基于Arc GIS的中溫帶不同天氣類型點(diǎn)太陽輻射分析——以佳木斯市轄區(qū)為例

梅曉丹，毛學(xué)剛，范文義，王 強(qiáng)，劉丹丹，張為成

（1．黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2．東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

入射太陽輻射是地球上生物和物理過程驅(qū)動(dòng)的主要能源來源。在景觀尺度上，地形是一個(gè)決定空間差異性日照的主要因素，這種差異性也隨著每天時(shí)間和每年時(shí)間而變化。太陽輻射強(qiáng)度取決于諸多因素，主要包括：大氣條件，地球相對于太陽的位置、日照時(shí)間、海拔高度、地形、地貌及障礙物影響等。Arc GIS太陽輻射分析工具，可以分析在特定時(shí)間周期的特定位置或地理區(qū)域所受太陽的影響，其適用空間尺度為點(diǎn)或景觀，時(shí)間尺度為日、月和年，并廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地形的太陽輻射研究。目前，在國內(nèi)外的研究中，許多太陽輻射模型僅能適用晴空或陰天條件下復(fù)雜地形的太陽輻射，但對于實(shí)際天氣情況下的太陽輻射關(guān)注較少。因此，如何考慮天氣狀況，將日照時(shí)間、天氣類型和輻射參數(shù)相關(guān)，進(jìn)行不同天氣類型入射太陽輻射分析是本文探究的問題。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1．1 研究區(qū)概況

佳木斯位于黑龍江省東北部，北緯45°56′～48°28′，東經(jīng)129°29′～135°5′，面積3．27萬k m2。佳木斯市屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期。地貌自西南向東北形成山地—丘陵—平原的過渡形式。這里以佳木斯市轄區(qū)為例，進(jìn)行中溫帶不同天氣類型的Arc GIS點(diǎn)太陽輻射分析。

1．2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1）輻射數(shù)據(jù)和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)：佳木斯輻射臺(tái)站的日值數(shù)據(jù)集和地面氣候臺(tái)站的日值數(shù)據(jù)集都來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：／／cdc．c ma．gov．cn／ho me．do）。從研 究 區(qū) 的輻射日值數(shù)據(jù)集中，提取模擬驗(yàn)證所需的2007年佳木斯輻射臺(tái)站太陽輻射數(shù)據(jù)，日總輻射曝輻量（0．01 MJ／m2）。 佳 木 斯 輻 射 臺(tái) 站，緯 度 為46°49′，經(jīng)度130°17′。Arc GIS太陽輻射 分析的模擬日總輻射曝輻量（WH／m2），并需要兩者單位之間的轉(zhuǎn)換；另外，依據(jù)佳木斯輻射臺(tái)站的經(jīng)緯度值，采用Arc GIS生成點(diǎn)狀矢量要素，坐標(biāo)系統(tǒng)為 WGS－84，投影類型為UT M Zone 52 N；從研究區(qū)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，提取模擬驗(yàn)證所需的2007年佳木斯輻射臺(tái)站每日的日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)（h）。

2）地形數(shù)據(jù)：佳木斯市轄區(qū)GDEM DEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)（http：／／www．gscloud．cn）。投影類型：UT M／WGS84，空間分辨率30 m，數(shù)據(jù)格式為I mageFile柵格數(shù)據(jù)（＊．i mg）。運(yùn)用佳木斯市轄區(qū)的矢量邊界，使用Arc GIS10．1的掩模提取工具，獲取佳木斯市轄區(qū)的GDEM DEM 30 m數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2．1 Arc GIS的太陽輻射模型和計(jì)算方法

到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。入射太陽輻射穿過大氣層到達(dá)地面，會(huì)受到大氣、地形和表面要素的影響。太陽的直接輻射就是通過直線路徑從太陽射來的光線；散射輻射則是經(jīng)過大氣分子、水蒸氣、灰塵等質(zhì)點(diǎn)的影響，改變了方向的太陽輻射；反射輻射則是經(jīng)過表面要素的反射太陽輻射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽輻射總量。由于反射輻射所占太陽輻射總量較小，因此Arc GIS10．1的空間分析中的太陽輻射工具，忽略反射輻射，太陽輻射總量為直接輻射和散射輻射的總和。利用太陽輻射分析工具計(jì)算入射太陽輻射的景觀或特定位置的方法，其是由Rich et al．依據(jù)半球形視域算法所開發(fā)的，并由Fu and Rich進(jìn)一步發(fā)展?？傒椛淞浚℅lobaltot）是整個(gè)太陽圖和星空圖的直接輻射（Dirtot）和散射輻射（Diftot）之和，而且兩者是分別計(jì)算的。給定位置的總直接輻射（Dirtot）是計(jì)算所有太陽圖扇區(qū)的直接輻射（Dirθ，α）之和。給定位置的總散射輻射（Diftot）是計(jì)算所有星空圖扇區(qū)的散射輻射（Dif）之和。在Arc GIS的散射計(jì)算中，包括2種散射模型：均勻擴(kuò)散模型和標(biāo)準(zhǔn)陰天模型。前者，所有天空方向的入射散射輻射均相同，而后者，入射散射輻射通量隨天頂角而變化。雖然兩者計(jì)算給定的天空扇區(qū)散射輻射相對全部天空的比例（Weightθ，α）的方法不同，但都與天空部分天頂角的上下限和星空圖方位角的切分?jǐn)?shù)相關(guān)。

