中国地面太阳辐射季节异常与主要大气环流指数的关联分析

李爽 肖子牛 丁煌 李朝晖

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学，北京 100049

3 中国电力科学研究院有限公司，南京 210003

4 国网河南省电力公司，郑州 450052

1 引言

太阳辐射是天气和气候变化的根本能量来源（Rappenglück et al., 2003; Wei and Wang, 2004;Kambezidis et al., 2012; Wang et al., 2012），太阳辐射对大气环流和天气现象有着重要作用。到达地面的太阳辐射量会受到对流层云雾、水汽和气溶胶的影响（董剑希等, 2006; 胡朝霞等, 2011），而地面太阳辐射的变化可能产生多方面的综合效应（申彦波等, 2008）。地面太阳辐射的影响因素多而复杂，它不但与云、气溶胶、水汽、臭氧等大气环境有关，还与地形有关。

以往关于气溶胶直接影响地面太阳辐射的研究较 多（王 海 啸 等, 1993; 陈 霞 等, 2008; Ohmura,2009; Yang et al., 2016; Feng and Wang, 2019; Wang et al., 2021; Yu et al., 2021），但是天气气候的变化无疑对地面太阳辐射有重要影响，不同大气环流指数和气候指数，可以对应不同地区特定的气候特征和地面太阳辐射状况。一些研究表明，欧洲的地面太阳辐射与NAO（North Atlantic Oscillation）有关（Pozo-Vázquez et al., 2004; Chiacchio and Wild,2010; Colantuono et al., 2014; Kulesza, 2021）。Chiacchio and Wild（2010）分析了NAO 对欧洲地面太阳辐射的影响，指出NAO 通过改变中低云而影响地面太阳辐射，在秋季和冬季，南欧地面太阳辐射的变化趋势主要归因于NAO 变化，而在春季和夏季，NAO 主要影响北欧。另外，也有研究表明阿拉斯加的地面太阳辐射与气候系统中的PDO（Pacific Decadal Oscillation）和PNA（Pacific North American）有关，在PDO 负位相阶段，阿拉斯加东南部的地面太阳辐射趋势显著增加（Chiacchio et al., 2010）。而ENSO（El Niño-Southern Oscillation）可以影响澳大利亚东部的地面太阳辐射，但这种影响在冬季（南半球）比较明显（ Davy and Troccoli, 2012）。 Mohammadi and Goudarzi（2018）进一步比较了不同强度ENSO 与加利福尼亚地面太阳辐射的关联，其中影响最大的是超强El Niño，超强El Niño 发生时，整个加利福尼亚州的太阳辐射都显著减少。

气候系统或代表着气候系统特征的环流指数对地面太阳辐射异常有重要的影响，但总的来说，这方面的工作还较少，尤其对于中国地区。研究地面太阳辐射异常与主要大气环流指数的关系，可以比较方便地了解气候系统对中国地区地面太阳辐射异常的影响，也有助于寻找到太阳辐射资源中长期变化的预测因子。考虑气候因素对地面太阳辐射资源的影响，是评估预测光伏发电资源变化的重要基础，具有重要意义。因此，本文利用高分辨率再分析资料，探究不同季节气候系统对中国地区地面太阳辐射异常的影响，旨在为地面太阳辐射的季节和年际预测提供线索和参考。

2 资料与方法

地面太阳辐射数据使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的第五代再分析资料（ERA5）（Hersbach et al., 2018），时间分辨率为逐小时，空间分辨率为0.25°（纬度）×0.25°（经度），研究时段为1989～2018 年。研究所用季节平均由逐时数据计算。地面太阳辐射指地面接收的向下短波辐射通量。Niño3.4、AO（Arctic Oscillation）和NAO 指数来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA），东亚槽位置指数来自国家气候中心，东亚槽位置指数定义为在500 hPa 高度场上，（30°N～55°N，110°E～170°E）区域内槽线的平均经向位置。

东亚冬季风指数（WMIS）采用孙伯民和孙淑清（1996）的定义，即（30°N～45°N，125°E～145°E）区域平均的500 hPa 位势高度，其中500 hPa 位势高度来自ERA5 的逐月再分析数据（Hersbach et al., 2019）。冬季风指数越大表示冬季风越弱。东亚夏季风指数（ULCI）使用200 hPa 纬向风计算得到的数据集（Zhao et al., 2015; 黄刚和赵桂洁,2020），具体计算方法如下：

