基于ArcGIS的復(fù)雜地形下太陽輻射分析計算

金鑫 楊禮簫

摘要分析了ArcGIS空間分析技術(shù)計算太陽輻射的過程，并利用ArcGIS空間分析技術(shù)和黑河上游山區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及靠近黑河上游山區(qū)葫蘆溝小流域的野牛溝氣象站的日照時數(shù)資料確定的透射率和散射比率兩個天氣因子，計算了黑河上游山區(qū)太陽輻射分布。最后，用位于葫蘆溝小流域的3個氣象站的實測太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗證，結(jié)果證明方法可行。

關(guān)鍵詞太陽輻射；ArcGIS；數(shù)字高程模型；大氣效應(yīng)

中圖分類號S181.3；P422.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）23-07952-04

基金項目國家自然科學(xué)基金重點項目“黑河上游土壤水文異質(zhì)性觀測試驗及其對山區(qū)水文過程的影響”（D010102-91125010）；蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（lzujbky2014258）。

作者簡介金鑫（1988- ），女，青海西寧人，博士研究生，研究方向：水文模型。

鳴謝感謝國家自然科學(xué)基金重點項目“黑河上游土壤水文異質(zhì)性觀測試驗及其對山區(qū)水文過程的影響”（D010102-91125010）資助。同時，感謝中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所黑河上游生態(tài)-水文實驗研究站以及陳仁升教授提供的實驗數(shù)據(jù)和指導(dǎo)幫助。

收稿日期20140707太陽輻射在大氣和地表的能量交換過程中有重要意義[1-2]。地球上99.8% 的能量來自太陽[3]。太陽輻射是地球上化學(xué)、物理、生物等過程的主要能源，也是水文模擬模型、生物物理模型研究中的重要參數(shù)。到達(dá)地表的太陽輻射量主要受到3個方面的影響：①太陽幾何因素；②地形因素；③大氣效應(yīng)[4]。在景觀尺度上，地形是決定太陽輻射分布的最重要的因素。隨著一些學(xué)科研究尺度的擴(kuò)展，太陽輻射的空間分布特征日趨重要[5-8]。不同位置在高程、方向（坡度和坡向）及地形要素投射的陰影等方面存在的差別，會對接收到的日照量產(chǎn)生影響[9-14]。這種差異還將隨太陽幾何因素或一天和一年中時間的不同而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致小氣候的不同，其中包括空氣和土壤溫度狀況、蒸發(fā)量、積雪融化模式、土壤濕度以及可用于光合作用的光等因素[15-16]。太陽輻射的觀測由于其設(shè)備復(fù)雜、成本高，其觀測密度往往小于溫度、降水等氣象因素的觀測密度。在缺乏太陽輻射觀測站點的地區(qū)，太陽輻射值的計算往往是通過空間內(nèi)插進(jìn)行的，地形因子也往往被忽略或簡化[17-20]。但是在一些地形復(fù)雜的區(qū)域，簡單的空間內(nèi)插就有了很大的局限性[4-8]。

太陽輻射還受到大氣因素的影響，如云、氣溶膠等。但是大氣因素對太陽輻射影響的定量研究有一定的復(fù)雜性。模擬大氣因素對太陽輻射的影響有一定的挑戰(zhàn)性。國外，Dozier等率先利用DEM（數(shù)字高程模型）計算了復(fù)雜地形條件下的太陽輻射值，使得太陽輻射的計算有了更好的精度和更強(qiáng)的空間性等[21-22]。Agostino等[23]、Beyer等[24]利用遙感資料計算太陽輻射，這種方法雖然精度不高，但是體現(xiàn)了太陽輻射在空間上的變化特征。隨后，GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展為太陽輻射的分析計算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和計算平臺，基于GIS的太陽輻射計算模型應(yīng)運而生[25-27]。這些模型往往只能計算晴空條件下的太陽輻射值，對于實際天氣情況下的太陽輻射計算所用的方法、資料都趨于復(fù)雜。在國內(nèi)，李新等[5]、傅抱璞[28-30]等學(xué)者均研究了太陽輻射計算模型。國內(nèi)目前對于實際地形條件下太陽輻射值的計算是基于DEM進(jìn)行的，對于實際天氣情況下的太陽輻射計算，所運用的方法和資料也往往趨于復(fù)雜[7，16]。

