第一篇：上海地区太阳总辐射及其时空分布特征
上海地区太阳总辐射及其时空分布特征
摘要:根据上海地区徐家汇站1961 年—1990 年月太阳总辐射量与月日照百分率、月平均总云量、月相对湿 度、月浮尘烟霾总数等气象要素，运用太阳总辐射气候学计算原理，选定上海地区不同太阳总辐射的气候学计算公式，并用选定的公式计算出1991 年—2008 年宝山月太阳总辐射量值。然后根据宝山站计算值与实测值的最小误差（6.3%）确定适合上海地区月太阳总辐射的气候学计算公式。最后依据确定的气候学计算公式推算上海地区各气象站1961 年—2008 年累年各月太阳总辐射量，并分析上海地区太阳总辐射的时空变化特征，结果表明：上海地区7 月总辐射量最多，其次是8 月和5 月，6 月正午太阳高度角虽最大，但天空遮蔽度比5 月、7 月、8 月大，因此总辐射量比5 月、7 月、8 月要少。因上海地区地域面积小，太阳总辐射的空间分布略有差异。太阳总辐射量的空间分布差异为：年东北部及南部沿海地区最多；春季东北部最多；夏季南部沿海最多；秋冬季北部最多；7 月～8 月差异略为明显，其它月差异较小。关键词：太阳总辐射；气候学计算；时空分布；上海 引言 电池钢壳
硫铁矿制硫酸太阳辐射是地球上大气中一切物理过程的主要能源，是地球气候形成的一个重要因素，对各地天气和气候变化起着决定性作用。到达地面的辐射总量包括太阳直接辐射和天空散射辐射，通常称为总辐射，太阳能一般以太阳总辐射来表示。到达地表的太阳总辐射与日地距离、地理纬度、太阳赤纬、日照百分率、天空云量以及大气和地表的物理状态有关[1]。总辐射可以用仪器直接观测来确定，但在我国总辐射的观测分布不均匀，所以在实际应用中，必须采用其它气象要素间接计算，一般采用半经验半理论的气候学计算方法进行求算[2]。早在20 世纪60 年代，左大康等[3]和翁笃鸣[4]就系统研究了全国性的太阳总辐射气候学计算问题，分别提出我国太阳总辐射气候学计算公式，左大康等还讨论了总辐射的空间分布；1982 年祝昌汉[5，6]进一步对总辐射气候学计算中的基本问题作较全面和深入 的论述；1992 年孙治安等[7]讨论了总辐射气候学计算公式中的起始数据和经验系数的稳定性问题；2005 年鞠晓慧等[8]分析了总辐射气候学计算公式中系数的地理分布和季节变化特征，得到了用日照资料估算总辐射的误差范围。全国有不少省份的气象工作者分别提出本省不同气候区太阳总辐射的气候学经验计算公式并进行误差分析，在此基础上得出本省太阳总辐射的时空分布特征[9~14]。进入21 世纪，电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，越来越多的国家开始开发太阳能资源，开发太阳能资源是我国科学发展面临的一个严
峻课题。上海作为国际大都市也面临能源短缺，开发太阳能资源也很紧迫。本文着重研究了上海地区太阳总辐射时空分布规律，对上海地区太阳能资源的分布进行详细的调查，采用仅有的1 个基本站的太阳总辐射观测数据，应用太阳总辐射的气候学计算公式来推算上海地区11 个气象站月太阳总辐射量。并提出适合上海地区的太阳总辐射气候学计算公式，计算11 个气象站月太阳总辐射量，分析太阳总辐射的时空分布特征，为上海地区合理地利用太阳能资源打下基础。数据来源与研究方法 2.1 数据来源
上海地区的11 个气象站在1959 年底陆续建成，但仅有1个气象站观测总辐射，1990年以前在徐家汇观测，1991年以后在宝山站观测（见图1中圆圈标的站），两站前后均按国家一级辐射站的标准观测。本文使用1961 年—1990 年徐家汇站和1991 年—2008 年宝山站月总辐射观测资料，以及11 站1961 年—2008 年月日照百分率、月平均总云量、月 相对湿度、月浮尘烟霾总数。2.2 研究方法
2.2.1 月总辐射气候学计算公式的推导步骤（1）本文首先根据徐家汇站1961年—1990年上海地区月太阳总辐射量与月日照百分率、月平均总云量、月相对湿度、月浮尘烟霾总数等气象要素，利用不同太阳总辐射的气候学计算公式进行计算分析，选定上海地区月太阳总
辐射量与日照百分率等气象要素相关联的不同气候学计算公式。（2）用选定的上海地区不同太阳总辐射的气候学计算公式，计算1991年—2008年宝山月太阳总辐射量值，根据宝山站计算值与实测值的最小误差确定适合上海地区月太阳总辐射的气候学计算公式。2.2.2 总辐射时空特征的分析根据确定的上海地区月太阳总辐射气候学计算公式推算上海地区各气象站1961年—2008年累年各月太阳总辐射量，并分析上海地区太阳总辐射的时空变化特征。
图1 上海地区11个气象站的分布
Fig.1 The distribution of 11 meteorological stations in Shanghai 3 上海地区太阳总辐射气候学计算 公式的推导