其中，Nor 表示标准化，u1、u2和u3分别表示（2.5°N～10°N，105°E～140°E）、（17.5°N～22.5°N，105°E～140°E）和（30°N～37.5°N，105°E～140°E）区域平均的200 hPa 纬向风。

春季为3 月、4 月和5 月，夏季为6 月、7 月和8 月，秋季为9 月、10 月和11 月，冬季为12 月、次年1 月和2 月。

3 不同季节主要气候指数对中国地区地面太阳辐射异常的影响

选取对中国气候有重要影响的气候系统和大气环流特征指数，如Niño3.4、AO、NAO、东亚槽位置、冬季风和夏季风指数等，以期找出对中国地区的地面太阳辐射异常最重要的影响因子。由于各季节的主要影响因子不同，只选取各季节影响最大的几个因子，结果如表1。首先我们分别以春、夏、秋和冬4 个季节Niño3.4、AO、NAO、东亚槽位置、冬季风和夏季风指数的±0.6 倍标准差选出各季节各指数的偏大和偏小异常年，然后分别合成偏大年和偏小年的地面太阳辐射异常，细化各气候指数情景下中国地区地面太阳辐射异常的具体影响区域。本文定义的ENSO 正（负）位相为季节平均的Niño3.4 指数大（小）于或等于0.6（-0.6）倍标准差。表1 为对中国地区地面太阳辐射异常有重要影响的气候指数异常年分布，由于异常年选取根据各季节而定，所以同一指数在各季节的异常年有所差别。

表1 1989～2018 年主要气候指数的异常年Table 1 Anomalous years of the major climate indices during 1989-2018

3.1 春季影响地面太阳辐射异常的主要气候指数

在春季，对中国地区的地面太阳辐射异常影响较大的气候因子为东亚槽位置、冬季风和ENSO，其中，东亚槽位置和冬季风的影响范围最广。图1a、1b 为春季的东亚槽位置偏东和偏西年的地面太阳辐射异常合成，当东亚槽位置偏东时，中国中东部大部分区域的地面太阳辐射表现出较强的显著负异常特征，最小值达到-14 W/m2。当东亚槽偏西时，中国大部分区域地面太阳辐射表现为正异常特征，中国华北地区到西北地区（除青海）通过90%的信度水平检验，最大值达到8 W/m2。之所以东亚槽位置对中国中东部大面积的地面太阳辐射异常有较为一致的影响，可能因为当东亚槽位置偏东时，槽线偏东，中国中东部大部分地区主要受异常南风控制，不利于冷空气长期控制中国中东部地区（章大全和宋文玲, 2018），因此不利于出现晴朗少云天气，从而使中国中东部大部分地区的地面太阳辐射出现较强负异常。

图1c、1d 为春季的冬季风指数偏大和偏小年的地面太阳辐射异常合成，其分布形态与东亚槽位置的影响有些相似，但也有不同。当冬季风指数偏大时，冬季风偏弱，冷空气活动不强，冷暖空气交界一般在长江流域以北，因此长江流域及以北大部分地区的地面太阳辐射异常偏少，其中，中国西北地区北部、中国中东部的地面太阳辐射异常显著偏少，最强异常达到-20 W/m2，而华南地区西部、西南地区南部和台湾岛的地面太阳辐射异常显著偏多。当冬季风指数偏小时，冬季风偏强，北方地区基本为锋面后冷空气控制，长江以北大部分区域地面太阳辐射表现为正异常特征，长江以北东部地区的地面太阳辐射正异常通过90%信度水平检验，最大值为12 W/m2。在冬季风的影响下，长江流域南北的地面太阳辐射异常基本呈反位相变化。东亚槽位置和冬季风指数的本质基本相同，均对应了冷空气活动强弱，以及冷锋活动的主要区域，因此两者的影响区域具有很大的相似性。其中东亚槽位置的影响范围更大一些。这种影响可能通过冷锋云覆盖来体现，我们分析地面太阳辐射与总云量的关系可以发现，在东亚槽位置或冬季风指数异常年，地面太阳辐射量异常与总云量异常的分布形态基本一致（图略），只是符号相反，说明东亚槽位置或冬季风可能主要通过调节云量变化来影响地面太阳辐射。云量越多，地面太阳辐射越少。