該研究運用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能，在計算太陽輻射時從黑河上游山區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)獲取地形因子（坡度、坡向、地形遮擋），計算地形對太陽輻射的影響。并運用研究區(qū)域中靠近太陽輻射實測站點的野牛溝氣象站的日照時數(shù)資料計算透射率和散射比率兩個因子，從而較簡便地計算出大氣效應(yīng)對太陽輻射的影響[31-32]。通過使用上述方法，可以獲得研究區(qū)域?qū)嶋H地形、天氣條件下的太陽輻射值。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)與研究區(qū)域概況該研究選擇了葫蘆溝流域及臨近的黑河上游山區(qū)為研究區(qū)域。該地區(qū)地形起伏大（2 640～4 880 m），地形遮蔽明顯。氣候類型屬于高原山地氣候，氣溫隨高度增高而降低，氣候垂直變化顯著，在一定高度內(nèi)，濕度大、多云霧、降水多。迎風(fēng)坡降水多，雪線低；背風(fēng)坡降水少，雪線高。夏季多降水，冬季較干燥。冬季降水形式為降雪。

研究采用了中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所黑河上游生態(tài)-水文實驗研究站位于葫蘆溝流域的3個氣象站（、）2011年日太陽輻射觀測值與ArcGIS輸出結(jié)果作比較。研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的30m*30m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

太陽輻射觀測站點及氣象站分布1.2研究方法

1.2.1ArcGIS太陽輻射建模。入射太陽輻射源自太陽，穿過大氣層時會發(fā)生改變，然后由于地形和表面要素進(jìn)一步發(fā)生改變，最后在地球表面被分別截取成直射部分、散射部分和反射部分。截取的直接輻射是源自陽光的暢通無阻的直光線。散射輻射則是由于被大氣中的云和塵埃等成分分散。反射輻射則是經(jīng)過表面要素的反射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽輻射總量或整體日輻射量（）。

入射太陽輻射被截取成直射部分、散射部分和反射部分通常，直射輻射是輻射總量中最多的部分，而散射輻射則排在第二位。反射輻射通常僅構(gòu)成輻射總量中很小的一部分。通常散射輻射和反射輻射部分的和僅占太陽總輻射量的10%～20%[33]。ArcGIS中的太陽輻射工具在計算輻射總量時將反射輻射排除在外。因此，輻射總量將計算為直接輻射和散射輻射的總和。太陽輻射工具可對某些點位置執(zhí)行計算。包括以下4個步驟：①根據(jù)地形計算仰視半球視域；②在直射太陽圖上疊加視域以便判斷直射輻射；③在散射星空圖上疊加視域以便判斷散射輻射；④對每個感興趣的位置都重復(fù)上述過程便可生成日照圖。由于輻射會受到地形和表面要素的極大影響，因此需要在數(shù)字高程模型（DEM） 中為每個位置生成一個仰視半球視域（），這是該計算算法的一個重要組成部分?？梢娞炜盏拇笮≡跊Q定某位置的日照方面起重要作用[34-38]。

半球（魚眼鏡頭）相片[32]視域可與太陽位置和天空方向信息（分別用太陽圖和星空圖表示）結(jié)合使用，從而計算出每個位置的直射、散射和輻射總量（直射 + 散射）并生成準(zhǔn)確的日照圖。計算日照時，在視域柵格中疊加太陽圖柵格和星空圖柵格可以計算出從每個天空方向接收到的散射輻射和直接輻射。計算每個扇區(qū)中可見天空區(qū)域比例的方法為，用每個扇區(qū)中未遮擋像元的數(shù)量除以像元的總數(shù)。可以考慮部分遮擋的天空扇區(qū)。和說明了在太陽圖和星空圖上分別疊加視域的情況?；疑硎臼苷趽醯奶炜辗较?。計算太陽輻射的方法為，將源自未受遮擋天空方向的直接日照和散射日照相加[33-37]。

