尹靜秋,邱新法,何永健,劉會玉

(1.南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院,江蘇南京210044;2南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210046)

0 引言

太陽輻射在地球上的時(shí)間和空間分布,制約著地球上氣候系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),是氣候形成和演變過程中重要的外參數(shù)(翁篤鳴,1997),還伴隨著熱力和動(dòng)力過程,與地表水分循環(huán)密切相關(guān)(Roberto and Renzo,1995)。同時(shí),也是植物光合作用、植物蒸騰作用、土壤蒸發(fā)等陸面過程的主要驅(qū)動(dòng)因子,是模擬上述過程的重要輸入?yún)?shù)(Barker and Li,1995;Ward,1995)。

浙江西南、西北部地區(qū)群山峻嶺,中部、東南地區(qū)以丘陵和盆地為主,東北地區(qū)地勢較低,以平原為主。素有“七山一水兩分田”之說。浙江位于中、低緯度的沿海過渡地帶,屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),加之地形起伏較大,同時(shí)受西風(fēng)帶和東風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的雙重影響,各種氣象災(zāi)害如臺風(fēng)、暴雨、干旱等頻繁發(fā)生。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域性強(qiáng),50多年前就開始發(fā)展多熟制(鄒先定等,2000),復(fù)種內(nèi)容趨于多樣化(游修齡,1990),對農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的要求越來越高(謝國輝,1999)。很多研究表明,在天空有云層覆蓋時(shí),散射輻射比例會明顯增加,從而導(dǎo)致森林凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換以及光能利用率較天空晴朗時(shí)高(Goulden et al.,1997)。因此研究起伏地形下浙江省太陽散射輻射資源時(shí)空分布,對充分利用太陽能資源,開發(fā)氣候資源,具有重要應(yīng)用和理論價(jià)值。

與直接輻射產(chǎn)生的機(jī)理不同,要從理論上精確計(jì)算由天穹各散射點(diǎn)到達(dá)起伏地形下的散射輻射量是較困難的(李占清和翁篤鳴,1988)。影響散射輻射的因素有:天文與地理因子如太陽常數(shù)、日地相對距離、太陽赤緯、太陽高度角、太陽方位角、太陽時(shí)角、測點(diǎn)的經(jīng)緯度。大氣物理因子如大氣消光、大氣透明度、大氣渾濁度等;氣象和環(huán)境因子,如云(包括云類型、云量)、日照百分率、地表與云的多重反射等;局地地形因子,有海拔高度、坡度、坡向、遮蔽狀況(自身遮蔽和周圍遮蔽)等。大量的研究表明(Revfeim,1978;Ranzi and Rosso,1995;Antoni,1998),實(shí)際地形中,測點(diǎn)獲得的散射輻射量與該點(diǎn)受周圍地形的遮蔽狀況有關(guān)。

國內(nèi)外對散射輻射的計(jì)算方法(Liu and Jordan,1960;Iqbal,1979;Bird and Hulstrom,1981;Iqbal,1983;朱志輝,1988;翁篤鳴和羅哲賢,1990;Christian,1993;傅抱璞,1998;Maxwell,1998;ASHRAE,1999;Roderick,1999;曾燕等,2003a,2005),雖然不及總輻射和直接輻射成熟,但已經(jīng)提出的方法仍具有重要意義。大致可以分為理論模式和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健＠碚撃Ｊ骄哂袌?jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ),但模式的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,且模式的輸入?yún)?shù)中包括臭氧厚度、氣溶膠含量等很難獲得的變量,限制了理論模式的推廣;經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)構(gòu)簡單,主要有日照百分率模式、成份分解模式、云量模式。使用日照百分率、云量等常規(guī)氣象觀測資料建立的輻射經(jīng)驗(yàn)估算模式,使得在更多的地區(qū)估算輻射量成為可能。隨著計(jì)算條件和數(shù)值模式的發(fā)展,用新的計(jì)算方法開始做探索。以往的研究,大多都只能局限于傾斜平面,或有限區(qū)域起伏地形,通用性不強(qiáng),曾燕等(2003b,2005)、李夢潔(2008)利用地形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際起伏地形下的太陽輻射數(shù)值模擬進(jìn)行了更深入理論探索。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)據(jù)集群技術(shù),基于高精度DEM(1∶25萬)信息源,通過有效模擬地形多項(xiàng)要素,同時(shí)考慮天空因素,利用不同時(shí)空尺度散射分量模型(曾燕等,2008),確定了浙江省氣候平均情況下月散射系數(shù)的空間分布;實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形下浙江省太陽散射輻射的分布式模擬,計(jì)算了浙江省范圍內(nèi)100 m×100 m分辨率1—12月、各季和年氣候平均太陽散射輻射的空間分布。

