何志明，張秀美，李月臣

（1.重慶市地理信息中心，重慶 400020；2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047）

太陽輻射是是生態(tài)模型[1]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃[2,3]和太陽能源利用研究[4]中的必要參數(shù)，其中晴天太陽輻射可以理解為天空晴朗無云時(shí)到達(dá)地表的太陽總輻射，即潛在的太陽總輻射。晴天太陽輻射的獲取對(duì)山區(qū)實(shí)際太陽輻射的模擬具有重要意義[4-6]。小尺度下晴天太陽輻射空間分布代表了區(qū)域潛在太陽輻射，對(duì)山地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)具有重要意義。

起伏地形下的太陽輻射空間分布較平地有很大差異，很多研究中以水平面為假定前提[7]，無法反映太陽輻射實(shí)際空間分布細(xì)節(jié)[8]。曾燕、王麗[9,10]提出了一種計(jì)算起伏地形下晴天太陽輻射的方法，但是計(jì)算過程復(fù)雜。本研究以山城重慶為例，利用參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單、應(yīng)用較為方便的Solar Analyst模型，選擇100 m×100 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算了重慶市各月理想狀態(tài)下坡地和平地潛在太陽總輻射，并分析地形因子對(duì)輻射分布的影響。

1 研究方法

Solar Analyst工具根據(jù)半球視域算法來計(jì)算研究區(qū)日照時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而結(jié)合大氣參數(shù)設(shè)置推導(dǎo)出太陽總輻射量。該方法將地面太陽總輻射視為由直接輻射和散射輻射2個(gè)分量組成。具體計(jì)算原理見參考文獻(xiàn) [11]、[12]。

為了揭示地形對(duì)太陽輻射空間分布的影響規(guī)律，排除云、霧等干擾，研究中將大氣透射率和散射比例參數(shù)分別設(shè)定為0.7和0.2，求算晴天狀態(tài)下太陽輻射。其中坡地晴天太陽輻射計(jì)算過程中考慮了坡度、坡向等地形因子，平地晴天太陽輻射計(jì)算時(shí)則假設(shè)地面水平。坡地與平地晴天太陽輻射的比值R可以反映地形因子的影響程度，R越大則影響程度越大。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 年晴天太陽輻射的空間分布

重慶市起伏的地形條件下全年晴天太陽輻射最大值為9 558 MJ/m2，最小值為1 061 MJ/m2，平均約7 427 MJ/m2。晴天太陽輻射高值區(qū)主要分布于渝東北大巴山弧形褶皺山系和渝東南巫山、七曜山山區(qū)的向陽坡，低值區(qū)則集中分布于相應(yīng)區(qū)域的背陰坡。重慶市年晴天太陽輻射與區(qū)域微地形特征相關(guān)性較強(qiáng)，渝東北區(qū)域北西向的大巴山弧形褶皺山系呈現(xiàn)明顯的高值區(qū)與低值區(qū)平行交替分布的局地特征；渝東南喀斯特山區(qū)則呈現(xiàn)明顯的簇狀分布局地特征；渝中西區(qū)域太陽輻射主要受平行嶺谷地貌影響。

2.2 不同季節(jié)晴天太陽輻射的空間分布

晴天太陽輻射存在明顯的時(shí)空差異（圖1、表1）。全市4個(gè)季節(jié)晴天太陽輻射均值排序?yàn)椋合募京兇杭京兦锛京兌?。?biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)離散程度的重要統(tǒng)計(jì)量，通過晴天太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)差的比較可以反映出各季節(jié)晴天太陽輻射空間差異程度。4個(gè)季節(jié)晴天太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)差排序?yàn)椋憾京兦锛京兇杭京兿募?，與平均值排序恰好相反。這是由于冬季太陽高度角偏低，起伏地形條件下，晴天太陽輻射受坡度、坡向影響明顯；而夏季太陽高度角高，背陰坡也能接收較多的太陽輻射，所以晴天太陽輻射受坡度、坡向影響不明顯；春季和秋季坡度、坡向影響居中。