相比前两种影响因子，ENSO 对地面太阳辐射异常的显著影响范围较小，中国南方东部和西部表现出相反的异常分布形态。在ENSO 正位相年（图1e），除云南和海南岛的地面太阳辐射异常显著偏多外，中国绝大多数地区的地面太阳辐射异常偏少，中国西北地区北部、华北地区西北部和中国东南地区通过显著性检验。在ENSO 负位相年（图1f），中国大部分区域地面太阳辐射表现为异常偏多特征。另外，显著的地面太阳辐射异常区域与云量异常区域并不完全一致。

图1 春季东亚槽位置（a）偏东年、（b）偏西年，冬季风指数（c）偏大年、（d）偏小年以及Niño3.4 指数（e）偏大年、（f）偏小年地面太阳辐射异常合成（黑点区表示通过置信水平为90%的显著性检验）Fig. 1 Composite surface solar radiation anomaly (SSRA) in the years of (a) eastern location of East Asian trough, (b) western location of East Asian trough, (c) large winter monsoon index, (d) small winter monsoon index, (e) large Niño3.4 index, and (f) small Niño3.4 index in spring (the dotted areas denote the values are significant at the 90% confidence level)

总的来说，东亚槽位置对中国中东部大面积的地面太阳辐射异常有一致性的影响，其位置偏东时，地面太阳辐射的显著负异常较强。冬季风指数和ENSO 分别对长江流域南北、中国南方东部和西部有反位相的影响。对于地面太阳辐射，冬季风影响最大的是中国中东部，而ENSO 影响最显著的区域是中国西北地区北部、华北地区西北部和云南。东亚槽位置和冬季风活动的强弱可能通过云量直接调节地面太阳辐射，而ENSO 的影响过程更为复杂。

3.2 夏季影响地面太阳辐射异常的主要气候指数

夏季，对中国地区的地面太阳辐射异常有影响的气候因子是ENSO、夏季风、NAO 和AO。图2a、2b 为夏季ENSO 对地面太阳辐射异常的影响，在ENSO 正位相年，中国北方大部分地区的地面太阳辐射异常偏多，西北地区东部和辽宁的地面太阳辐射异常呈现出显著偏多特征。在ENSO 负位相年，中国大部分区域地面太阳辐射表现为偏少特征，中国西北地区东南部的地面太阳辐射负异常通过90%信度水平检验。ENSO 的影响可能主要与夏季雨带的异常分布相联系。在ENSO 正位相年，夏季的天气活动和雨带偏南，而ENSO 负位相年雨带偏北，中国降水天气整体偏多。AO 指数偏大和偏小对地面太阳辐射异常的显著影响区域有所差别，在AO 指数偏大年（图2c），中国西南地区东北部的地面太阳辐射异常显著偏多，中国西北地区中北部到华北地区中部的地面太阳辐射异常显著偏少。在AO 指数偏小年（图2d），显著影响的区域范围较小，只在新疆南部有显著偏多区域。

图2 夏季Niño3.4 指数（a）偏大年、（b）偏小年，AO 指数（c）偏大年、（d）偏小年，NAO 指数（e）偏大年、（f）偏小年以及夏季风指数（g）偏大年、（h）偏小年的地面太阳辐射异常合成（黑点区表示通过置信水平为90%的显著性检验）Fig. 2 Composite SSRA in the years of (a) large Niño3.4 index, (b) small Niño3.4 index, (c) large AO index, (d) small AO index, (e) large NAO index, (f) small NAO index, (g) large summer monsoon index, and (h) small summer monsoon index in summer (the dotted areas denote the values are significant at the 90% confidence level)

NAO 主要对中国北方地区的地面太阳辐射异常有明显影响，不同于AO 的影响，夏季的NAO指数偏大和偏小对中国北方地面太阳辐射异常的显著影响区域基本相同。在NAO 指数偏大年（图2e），中国北方地区的太阳辐射异常偏少，其中青藏高原以北区域和东北地区北部显著偏少，而东北地区显著偏小的更明显。在NAO 指数偏小年（图2f），青藏高原以北区域的地面太阳辐射异常显著偏多，中国东北地区偏中北部也显著偏多。最近的一些研究表明，NAO 可能通过环球遥相关波列的异常影响中国北方地区的气候（Jin and Guan, 2017; Du et al., 2020）。NAO 指数与中国北方地区地面太阳辐射变化的联系很可能与夏季环球遥相关的活动有关，但具体的影响过程还需要进一步分析。

