近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布
第34卷第24期2014年12月
DOI ：10．5846/stxb[1**********]9
生态学报ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol．34，No．24Dec．，2014
2014，34（24）：7444-7453．齐月，房世波，周文佐．近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布．生态学报，
Qi Y ，Fang S B ，Zhou W Z．Variationand spatial distribution of surface solar radiation in China over recent 50years．ActaEcologica Sinica ，2014，34（24）：7444-7453．
近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布
齐
（1．西南大学地理科学学院，重庆
1，22，*1
月，房世波，周文佐
400715；2．中国气象科学研究院生态环境与农业气象研究所，北京
100081）
摘要：基于国内外有关地面太阳辐射研究，并根据中国大气气溶胶的有关研究，综合分析了近50年中国地面太阳辐射变化特征，并分析了我国各个地区、不同城市间地面太阳辐射的变化差异。结果表明：与全球大部分地区类似，中国的地面太阳辐射经“变暗”“变亮”；中国各个地区发生相同的变化过程，历了一个从减少到增多的过程，即所谓的地球由到大致以1990年为界，之前以减少趋势为主，之后逐渐增加，不同地区太阳辐射变化幅度有所差异；分析了城市类型和气溶胶厚度对太阳辐射变化的影响，多数大城市和工业城市的太阳辐射下降幅度大于中小型非工业城市，气溶胶光学厚度的分布与太阳辐射下降趋势呈相似分布特征，说明城市工业化及其产生的气溶胶污染对太阳辐射的下降起着重要作用。关键词：地面太阳辐射；全球变暗；气溶胶；雾霾
Variation and spatial distribution of surface solar radiation in China over recent
50years
*
QI Yue 1，2，FANG Shibo 2，，ZHOU Wenzuo 1
1School of Geographical Sciences ，Southwest University ，Chongqing 400715，China
2Institute of Eco-environment and Agro-meteorology ，Chinese Academy of Meteorological Sciences ，Beijing 100081，China
Abstract ：Under the background of global warming ，the gross radiation intensity on the ground changes obviously ，most of Earth's surface energy is from solar ，and the change of surface solar radiation could profoundly affect the global climate and eco-environment ，thus the effects of the natural and human factors on solar radiation have become a hot issue．Based on the review of previous studies ，this paper analyzed the long term variation characteristics of the surface solar radiation ，using methods of a linear-trend estimation ，regression analysis and correlation analysis ，and analyzed the relationship between the surface solar radiation variations and the atmospheric aerosol distribution．The characteristics of variation and spatial distribution of surface solar radiation was analyzed during past nearly 50years in China．The results showed as followed ：（1）Similar with most parts of the world ，China's surface solar radiation have experienced an earlier decreased and later raised process ，which known as that the earth changed from ‘global dimming ’to ‘global brightening ’；The surface solar radiation has been decreasing tendencies in recent 50years in China ，but the trends of surface solar radiation roughly divided into two phases in recent 50years ，the surface solar radiation and direct solar radiation had a decreasing trend over 1960—1990and an increasing trend since 1991．