基于MK检验的延安站30年辐射量特征分析.docx

? ? 基于MK检验的延安站30年辐射量特征分析 ? ? 王重洋，弓 卫，畅蓬博 （陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000） 0 引言 近年来全球气候变暖日益严重,极端天气事件频发,影响了人类的生产和生活。陕西北部地区太阳能资源较为丰富,该地区近几年开发建设了很多大型光伏基地,太阳辐射的变化直接影响这些工程的收益。 本文选取陕西省延安站30 年辐射数据作为研究对象,探讨其辐射量年际变化特征及其突变（M-K）检验,有助于理解延安地区太阳能资源更深层次的变化规律,同时对陕西北部地区应用太阳能资源有举足轻重的意义。 1 研究区域概况 延安位于陕西北部,地处黄土高原的中南部。北部与榆林连接,南部与铜川、咸阳、渭南三市相接,东部与山西临汾、吕梁相望,西部与甘肃庆阳相邻。全市总占地面积为37037 km2。延安属于暖温带半湿润气候区,春季干燥少雨,气候多变,有大风、扬沙天气；夏季炎热多雨,有时伴有冰雹,无酷热期；秋季气温下降迅速,多湿润、阴雨天气；冬季少雨雪,多西北风,干冷明朗。 延安地区年日照时数大致为2418 h,日照百分比大致为55%,年太阳总辐射量在5000 MJ/m2以上（见图1）,太阳能资源较为丰富,并且具有开发价值。 图1 延安市水平面总辐射空间变化分布图 2 资料来源与研究方法 2.1 资料来源 本文选取延安气象观测站1990年～2019年的逐月辐射量观测资料,数据来源为国家气象信息中心,且数据质量经过严格控制。 2.2 研究方法 Mann-Kendall趋势检验法（M-K）是一种应用广泛的统计检验方法,可用于预测温度,降水和气压等气象要素的长期变化趋势[1]。非参数检验方法也称无分布检验,变化要素不一定具备正态分布特征,也不会受到少数异常值的影响,定量化程度高,检测范围宽,干扰度小,计算简单,因此适用于具有非正态分布特征的变化趋势分析,如气象要素等。设A1,A2,…,An为时间序列变量,n为样本个数,则统计量S可被定义[2]为： 式中：sgn代表符号函数； S代表正态分布,均值等于0,其方差计算如式（3）所示。 Mann-Kendall统计量公式中不同S区间对应Z值为： 接着,运用M-K检验法进行突变分析。 综上所述,在M-K法趋势检验中,代入具体的置信水平a值大小,若|Z|≥Z1-a/2,则假设不成立。当Z＞0时,则表示幅度增加,当Z＜0时,则表示幅度减少。当|Z|≥1.28时,表示显著性检验大于90%,当|Z|≥1.64时,表示显著性检验大于95%,当|Z|≥2.32时,表示显著性检验大于99%[2]。 然后,使用M-K检验法进行时间序列突变分析,结构如式（5）所示： 统计量的计算公式： 式中：E（Sk）表示均值,Var（Sk）表示方差,按式（7）计算： 时间序列按照An,An-1,…,A1顺序排列,且根据上述方法,使对UBk和UFk曲线进行绘制,在置信区间|U|≤1.96中,若UBk和UFk两曲线出现交点,则交点为该时间序列突变点,且输入置信度水平为0.95。 3 辐射量量时间变化特征 3.1 辐射量年际变化特征及其突变（M-K）检验 延安站1990年～2019年近30年的年均辐射量为5049 MJ/m2,整体来看呈增加趋势（见图2）,且辐射量增加趋势显著。 图2 延安站年平均辐射量变化趋势 通过延安站近30 年的辐射量数据对延安站年均辐射量进行M-K突变检验,结果见图3,延安站辐射量的UF曲线在2000 年以前介于0～1.96之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势。2000 年以后UF曲线超过临界值,表明辐射量增加趋势十分明显。在0.05 的置信度水平下,延安站辐射量在2014 年左右发生突变。 图3 延安站年平均辐射量M-K检验 3.2 辐射量季节变化特征及其突变（M-K）检验 为了进一步研究延安站辐射量变化特点及趋势,对站点的季节辐射量数据分别进行研究,分析不同季节辐射量的振荡周期,见图4。 图4 延安站不同季节辐射量M-K检验 如图4（a）,在春季期间,延安站辐射量的UF曲线在1993年以前介于-1.96～0 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈下降趋势；1993 年～2004 年之间UF值介于0～1.96 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；2004 年以后UF曲线超过临界值,表明辐射量增加趋势十分明显；在0.05的置信度水平下,延安站辐射量在2001年、2002 年与2005年发生突变。 如图4（b）,在夏季期间,延安站辐射量的UF曲线在 1990 年 ～1991年、1997年 ～2005年与 2015年以后介于0～1.96 之间,表明变化曲线趋势和突变不明显,且序列呈上升趋势；1992年～1996年与2006年～2014年UF值介于-1.