表1 重慶市四季晴天太陽輻射統(tǒng)計(jì)表/MJ/m2

圖1 不同季節(jié)晴天太陽輻射的空間分布

2.3 各月晴天太陽輻射的空間分布

對(duì)重慶市全年晴天太陽輻射進(jìn)一步分析（圖2）?？紤]到各月天數(shù)的不一致，為便于比較，將各月輻射處理成月均日值。重慶市晴天太陽輻射月均日值趨勢(shì)明顯呈以6月份為頂點(diǎn)的單峰狀；6月份最高為28.697 MJ/ m2，12月份最低為10.58 MJ/ m2。輻射日值的月際差異反映了太陽高度角是決定年內(nèi)各月晴天太陽輻射量的主導(dǎo)因素。反映各月起伏地形影響下晴天太陽輻射空間差異的標(biāo)準(zhǔn)差趨勢(shì)與均值趨勢(shì)走向?qū)ΨQ，表現(xiàn)為6月份標(biāo)準(zhǔn)差最低，1月份最高。標(biāo)準(zhǔn)差的月際變化趨勢(shì)反映了隨各月太陽高度角的變化，坡度、坡向等地形因子等對(duì)晴天太陽輻射的影響程度。為了進(jìn)一步揭示地形因子的影響，有必要更深入地進(jìn)行分析。

圖2 各月晴天太陽輻射統(tǒng)計(jì)圖

2.4 地形因子對(duì)晴天太陽輻射空間分布的影響

進(jìn)一步引入R指數(shù)，通過控制坡度、坡向、緯度、月份4個(gè)因子中的3個(gè)來反映第4個(gè)因子在起伏地形下對(duì)晴天太陽輻射的影響規(guī)律。

1）同月份、同緯度、不同坡度，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，緯度為31°N，坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°。從圖3a可以看出，各坡度上受坡向影響都是以180°（正南）附近為對(duì)稱，180°附近R值都是最高的，0°和360°附近（正北）R值為最低；90°（正東）和270°（正西）左右R值接近于1；0°～90°、270°～360°坡向附近R值都小于1，且坡度越大R值越?。?0°～270°附近R值都大于1，且坡度越大R值越大。以上趨勢(shì)說明5°～25°坡度范圍內(nèi)，坡度越高晴天太陽輻射受坡向影響程度就越大，二者之間的變化關(guān)系具體表現(xiàn)為南坡及偏南坡為正相關(guān)，北坡及偏北坡為負(fù)相關(guān)。

2）同月份、同緯度、不同坡向，晴天太陽輻射隨坡度（0°～35°）的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，緯度為31°N，坡向分別為北（0°～22.5°、337.5°～360°）、東北（22.5°～67.5°）、東（67.5°～112.5°）、東 南（112.5°～157.5°）、南（157.5°～202.5°）、西南（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、西 北（292.5°～337.5°）8個(gè)方位。從圖3b可以看出，0°～35°范圍內(nèi)，隨著坡度增加，8個(gè)坡向的R值趨于兩極分化，南、西南、東南坡R值不斷增大，北、西北、東北坡R值不斷減小，東坡和西坡R值變化幅度小，一直接近于1。以上趨勢(shì)說明在0°～35°坡度范圍內(nèi)，南、西南、東南坡3個(gè)坡向晴天太陽輻射要大于平地晴天太陽輻射，且坡度越大，坡地晴天太陽輻射越高；北、西北、東北坡晴天太陽輻射要小于平地晴天太陽輻射，且坡度越大，坡地晴天太陽輻射越小；東坡和西坡晴天太陽輻射受坡度影響程度較小。

3）同月份、同坡度、不同緯度，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，坡度為10°，緯度分別為重慶市范圍內(nèi)的29°N、30°N、31°N。從圖3c可以看出，重慶市3個(gè)緯度上R值隨坡向的變化差異不大，由于重慶市南北跨幅較小，地形對(duì)太陽輻射的影響受緯度控制較小，也證明了小尺度下緯度并不是決定晴天太陽輻射的主要因素。

