中国区域地表太阳辐射数据模拟及其驱动机制研究

Surface solar radiation (SSR) is a key factor driving the surface ecological processes and the exchanges of matter and energy between earth surface and the atmosphere. Because of the sparse distribution of SSR measurement stations and the significant deviations of its distribution characteristics and driving mechanisms, it becomes vital to achieve high precise SSR data and analyze its variation characteristics in China. The grant applicant intends to conduct research on the scientific issue of "climate characteristics and causes of surface solar radiation in China" to propose a quantification method for determining the driving factors of SSR variations. The main tasks will be: (1) establishing high-precision ground surface solar radiation datasets for over 2000 stations in China from 1961 to 2017 based on physical parameters and artificial intelligence models; (2) proposing a quantitative method to quantify the contribution of meteorological parameters on the variation of SSR; (3) based on ground-measured, remote sensing and the established radiation datasets to analyze the characteristics of surface solar radiation variation and to quantify the climatological characteristics of surface solar radiation in China. The works in this research will provide important references for the research on climate and land surface processes and solar radiation applications in China.

地表太阳辐射是驱动地-气系统物质与能量交换的关键因子，但我国现有的地表太阳辐射观测数据较少，其时空分布特征及其驱动机制具有明显差异。因此，开展高精度的辐射数据模拟与分析研究十分必要。申请人拟围绕“中国区域地表太阳辐射气候学特征及成因”这一科学问题开展研究，构建地表太阳辐射变化驱动因子的量化方法。主要研究内容为：(1)基于物理参数和人工智能模型建立中国区域1961-2017年间2000个站点高精度的地表太阳辐射数据集；(2)提出广泛适用的地表太阳辐射变化驱动因素的量化方法，精确气候环境因子对太阳辐射变化的定量影响；(3)基于地面观测、卫星遥感和辐射数据集数据，分析中国地表太阳辐射变化特征及影响因素，揭示地表太阳辐射的气候学特征。本项目研究成果将为我国气候环境及地表过程研究及工程应用提供重要参考。

地表太阳辐射是地表环境最主要、最基础的能量来源，对自然环境和人类社会有着十分重要的影响。本研究基于地面观测资料、卫星遥感数据和人工智能模型构建了中国大陆地区地表太阳辐射数据集，分析了中国大陆地区地表太阳辐射时空变化特征，同时探索了550nm波段气溶胶光学厚度、云量、近地面温度、大气湿度时空变化特征及其与地表太阳辐射时空变化的内在联系。研究发现：1961-2013年间中国大陆地区地表太阳辐射整体呈现减少的趋势(-0.019MJ/m2/year)。1980-2013年间中国大陆地区气溶胶光学厚度整体上增加6.84×10-3/decade，低云云量和总云量各增加了1.51%/decade和1.17%/decade，水汽含量在1980-2013年间增加趋势为0.04mm/decade。气溶胶光学厚度、低云云量、总云量和水汽含量的增加是影响中国地区地表太阳辐射减少的重要因素.此外，基于CMIP5气候模型和全球能量平衡档案(GEBA)数据库分析了全球地表太阳辐射的空间分布特征和长期变化，并基于物理模型对地表光伏能源进行估算和预测，研究了在未来情景中高排放量前提下全球潜在光伏发电量的分布和强度。研究发现：全球地表太阳辐射在1850-2005年间以-0.014W/m2/year的趋势减少，在1992年左右全球陆地地表太阳辐射变化趋势发生转变，1993-2005年全球地表太阳辐射增加0.017W/m2/year。亚洲东部、南部及非洲地区表现为持续减少的趋势。欧洲、非洲北部及北美洲西海岸地区出现由暗变亮的转变。这些地区地表太阳辐射的变化主要是由气溶胶光学厚度及总云量的变化引起的。研究表明：全球地表光伏能主要分布在非洲、中东地区、青藏高原、美洲西海岸沿线及澳大利亚地区。2006-2100年，光伏发电量在亚洲东部、欧洲、非洲中部和美洲大部分地区出现显著增加的趋势，其中最明显的的增加在中国地区(3kWh/m2/year)。.本研究揭示中国及全球范围地表太阳辐射空间分布和时间变化特征，探索了影响地表太阳辐射变化的主要驱动因子；估算和分析了中国及全球潜在光伏发电量的分布和强度，为指导合理、高效利用太阳能提供重要参考。