太阳总辐射气候学计算一般表达式[2]为: Q=Q0·f（s1，n）（1）
式中Q0为起始数据；f（s1，n）为天空遮蔽度函数。
3.1 总辐射气候学计算公式中的起始数据Q0总辐射气候学计算公式中的起始数据Q0 一般
有4 种：天文辐射、理想大气总辐射、纬度平均可能总辐射和可能总辐射，后两者的区别是前者是纬度平均值，后者是考虑了大气混浊条件的半经验半理论公式得到的值[15]。可能总辐射能较好地考虑大气中的水汽、气溶胶因子的实际影响，计算中拟合效果较好，天文辐射计算方便，无误差，实用价值仍较好；纬度平均值可能总辐射平滑了东西方向的差异，理想大气总辐射不考虑大气中的水汽、气溶胶因子的影响，拟合效果略差[2，7]。本文在前人研究的基础上，起用天文辐射和可能总辐射作为起始数据，这样能使上海地区太阳总辐射气候学计算误差小一些。天文辐射日总量S0[2]和可能总辐射日总量Qi[2]的计算公式分别为：
（2）
（3）
（4）
式中A=sinφ sinδ，B=cosφ cosδ，ω0=arcos（-tgφ tgδ），φ为纬度（度）；δ为太阳赤纬（度）；ω0 为日出和日落时角；f=0.5-aexp（b · E）（5 月—10 月：a=0.38，b=-0.0194；
11 月—4 月：a=0.426，b=-0.0492）；1/ρ2 为日地平均距离订正项。δ、1/ρ2公式[2]分别为：
（5）
发光二极管封装
（6）
式中：θ=2×3.1415 926×d/365（弧度）；d 为一年中日期序数，0，1，2，…，364。3.2 上海地区月太阳总辐射气候学计算公式的选定
在公式（1）的基础上，出现各种类型的总辐射计算公式，在这些计算公式中，日照和云量是两个公认天空遮蔽因子[2]，王炳忠等[16]罗列了21 种计算公式，都是总辐射与日照百分率及云量的不同表达式。朱志辉[17]认为大气对总辐射的影响是多个气象因子（日照、湿度、云量、浮尘日数、烟幕日数等）的线性叠加。本文参照王炳忠等[16]的计算公式，同时认为总辐射主要与白天云量、日照有关，晚上20 时，凌晨2时的云量也计算不合理，为此首先分析总辐射分别与日照百分率、总云量、8时—14时平均总云量、日照百分率和8时—14时平均总云量综合因子[15]的关系。图2 为徐家汇站1961 年—1990 年月总辐射/月天
碳纤维增强尼龙文辐射（Q/S0）、月平均总辐射/月平均可能总辐射（Q/Qi）分别与月日照百分率s、月平均总云量n1、月8时—14 时平均总云量n2、月日照百分率和云量的综合因子（s+1-n2）/2 的散点分布图（图中Q/S0、Q/Qi、s、n1、n2、（s+1-n2）/2 均为每年12 个月平均值，因为Q/S0、Q/Qi 为小数，所以在作图中s、n1、n2、（s+1-n2）/2 均用小数表示。）从图中散点分布可见：Q/S0、Q/Qi分别与s、n1、n2、（s+1-n2）/2 似乎呈线性关系，但是否有线性关系必须通过检验。表1 显示的是Q/S0、Q/Qi 分别与s、n1、n2、（s +1-n2）/2 的线性方程、回归效果检验值、相关系数，检验标明，Q/S0、Q/Qi分别与s 及（s+1-n2）/2 的线性相关显著，线性方程回归效果显著，与n1、n2 线性相关不好，线性方程回归效果较差；接着求出Q/S0、Q/Qi 分别与n1、n2 二元非线性回归方程和判定系数（表2），发现判定系数很低，则Q/S0、Q/Qi 分别与n1、n2 二元非线性回归效果也不好[18]，它们之间的指数、对数回归效果也不好（表略）。既然上海地区的总辐射与云量的线性和非线性相关都不好，为此不选上海地区的总辐射仅以云量为自变量的计算公式。同时，本文参照朱志辉[17] 的研究成果，认为大气对总辐射的影响还与月平均相对湿度f3 及月浮尘、烟、霾总数m 有关，所以各月的Q/S0、Q/Qi还可表示为与s、n2、f3、m 的多元线性回归方程，多元线性回归方程各个因子是否入选则必须逐步回归法对各个因子进行筛选。
根据以上分析选定Q/S0、Q/Qi 分别与s、（s +1-n2）/2 的线性方程及Q/S0、Q/Qi 分别与s、n2、f3、m 的多元线性回归方程3 个公式为上海地区太阳总辐射气候学计算公式（表3）。表3 中S0 为天文辐射月总量；Qi 为可能有效辐射月总量；s 为月日照百分率；n2为8 时—14 时月平均总云量；f 为月平均相对湿度；m 为月浮尘，烟、霾总数。公式3 为逐步回归方程，各个因子不一定全部入选，各月的a1，a2，a3，a4 各有可能为零。
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