4）同緯度、同坡度、不同月份，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。緯度為31°N，坡度為10°，月份選擇為1月、4月、7月、10月，一定程度上可以代表春、夏、秋、冬四季。從圖3d可以看出，各月R值變化起伏度表現(xiàn)為：1月﹥10月﹥4月﹥7 月，這說明坡向?qū)η缣焯栞椛涞挠绊懯艿教柛叨冉强刂啤６肽晏柛叨冉堑?，晴天太陽輻射受坡向影響最為明顯，尤其是1月；而夏半年太陽高度角較高，晴天太陽輻射受坡向影響程度較低，7月份各個(gè)坡向上太陽輻射都與平地太陽輻射差異不大，表現(xiàn)為R值近乎平直。90°和270°坡向附近R值最接近于1，說明東坡和西坡太陽輻射受太陽高度角的影響較小。

圖3 R值受地形因子影響變化規(guī)律曲線

3 結(jié) 語

重慶市年晴天太陽輻射受區(qū)域微地形特征影響明顯，在渝東北大巴山褶皺山系、渝東南喀斯特地貌區(qū)、渝中西平行嶺谷區(qū)呈現(xiàn)明顯的局部空間分布差異。起伏地形下重慶市各季節(jié)晴天太陽輻射量表現(xiàn)為：夏季 ﹥春季﹥秋季﹥冬季；晴天太陽輻射空間分布標(biāo)準(zhǔn)差為：冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季。分月晴天太陽輻射表現(xiàn)出與分季節(jié)相似的特征，7月份輻射量最高，12 月份最低。反映月晴天太陽輻射空間差異的標(biāo)準(zhǔn)差7月份最低，1月份最高。

由于市域范圍較小，緯度因素對(duì)晴天太陽輻射空間分布影響較小。隨著太陽高度角變化，地形因子對(duì)晴天太陽輻射空間分布的影響表現(xiàn)為：1月>10月>4 月>7月；坡度影響表現(xiàn)為：隨著坡度增加，除東坡和西坡受影響較小外，其他各個(gè)坡向受影響程度都不斷增大；坡向影響表現(xiàn)為：各坡度上都是以正南坡太陽輻射高于平地太陽輻射的幅度最大，正北坡太陽輻射低于平地太陽輻射的幅度最大，R值趨勢(shì)線以正南坡為軸，呈對(duì)稱分布。

[1]陳進(jìn),陳步峰,潘勇軍,等.帽峰山常綠闊葉林輻射通量特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(22):6 766-6 776

[2]高陽華,陳志軍,居煇,等.基于GIS的三峽庫(kù)區(qū)精細(xì)化甜橙氣候生態(tài)區(qū)劃[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,31(7):1-6

[3]高陽華,陳志軍,楊世琦,等.基于GIS的重慶市再生稻光熱資源適宜性區(qū)劃[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2011,20(6):672-676

[4]Angstram A.Solar and Terrestrial Radiation[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1924,50:121-125

[5]左大康,王懿賢,陳建綏.中國(guó)地區(qū)太陽總輻射的空間分布特征[J].氣象學(xué)報(bào),1963,33(1):78-95

[6]孫治安,施俊榮,翁篤鳴.中國(guó)太陽總輻射氣候計(jì)算方法的進(jìn)一步研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1992,15(2):21-29

[7]劉新安,范遼生,王艷華,等.遼寧省太陽輻射的計(jì)算方法及其分布特征[J].資源科學(xué),2003,24(1):82-87

[8]傅抱璞.山地氣候[M].北京:科學(xué)出版社,1983

[9]曾燕,邱新法,劉昌明,等.基于DEM的黃河流域天文輻射空間分布[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(6):810-816

[10]王麗,邱新法,王培法,等.復(fù)雜地形下長(zhǎng)江流域太陽總輻射的分布式模擬[J].地理學(xué)報(bào),2010,65(5):543-554

[11]Fu P,Rich P M.The Solar Analyst 1.0 Manual[M].USA: Helios Environmental Modeling Institute,LLC,2000

[12]Fu P,Rich P M.A Geometric Solar Radiation Model with Application in Agriculture and Forestry[J].Computer and Electionics in Agriculture,2002,37:25-35