袁淑杰，李鈺春， 向　樂，張益煒

(1. 成都信息工程大學(xué)，四川　成都　610225；2. 河南省新鄉(xiāng)市氣象局，河南　新鄉(xiāng)　453000)

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起伏地形下四川省太陽直接輻射時(shí)空分布特征

袁淑杰1，李鈺春1， 向樂1，張益煒2

(1. 成都信息工程大學(xué)，四川成都610225；2. 河南省新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng)453000)

摘要：利用四川省159個(gè)地面常規(guī)氣象觀測(cè)站及周邊9個(gè)太陽輻射站觀測(cè)資料，基于數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，考慮坡度、坡向和地形遮蔽作用的影響，研制起伏地形下太陽直接輻射分布式模型。結(jié)合四川省90 m×90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，分析起伏地形下四川省太陽直接輻射空間分布特征和時(shí)間變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：(1)四川省太陽直接輻射緯向分布不明顯，受海拔高度、日照百分率、局地地形影響較大；(2)四川省太陽直接輻射年總量東部盆地較低，<1 300.0 MJ·m(-2)，川西高原及攀西地區(qū)較大，在1 900.0~3 486.9 MJ·m(-2)之間；(3)四川省太陽直接輻射時(shí)間變化明顯，川東盆地太陽直接輻射<1 000.0 MJ·m(-2)的地區(qū)有增加趨勢(shì)，川西地區(qū)>2 800.0 MJ·m(-2)的區(qū)域在減小，四川省宜賓、都江堰、南充、馬爾康太陽直接輻射年總量、1月、7月氣候傾向率均<0。

關(guān)鍵詞：四川?。黄鸱匦?；太陽直接輻射；分布式模型

引言

太陽直接輻射是太陽總輻射的重要組成部分，在能量平衡中起著重要作用。由于我國太陽輻射測(cè)站稀少，且分布不均勻，在實(shí)際應(yīng)用中，太陽直接輻射值一般采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法計(jì)算。1960年代，翁篤鳴[1]根據(jù)我國日射資料提出了計(jì)算水平面太陽直接輻射的經(jīng)驗(yàn)公式；1980年代，祝昌漢[2]、翁篤鳴[3]確定了我國水平面太陽直接輻射氣候?qū)W計(jì)算方法并計(jì)算了其空間分布特征；趙東[4]、馬金玉[5]等研究了我國近50 a水平面太陽直接輻射。由于實(shí)際地形復(fù)雜，坡度、坡向等對(duì)太陽直接輻射影響很大，水平面太陽直接輻射滿足不了實(shí)際應(yīng)用需求，傅抱璞[6]、李占清[7]、繆啟龍[8]、翁篤鳴[9]等研究了山地太陽輻射，提出了相關(guān)的計(jì)算模型。隨著地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者開始研究基于數(shù)字高程模型(DEM)的起伏地形下太陽輻射模型，謝陽生[10]、何洪林[11]等分別基于GIS建立了太陽直接輻射模型；李軍等[12]基于DEM數(shù)據(jù)，建立了山區(qū)實(shí)際太陽直接輻射的高空間分辨率分布模型，分析了山區(qū)各月太陽直接輻射的空間分布特征。目前，太陽輻射的分布式模型廣泛應(yīng)用于起伏地形的太陽輻射計(jì)算中，袁淑杰等[13]利用100 m×100 m分辨率的DEM資料，應(yīng)用太陽直接輻射分布式模型對(duì)起伏地形下貴州省太陽直接輻射的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)坡度、坡向、地形遮蔽對(duì)起伏地形下太陽直接輻射的影響較大，局地地形對(duì)太陽直接輻射的影響是不容忽視的；還有一些學(xué)者也進(jìn)行了太陽輻射和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)研究[14-18]。太陽直接輻射分布式模型物理意義明確，考慮了局地地形因子的影響，對(duì)太陽直接輻射有較好的模擬能力。

