太阳总辐射均乘以系数1.022。1.2太阳能资源稳定性分析太阳能是取之不尽的可再生能源,是未来可再生能源利用的重要方向。太阳能资源评估是太阳能资源开发利用的基础和关键。根据《太阳能资源评估方法》,太阳能资源评估一般包括太阳能资源丰富程度、利用价值、稳定程度及日最佳利用时段评估。日照时数和太阳总辐射是表征太阳能资源的2个重要指标。本文基于气象站太阳总辐射及日照时数仅对研究区太阳能丰富程度、利用价值及稳定程度进行分析。太阳能利用价值的评估中,一般认为若每天日照时数小于6h,太阳能就不具有利用价值;太阳总辐射是指水平面上天空2π立体角内所接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和。年均太阳总辐射和日照时数常用于评价太阳能资源的丰富程度。太阳能稳定程度常采用一年中各月日照时数大于6h的天数最大值与最小值之比来分析,其比值可以反映当地太阳能资源全年变幅的大小,比值越小说明太阳能资源全年变化越稳定,就越利于太阳能资源的利用。鉴于以上目的,本研究基于Matlab7.1软件平台对各站点逐日日照时数和太阳总辐射资料进行统计分析,首先分别计算出各站点50余年年平均、四季平均日照时数及近50a年平均、四季太阳总辐射;统计出各站点近10a各气象站历年中各月日照时数大于6h天数的最大值和最小值,并将最大值与最小值相比得到太阳能资源稳定系数。然后用ArcGIS9.2中的规则样条函数插值法(Completelyregularizedspline)对研究区日照时数、总辐射及太阳能资源稳定系数进行空间插值,以分析该区太阳能资源的时空分布特征,并参考目前太阳能资源区划标准,对研究区太阳能资源进行区划,区划标准见表1。2结果分析2.1有利于适应下西北太阳能资源的时空分布根据对西北地区27个辐射站近50a逐日太阳总辐射及163个气象站51a逐日日照时数的统计分析可知,西北地区太阳辐射资源较为丰富,年均总辐射值均在4200MJ/m2·a以上,其中最大的是青海的格尔木站(7018.80MJ/m2·a),最低值出现在陕西省的安康站(3960MJ/m2·a);研究区各站日照时数变化较大,变化范围在3440.7～1563.1h之间,大部分站点年均日照时数均在2500h以上。部分站点年均太阳总辐射及日照时数统计结果见表2。我国太阳辐射观测站点稀疏,太阳总辐射资料缺乏。表2仅代表了各站点所在地区的日照时数和太阳总辐射,并不能反映整个西北地区太阳能资源的空间分布。对于观测资料地区太阳能资源的分布情况,可以通过空间插值得以确定。常用空间插值的方法有反距离权重、克里格、样条函数插值等,但研究表明,在众多的气象要素空间插值方法中,没有一种最适合于气象要素的插值方法。其中前两种插值方法对数据要求比较高,需要多个站点,克里格插值需要考虑高程因素。几种插值法误差表明:规则样条函数插值误差相对较低。且研究中所使用的太阳总辐射及日照时数变化趋势趋于平缓,满足径向基函数插值的条件。因此,本文基于径向基函数中的规则样条函数插值法,对研究区各站点的日照时数和太阳总辐射进行空间内插,并结合表1中太阳能区划标准,绘制西北地区太阳能资源空间分布图(图1)。由图1可知,西北地区太阳能资源较为丰富,太阳总辐射与日照时数的分布相对一致;其中太阳总辐射基本趋势是由陕西东部向西部逐渐增加,到青海中部地区达到最高,再向新疆西部地区逐渐减少,最低值出现在陕西东南部;日照时数最高的地区位于青海北部、甘肃北部及新疆东部部分地区,基本位于青海、甘肃和新疆三省的交界处,西北地区日照时间最长的可达3500h。其次,年均日照时数相对较高的地区是新疆东南部、青海西南部及甘肃西南部等部分地区,其年均日照时数均在2500h以上。此外,为了了解西北地区太阳能资源年际间的变化特征,对研究区年均太阳总辐射和日照总数(1960—2008年)的变化趋势进行了分析,由图2可以看出,研究区年均太阳总辐射和年均日照时数变化趋势基本趋于一致,均围绕各自均值上下波动,但总体趋于下降,近50a中太阳总辐射和日照时数在20世纪60年代和90年代变化幅度较大,其中太阳总辐射和日照时数在1988年降低到近50a中的最低点,随后开始增加。本世纪初期,太阳总辐射和日照时数变化幅度相对较小。