上海地区太阳总辐射及其时空分布特征

表 1 Q/S0 、Q/Qi分别与 s、n1、n2、（s+1-n2）/2 的线性方程和相关系数
Table 1 The linear equation and correlation coefficient of Q/S0 or Q/Qi and each of s and n1 and n2 and（s+1-n2）/2
第 32 卷 第 4 期 2010 年 4 月
2010，32（4）：693-700
Resources Science
Vol.32，No.4 Apr.，2010
文章编号：1007-7588（2010）04-0693-08
上海地区太阳总辐射及其时空分布特征
贺芳芳，薛 静，穆海振
（上海市气候中心，上海 200030）
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
图 2 Q/S0 、Q/Qi 分别与 s、n1、n2、（s+1-n2）/2 的散点分布
Fig .2 The points distribution of Q/S0 or Q/Qi and each of s and n1 and n2 and（s+1-n2）/2
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
线性方程 y=0.2972+0.6158x y=0.5434+0.0428x y=0.6050-0.0488x y=0.4019+0.4489x
Q/Qi 检验值 F 19.80 0.04 0.06 5.38
相关系数 0.6440 0.0390 0.0471 0.4042

（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。
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=Q·0 （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
关键词：太阳总辐射；气候学计算；时空分布；上海
1 引言
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 讨 [7] 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。
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
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
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
S [2] 0
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：
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 天文辐射（Q/S0）、月平均总辐射/月平均可能总辐射 （Q/Q）i 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
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2 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
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。
y
x
线性方程
s
y=0.4338+0.2116x
n1
y=0.3809+0.0363x
n2
y=0.4237-0.0275x
(s+1-n2)/2
y=0.2868+0.3122x
临界值：f0.05=4.2 ,R0.05=0.3494
Q/S0 检验值 F
19.10 0.06 0.04 5.09
相关系数 0.6370 0.0462 0.0372 0.3923
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。
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第 32 卷 第 4 期
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

收稿日期：2009-06-21；修订日期：2009-12-13 基金项目：上海市气象局面上项目：“上海地区太阳能资源的气候学计算及时空分布特征”（编号：MS200817）。 作者简介：贺芳芳，女，江苏无锡人，高级工程师，从事应用气候分析与研究。 E-mail: heff@

图 1 上海地区 11 个气象站的分布
Fig.1 The distribution of 11 meteorological stations in Shanghai

（5）
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（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