四川省地形復(fù)雜，具有山地、高原、丘陵和平原4種地貌，分別占全省面積的74.2%、7.3%、10.3%、8.2%，復(fù)雜的地形導(dǎo)致四川省氣候要素垂直變化大、氣候類型多，有利于農(nóng)、林、牧綜合發(fā)展，坡度坡向及地形遮蔽等局地地形因子對(duì)起伏地形下四川省太陽直接輻射影響顯著，本文應(yīng)用起伏地形下太陽直接輻射分布式模型，考慮坡度坡向及地形遮蔽對(duì)起伏地形下四川省太陽直接輻射的影響，研究起伏地形下四川省太陽直接輻射的時(shí)空分布特征，這對(duì)充分利用該省太陽能資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及種植區(qū)劃有重要的指導(dǎo)作用。

1資料及方法

1.1資料

太陽輻射資料來自國家氣象信息中心，包括1961~2013年四川省及周邊共9個(gè)氣象站(格爾木、蘭州、拉薩、成都、昆明、鄭州、萬縣、武漢、遵義)太陽直接輻射觀測(cè)資料；四川省159個(gè)地面常規(guī)氣象觀測(cè)站資料來自四川省氣象局，所有要素的時(shí)間均為日。所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，剔除了無效數(shù)據(jù)。

1.2起伏地形下太陽直接輻射分布式模型

起伏地形下太陽直接輻射分布式模型可以表示為[13]：

(1)

式中：Sαβ為起伏地形下太陽直接輻射；Q0為水平面天文輻射，采用理論公式計(jì)算[19]；Q0αβ為起伏地形下天文輻射，由天文輻射分布式模型計(jì)算[20]；S為水平面太陽直接輻射，由水平面太陽直接輻射模型計(jì)算。

水平面太陽直接輻射有多種模擬模型，本研究應(yīng)用1961~2013年四川省及周邊共9個(gè)氣象站太陽直接輻射和日照百分率資料進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)考慮其物理意義，最后選取以下水平面太陽直接輻射模型[3]：

(2)

式中，S為水平面太陽直接輻射，Q0為水平面天文輻射，s為日照百分率，a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。該式表明：當(dāng)日照百分率s=0，太陽直接輻射S=0，更符合太陽直接輻射定義。

1.3模型誤差分析

模型(2)中，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b隨地區(qū)、季節(jié)不同而變化，由實(shí)際觀測(cè)資料確定。為了得到各地更精確的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b，文中對(duì)a、b重新進(jìn)行了模擬。但因太陽直接輻射的觀測(cè)站點(diǎn)較少，有些站點(diǎn)資料年代較短，影響模擬效果，四川省只有成都、萬縣2個(gè)站的太陽直接輻射觀測(cè)資料符合要求，用這2個(gè)站點(diǎn)資料模擬的a、b系數(shù)難以代表四川省各站點(diǎn)的值，故選取四川省及周邊距離最近的具有太陽直接輻射觀測(cè)資料的9個(gè)氣象站1961~2013年、及月值資料，應(yīng)用模型(2)進(jìn)行擬合，得到9個(gè)氣象站的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b，然后用TPS(Thin Plate Spline)插值法內(nèi)插，得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的a、b值。以蘭州為例，應(yīng)用模型(2)和蘭州站1961~2013年S、Q0及s月值實(shí)測(cè)資料，模擬得出蘭州站的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b、相關(guān)系數(shù)R2、均方根誤差(RMSE)及相對(duì)誤差(RE)(表1)。其他各站模擬結(jié)果略，其相關(guān)系數(shù)均較高，并通過了α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，誤差總體相對(duì)較小，可以用來模擬四川省水平面太陽直接輻射。

表1　蘭州水平面太陽直接輻射經(jīng)驗(yàn)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)

