基于GIS的復(fù)雜地形下的太陽(yáng)直接輻射分布規(guī)律

許宗文，駱漢，趙廷寧?，馬歡，張華，高俊

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京礦冶研究總院，100160，北京;3.珠江水利科學(xué)研究院，510611，廣州)

太陽(yáng)輻射是地表最基本、最重要的能源，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、水文、生態(tài)等科研領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在世界不同區(qū)域?qū)μ?yáng)輻射的多種特性進(jìn)行了研究，在太陽(yáng)輻射變化分析、太陽(yáng)能特征及太陽(yáng)輻射計(jì)算方法等方面都取得了一定成果［2-7］。對(duì)于起伏不平的地面(坡面)，由于太陽(yáng)光線的入射角不同，太陽(yáng)輻射的到達(dá)量有顯著差異。國(guó)外在地形因素方面太陽(yáng)輻射模型的研究始于20世紀(jì)60年代，先后建立了地理信息系統(tǒng)中的太陽(yáng)輻射模型，提出了太陽(yáng)輻射模型中地形參數(shù)的快速算法，建立了運(yùn)用數(shù)字高程模型計(jì)算晴空條件下太陽(yáng)直接輻射和散射輻射的模型等［8］。我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)輻射的時(shí)空變化及其應(yīng)用研究，長(zhǎng)期以來以分布在全國(guó)58個(gè)日射站的實(shí)測(cè)日射資料為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析［9］，對(duì)于任意地形條件下太陽(yáng)輻射模型的開創(chuàng)性研究起步較晚［10］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)輻射的研究多基于大尺度DEM數(shù)據(jù)或遙感影像數(shù)據(jù)建立太陽(yáng)輻射模型，對(duì)于小區(qū)域內(nèi)復(fù)雜地形下太陽(yáng)輻射分布規(guī)律的研究則相對(duì)較少。本研究研究區(qū)位于北京市房山區(qū)一采石場(chǎng)，區(qū)內(nèi)水土流失非常嚴(yán)重，對(duì)附近村落居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅，急需進(jìn)行林草植被的恢復(fù)以防治水土流失，而太陽(yáng)輻射規(guī)律對(duì)于林草物種的選擇、配置及栽植位置等也有重要的指導(dǎo)意義;因此，筆者綜合運(yùn)用影像全站儀技術(shù)和ViewGIS3.0軟件計(jì)算得到了黃院村采石場(chǎng)的太陽(yáng)直接輻射量，并分析了坡度、坡向等地形因素對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響，旨在為當(dāng)?shù)氐牧植葜脖换謴?fù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及區(qū)域規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市房山區(qū)中部的黃院村采石場(chǎng)，處于太行山北段余脈大房山東麓，屬于太行山石質(zhì)山區(qū)的低山丘陵地貌，以石灰?guī)r為主。屬山前半干旱、半濕潤(rùn)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降水量655 mm，全年降水的75%集中在夏季，且常有暴雨。土壤為廢棄采石場(chǎng)渣土，質(zhì)地為多礫石砂壤土。水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，大氣降水大部分經(jīng)地表直接排泄入山前的周口河，少部分順巖層裂隙滲入地下。天然植被覆蓋率低，主要有高羊茅(Festuca arundinacea)、委陵菜(Potentilla aiscolor Bunge.)、野瑞香(Ternstroemia gymnanthera)、黃花蒿(Artemisia annua L.)和火炬樹(Rhus typhina Nutt.)等。

2 研究方法

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 地形掃描 2011年春季運(yùn)用影像全站儀技術(shù)對(duì)黃院村采石場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地掃描測(cè)量，獲取1∶1萬(wàn)地形圖。地形掃描測(cè)量流程為:布設(shè)控制點(diǎn)→坐標(biāo)系引測(cè)→測(cè)站/后視→設(shè)置掃描區(qū)域/參數(shù)→掃描/導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2.1.2 實(shí)地測(cè)量 根據(jù)海拔、坡度、坡向等因素共選取A、B、C、D共4個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)(表1)，使用 DFY1型直接輻射表及三角支架測(cè)量太陽(yáng)直接輻射，并用UT2001型萬(wàn)用表讀出測(cè)到的輻射電壓值，經(jīng)換算得到太陽(yáng)輻射值。換算公式為sch=(sc/1.74)×(10 000/60)，

