安 貴 陽

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

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·水利工程·

基于DEM的山西省可照時(shí)數(shù)空間分布

安 貴 陽

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

以山西省高空間分辨率DEM數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，考慮地形因素的作用，對(duì)山西省可照時(shí)數(shù)的空間分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明地形因素對(duì)可照時(shí)數(shù)空間分布影響顯著，研究成果對(duì)于山西省農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及建筑設(shè)計(jì)等方面研究具有重要意義。

可照時(shí)數(shù)，數(shù)字高程模型，空間分布

可照時(shí)數(shù)是廣泛用于氣象、水文、遙感和建筑研究領(lǐng)域的重要參考量[1]，其計(jì)算受到坡度、坡向和地形遮蔽的較大影響，特別是山區(qū)以及丘陵地區(qū)，地形的復(fù)雜使得區(qū)域可照時(shí)數(shù)的計(jì)算較為困難。自20世紀(jì)80年代以來，傅抱璞[2]提出了確定坡面日出日沒時(shí)角的計(jì)算方法。李占清、翁篤鳴[3]提出一種計(jì)算山地可照時(shí)數(shù)的計(jì)算機(jī)模式，為計(jì)算和分析坡面可照時(shí)數(shù)提供了基礎(chǔ)。近年來，隨著地理信息系統(tǒng)以及數(shù)字高程模型(DEM)的快速發(fā)展，起伏地形下可照時(shí)數(shù)的計(jì)算也取得了進(jìn)展，Dozier等[4]、李新等[5]、曾燕等[6]先后利用DEM對(duì)起伏地形影響下的太陽輻射及可照時(shí)數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，為計(jì)算山地可照時(shí)數(shù)提供了新思路。

DEM數(shù)據(jù)是一種地表形態(tài)的數(shù)字描述方式，可以綜合反映具有一定分辨率的局部地形的基本特征，是提取區(qū)域流域地形特征的主要數(shù)據(jù)[7，8]，本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，以STRM1公里分辨率DEM為地形基礎(chǔ)，結(jié)合起伏地形影響下可照時(shí)數(shù)的理論計(jì)算模型，計(jì)算得出山西省年及各月可照時(shí)數(shù)空間分布，并從統(tǒng)計(jì)的角度量化分析了坡向?qū)烧諘r(shí)間的影響。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

研究利用山西省STRM1公里分辨率DEM為地形基礎(chǔ)。

1.2 計(jì)算方法

1)地形遮蔽度的GI算法[6]。地形遮蔽度GI算法主要利用分布式數(shù)學(xué)模型完成，模型將1 d的可照時(shí)間離散為若干個(gè)微分時(shí)段，在每個(gè)微分時(shí)段中，地形遮蔽的計(jì)算采用光線追蹤算法，在微分時(shí)段開始結(jié)束時(shí)刻，太陽高度角和方位角確定的情況下，對(duì)入射路徑上的所有格點(diǎn)進(jìn)行搜索，若入射路徑上任一格點(diǎn)與計(jì)算格點(diǎn)之間的高度角大于太陽高度角，則計(jì)算格點(diǎn)被遮蔽，記di=0；否則di=1。地形遮蔽系數(shù)gi的取值依據(jù)以下法則：

(1)

式(1)表示在(ωi-1,ωi)時(shí)段內(nèi)，研究點(diǎn)的日照狀況完全取決于兩端點(diǎn)時(shí)刻的日照狀況。即若兩端點(diǎn)時(shí)刻可照(遮蔽)，則整段可照(遮蔽)；若一時(shí)刻可照，另一時(shí)刻遮蔽，則整段有1/2時(shí)間可照(遮蔽)。具體計(jì)算過程參見文獻(xiàn)[6]。

2)可照時(shí)數(shù)計(jì)算。根據(jù)以上計(jì)算所得的1 d中各時(shí)刻的遮蔽情況可以計(jì)算得到實(shí)際起伏地形中任一點(diǎn)P在任一天的可照時(shí)間T(h)可表示為：

(2)

其中，mod()為求余函數(shù)，取兩數(shù)相除后的余數(shù)，用來表示1 d時(shí)間(-ωs～ωs)除以時(shí)間步長(zhǎng)后得到的余數(shù)值。

2 結(jié)果分析

基于1月～12月的月可照時(shí)數(shù)計(jì)算得出山西省年可照時(shí)數(shù)的空間分布(見圖1)。并以1月、7月為冬、夏季典型代表月，計(jì)算和分析1月、7月山西省可照時(shí)數(shù)的空間分布(見圖2)。并且通過對(duì)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，量化分析了坡向?qū)ι轿魇∧昕烧諘r(shí)數(shù)的影響(見圖3)。

圖1為起伏地形下山西省年可照時(shí)數(shù)空間分布，山西省年可照時(shí)數(shù)為485 h～4 393 h，全省平均為2 254 h。所得可照時(shí)數(shù)空間分布特點(diǎn)可以看出山西省可照時(shí)數(shù)的緯向變化，即日照時(shí)數(shù)空間分布呈現(xiàn)南高北低，但由于緯度變化較小，趨勢(shì)并不顯著。同時(shí)，受坡度、坡向、地形遮蔽等的影響，山區(qū)可照時(shí)數(shù)的空間差異顯著。