2起伏地形下四川省太陽直接輻射時(shí)空分布特征

利用上面9個(gè)氣象站太陽直接輻射、日照百分率資料擬合得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b及159個(gè)氣象站1961~2013年平均的1~12月日照百分率，用TPS(Thin Plate Spline)插值法內(nèi)插，得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的a、b及1~12月日照百分率，應(yīng)用公式(2)，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上水平面太陽直接輻射。應(yīng)用文獻(xiàn)[14-15]的方法，計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上水平面及起伏地形下天文輻射，代入公式(1)，即可得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上起伏地形下太陽直接輻射。

2.1直接輻射空間分布特征

按照氣候?qū)W一般規(guī)律，用1月代表冬季，7月代表夏季。圖1分別給出起伏地形下四川省90 m×90 m分辨率DEM每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上1961~2013年53 a平均年總量、1月、7月太陽直接輻射模擬結(jié)果。

2.1.1太陽直接輻射年總量空間分布

圖1a表明，起伏地形下四川省太陽直接輻射年總量空間差異顯著，受海拔高度、日照百分率、局地地形影響較大，緯向分布不明顯。東部盆地云量多，日照百分率較小，海拔高度相對(duì)較低，局地地形相對(duì)平坦，太陽直接輻射年總量較低，局地差異相對(duì)較小，大部分區(qū)域太陽直接輻射<1 300.0 MJ·m-2；川西高原及攀西地區(qū)云量少，日照百分率較大，海拔高度相對(duì)較高，地形相對(duì)復(fù)雜，局地地形影響明顯，太陽直接輻射年總量較大，局地差異相對(duì)較大，攀枝花、甘孜州東北部及西南部太陽直接輻射年總量最大，介于2 800.0~3 486.9 MJ·m-2；四川西部其他地區(qū)太陽直接輻射年總量從東向西逐漸增大，介于1 000.0~2 800.0 MJ·m-2。西部地區(qū)地形相對(duì)復(fù)雜，局地地形影響相對(duì)較大，太陽直接輻射年總量局地差異相對(duì)明顯，體現(xiàn)了坡向、坡度及地形遮蔽作用等局地地形因子對(duì)起伏地形下太陽直接輻射的顯著影響。

2.1.21月太陽直接輻射空間分布

由圖1b可以看出，起伏地形下四川省1月太陽直接輻射空間分布局地差異依然明顯，沒有明顯的緯向分布特征。1月，太陽高度角較低，坡度、坡向及地形遮蔽等局地地形因子對(duì)起伏地形下太陽直接輻射影響較大，起伏地形下四川省1月太陽直接輻射數(shù)值較小。東部盆地日照百分率低，海拔高度較低，地勢(shì)相對(duì)平坦，太陽直接輻射較少，局地差異相對(duì)較小，大部分區(qū)域太陽直接輻射<50.0 MJ·m-2，其中成都、眉山、宜賓及川東北地區(qū)更少，<25.0 MJ·m-2；樂山西部較高為100.0~150.0 MJ·m-2。西部高原由于日照百分率較高，海拔高度較高，太陽直接輻射較同一緯度盆地地區(qū)大，由于其地形相對(duì)復(fù)雜，局地地形因子對(duì)太陽直接輻射影響相對(duì)較大，太陽直接輻射局地差異較大，攀枝花附近地區(qū)太陽直接輻射>250.0 MJ·m-2，阿壩州介于50.0~100.0 MJ·m-2，甘孜州為75.0~310.3 MJ·m-2，涼山州為50.0~310.3 MJ·m-2。

圖1　1961~2013年起伏地形下四川省平均年(a)、1月(b)

2.1.37月太陽直接輻射空間分布特征

圖1c表明，起伏地形下四川省7月太陽直接輻射空間分布局地地形特征依然明顯，緯向分布特征較弱。7月，太陽位于北回歸線附近，太陽高度角較高，坡度、坡向及地形遮蔽等局地地形因子影響減弱，但由于太陽直接輻射總量增大，起伏地形下太陽直接輻射局地差異仍然較大。盆地及成都平原地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，局地差異相對(duì)較小，大部分地區(qū)太陽直接輻射為150.0~250.0 MJ·m-2，盆地西部太陽直接輻射最低，為28.8~150.0 MJ·m-2，資陽東南部及內(nèi)江東北部太陽直接輻射也較少(28.8~150.0 MJ·m-2)；川西高原地形復(fù)雜，局地差異較大，太陽直接輻射介于125.0~344.2 MJ·m-2；攀西地區(qū)太陽直接輻射較大，為200.0~250.0 MJ·m-2，涼山州太陽直接輻射在125.0~200.0 MJ·m-2之間。