1 資料與研究方法

1.1 資料

所用的氣象資料為:1)國家氣象局提供的1∶25萬,分辨率為100 m×100 m浙江DEM數(shù)據(jù);2)浙江省及周邊70個(gè)氣象觀測站提供的日照百分率;其中散射輻射資料取自浙江省及周邊的觀測站共6個(gè)(南京、慈溪(庵東)、杭州、福州、南昌、上海),總輻射取自浙江省及周邊的觀測站共9個(gè)(與散射站相同外,加屯溪、建甌、海門),資料年代為1961—2000年,對數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測和篩選。

1.2 研究方法及計(jì)算模型

散射輻射復(fù)雜的產(chǎn)生機(jī)理,使得從理論上精確計(jì)算由天穹各散射點(diǎn)到達(dá)復(fù)雜地形下的散射輻射量是比較困難的?，F(xiàn)有的坡地散射輻射計(jì)算模式有兩類,即各向同性模式(Liu and Jordan,1962)和各向異性模式(Hay,1979;Hay and McKay,1985)。本文采用各向異性模式(曾燕等,2008)

其中:Qdαβ為復(fù)雜地形下散射輻射月總量;Qd為水平面散射輻射月總量;Q0為水平面上的天文輻射月總量;Q為水平面太陽總輻射月總量;Rb為轉(zhuǎn)換因子,是復(fù)雜地形下天文輻射月總量與水平面天文輻射月總量之比,即Q0αβ/Q0;V為地形開闊度。Qb、Q、Q0αβ、Q0已知時(shí),通過(1)式,可獲得復(fù)雜地形下散射輻射的空間分布。采用分布式天文輻射模型計(jì)算Q0αβ的空間分布(曾燕等,2003a);Q0采用理論公式(左大康等,1991);Q、Qb(曾燕等,2005)則根據(jù)氣象站的觀測資料,利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒ǐ@得。

2 起伏地形下浙江省散射輻射擬合

式中:fd定義為各月散射分量,反應(yīng)所占太陽總輻射的比重;s為日照百分率;a、b、c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。(2)式有明確的物理意義,在全陰天時(shí),s=0,散射分量fd趨近于1,即此時(shí)太陽輻射幾乎全部由散射組成;全晴天時(shí),s趨向于1,太陽輻射主要由直接輻射射組成;散射分量達(dá)到極小值,fd趨向于a。

(2)式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b、c需要用實(shí)測資料來確定。考慮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的時(shí)間變化特征,采用的是分月模式(曾燕等,2008)。獲得浙江省水平面散射輻射1—12月的Qd空間分布。

以往的研究中,山地開闊度僅考慮了坡面自身的遮蔽作用,但還需要考慮地形之間的相互遮蔽作用。本文利用文獻(xiàn)(曾燕等,2008)模型計(jì)算。由浙江省地形開闊度的非地帶性空間分布特征(圖1)可見,其總體呈現(xiàn)北部地區(qū)和沿海地區(qū)的地形比較平坦,中部金衢盆地遮蔽相對比較少,是高值區(qū);而南部地區(qū)遮蔽相對較大,是低值區(qū);山頂或山脊的地形開闊度較大。

3 起伏地形下浙江省太陽散射輻射空間分布

根據(jù)(1)式,各參量代入,獲得起伏地形下浙江省各1—12月氣候平均太陽散射輻射Qdαβ的空間分布(分辨率100m×100m),進(jìn)而可合成各季和年的空間分布。

3.1 散射輻射年分布

年散射輻射分布特征,與開闊度的相一致,局部地區(qū)更明顯(圖1與圖2,圖3與圖4),沒有明顯的坡度坡向差異,多年平均年太陽散射輻射量為2 219 M J·m-2;山區(qū)由于海拔度遮蔽較嚴(yán)重區(qū),常年為低值區(qū),最小值為587M J·m-2,較小的值出現(xiàn)在起伏劇烈的山地的谷底;年變化范圍大部分在2 180～2 650M J·m-2,中南部的山間地勢開闊處為高值區(qū),沿海的中東部值尤其高。

非地帶性明顯,起伏地形下浙江年太陽散射輻射量呈從東、南部向西、北部逐漸降低的宏觀空間分布特征,這主要是天氣氣候、云量、大氣透明度、地理因子等,即天空因素與地面因素共同作用的結(jié)果。局地地形因子對散射輻射的影響不容忽視,在地形起伏較大的地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。