由圖2可以看出，冬季的可照時(shí)數(shù)較少，夏季的可照時(shí)數(shù)較多。在冬季，地形對(duì)于可照時(shí)數(shù)空間分布的影響要顯著強(qiáng)于夏季，這主要是由于冬季的太陽高度角顯著的低于夏季。同時(shí)可以看出，在冬季，山西省的部分地區(qū)可照時(shí)數(shù)為0 h，而夏季最小可照時(shí)數(shù)為107 h，這主要是受到了地形遮蔽和太陽高度角的影響。從空間分布上看，冬季和夏季可照時(shí)間分布為平地和山脊多，山谷少，南坡多，北坡少。

表1給出了山西省月、年可照時(shí)數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)，可以看出，山西省可照時(shí)數(shù)有顯著的月際變化特征。一年中，以7月份可照時(shí)間最高，2月份最低。同時(shí)，在1月～3月,10月～12月這6個(gè)月，可照時(shí)數(shù)最小值為0，這主要受到了局部地形遮蔽的影響。這些月份中，太陽高度角相對(duì)較低，局部地區(qū)受到小地形因素的影響，接收不到日照。而在6月份,7月份，由于太陽高度角的升高，原本受地形因素影響不可照的區(qū)域也變得可照，其最小可照時(shí)數(shù)也達(dá)到了100 h左右。

表1 山西省可照時(shí)數(shù)均值月年統(tǒng)計(jì) h

由圖3可以看出，年可照時(shí)數(shù)受坡向的影響非常顯著，南坡的可照時(shí)數(shù)最大，其他坡向分布依次為東南、西南、正東、正西、東北、西北，北坡最小。這其中平地的可照時(shí)數(shù)大于任意其他坡向，達(dá)到3 805 h，這主要是由于考慮了地形遮蔽后，山區(qū)各坡向均受到地形遮蔽的影響，因此，各坡向可照時(shí)數(shù)均小于平地值。

3 結(jié)語

研究基于數(shù)字高程模型(DEM)，利用地形影響下可照時(shí)數(shù)分布式計(jì)算模型得到山西省月、年可照時(shí)數(shù)空間分布，并得出以下3點(diǎn)結(jié)論：1)山西省可照時(shí)數(shù)具有顯著的月際變化特征，月可照時(shí)數(shù)均值以7月份最高，2月份最低，全省年平均可照時(shí)數(shù)2 254 h。2)季節(jié)變化中，由于太陽高度角的差異，冬季可照時(shí)數(shù)受坡度、坡向、地形遮蔽的共同影響，空間分布上的差異要顯著強(qiáng)于夏季，夏季太陽高度角較高，可照時(shí)數(shù)空間分布主要受地形遮蔽的影響。3)山西省可照時(shí)數(shù)的空間分布受到了地形的顯著影響，由于山西省地形主要以山地、丘陵為主，考慮地形遮蔽后，平地的日照時(shí)數(shù)均值要顯著大于其他坡向；各坡向中，南坡的可照時(shí)數(shù)最大，其他坡向依次為東南、西南、正東、正西、東北、西北和正北。

[1] 喻 橋,邱新法,李夢(mèng)潔.基于GIS的重慶市可照時(shí)間的空間分布[J].貴州氣象,2008,32(2):3-5.

[2] 傅抱璞.山地氣候[M].北京：科學(xué)出版社,1983.

[3] 李占清,翁篤鳴.一個(gè)計(jì)算山地可照時(shí)間的計(jì)算機(jī)模式[J].科學(xué)通報(bào),1987(17):1333-1335.[4] Dozier J,Frew J.Rapid calculation of terrain parameters for radiation modeling from digital elevation data[J].IEEE Transaction on Geosciences and Remote Sensing,1990,28(5):963-969.

[5] 李 新,程國(guó)棟,陳賢章,等.任意地形條件下太陽輻射模型的改進(jìn)[J].科學(xué)通報(bào),1999,44(9):993-998.

[6] 曾 燕,邱新法,繆啟龍,等.起伏地形下我國(guó)可照時(shí)間的空間分布[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2003,13(5):545-549.

[7] 李志林,朱 慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2001:1-10.

[8] 解河海,郝振純,馮 杰,等.基于DEM的流域地形地貌信息提取[J].水電能源科學(xué),2008,26(3):63-65.

Spatial distribution of duration of possible sunshine based on DEM in Shanxi province

An Guiyang

(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancy&Hydro-ElectricPower,Hangzhou310002，China)

The spatial distribution of duration of possible sunshine in Shanxi province was analyzed by using DEM data with high spatial resolution. The results show that the duration of possible sunshine is significantly influenced by topographic factors. It has great significance for the research of agriculture, forestry and architecture design in Shanxi province.

duration of possible sunshine, DEM, spatial distribution

1009-6825(2016)18-0217-03

2016-04-13

安貴陽(1986- )，男，博士，工程師

TU113.3

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