2.2起伏地形下四川省太陽直接輻射時(shí)間變化

2.2.1太陽直接輻射年總量的年代際空間分布

圖2為起伏地形下四川省每10a平均的太陽直接輻射年總量空間分布，用來表征太陽直接輻射的時(shí)間變化?？梢钥闯觯?1)起伏地形下四川省太陽直接輻射年總量<1 000.0 MJ·m-2的區(qū)域，1960年代、1970年代較少， 1980年代、1990年代逐漸增加，與1990年代相比，2000年代稍有減??；(2)太陽直接輻射年總量>2 800.0 MJ·m-2的區(qū)域，1960年代較大，主要分布在甘孜州西部、涼山州南部及攀枝花地區(qū)，1970年代有少量增加，1980年代、1990年代、2000年代逐漸減小，但分布地區(qū)不變，只是分布范圍減??；(3)太陽直接輻射年總量1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2000年代大部分地區(qū)介于1 000~2 500.0 MJ·m-2之間，但從整體看，川東盆地<1 000.0 MJ·m-2的地區(qū)有增加趨勢(shì)，川西地區(qū)>2 800.0 MJ·m-2的區(qū)域在減小，起伏地形下四川省太陽直接輻射量有降低趨勢(shì)。這些變化可能主要是日照百分率的變化引起的。

圖2　起伏地形下四川省太陽直接輻射年總量年代平均空間分布(單位：MJ·m-2)

2.2.2主要城市太陽直接輻射年變化趨勢(shì)

選取宜賓、都江堰、南充、馬爾康4個(gè)地區(qū)分析1961~2013太陽直接輻射年變化趨勢(shì)(圖3)。可以看出，宜賓、都江堰、南充、馬爾康太陽直接輻射氣候傾向率均為負(fù)，表明起伏地形下太陽直接輻射有下降趨勢(shì)，其中南充最大、馬爾康最小。

圖4為1961~2013年起伏地形下主要城市1月太陽直接輻射變化及趨勢(shì)，可以看出宜賓、都江堰、南充、馬爾康1月太陽直接輻射氣候傾向率均為負(fù)，變化趨勢(shì)與年總量相同，起伏地形下太陽直接輻射有下降趨勢(shì)，其中都江堰最大、馬爾康最小。

圖5為1961~2013年起伏地形下主要城市7月太陽直接輻射變化及趨勢(shì)。宜賓、都江堰、南充、馬爾康7月太陽直接輻射氣候傾向率均為負(fù)，其變化趨勢(shì)與1月相同，但數(shù)值要比1月大，起伏地形下太陽直接輻射有下降趨勢(shì)，其中南充最大、馬爾康最小。

圖3　1961~2013年起伏地形下主要城市太陽

圖4　1961~2013年起伏地形下主要城市

圖5　1961~2013年起伏地形下主要城市

綜上所述，1961~2013年起伏地形下四川省太陽直接輻射年總量、1月、7月氣候傾向率均為負(fù)值，均具有下降趨勢(shì)，馬爾康下降趨勢(shì)最小，南充、都江堰相對(duì)較大，這與太陽日照百分率的下降有關(guān)。

3小結(jié)

(1)四川省地形復(fù)雜多樣，起伏地形下四川省太陽直接輻射空間分布受海拔高度、日照百分率、局地地形影響較大，緯向分布不明顯。陽坡、日照百分率較大、海拔較高地區(qū)太陽直接輻射較大，陰坡、日照百分率較小、海拔較低的地區(qū)太陽直接輻射較小。