2．2 基于Arc GIS的太陽輻射模擬方法

這里以佳木斯市轄區(qū)為研究區(qū)，使用Arc GIS的點(diǎn)太陽輻射分析工具（Points Solar Radiation），對單點(diǎn)佳木斯輻射臺(tái)站進(jìn)行2007年入射日太陽輻射分析。主要采用兩種模擬思路，見圖1所示：一是默認(rèn)情況的點(diǎn)太陽輻射模擬，輻射參數(shù)使用默認(rèn)值，即散射模型為均勻擴(kuò)散模型，散射比例（Diff use proportion）為0．3，透射率（Trans mittivity）為0．5；二是依據(jù)2007年每日的日照時(shí)數(shù)（h），對當(dāng)前年的365 d進(jìn)行天氣狀況分析和天氣類型劃分，散射模型采用均勻擴(kuò)散模型和標(biāo)準(zhǔn)陰天天空模型相結(jié)合的方式，散射比例和透射率則依據(jù)4種天氣類型分別進(jìn)行取值，進(jìn)行4種天氣類型的點(diǎn)太陽輻射模擬。其它參數(shù)設(shè)置，均采用默認(rèn)值。由于Arc GIS的太陽輻射分析是按照景觀尺度和當(dāng)?shù)爻叨仍O(shè)計(jì)，緯度值采用佳木斯輻射臺(tái)站所在的佳木斯市轄區(qū)DEM自動(dòng)計(jì)算平均緯度值，其值約為46．69°N

圖1 基于Arc GIS的佳木斯點(diǎn)太陽輻射分析

2．2．1 日照時(shí)數(shù)和天氣類型的關(guān)系分析

2007年佳木斯氣象臺(tái)站的每日日照時(shí)數(shù)和統(tǒng)計(jì)值，見圖2、圖3所示。日照時(shí)數(shù)和天氣類型的關(guān)系分析，主要從3個(gè)方面進(jìn)行：①根據(jù)天文四季的劃分方法，將2007年佳木斯地面氣候臺(tái)站的日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，按天文四季的劃分方法，分別計(jì)算4個(gè)季節(jié)的日照時(shí)數(shù)平均值：春季約為7．7 h，夏季約為8．3 h，秋季約6．5 h，冬季約為5．3 h。其中，春分日約為9．6 h，夏至日約為13．5 h，秋分日約為6．5 h，冬至日約為3 h；②佳木斯市轄區(qū)符合北半球中緯度四季晝夜長短變化規(guī)律；③在Arc GIS的太陽分析中，默認(rèn)一日中小時(shí)間隔為0．5 h。根據(jù)已有研究成果［16－17］，將研究區(qū)域的當(dāng)年365 d劃分為4種天氣類型：非常晴朗、一般晴朗、一般多云和非常多云。經(jīng)過以上日照時(shí)數(shù)和天氣類型的關(guān)系分析，則將天氣類型和日照時(shí)數(shù)的關(guān)系劃分為2類：一類是春季和夏季，另一類是秋季和冬季，這兩類分別選擇不同的每日日照時(shí)數(shù)臨界點(diǎn)：秋季和冬季，晝短夜長，3 h，6 h，8．5 h；春季和夏季，晝長夜短，5 h，8 h，10 h 依據(jù)日照時(shí)數(shù)和天氣類型的關(guān)系，將2007年佳木斯天氣類型劃分：非常晴朗為106 d，占整年天數(shù)比例29%；一般晴朗為109 d，占整年天數(shù)比例30%；一般多云為69 d，占整年天數(shù)比例19%；非常多云為81 d，占整年天數(shù)比例22%。

圖2 佳木斯氣象臺(tái)站的每日日照時(shí)數(shù)

圖3 佳木斯氣象臺(tái)站的每日日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)值

2．2．2 天氣類型劃分和確定輻射參數(shù)

根據(jù)已有研究，確定這幾種情況下散射比例與透射率的值。在Arc GIS軟件中，系統(tǒng)默認(rèn)：①散射比例，通常非常純凈的天空約為0．2，非常多云的天空約為0．7；②大氣透射率的理論值范圍從0（無傳輸）到1（全部傳輸）。通常觀察值是0．6或0．7為非常晴朗的天空條件，而0．5指一般晴朗的天空，透射率與散射比例參數(shù)成反比關(guān)系。依據(jù)日照時(shí)數(shù)和天氣類型的關(guān)系分析，以及散射比例與透射率的關(guān)系，從而確定天氣類型、每日日照時(shí)數(shù)和輻射參數(shù)的關(guān)系，見表1所示。

表1 天氣類型、每日日照時(shí)數(shù)和輻射參數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)果與分析