圖2 浙江省氣候平均年散射輻射總量空間分布Fig.2 Spatial distribution of normals of annual DSR over rugged terrain in Zhejiang Province

3.2 月散射輻射空間分布

圖3 慶元地形開闊度空間分布Fig.3 Spatial distribution of terrains openness of Qingyuan

圖4 慶元?dú)夂蚱骄晟⑸漭椛淇偭靠臻g分布Fig.4 Spatial distribution of normals of annual DSR over rugged terrain of Qingyuan

影響散射輻射因素很多,表1為起伏地形下浙江省各月太陽散射輻射量的統(tǒng)計(jì)特征,表明浙江省散射輻射量有顯著的年變化特征,7、8月散射輻射量最大;1、12月最小,但最小值不是0,高值區(qū)、低值區(qū)隨季節(jié)變化不明顯,說明散射輻射不但受氣候因素影響,還受地形因子影響,主要綜合表現(xiàn)在受地形開闊度影響,隨開闊度增大,散射輻射量增大,而且開闊度空間分布的脊和谷分別和各月散射輻射脊和谷一致(圖3、圖4)。山區(qū)由于遮蔽較嚴(yán)重為低值區(qū),各月的高值區(qū)基本穩(wěn)定在浙江的金衢盆地、東部沿海地區(qū),這些區(qū)域?qū)?yīng)的開闊度大,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),工業(yè)化程度高,空氣能見度較低。

以1、4、7、10月代表四季,圖5給出了起伏地形下浙江省各月太陽散射輻射的空間分布情況,表現(xiàn)為受太陽直射點(diǎn)北移南撤的影響,天空大氣因素表現(xiàn)不明顯,1月和10月的分布表現(xiàn)為緯度低處散射輻射值高,緯度高處相反,7月因?yàn)樘栔鄙潼c(diǎn)偏北,所以,南北差異小。但各月受地形影響明顯,受坡度坡向影響表現(xiàn)不明顯,與開闊度分布一致。四季的分布大小為:夏季＞春季＞秋季＞冬季。

為了檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的精度,將浙江省內(nèi)具有太陽散射輻射資料的站氣候平均逐月散射量與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,與實(shí)測值相比,杭州和慈溪多年平均散射輻射總量模擬結(jié)果的平均絕對誤差分別為6.57、11.01M J·m-2,平均相對誤差絕對值為3.5%和6%,慈溪站月最大相對誤差絕對值為13.6%,但超過7%的月份有4個(gè)月,杭州只有1個(gè)月超過7%,9個(gè)月小于5%。誤差來源主要有D EM數(shù)據(jù)精度影響提取高程、坡度和坡向的準(zhǔn)確性;氣象臺站位置參數(shù)誤差。

4 結(jié)論

影響太陽散射輻射時(shí)空分布的因素較多,本研究分為天空因素(主要指大氣)與地面因素(主要指地形起伏)兩大類。利用氣象站觀測資料建立的水平面太陽散射輻射Qd擬合模型,模擬大氣對散射輻射的影響;再以起伏地形下天文輻射Q0αβ和地形開闊度V模擬地形因子(坡度、坡向、地形遮蔽)的影響,利用D EM數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象觀測資料實(shí)現(xiàn)山區(qū)太陽散射輻射定量模擬。得出以下結(jié)論:

1)天文輻射、太陽高度角等天文因子和大氣狀況對散射輻射的影響明顯,各地散射輻射的季節(jié)變化與天文因子的變化趨勢一致。工業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū),散射值也相對較大。

2)浙江省散射輻射分布的時(shí)間分布和空間分異規(guī)律,冬季最小,夏季最大,空間分布基本與開闊度分布密切相關(guān),開闊度空間分布的脊和谷分別和各月散射輻射脊和谷一致。

表1 起伏地形下浙江省氣候平均散射輻射量統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistics of average monthly diffuse solar radiation quantity over rugged terrains in Zhejiang Province M J·m-2

圖5 起伏地形下浙江省氣候平均月太陽散射輻射總量空間分布 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.5 Spatial distribution of average monthly DSR quantity over rugged terrains in Zhejiang Province a.spring;b.summer;c.autumn;d.winter

3)利用浙江及其周邊地區(qū)的氣象資料和D EM數(shù)據(jù),本文給出了100m×100m分辨率的起伏地形下浙江省太陽散射輻射年總量的多年平均空間分布數(shù)據(jù),經(jīng)與實(shí)測資料對比,杭州和慈溪平均相對誤差絕對值僅為3.5%和6%,可做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用。

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