(2)起伏地形下四川省太陽直接輻射呈東低西高的分布特征。年總量東部盆地較低，大部分區(qū)域太陽直接輻射年總量<1 300.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地區(qū)較大，大部分地區(qū)太陽直接輻射年總量介于1 900.0~3 486.9 MJ·m-2。1月，東部盆地太陽直接輻射為3.7~50.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地區(qū)大多介于100.0~310.3 MJ·m-2；7月，東部盆地太陽直接輻射大多為28.8~225.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地區(qū)大多介于150.0~344.2 MJ·m-2。

(3)起伏地形下四川省太陽直接輻射時(shí)間變化明顯，川東盆地<1 000.0 MJ·m-2地區(qū)有增加趨勢(shì)，川西地區(qū)>2 800.0 MJ·m-2的區(qū)域在減小?？傮w上，起伏地形下四川省太陽直接輻射量有降低趨勢(shì)。

(4)起伏地形下四川省宜賓、都江堰、南充、馬爾康太陽直接輻射年總量、1月、7月氣候傾向率均為負(fù)值，具有下降趨勢(shì)。

起伏地形下的太陽直接輻射除上述討論的因子外，還受到其他許多因子的影響，如大氣污染狀況、地面覆蓋率等，四川省地形復(fù)雜、自然環(huán)境條件多樣，進(jìn)一步提高模擬精度還需進(jìn)行更深入的研究。

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Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Direct Solar Radiation over Rugged Terrains in Sichuan Province

YUAN Shujie1, LI Yuchun1, XIANG Le1, ZHANG Yiwei2

(1.ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China;2.XinxiangMeteorologicalBureauofHe’nanProvince,Xinxiang453000,China)

Abstract:A distributed model based on DEM data for calculating solar direct radiation (DSR) over rugged terrains (RT) in Sichuan Province was established considering the influence of slope, aspect, and mutual shielding topography by using meteorological observation data at 159 weather stations of Sichuan Province and solar radiation data of 9 weather stations in Sichuan and surrounding areas firstly, and the spatial distribution and temporal variation tendency of DSR over RT were analyzed based on a DEM data with resolution of 90 m×90 m . The results are as follows:(1)The latitudinal distribution of DSR over RT was not obvious, and the influence of height above sea level, sunshine percentage, the slope, aspect and mutual shielding topography on DSR’s spatial distribution was great. (2)The total annual DSR was lower in the eastern basin with values less than 1 300.0 MJ·m(-2), it was higher in western plateau and Panxi area with values ranged from 1 900.0-3 486.9 MJ·m(-2). (3)The temporal change of DSR was obvious, the areas with DSR values less than 1 000.0 MJ·m(-2) had an increasing tendency in eastern Sichuan, and the areas with DSR values more than 2 800.0 MJ·m(-2) had a decreasing tendency in western Sichuan. The climate tendency rate of DSR of the total annual amount or in January and July over RT was less than zero in Yibin, Dujiangyan, Nanchong, Maerkang of Sichuan Province.

Key words:Sichuan Province; rugged terrains; DSR; distributed model

中圖分類號(hào)：P422.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-01-0020-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0020

作者簡(jiǎn)介：袁淑杰(1966- )，女，河北撫寧人，博士，教授，研究方向?yàn)闅夂蛸Y源利用、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)用氣象學(xué). E-mail:ysj@cuit.edu.cn

基金項(xiàng)目：四川省軟科學(xué)研究(2013ZR0081)、成都信息工程大學(xué)科研基金(KYTZ201305)共同資助

收稿日期：2015-11-23；改回日期：2015-12-16

袁淑杰，李鈺春，向樂，等.起伏地形下四川省太陽直接輻射時(shí)空分布特征[J].干旱氣象，2016，34(1)：20-25, [YUAN Shujie, LI Yuchun, XIANG Le, et al. Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Direct Solar Radiation over Rugged Terrains in Sichuan Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):20-25], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0020