The scattered radiation had a increasing trend over 1960—1990and an decreasing trend since 1991．So in China ，the reducing trend of surface solar radiation did not persist after the 1990，instead ，an increasing trend had been observed since the late 1980s ，and the trend and turning points of surface solar radiation in China are consistent with the global trend．（2）The relationships between city's industry type ，city size and
基金项目：全球变化重大专项（973）项目（2010CB951300）；中加国际合作项项目（2009DFA91900）收稿日期：2013-03-13；
网络出版日期：2014-03-19
*通讯作者Corresponding author．E-mail ：sbfang0110@163．com
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24期齐月等：近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布7445
aerosol thickness distribution and surface solar radiation trends were analyzed．It showed that surface solar radiation declined more sharply in most big cities with intensive industry than the small or medium-sized city with less industry．In provincial capital ，whether north or south of the Qinling Mountain-Huai Ｒiver，the surface solar radiation of industrial cities had a decreasing tendency．The surface solar radiation in most of small cities showed insignificantly changing trends．It indicated that the change trend of surface solar radiation could be associated with air pollution in the process of quick urbanization and fast industrialization．On the whole ，compared with south of Qinling Mountain-Huai Ｒiver，the region in north of the Qinling Mountain-Huai Ｒiverhad a higher percentage of stations showed a downward trend．Compared with the small cities ，the provincial capital cities had a higher percentage of the downward trend in surface solar radiation．As spatial variation ，the surface solar radiation value is relatively higher in North China ，Central China ，Eastern China and South China ，Sichuan basin ，and relatively lower in other areas．The surface solar radiation in Eastern China ，Central China and part of North China decreased even more sharply than west of China．Thicker aerosol optical depth was with larger trend of the surface solar radiation decrease ，it indicated that aerosol pollution plays an important role in the decline of surface solar radiation．Key Words ：surface solar radiation ；global dimming ；aerosol ；haze