不同年代比较而言,20世纪60年代太阳总辐射呈减少趋势,70年代呈逐渐增加的趋势;80年代呈减少趋势,而90年代太阳总辐射又呈增加的趋势;21世纪以来,太阳总辐射变化幅度不大。近50a来年均日照时数的变化与总辐射的变化趋于一致。对比研究区年均太阳总辐射与日照时数的变化趋势可以看出,近50a来该区太阳总辐射减少、日照时数降低,但总辐射减少趋势较为明显(图2)。太阳辐射受自然因素和人为因素的影响,其中云量、大气湿度和气溶胶是影响到达地面太阳辐射的主要因子。已有研究表明,20世纪60年代我国北方年平均云量为5.0(成),90年代约为4.0(成),约下降3.23%,云量变化不是影响我国北方太阳总辐射的主要原因。为了分析研究区相对湿度对太阳总辐射的影响情况,本文采用了西北地区163个气象站点近50a(1960—2008年)降雨量数据进行线性拟合分析,结果表明:近50a中西北地区年均降水量总趋势趋于平稳(图3),其变化趋势与太阳总辐射的变化趋势不一致。因此,该区降水量的变化可能不是太阳总辐射降低的主要原因。因此,西北地区太阳总辐射的变化可能与大气气溶胶有关,而气溶胶的增加与近50a来我国工业化的发展密切相关。鉴于此,西北地区太阳总辐射的降低可能主要是受人类活动的影响。2.2u3000研究区春季简介基于研究区历年各站点太阳总辐射和日照时数数据(日值),累加生成逐月太阳总辐射和日照时数值,把各站点历年资料分为春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)四季。用规则样条函数插值法对各站点四季太阳总辐射和日照时数进行空间插值,得到研究区四季太阳能总辐射和日照时数分布状况(图4、5)。由图4可知,西北地区四季太阳总辐射变化较大,其中春、夏两季变化相对一致,太阳总辐射最高的地区主要分布于青海中部、甘肃西北部及新疆东北部部分地区;与全年相比,春季的太阳总辐射在空间分布上与全年总辐射较为一致,最高值出现在青海中部、西北部及甘肃西部地区(6930.89MJ/m2·a);夏季太阳总辐射相对较高的地区是青海中部、甘肃中部及西北部地区(7529.74MJ/m2·a);与春、夏两季相比,秋季太阳总辐射的高强度区域向南发生了转移,高值区出现在青海中南部地区(5532.18MJ/m2·a);冬季则出现在青海东北部及宁夏西北部地区(6110.44MJ/m2·a)。春季陕西全省四季太阳总辐射量最低(3784.69MJ/m2·a);夏季陕西大部分地区及新疆乌鲁木齐附近太阳总辐射比较低(3793.97MJ/m2·a);秋季最低值出现在陕西东南部及新疆北部部分地区(2840.85MJ/m2·a);冬季太阳总辐射低值区域减少,总辐射较低的地区出现在陕西南部、新疆东北部及西南部等小部分地区(1857.88MJ/m2·a)。图5反映了研究区四季日照时数的变化情况。研究区四季日照时数最高值基本上出现在青海、甘肃和新疆三省的交界处,春、夏、秋、冬四季最高值分别高达396h、415h、435h和410h。四季最低值均出现在陕西南部及东南部,春季在新疆西北部及西南部部分地区也出现了日照时数最低值的现象,夏、秋、冬四季陕西全省的日照时数在西北5省中均为最低。2.3日照时间及光照区域分区由上述四季及年均太阳能总辐射和日照时数分析可知,研究区太阳能资源最为丰富的地区是青海中部,太阳能资源相对较为薄弱的地区位于陕西省东南部,相对于西北其他四省来说,陕西省太阳能资源较为缺乏。根据目前国内最新太阳能源资源的区划标准(表1),就太阳总辐射区划而言[图6(a)],青海全省以及甘肃、新疆三省的交界地带太阳能总辐射最为丰富,属于为资源丰富区(42.6%);新疆西北部、甘肃省兰州地区、宁夏东南部、陕西西部及西北部和陕甘宁三省交界处太阳能资源较为丰富,属于资源较丰富区(26.5%);新疆中东部及南部、甘肃东南部、宁夏中部、北部和青、陕、甘三省的交界地带太阳能资源较为缺乏,属于资源较贫乏区(20.82%);而陕西南部、东南部的地区太阳能资源最为缺乏,属于资源贫乏区(10.08%)。