由于模擬佳木斯輻射臺(tái)站2007年的日太陽輻射值，共365 d，而且每日所對應(yīng)的天氣類型和輻射參數(shù)有所不同。因此，這里通過Excel創(chuàng)建4種天氣類型的批處理表，并按天氣類型將對應(yīng)的輻射參數(shù)值設(shè)定每日日太陽輻射模擬參數(shù)，然后采用Arc－GIS10．1軟件的點(diǎn)太陽輻射分析批處理工具進(jìn)行模擬，獲得研究區(qū)域內(nèi)佳木斯輻射臺(tái)站點(diǎn)上的日太陽輻射模擬值。將兩種方法的日太陽輻射模擬值和輻射臺(tái)站日太陽輻射實(shí)測值進(jìn)行比較，并對模擬值和實(shí)測值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 兩種日太陽輻射模擬值和輻射臺(tái)站實(shí)測值比較

圖5 日太陽輻射模擬值（默認(rèn)）和輻射臺(tái)站實(shí)測值的相關(guān)性

圖6 日太陽輻射模擬值（天氣）和輻射臺(tái)站實(shí)測值的相關(guān)性

由圖4所見，在整年365 d時(shí)間段內(nèi)，佳木斯輻射臺(tái)站點(diǎn)處，兩種方法日太陽輻射模擬值和輻射臺(tái)站實(shí)測值變化趨勢基本符合正弦曲線形狀，峰值都基本出現(xiàn)在第165～174 d，即夏季6月中下旬，且模擬日太陽輻射值都低于輻射臺(tái)站實(shí)測值。由圖5和圖6所見，在軟件默認(rèn)輻射參數(shù)模擬情況下，日太陽輻射模擬值和輻射臺(tái)站實(shí)測值的相關(guān)性R2僅為0．573 4，而按天氣類型劃分和設(shè)定輻射參數(shù)，日太陽輻射模擬值和輻射臺(tái)站實(shí)測值的相關(guān)性R2達(dá)到0．899 5，模擬精度和效果更好。主要原因分析：①前者，全年每日都假設(shè)為一般晴天情況，采用同一種散射模型、散射比例和透過率，其表現(xiàn)為1條正弦曲線變化。而后者，全年分為4種天氣類型，采用對應(yīng)的散射模型、散射比例和透過率，其表現(xiàn)為4條正弦曲線變化。但實(shí)際輻射臺(tái)站天氣情況較為復(fù)雜，除了考慮的4種天氣類型外，還有其表現(xiàn)為1條不規(guī)則正弦曲線變化；②天氣類型除了與日照時(shí)數(shù)相關(guān)外，其還與溫度、降水、風(fēng)力、濕度、空氣質(zhì)量等有關(guān)；③在Arc GIS太陽輻射分析計(jì)算中，僅考慮直接輻射和散射輻射，忽略反射輻射部分；④點(diǎn)太陽輻射分析時(shí)，緯度值是依據(jù)研究區(qū)的DEM范圍和模擬點(diǎn)太陽輻射的位置，自動(dòng)計(jì)算的平均值，導(dǎo)致模擬日太陽輻射值低于輻射臺(tái)站實(shí)測值。

4 結(jié) 論

1）本研究結(jié)果說明在Arc GIS點(diǎn)太陽輻射分析中，依據(jù)日照時(shí)數(shù)與天氣類型的關(guān)系，劃分為4種常用天氣類型，并確定了其所對應(yīng)的輻射參數(shù)值，從而更好地模擬大氣效應(yīng)對太陽輻射的影響。此外，借助批量處理模式，有效地提高點(diǎn)太陽輻射模擬的效率。

2）對已有前人對復(fù)雜地形條件下的太陽輻射計(jì)算，以及散射比例與透射率的關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，年太陽輻射變化趨勢與本研究結(jié)果一致。另外，本研究考慮天氣類型，采用散射模型、均勻擴(kuò)散模型和標(biāo)準(zhǔn)陰天天空模型相結(jié)合的方式，并將散射比例和透射率與天氣類型相對應(yīng)，與通常僅假設(shè)一種天氣情況比較，其模擬結(jié)果更接近實(shí)際太陽輻射日值；

3）由于Arc GIS太陽輻射分析適用于景觀尺度，因此研究區(qū)范圍的大小受到一定限制。本研究僅模擬4種常用天氣情況下，佳木斯輻射臺(tái)站的1年內(nèi)365 d太陽輻射的日值變化，但實(shí)際天氣類型較為復(fù)雜，除了晴天和多云外，雨、雪等天氣也占較大比重。在今后的研究中，將進(jìn)一步考慮天氣類型所對應(yīng)輻射參數(shù)的通用性，與Arc GIS區(qū)域太陽輻射分析相結(jié)合，以及進(jìn)行輻射臺(tái)站年際連續(xù)變化的太陽輻射分析，以獲得研究區(qū)的太陽輻射時(shí)空變化規(guī)律。此外，考慮不同下墊面對入射太陽輻射的影響，尤其，在冬季當(dāng)有積雪覆蓋時(shí)，應(yīng)考慮降水量，加入反射輻射，使模擬結(jié)果更加接近實(shí)測值。

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