地面太阳辐射是自然界中各种物理过程的主要能量来源，是驱动天气、气候形成和演变的基本动力
［1-2］
同方面分析了影响太阳辐射变化的因素，得到了许多科学研究成果
［10-12］
。本文对中国近年来的最新研
，是生态系统能量的主要来源，是维持地球气究成果进行综合分析，研究了近50年中国地面太阳辐射（总辐射、直接辐射和散射辐射）的变化特征；对中国不同地区、不同城市的地面太阳辐射变化进行了对比研究，重点分析了太阳辐射与大气污染间存在的关系。1
近50年国内外地面太阳辐射的变化特征从20世纪50年代后期国际上开始对到达地面的太阳辐射开始进行了观测
［13］
候系统及生态系统能量平衡的重要因子，是人类可开发、利用的重要自然资源。到达地面的太阳辐射包括直接辐射和散射辐射两部分，其中直接辐射是指以平行光线的形式直接投射到地面上的辐射能，经过大气散射到达地面的辐射能是散射辐射
［3］
。
由于受到云、水汽、大太阳辐射经过大气层时，
气中的CO 2和O 3等气体以及气溶胶粒子的吸收、反使到达地面的太阳辐射减弱射和散射作用，
［4］
。到，同期逐渐利用卫星
［14］
达地面的直接辐射强弱由太阳高度角和大气透明度（或者浑浊度）条件决定。同一个地区太阳高度角在一段时期内基本不变，大气透明度是决定太阳辐射的关键因子。散射辐射的强弱主要取决于太阳高度和大气透明度状况，有云时则需要考虑云的重要作用。云对散射辐射的影响比较复杂，高而薄的中高云使散射辐射随云量的增多而增大，低而厚的低云则使其随云量变化呈抛物线型
［5］
遥感自上而下的对地球辐射平衡进行观测，得到
了地面太阳辐射长期观测数据，为以后的研究提供了资料。近十几年来，国内外许多学者对中国及其区域的地面辐射变化情况进行了深入的分析探讨。中国对于太阳辐射观测从20世纪50年代开始，期间由于观测项目、观测台站的调整，影响了辐射资料在时间和空间上的连续性，导致了部分资料数据缺失或无观测。许多学者对缺失数据进行了处理补齐，得到了我国近50年来的地面太阳辐射长期变化特征。选择全国站点数大于30个站点的研究总结如表1。
从表1和图1可以看出中国地面太阳辐射的变化特征，大致是在1960—1990年左右呈下降趋势，之后从1990年前后开始全国及不同区域太阳总辐射逐渐增加，不同学者由于选取的站点数及时间段不同，得出的变化幅度有所不同，但总体上与变化趋
。
近几十年由于中国经济的快速发展和工业化水平提高，大气污染、气溶胶粒子增加等环境问题以及云量、温度等气候因素给太阳辐射带来很大影响，引起了国内外科学家的广泛关注，并开展了一系列研究工作
［6-9］
，如利用太阳辐射观测资料研究发现20
世纪60年代以来非洲、亚洲、欧洲和北美洲地区等，90年代开太阳辐射明显下降，出现了“全球变暗”始太阳辐射开始上升出现“全球变亮”的趋势，从不
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7446
表1
Table 1站点数The number of site
中国地面太阳辐射的长期变化情况
生态学报34卷
辐射的长期变化特征。中国地面太阳辐射的变化特。“变暗”“变亮”征与全球变化特征相一致，即先后2
中国不同地区地面太阳辐射变化对比分析近50年来中国的地面太阳辐射出现了先减少后增多趋势，与地球的先“变暗”后“变亮”过程相一
［15］
Long-term variations of surface solar radiation in China 时间区间
Time interval 1957—19921961—19841985—19921961—19901961—20001961—19901990—20001961—20001955—20001955—19901990—20001960—20001960—19891990—20001961—20021961—19901990—20021961—19891990—2003
平均变化幅度/（每10a ）Average variation amplitude －5．2W /m2无介绍无介绍无介绍－4．5W /m2或－2．7%
无介绍无介绍－5．2W /m2和－3．3%－3．1W /m和－1．9%
无介绍无介绍
－2．7W /m－5．7W /m2+5．5W /m2－3．4W /m2或－2%
无介绍无介绍
－3．3%无介绍
22
变化趋势Trend 参考文献Ｒeferences
58
减少减少增加减少减少减少增加减少减少减少增加减少减少增加减少无介绍无介绍减少增加
致。我国的不同区域和不同城市间太阳辐射会发生怎样的变化，变化幅度又是如何？本文根据学者们对这个问题的研究，分析我国不同地区和不同城市的太阳辐射变化情况。2．1
中国各区域地面总辐射年际变化特征
太阳辐射的变化不只发生在大区域内，在小范
55［16］
64［17］
46［18］
围内同样会表现出不同的变化趋势。我国许多研究者利用不同的方法对我国的华东地区、西北地区、和新疆地区等地面太阳辐射变化情况进行了分析，如表2所示。
从表2中可以看出中国从1961—2010年地面太阳辐射总辐射变化整体上呈下降趋势，各分区的总辐射以减少为主，减少幅度略有不同，华东地区下降幅度大于其他地区。从20世纪60年代开始呈减少趋势至70年代初期变得非常显著且达到95%的显著性检验，这一趋势一直持续到1991年，其后一直表现为增长趋势