表1 實(shí)測(cè)點(diǎn)概況Tab.1 Situation of measured points

式中:sch為實(shí)測(cè)換算后的數(shù)據(jù)，即換算值，J/(m2·s);sc為觀測(cè)值，mV;天空輻射則將訂正系數(shù)換成1.63 mV·min·cm2/J。2012年10月27日晴天條件下08:00—17:00，每間隔30 min在4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同步測(cè)量一次，每次測(cè)量讀取3次讀數(shù)，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 DEM數(shù)據(jù)生成 本文的太陽(yáng)直接輻射模擬研究是基于ViewGIS3.0展開，而由地形掃描所得數(shù)據(jù)生成地形圖的過程則選擇了圖形處理方面功能更強(qiáng)大的ArcGIS來完成。實(shí)地掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，通過3D Analyst Create/Modify TIN工具創(chuàng)建TIN圖(圖1)，運(yùn)用3D Analyst Surface Analysis工具，生成等高線圖(圖2);然后將等高線圖層，另存為.shp文件，用ViewGIS3.0軟件打開另存為其專有文件格式(.lay文件)，并通過對(duì)等值線柵格化和高程值的內(nèi)插，劃分規(guī)則網(wǎng)格，生成DEM(數(shù)字高程模型)圖層(該DEM圖層同圖2直觀上沒有區(qū)別但可正常讀取數(shù)據(jù))。

2.2.2 太陽(yáng)輻模擬計(jì)算射 該模型計(jì)算太陽(yáng)直接輻射日總量(或平均量)時(shí)，輸入所要日期和時(shí)間間隔，而不需要其他氣象參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)直接輻射日總量(或平均量)，并生成、顯示DEM圖層，顯示太陽(yáng)輻射分布結(jié)果，在DEM圖層中可以看到確定時(shí)間的太陽(yáng)輻射日總量(或平均量)。對(duì)于直接輻射強(qiáng)度，輸入確定的時(shí)間后系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度，并顯示出來。

圖1 研究區(qū)TIN圖Fig.1 TIN map of study area

圖2 研究區(qū)等高線圖Fig.2 Contour map of study area

將DEM調(diào)入復(fù)合圖并設(shè)置為當(dāng)前圖層，在圖層中將鼠標(biāo)放置在各觀測(cè)點(diǎn)上直接讀取太陽(yáng)直接輻射值。

3 模型精度檢驗(yàn)與分析

精度檢驗(yàn)就是把模型計(jì)算出的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值與實(shí)測(cè)值的誤差進(jìn)行比較分析。誤差的計(jì)算方法為(直接輻射模擬值-直接輻射實(shí)測(cè)值)/直接輻射實(shí)測(cè)值。通過分析直接輻射模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差可以得出，研究區(qū)域A、B、C、D這4個(gè)點(diǎn)的直接輻射模擬值與實(shí)測(cè)值的平均誤差依次為3.7%、4.9%、4.6%和3.1%，平均誤差僅為4.1%。對(duì)比謝陽(yáng)生等［11］在寧夏的模型檢驗(yàn)結(jié)果，該模型在黃院村采石場(chǎng)的應(yīng)用精度可以滿足需要。

直接輻射模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)均為誤差的絕對(duì)值。由表1可知，A點(diǎn)坡度小于B點(diǎn)，D點(diǎn)坡度小于C點(diǎn)。而由圖3可以看出，B點(diǎn)誤差大于A點(diǎn)誤差，C點(diǎn)誤差大于D點(diǎn)誤差，誤差隨坡度的增加而增大，這與王振華等［12］的研究結(jié)論一致。另外，各點(diǎn)的誤差在一天當(dāng)中都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)，即早晚誤差大，中午相對(duì)較為平穩(wěn)，且趨近于零，表明該模型在太陽(yáng)高度角較大時(shí)，能更準(zhǔn)確反映真實(shí)的太陽(yáng)直接輻射值。