就日照时数区划而言[图6(b)],研究区青海北部、新疆东部、甘肃北部及三省交接地带太阳日照时间最长,该区可以划分为资源丰富区(32.4%);其次新疆南部、西南部及以北的地区、青海南部和东南向北与甘肃西南部的交接地带,日照时间相对较长,属于资源较丰富区(44.2%);青海最南部及甘肃中部、宁夏南部和陕西北部部分地区以及陕、甘、宁三省的交界地带,日照时间相对较短,划分为资源较贫乏区(14.1%);陕西中部及以南和甘肃南部地区日照时间最短,属于资源贫乏区(9.3%)。综合研究区日照时数与太阳总辐射值来看,春季青海西北部、中部及甘肃西部、西北部部分地区太阳能资源最为丰富,而陕西南部太阳能资源相对最为贫乏;夏季甘肃西部、西北部及青海西北部地区太阳能资源最为丰富,陕西南部太阳能资源相对较为缺乏;秋季由于太阳总辐射的高值区域向南移,而日照时数高值区向北移,综合来看秋季太阳能丰富度资源在空间上差异不大;同理,除新疆西南部外,冬季太阳能资源丰富程度在空间上差异不明显。从全年来看(如图6),陕西南部太阳能资源最为贫乏,最为丰富的地区位于青海中部、西北部及甘肃中部、西北部地区。2.4季节动态特征选取结果根据中国气象局颁布的《太阳能资源评估方法》标准及已有的研究,表明:利用各月日照时数大于6h的天数为指标,可反映一天中太阳能资源的利用价值。一天中日照时数如小于6h,则认为太阳能不具有利用价值。鉴于此,统计出研究区10a(1999—2008年)中163个气象观测站日照时数大于6h的天数并求平均,结果表明各站点中年均各月日照时数大于6h的天数最少的是青海省的治多站,10a平均为45d;最多的是新疆红柳河站,年平均为327d。小于100d站点有8个,分别是同德、泽库、会宁、铜川、治多、麦积、凤翔和泾河;大于100d而小于200d站点有20个,分别是兰州、宝鸡、西安、安康、汉中等;大于300d以上的站点有15个,分别是敦煌、冷湖、哈密等站;其余站点均在200～300d。由上述分析可知,西北地区近10a来太阳能资源可利用价值最高的地区位于甘肃与新疆的交界地带,其次是敦煌、兰州、宝鸡、西安、安康及汉中等地区,其近10a平均每年中大于6h的天数均在300d以上。青藏高原中部、青海省玉树藏族自治州地区太阳能资源可利用价值相对较少,其近10d中平均每年大于6h的天数仅为45d。但总的来说,在不考虑成本、技术可行性的前提下,研究区太阳能资源具有较高的潜在利用价值。2.5太阳能资源潜力太阳能稳定程度用1a中各月日照时数大于6h的天数的最大值与最小值的比值来表示,其比值可以反映某地太阳能资源全年变幅的大小,比值越小,说明太阳能资源全年变化越稳定,就越利于太阳能资源的利用。此外,最大值与最小值出现的季节也反映了太阳能资源本身的一种特征。计算公式如下:K=max(day1,day2,⋯,day12)min(day1,day2,⋯,day12)Κ=max(day1,day2,⋯,day12)min(day1,day2,⋯,day12)式中:K为太阳能资源稳定程度指标;day1,day2,…,day12为1—12月各月日照时数大于6h的天数。按照上述公式,对研究区1999—2008年163个气象站日照时数(日值)进行计算,得到各站点10a平均K值。用规则样条函数插值法对各站点的K值进行空间插值,插值结果见图7。近10a中陕西中部及南部、新疆乌鲁木齐周边地区是西北地区太阳能资源最不稳定的地区,K值高达12.21,而太阳能资源稳定的地区是青海北部、甘肃北部、新疆东北部和青、甘、新三省交界地带,K值最低为1.27;甘肃西南部、陕西中部、新疆北部地区及陕甘宁交界地带太阳能资源相对较为稳定,除此之外,西北5省均有小部分地区属于较不稳定的地区。总之,由上述太阳能资源潜力分析可知,研究区太阳能资源稳定程度与资源潜力丰富状况分布较为一致(图7),即陕西南部、新疆乌鲁木齐周边地区太阳总辐射最小、日照时间最短且资源相对不稳定,而青海中部及以北地区、甘肃西北部及新疆东北部等地区太阳能总辐射最高、日照时间最长,太阳能资源亦较为稳定,属于可开发利用区域。因此,明确该区太阳能资源稳定性及资源本身潜力的分布特点,有利于合理地开发利用太阳能资源。3比较结果分析本文基于西北地区气象站近50a来日照时数和太阳总辐射观测资料,采用统计与空间插值相结合的方法对研究区太阳能资源的丰富程度、稳定程度及可利用状况进行了分析,得到了以下初步的认识:(1)在空间分布上,研究区太阳能资源年际变化和季节变化