［21］
85［19］
52［20］
60［21］
30［22］
。近50年来中国地面总辐射
581961—2009减少无介绍［5
］
的变化大体上可以分为两个阶段，各个地区从1961到1990年前后地面太阳总辐射量和直接辐射均以1990年至今地面太阳辐射量逐渐上下降趋势为主，
升，与全球变化趋势相符。
杨胜鹏等
［21］
人对中国大陆总辐射的演变特征
发现川黔（包括四川、贵州和重庆）、东部做了研究，
（包括安徽、江苏、浙江、福建、广东、广西、江西、湖南、湖北和河南）、云南、高原和西北地区（西藏、青海、甘肃的西北部和内蒙古西部）基本上都是先降后升的过程，转折点在1990年前后；北疆（新疆北部）
图1法）Fig．1
Kendall 全国地面太阳辐射的年际变化和趋势检验（Mann-Ｒegionalaveraged inter-annual variation of global solar
、宁和北方地区（山东、山西、陕西、辽宁、吉林、河北、夏、北京和内蒙古中部地区）从1960年开始一直呈1990年后趋势变得平缓；而东北东（包括下降趋势，
黑龙江和内蒙古北部地区）近40年趋势变化曲线基本没有通过95%的显著性检验。中国及各个区的变化趋势和转折点与全球总体趋势相一致，与先“变“变亮”暗”后的过程相吻合。
［21］
radiation and their trends （Mann-Kendall method ）［21］
势相符。任国玉等
［23］
利用日照时数资料发现，
1956—2002年间，全国平均年日照时数具有明显的1990年以后变化趋势趋于和缓，下降趋势，与太阳辐射的变化特征一致，从另一个侧面反映了地面太阳
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24期齐月
表2
Table 2
等：近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布
中国部分地区地面太阳辐射的长期变化的主要研究结果
7447
The primary results about the variations of surface solar radiation some areas in China 地区Area
时间区间Time interval
总辐射变化趋势/（每10a ）Trend of global solar radiation 下降：
－20．195W /m2下降下降微升
下降下降
微升或无变化下降
先下降后上升
下降
下降：－49．4W/m2上升：+34．5W/m2下降下降上升下降下降
下降：－8．45%上升：1．54%先下降后上升
直接辐射变化The variations of solar direct radiation 无介绍下降下降微升下降下降
先下降后回升无介绍下降下降下降无介绍
散射辐射变化The variations of scattering solar radiation 无介绍
所含站点Site
参考文献Ｒeferences
区域Ｒegion
华北地区North China 京津冀地区1960—20051958—20001958—19901990—20001961—20101961—19901991—20101961—20071961—19921981—20081981—19971998—20081961—20001961—19911992—20001961—20061961—20081961—19891990—20081970—2009
北京、天津、
24］唐山、张家［
界、秦皇岛等北京
［25］
北京地区无介绍
环渤海地区无介绍上升
先上升后下降无介绍下降
变化不明显下降无介绍
北京、天津、
26］辽宁河北和［
山东乌鲁木齐、格
、尔木兰州等
［27］
西北地区
Northwest China 青藏高原主体区Plateau Area 新疆地区
Xinjiang Ｒegion
西北地区
怒江流域
安多、那曲、
28］索县、比如、［
丁青等阿勒泰、塔城、伊宁、乌鲁木齐、等
［29］
新疆地区
北疆地区
乌鲁木齐、伊
30］宁、阿勒泰、［
塔城
广州、合肥、
［31-32］
桂林、南昌等连南、连州、
［33］
连山、阳山
华南地区
South China
东南地区无介绍无介绍
粤西北地区无介绍无介绍
福州1961—1992下降：－73W /m2
下降：－86．11W /m2上升：+15．75W /m2
福州［34］
华南地区1961—2008下降下降变化不显著
广东、广西、
35-37］海南、珠江三［
角洲等
大同、东胜、太原、延安、
［38］
侯马、郑州、西安
大同、太原、
39］北京、天津、［
济南、郑州云南省7个站点
［40］
华中地区
Central China 黄土高原地区
1961—2000下降：－25．33W/m2无介绍无介绍
海河流域1957—20081961—20071961—19901990—20071961—20051961—20081961—19891990—19992000—2008
下降下降上升
西南地区
Southwest China
云南
下降：－0．64%下降上升
无介绍无介绍
云贵高原下降
下降：－2．05W/m2下降：－11．7W/m2上升：8．0W/m2上升：5．6W/m2
下降无介绍
腾冲、丽江、
41］景洪、昆明、［
蒙自等
江苏、安徽、
42］江西、浙江、［
福建、上海
华东地区
East China
华东地区无介绍无介绍