圖3 直接輻射模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差分析Fig.3 Error analysis between simulated and measured direct radiation values

4 復(fù)雜地形下的太陽(yáng)直接輻射分布規(guī)律

一個(gè)地區(qū)所處的地理位置已經(jīng)決定了太陽(yáng)輻射的總量［13］，而對(duì)于某一個(gè)具體的場(chǎng)地，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取決于諸多因素，如大氣、太陽(yáng)高度角、海拔、地形、地貌及障礙物等。由于地面起伏變化造成局部地面接受太陽(yáng)光的狀況存在很大差異，太陽(yáng)輻射在地面還存在一個(gè)重新分配過程［14］。不同的坡度、坡向?qū)е绿?yáng)輻射量不同，造成局部小氣候特征差異，從而形成復(fù)雜的太陽(yáng)輻射空間分布［15］。本文僅就坡度、坡向等地形因素對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響進(jìn)行分析。

4.1 坡度對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響

用r=Q坡/Q計(jì)算地形對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響程度［16］。式中:r為地形對(duì)太陽(yáng)直接輻射的影響程度;Q坡為坡面上太陽(yáng)直接輻射日總量;Q為水平面太陽(yáng)直接輻射日總量。運(yùn)用ViewGIS3.0軟件得到研究區(qū)2012年10月27日的太陽(yáng)直接輻射日總量圖，DEM圖層中除顯示各點(diǎn)的經(jīng)緯度和直接輻射值外，還顯示各點(diǎn)的坡度坡向，在圖層上分別在各個(gè)坡向上找到坡度分別為 5°、15°、25°、35°、45°、55°的點(diǎn)以及0°的點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各點(diǎn)的r值并求出各坡度分級(jí)的平均r值(圖4)。

由圖4可以看出，陽(yáng)坡(S、SW、SE)各點(diǎn) r＞1，表示陽(yáng)坡上各點(diǎn)接受到的太陽(yáng)直接輻射量都高于平地的，而且隨著坡度的增大r呈先增大后減小的趨勢(shì)，臨界點(diǎn)與太陽(yáng)高度角的余角基本一致，即坡度不大于太陽(yáng)高度角余角時(shí)直接輻射日總量隨坡度的增大而增大，坡度大于太陽(yáng)高度角時(shí)直接輻射日總量隨坡度的增大而減小。東(E)坡和西(W)坡的r都在1附近波動(dòng)，表示東坡和西坡接受到的太陽(yáng)直接輻射量與平地基本相等，且隨坡度的增大沒有顯著變化。陰坡(N、NW、NE)各點(diǎn)的 r＜1，表示陰坡上各點(diǎn)接受到的太陽(yáng)直接輻射量都低于平地，而且隨著坡度的增大r逐漸減小。這是因?yàn)殡S著陰坡坡度的增大，單位面積坡面上獲得的直接輻射強(qiáng)度變小，而且接收到太陽(yáng)照射的時(shí)間也變短，導(dǎo)致太陽(yáng)直接輻射總量變小。

圖4 r受坡度影響的變化規(guī)律Fig.4 r variation affected by slope

4.2 坡向?qū)μ?yáng)直接輻射的影響

從正北方向算起，按順時(shí)針方向度量，即正北方向?yàn)?°，正東方向?yàn)?0°，正南方向?yàn)?80°，正西方向?yàn)?70°。在研究區(qū)2012年10月27日的太陽(yáng)直接輻射日總量圖層中，分別在 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等坡向上選取 3 個(gè)點(diǎn)(坡度在21°～30°之間)讀取數(shù)據(jù)，取均值得到各坡向的平均直接輻射日總量。得出東南坡與西南坡輻射日總量基本相等，東北坡與西北坡輻射總量基本相等，東坡和西坡輻射總量基本相等，輻射日總量表現(xiàn)為北坡＜東北坡(西北坡)＜東坡(西坡)＜東南坡(西南坡)＜南坡。

