基于GIS的接壩山地太陽直接輻射空間分布規(guī)律研究

程 復，李 婧，常丹東，趙廷寧

（1.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京100083；2.水利部水土保持監(jiān)測中心，北京100055）

接壩山地地處內(nèi)蒙高原和燕山丘陵山地的連接地帶，屬于半干旱農(nóng)牧交錯區(qū)，是典型的生態(tài)過渡帶和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，同時又是京津地區(qū)重要的生態(tài)屏障，具有極為重要的生態(tài)位勢。長期以來，在全球氣候變化和人為不合理的經(jīng)濟開發(fā)活動雙重壓力和干擾下，植被破壞嚴重，土地荒漠化加劇，局部生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰的邊緣。該地區(qū)的豐寧滿族自治縣小壩子鄉(xiāng)已成為距首都北京最近的沙源之一［1］。本研究以豐寧小壩子鄉(xiāng)為研究區(qū)域，基于VIEWGIS軟件平臺，計算了小壩子全鄉(xiāng)的太陽直接輻射值，分析了太陽輻射的空間分布規(guī)律及特征，為接壩山地防沙治沙和生態(tài)環(huán)境建設提供基礎依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小壩子鄉(xiāng)位于豐寧滿族自治縣西北部，地處豐寧縣城以北45 k m的壩緣山地，是高原與山區(qū)的過渡地帶。地理坐標為北緯41°22′8″—41°34′6″，東經(jīng)116°12′49″—116°29′30″。全鄉(xiāng)土地總面積 310.02 k m2。該鄉(xiāng)屬大陸性季風型半干旱氣候，年均無霜期105 d，年平均氣溫2.5～3.4℃，≥0℃積溫2 648～3 067℃，≥10℃積溫2 095～2 564℃。年4級以上風日數(shù)210 d左右，其中8級以上大風的日數(shù)最高可達65 d。地帶性植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，北部呈現(xiàn)干旱草原景觀?，F(xiàn)有植被多為原始森林破壞后經(jīng)過封育或天然更新發(fā)展起來的次生林。土壤以棕壤為主，褐土、潮土為輔，以北梁為中心到小壩子村以及河谷灘地分布有風沙土。小壩子鄉(xiāng)共有6個行政村，總?cè)丝跒? 824人，主要經(jīng)濟來源為牧業(yè)，2001年人均年收人為618元。經(jīng)濟發(fā)展滯后，人民生活水平低下［2］。

1.2 研究方法

本研究基于中國林業(yè)科學研究院地理信息系統(tǒng)研究室開發(fā)研制的View GIS，利用數(shù)字高程模型（DEM）建立的一個能夠適用于各種坡度、坡向、地形遮蔽度，不需要局地參數(shù)，適用范圍較廣的太陽直接輻射模型［3］，計算了小壩子全鄉(xiāng)的太陽直接輻射值，同時結(jié)合實地調(diào)查與長期太陽直接輻射觀測對模型的精度進行了檢驗［4］，并分析了太陽輻射的空間分布規(guī)律及特征，研究框架見圖1。

圖1 研究框架圖

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.3.1 DEM的生成 數(shù)字高程模型（DEM）是提取高程、坡度、坡向等地形基本特征參數(shù)的基礎。

將小壩子鄉(xiāng)1∶50 000紙質(zhì)地形圖掃描數(shù)字化，并矢量化。通過對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［5］，其分辨率為10 m×10 m。

1.3.2 水熱狀況典型年份的確定 利用View GIS進行太陽輻射模擬時，需要輸入年、月、日等詳細的時間參數(shù)，因此在模型計算之前首先要確定時間，即年、月、日，且所確定的時間應該具有一定的代表性。為此，以典型氣象年的原理作為確定時間的依據(jù)［6］。

通過分析研究地區(qū)1956—1999共44 a的氣溫和降水量資料得出，小壩子鄉(xiāng)多年日平均氣溫為6.61℃，年平均降水量為480.5 mm（表1）。

表1 多年氣溫和降水量統(tǒng)計

分析結(jié)果表明，當年氣溫值同多年平均氣溫值較為接近的年份主要有1959，1960，1973，1977和1981年，當年降水量同多年平均降水量值較為接近的年份有1957，1961，1970，1977和1979年，考慮到所確定的典型年要同時兼顧氣溫和降水量因子的最大接近，最終選定1977年作為水熱因子的典型年份，該年分的水熱狀況基本可以代表研究區(qū)域多年的平均水熱狀況，具有普遍意義。

1.3.3 太陽輻射模擬值的計算與提取 經(jīng)過計算后所得太陽直接輻射值的數(shù)據(jù)是基于DEM圖上以柵格形式顯示的，對于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析存在一定難度，故必須將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式提取出來以方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析［7］。

利用小壩子鄉(xiāng)地理信息系統(tǒng)中的地塊屬性圖與計算后的太陽輻射圖層進行疊加，通過數(shù)據(jù)提取功能，以地塊小斑為單位，提取出該小斑內(nèi)的平均太陽輻射值，同時將提取出來的太陽直接輻射值（V＿特征值）添加到地塊屬性數(shù)據(jù)庫中。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽直接輻射隨地貌類型的變化規(guī)律