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7448续表
区域Ｒegion
地区Area
时间区间Time interval 1971—20071971—19901990—20071961—2008
中国东南部
1961—19901991—2008
生态学报34卷
总辐射变化趋势/（每10a ）Trend of global solar radiation 下降下降下降
下降：－3．2W /m2下降：－12．38W/m2上升：+4．16W/m2
直接辐射变化The variations of solar direct radiation 无介绍
散射辐射变化The variations of scattering solar radiation 无介绍
所含站点Site 参考文献Ｒeferences
江苏
淮安、南京、
［43］
吕泗
南京、合肥、杭州、福州、
［32］
南昌、赣州、广州、汕头
下降
下降：－11．44W /m2无介绍下降
下降：－0．75W /m2无介绍
2．2不同城市间地面太阳辐射变化特征对比分析随着经济的发展，城市化的步伐越来近几十年，
峨眉山，地面太阳辐射呈下降趋势站点都是以工业型城市为主；通过ɑ=0．05显著性检测的站点，其地面太阳总辐射的变化以下降为主。在省会及大城市中，通过ɑ=0．05显著性检测的城市占68%，并且大部分是以工业为主的大城市，无论是秦岭淮河以南还是以北，工业型城市地面太阳辐射下降幅度都较大；未通过ɑ=0．05显著性检测的城市，大部分是以旅游业或第三产业为主的城市；在中小城市中，通过ɑ=0．05显著性检测的城市占53．3%，其中大部分地区地面太阳辐射升降变化趋势不明显，个别城市呈上升趋势，可能由于人为活动影响较小，属于正常自然波动。秦岭淮河以北的城市通过ɑ=0．05显著性检测站点多于秦岭淮河以南，并且秦岭淮河以北的城市太阳辐射下降幅度大于秦岭淮河以南的城市。中小城市的下降幅度小于省会及直辖市，不同类型城市的地面太阳辐射的这种变化趋势，可能与城市化和人类活动等因素影响较大有关。
越快，工业发展迅速，对全球的气候变化也产生了重要影响。Alpert 等
［44］
分析了城市化对于到达地面太
阳辐射的变化的影响，发现在1990年以前在“变暗”的气象台站中，城市或受城市影响的区域太阳辐射
2
而农村明显减少，平均每年减少幅度为0．41W /m，
地区的减少幅度小得多，平均每年减少幅度为0．16W /m2。说明城市化对太阳辐射的变化有一定的影响。
我国的产业结构复杂，种类居多，将利用资源发展钢铁工业、重工业、机械等的城市划分为工业型城市，其他为非工业型城市。表3显示了中国部分城市是否通过ɑ=0．05显著性检测的倾向率，从表中可以看出，近50年来大多数站点的地面太阳辐射以下降趋势为主，个别站点呈上升趋势，其中下降幅度较大的站点有太原、北京、武汉等，上升幅度最大的为
表3
Table 3
城市等级
Urban hierarchy 省会及直辖市Provincial capitals and Municipalities
6
22］
中国部分城市太阳总辐射变化的气候倾向率/（W m －210a －1）［5，
The climate tendency of surface solar global radiation over some cities in China
城市类型Urban type 工业型城市
城市数Quantity of urban 7
平均值Average －51．6
标准差Standard value 34．1
城市（站点）Urban 武汉合肥南昌贵阳
非工业型城市
－25．5
19．9
福州海口杭州
倾向率Tendency rate －72．2－39．1－60．9
＊－33．1＊＊－24．5＊
界线
Boundary 秦岭淮河以南
城市（站点）Urban 成都南京拉萨上海广州南宁太原天津沈阳西宁
倾向率Tendency rate －50．9－44．4－60．0－27．4－39．8
＊－23．2＊
－12．1*
＊－25．8＊
秦岭淮河以北工业型城市11－48．268．1北京济南长春郑州
－81．0－54．9－13．2*－21．2
－81．1－54．5－34．2－59．4
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24期续表
城市等级
Urban hierarchy
界线Boundary
齐月等：近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布7449
城市类型Urban type
城市数Quantity of urban
平均值Average
标准差Standard value 城市（站点）Urban 银川西安
倾向率Tendency rate －39．3－42．0
城市（站点）Urban 兰州
倾向率Tendency rate
＊－49．2＊
非工业型城市
中小城市Middle-sized and Small cities
秦岭淮河以南
工业型城市
27
－16．6－26．4
14．9
哈尔滨汕头昌都桂林赣县
＊
乌鲁木齐0．19＊＊－25．2＊
－32．9－25．6
＊－37．2＊
宜昌蒙自敦煌峨眉山腾冲吐鲁番侯马喀什和田格尔木通辽延安若羌二连浩特
－30．8*－22．9*－25．56．9*－8．6*－57．8－67．4－32．4－26．1－31．9－31．3－8．8*－2．3*－5．8*28．7