運(yùn)用ViewGIS3.0軟件分別生成冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)太陽(yáng)直接輻射月總量圖層，在各圖層坡度21°～30°、坡向0°～360°范圍內(nèi)均勻選點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各點(diǎn)的r值并求出各坡向的平均r值(圖5)。

圖5 不同季節(jié)r受坡向影響的變化規(guī)律Fig.5 Variation of r affected by the slope aspect in different seasons

由圖5可以看出，在冬季直接輻射量受坡向影響最大，夏季直接輻射量受坡向影響最小。1月，90°～270°(陽(yáng))坡的 r值明顯 ＞1，坡面接收太陽(yáng)直接輻射量比水平面多，其中180°(正南)坡的r值最高，坡面與水平面接受太陽(yáng)直接輻射量的差異最大，而0 ～90°和270°～360°(陰)坡的情況恰好相反，其獲得的太陽(yáng)直接輻射量比平地少，其中360°(正北)坡的r值最小，坡面與水平面接受太陽(yáng)直接輻射量的差異最大。10月和4月，r值隨坡向的變化規(guī)律和1月的類似，但可以明顯看出其變化幅度要小于1月的，即太陽(yáng)直接輻射量受坡向影響程度比1月弱。7月，r值受坡向影響很小，隨坡向的變化基本呈一條直線，其值接近于1，即不同坡向下直接輻射量和水平面的相當(dāng)。同時(shí)從各曲線交匯點(diǎn)可以看出，在各季節(jié)90°(東)坡和270°(西)坡的 r值都接近于1，表明其在各季節(jié)的直接輻射量均與水平面相當(dāng)。綜上所述，不同季節(jié)太陽(yáng)直接輻射量受坡向影響程度不同，冬季受坡向影響最大，秋季和春節(jié)次之，夏季受坡向影響最小。

5 結(jié)論與討論

1)研究區(qū)域A、B、C、D這4個(gè)點(diǎn)的直接輻射模擬值與實(shí)測(cè)值的平均誤差依次為3.7%、4.9%、4.6%和3.1%，平均誤差僅為4.1%。對(duì)比謝陽(yáng)生等［11］在寧夏作的模型檢驗(yàn)結(jié)果，該模型在黃院村采石場(chǎng)的應(yīng)用精度可以滿足需要。

2)各觀測(cè)點(diǎn)的誤差在一天當(dāng)中都表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)，即早晚誤差大，中午相對(duì)較為平穩(wěn)，且趨近于0，表明該模型在太陽(yáng)高度角較大時(shí)，能更準(zhǔn)確反映真實(shí)的太陽(yáng)直接輻射值。

3)陽(yáng)坡直接輻射量隨坡度的增大先增大后減小，臨界點(diǎn)與太陽(yáng)高度角余角基本一致。陰坡直接輻射量隨坡度的增大而減小。

4)不同季節(jié)太陽(yáng)直接輻射量受坡向影響程度不同，冬季受坡向影響最大，秋季和春節(jié)次之，夏季最小。

由于太陽(yáng)高度角和日照時(shí)間等因素的不同，不同坡向的坡面上獲得的太陽(yáng)輻射量存在差異。在太陽(yáng)高度角較低的冬季和秋季，坡向效應(yīng)較為顯著;太陽(yáng)高度角較高的春季喝夏季，坡向效應(yīng)則相對(duì)較弱，這與曾燕等［1］、王麗等［16］及王璁等［17］的研究結(jié)論一致。在同一坡向的坡面上，坡度不同，獲得的太陽(yáng)輻射量也不同。陽(yáng)坡直接輻射量隨坡度的增大先增大后減小，當(dāng)太陽(yáng)光線與坡面垂直即坡度與太陽(yáng)高度角余角一致時(shí)，輻射量達(dá)到最大值。陰坡直接輻射量則隨坡度的增大而減小。另外，本研究采用的模型是只適用于晴空條件下的太陽(yáng)直接輻射模型，因此只計(jì)算研究了晴空條件下太陽(yáng)直接輻射的分布規(guī)律。太陽(yáng)輻射模型需進(jìn)一步完善，以達(dá)到可以在少云、多云等條件下研究太陽(yáng)直接輻射的目的。

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