夏季风影响中国地区的地面太阳辐射异常范围明显不同于ENSO、AO 和NAO，夏季风对地面太阳辐射异常影响最明显的区域是江淮流域，当夏季风指数偏大时（图2g），江淮流域降水异常偏多，云量异常增多，因而江淮流域地面太阳辐射异常显著偏少，最小值达到-22 W/m2。当夏季风指数偏小时（图2h），雨带偏南，江淮流域降水异常偏少，可能导致江淮流域地面太阳辐射异常显著偏多，最大值达到12 W/m2。

与春季相比，夏季的主要气候因子对中国地区地面太阳辐射异常的显著影响范围较小，但比较复杂。其中，NAO 和夏季风是夏季两个较主要的影响因子，其偏强和偏弱异常会对特定区域造成相反的结果，夏季风指数主要通过雨带的天气活动影响江淮地区的地面太阳辐射异常。当NAO 指数偏大（小）时，北方大部分地区地面太阳辐射异常偏少（多）。当夏季风偏强（弱）时，江淮流域的地面太阳辐射异常显著偏少（多）。

3.3 秋季影响地面太阳辐射异常的主要气候指数

NAO、冬季风和东亚槽位置是影响中国地区秋季地面太阳辐射异常的主要因子。NAO 作为夏季和秋季地面太阳辐射异常的主要影响因子，其秋季与夏季的影响区域不同，在秋季，NAO 主要影响中国西部地区。在NAO 指数偏大年（图3a），西部地区北方地面太阳辐射异常偏少而南方大部分地区偏多，其中，中国西南地区中部的地面太阳辐射异常显著偏多，而西北地区中部和东部的地面太阳辐射异常显著偏少，最少的位于西北地区的东部，达到-12 W/m2。在NAO 指数偏小年（图3b），地面太阳辐射异常在西北地区南部显著偏多，在广东附近显著偏少，偏少区域范围虽小，但强度较大，达到-8 W/m2。所以NAO 主要与中国西部的地面太阳辐射异常关联，当NAO 指数偏大时，西部地区北方地面太阳辐射异常偏少而南方大部分地区偏多。

对于冬季风指数偏大和偏小异常年（图3c、3d），中国西北地区东部到华北地区西南部的地面太阳辐射显著异常区域呈反向分布，即当冬季风指数偏大时，冬季风较弱，弱冷空气活动可能维持在此地区，导致地面太阳辐射异常显著偏少，最强中心为-10 W/m2；当冬季风指数偏小时，冷空气活动强，此地区被锋后冷空气主体控制，易出现晴朗天气，所以地面太阳辐射异常显著偏多，最强中心达到10 W/m2。东亚槽位置的影响与冬季风的影响比较类似，当东亚槽偏东时（图3e），地面太阳辐射异常的显著影响区域较小，主要在山东—河北南部一带太阳辐射异常显著偏少，而且强度较弱。当东亚槽偏西时（图3f），影响区域却较广，除中国东北地区外，中国北方大部分地区的地面太阳辐射为显著的正异常，最大值为8 W/m2，此时地面太阳辐射显著异常分布形态与东亚槽在春季偏西时较为一致。所以无论在春季还是秋季，当东亚槽偏西时，中国北方地区（除东北地区）的地面太阳辐射异常偏多。总的来说，在秋季，冬季风和东亚槽主要影响北方地区。当东亚槽偏西或冬季风指数偏小时，中国北方除东北地区外的大部分地区地面太阳辐射异常偏多。

图3 秋季NAO 指数（a）偏大年、（b）偏小年，冬季风指数（c）偏大年、（d）偏小年，东亚槽位置（e）偏东年、（f）偏西年地面太阳辐射异常合成（黑点区表示通过置信水平为90%的显著性检验）Fig. 3 Composite SSRA in the years of (a) large NAO index, (b) small NAO index, (c) large winter monsoon index, (d) small winter monsoon index,(e) eastern location of East Asian trough, and (f) western location of East Asian trough in autumn (the dotted areas denote the values are significant at the 90% confidence level)

3.4 冬季影响地面太阳辐射异常的主要气候指数

在冬季，ENSO 和冬季风是对中国地区地面太阳辐射异常较重要的影响因子，但是两个因子在各自偏大和偏小异常年却表现出明显不同的特征。在ENSO 正位相年（图4a），整个中国地区的地面太阳辐射异常偏少，其中在南方最为明显，最小值达到-12 W/m2。有研究表明，在ENSO 正位相年，中国南方冬季降水容易偏多（张人禾等,2017），这可能导致云量增多，所以中国南方地面太阳辐射异常偏少。而在ENSO 负位相年（图4b），中国地区的地面太阳辐射异常明显不同，中国北方基本为显著的正异常区域，显著影响范围较广。总体来讲，正异常强度较弱，中心最大值为4 W/m2，分布在河南—湖北一带。