－17．943．9－1．7*－51．3－60．9－44．7－30．4－22．5－3．8*－9．2*
＊－7．4＊＊－9．7＊
非工业型城市
秦岭淮河以北
工业型城市
411
10．1－41．6
35．049．2
那曲丽江大同固始玉树阿勒泰哈密伊宁
非工业型城市8－2．333．9朝阳佳木斯黑河民勤
＊＊表示的时间段为：1961—2003年未通过ɑ=0．05显著性检测的站点；*1961—2009年未通过ɑ=0．05显著性检测的站点；其他：1961—2009年通过ɑ=0．05显著性检测的站点
中国自然环境复杂，气候类型多样，现将中国分（II ）青藏高成以下9个区域如图1所示：（I ）新疆、
（III ）西北（陕西、原主体（西藏、青海）、甘肃、宁夏）、（IV ）华北（北京、（V ）西天津、河北、山西、内蒙古）、（VI ）华东（上海、南（重庆、四川、贵州、云南）、江苏、（VII ）华南（广东、浙江、安徽、山东）、广西、海南、福（VIII ）华中（江西、（IX ）东建）、河南、湖北、湖南）、北（辽宁、吉林、黑龙江）用来统计分析区域地面太阳辐射倾向率变化特征。从图2中地面太阳辐射下降显著的站点数与总站点数的比率来看，华中地区最高为100%，新疆和华东地区在80%以上，青藏高原主体区和西北地区均为66．7%，西南地区为33．3%，其他区域均在20%以下。华中、新疆和华东地区是太阳辐射下降趋势最为明显的区域，这与许多学者
［32，43，45-46］
居多。东北地区AOD （Aerosol Optical Depth ）值较低，华北、华南、华中地区、四川盆地以及华东地区北部AOD 值较高，其他地区AOD 值较低。大部分地区气溶胶光学厚度的分布与太阳辐射分布相一致，由于图2中地面太阳辐射的变化与气溶胶光学厚度分布的数据的时间段不同，个别地区分布上并不是很一致，如山西、青海东部；这可能因为省际大城市的城市化进程较快，人为活动相对频繁、空气污染严重等因素有关。这一方面还没有学者进行定量化研究，还需进一步的分析探讨。
以上综述了我国各个区域以及不同城市的地面太阳辐射变化特征，地面太阳辐射总体呈下降趋势，以1990年为分界点之前大部分地区和城市以下降趋势为主，之后以逐渐上升。Hayasaka 等
［48］
利用卫
的研究结果相吻合。结果发现利星资料对我国地面太阳辐射进行研究，
SＲB和ISCCP 的资料反演得到的短波辐用GEWEX-射照度大于地面观测数值。目前对于我国地面太阳辐射的长期变化特征，都是利用地面观测数值得到的，还没有利用卫星资料研究得到的成果，还需要进行这方面的深入研究。
结合图21961—2009年中国地面太阳总辐射变化趋势和表3可以看出，东中部地区地面太阳辐射比西部地区下降快，以工业为主的城市比以第三产业为主的城市地面太阳辐射下降的快，省际大城市以下降明显为主，而其他城市以变化不显著的站点
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7450生态学报34卷
图2Fig．2
22］
中国近50年地面太阳总辐射变化趋势［5，和中国区域2001—2010年平均遥感气溶胶光学厚度（550nm ）分布［47］（黑点：通过ɑ=
0. 05显著性检测，空心点：未通过ɑ=0. 05显著性检测）
The surface solar radiation long-term trend in recent 50years in China and Annual mean AOD （550nm ）over China for 2001—2010
3结论与讨论
以上主要利用近几年国内外关于地面太阳辐射
（1）近50年来包括中国地面太阳辐射出现了先减少后增多的变化趋势，即从“变暗”到“变亮”的过1990后程，大体上是1990年之前以下降趋势为主，逐渐上升。但是不同的时间段、不同的区域变化幅度有所不同，这些研究成果都是根据地面观测资料，没有得到卫星资料的验证。
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的研究情况，对中国以及各地区和不同城市间进行地面太阳辐射的变化特征进行了总结，主要包括以下几个方面：
24期齐月等：近50年来中国地面太阳辐射变化及其空间分布7451
（2）总结了前人的研究成果发现，中国不同的地区、不同城市间地面太阳辐射变化情况有所不同，但总体趋势是以下降为主，有个别城市变化不显著。东中部地区地面太阳辐射比西部地区下降显著，以工业为主的城市比非工业为主的城市地面太阳辐射下降的明显，省际大城市比其他城市变化显著。这些研究成果只是通过地面观测资料得到，并没有通过卫星资料的证实，可能在变化幅度上还有所差异。
（3）通过对地面太阳辐射变化分布图和气溶胶光学厚度分布图进行对比研究发现，气溶胶光学厚度分布与地面太阳辐射变化趋势相一致，说明地面太阳辐射的减少可能与空气污染有关，对于这一方面还没有定量化的研究，需要进一步深入探讨。
近50年来地面太阳总辐射出现了从减少到增加的变化过程，由于受不同影响因素的影响，各地区地面太阳辐射变化不同。已有研究
［31，35，40］
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响地面太阳辐射的因子中云量、气溶胶的影响较大；水汽、大气的气体成分、太阳活动、气温和降水等对地面太阳辐射的影响程度尚不明确，还需进一步的研究。目前，国内太阳能的开发利用较少，根据不同地区地面太阳辐射的分布情况充分利用太阳能资源仍需深入研究。
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