表2中表示了不同地貌部位下一年中各月份的太陽直接輻射月均量的變化，由于太陽直接輻射受太陽高度角的影響較大，因此從表2中可以看出地貌對直接輻射分布的影響比較明顯：從山頂、山中上部以及山下部的太陽直接輻射量來看，山頂最高，其次是山中上部和山下部，呈現(xiàn)出太陽直接輻射隨海拔高度升高而增大的變化規(guī)律。

表2 月太陽直接輻射量隨地貌的變化 MJ/m2

從以上分析可以看出，山頂、山中部、山下部等不同地貌條件的太陽直接輻射的動態(tài)變化規(guī)律差異不大，但其空間分布的差異較大，說明地貌對太陽直接輻射的空間分布的影響比較顯著，它們的太陽直接輻射月均量依次為：溝臺地＞河灘地＞山頂＞山中上部＞溝道＞山下部。

2.2 太陽直接輻射隨坡度的變化規(guī)律

表3反映不同坡度下一年中各月份的太陽直接輻射月均量的變化，從表3中可以看出隨著坡度的不同太陽直接輻射量的變化規(guī)律也是明顯的：各月份隨著坡度的增加其太陽直接輻射量是遞減的。其中，以坡度為8°和35°為界變化最為明顯，3°～8°坡比8°～15°坡平均變化量高29.87 MJ/m2，15°～35°坡比≥35°坡平均變化量高27.81 MJ/m2。5種不同的坡度類型隨各月太陽直接輻射的動態(tài)變化幅度以5—8月份這4個月為最大。

表3 月太陽直接輻射量隨坡度的變化 MJ/m2

2.3 太陽直接輻射隨坡向的變化規(guī)律

表4反映不同坡向一年中各月份的太陽直接輻射月均量的變化，從表4可以看出，坡向?qū)χ苯虞椛浞植嫉挠绊懛浅Ｃ黠@：陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡的月平均太陽直接輻射從大到小排列為陽坡（483.21 MJ/m2）＞半陽坡（468.51 MJ/m2）＞半陰坡（432.93 MJ/m2）＞陰坡（416.40 MJ/m2）。陽坡比陰坡的月平均太陽直接輻射量高66.81 MJ/m2，半陽坡比半陰坡的月平均太陽直接輻射量高35.58 MJ/m2。從整體上看，在4種不同的坡向類型條件下，各月太陽直接輻射的動態(tài)變化幅度不是很大，即太陽直接輻射的動態(tài)變化規(guī)律差異不大，但其空間分布的差異較大，說明坡向?qū)μ栔苯虞椛涞目臻g分布的影響是比較顯著的。

表4 太陽直接輻射量隨坡向的變化 MJ/m2

3 結(jié)論

（1）地貌對太陽直接輻射分布的影響比較明顯，溝臺地和河灘地的太陽直接輻射量高于山頂?shù)绕渌孛膊课?，山下部的直接輻射量最低，分布?guī)律依次是溝臺地＞河灘地＞山頂＞山中上部＞溝道＞山下部，呈現(xiàn)出太陽直接輻射隨海拔高度升高而增大的變化規(guī)律。

（2）隨著坡度的不同太陽直接輻射量的分布變化規(guī)律也是明顯的：各月份各隨著坡度的增加其太陽直接輻射量是遞減的。其中，以坡度為8°和35°為界變化最為明顯，3°～8°坡比8°～15°坡平均變化量高29.87 MJ/m2，15°～35°坡比≥35°坡平均變化量高27.81 MJ/m2。

（3）不同坡向一年中各月份的太陽直接輻射月均量的變化非常明顯：陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡的月平均太陽直接輻射從大到小排列為陽坡（483.21 MJ/m2）＞半陽坡（468.51 MJ/m2）＞半陰坡（432.93 MJ/m2）＞陰坡（416.40 MJ/m2）。陽坡比陰坡的月平均太陽直接輻射量高66.81 MJ/m2，半陽坡比半陰坡的月平均太陽直接輻射量高35.58 MJ/m2。

本研究采用的模型是只適用于睛空條件下的太陽直接輻射模型，因此本文只計算研究了睛空條件下太陽直接輻射的分布規(guī)律。而對于在少云、多云條件下太陽直接輻射和任意氣象條件下的散射輻射則沒有涉及，以后的研究應向這個方向努力。

［1] 田佳，郭宏忠，鄒受益，等.近50 a來接壩山地氣候變化和人為活動對土地沙化的影響［J］.水土保持通報，2007，27（5）：28－31.

［2] 豐寧滿族自治縣地方志編纂委員會.豐寧滿族自治縣志［M］.北京：中國和平出版社，1994：144－152，366.

［3] 謝陽生，唐小明，黃水生.基于GIS太陽直接輻射模型的研究［J］.林業(yè)科學研究，2003，16（1）：8－12.

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［5] 胡晉山，康建榮.地圖掃描數(shù)字化誤差分析及控制［J］.測繪科學，2005，30（2）：90－92.

［6] 賀慶棠.氣象學［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1998：241－248.

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