冬季风指数偏大和偏小对中国地面太阳辐射的显著影响区域也明显不同。当冬季风指数偏大时（图4c），冬季风活动偏弱，地面太阳辐射整体为负异常，但除在云南西北部有显著的负异常外，其他区域不显著，显著影响范围很小。但当冬季风偏强时（图4d），显著影响范围却很广泛，与ENSO 负位相类似，中国北方地区的地面太阳辐射异常基本为显著偏多，最大显著偏多值达到6 W/m2。由上述可见，ENSO 与冬季风对地面太阳辐射异常的显著影响区域具有不对称性，在ENSO 负位相或冬季风偏强时，中国大部分地区的地面太阳辐射异常偏多，显著影响区域广泛，北方大部分地区较为显著。而ENSO 正位相或冬季风偏弱有利于中国大部分地区的地面太阳辐射异常偏少，但显著影响范围较小，仅在华南或西南地区地面太阳辐射有显著的异常。

4 结论与讨论

本文利用1989～2018 年ERA5 地面接收的太阳辐射资料，NOAA 提供的Niño3.4、AO 和NAO指数，国家气候中心的东亚槽位置指数，以及夏季风指数等，对春、夏、秋和冬4 个季节中国地区地面太阳辐射异常的影响因子进行分析，得到以下主要结论：

（1）在春季，东亚槽位置和冬季风的影响范围最广，东亚槽位置对中国地面太阳辐射异常的影响较大，其位置偏东时，中国中东部地面太阳辐射异常显著偏少。冬季风和ENSO 分别对长江流域南北、中国南方东部和西部有反位相的影响。冬季风影响最大的是中国中东部，当冬季风偏弱（强）时，中国中东部的地面太阳辐射异常显著偏少（多）。而ENSO 影响最显著的区域是中国西北地区北部、华北地区西北部和云南。

（2）较春季相比，夏季的气候因子对中国地区地面太阳辐射异常的显著影响范围较小。NAO和夏季风是夏季两个较主要的影响因子，其偏强和偏弱异常，会对特定区域造成相反的结果，NAO主要影响中国北方地区，当NAO 指数偏大（小）时，地面太阳辐射异常在中国北方大部分地区偏少（多）。而夏季风主要影响江淮流域，当夏季风偏强（弱）时，江淮流域的地面太阳辐射异常显著偏少（多）。

（3）在秋季，地面太阳辐射异常主要受到东亚槽位置、冬季风和NAO 的影响。其中东亚槽偏西时，地面太阳辐射异常的影响范围较广，此时除中国东北地区外，中国北方大部分地区的地面太阳辐射异常显著偏多，但强度较弱。NAO 主要与中国西部的地面太阳辐射异常关联，当NAO 指数偏大时，西部地区北方地面太阳辐射异常偏少而南方大部分地区偏多。而当冬季风偏强时，中国北方除东北地区外的大部分地区地面太阳辐射异常偏多。

（4）在冬季，ENSO 和冬季风是对地面太阳辐射异常较重要的影响因子，但是两个因子在各自偏大和偏小异常年的显著影响区域和强度并不对称。在ENSO 负位相或冬季风偏强时，显著影响范围广泛，中国北方大部分地区的地面太阳辐射异常显著偏多。反之，ENSO 正位相或冬季风偏弱的显著影响范围较小，仅仅在华南或西南地区有显著负异常。

本文的结论主要基于ERA5 再分析资料的统计分析得到，为了验证结果，我们也用美国国家环境预报中心/美国国家大气环境研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料（Kalnay et al., 1996）重复了相关计算，结果比较一致。这些分析结果可以帮助我们了解中国大范围的太阳短波辐射异常与气候指数的关联，尤其是不同地区在气候指数条件下地面太阳辐射的分布特征。这对理解不同区域光伏发电资源变化的关联性以及优化发电量的调度平衡有重要意义。但关于主要环流指数对地面太阳辐射异常影响的气候学原因，特别是具体的物理过程和机制还没有涉及，在今后的工作中，有待进一步研究探讨。