視域與太陽圖疊加的示例[32]視域與星空圖疊加的示例[32]1.2.2參數(shù)確定。ArcGIS計算點太陽輻射時需要點的位置信息（緯度、高程）、地形因子、大氣因子（散射比例、透射率）。高程信息從輸入的DEM數(shù)據(jù)中讀取。地形因子主要是點所在位置的坡度、坡向信息?？梢愿鶕?jù)DEM數(shù)據(jù)利用ArcGIS本身的空間分析功能進(jìn)行計算，也可以手動輸入實際測量值。此處選擇ArcGIS本身的空間分析功能進(jìn)行計算。該研究在確定兩個大氣因子時，運用了位于葫蘆溝流域附近的野牛溝氣象站的日照時數(shù)資料。

根據(jù)已有研究成果[31-32]，將研究區(qū)域的天氣情況分為以下幾種類型：①非常晴朗；②普通晴朗；③非常多云；④普通多云。并且根據(jù)已有研究，確定這幾種情況下散射比例與透射率的值（散射比例與透射率成反比例關(guān)系），如所示。

根據(jù)野牛溝氣象站提供的2011年每日日照時數(shù)數(shù)據(jù)，該研究作出了如下劃分：①1月1日至3月21日（春分日），日照時數(shù)大于8.5 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數(shù)小于8.5 h，大于6 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數(shù)大于3 h，小于6 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數(shù)小于3 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。②3月21日到9月23日（秋分日），日照時數(shù)大于10 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數(shù)小于10 h，大于8 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數(shù)大于5 h，小于8 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數(shù)小于5 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。③9月23日至12月31日，日照時數(shù)大于8.5 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數(shù)小于8.5 h，大于6 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數(shù)大于3 h，小于6 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數(shù)小于3 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。

野牛溝氣象站每日日照時數(shù)安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年2結(jié)果與分析

將確定好的所有參數(shù)輸入ArcGIS軟件太陽輻射分析工具界面，得到研究區(qū)域內(nèi)3個太陽輻射觀測站點上的模擬日太陽輻射值。在每個站點上，對于模擬的太陽輻射值和太陽輻射實測值進(jìn)行比較（、8、9），并在每個站點上對模擬值和實測值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見0、11、12。

1號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較2號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較 3號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較01號站點處模擬的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關(guān)性 12號站點處模擬的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關(guān)性23號站點處的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關(guān)性由0與2可以發(fā)現(xiàn)在站點1處，ArcGIS的日太陽輻射模擬結(jié)果最好；站點3處的模擬結(jié)果并不理想。經(jīng)過分析，原因可能有以下幾點：①站點1距離野牛溝氣象站最近，且站點1處于中山地帶，天氣狀況相對穩(wěn)定。但是站點3處于高山地帶，氣候受海拔高度影響較大。尤其是在夏季，天氣多變。該研究所使用的野牛溝氣象站氣象數(shù)據(jù)無法很好地反映3號實測站點當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r；②研究在計算ArcGIS中兩個大氣因子時，根據(jù)已有研究對其進(jìn)行了概化。實際上，不同的日照時數(shù)可能對應(yīng)不同的大氣因子；③在3個站點處，模擬值都小于實測值。因為ArcGIS計算太陽總輻射值時，忽略反射輻射部分。

3結(jié)論與展望

ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能可以在計算太陽輻射時從DEM數(shù)據(jù)中獲取地形因子，計算地形對太陽輻射的影響。并通過透射率和散射比率兩個因子計算出大氣效應(yīng)對太陽輻射的影響。該研究在計算參數(shù)時，運用黑河上游山區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)獲取了地形因子（坡度、坡向、地形遮擋）。并運用研究區(qū)域中靠近太陽輻射實測站點的野牛溝氣象站的日照時數(shù)資料確定了透射率和散射比率兩個大氣因子。計算結(jié)果表明ArcGIS能夠較好地模擬點上的太陽輻射值，關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的地形因子以及透射率和散射比率兩個大氣因子。

因該研究中，確定透射率和散射比率兩個大氣因子時，都用了概化的值。所以并不能很好地模擬天氣因素對太陽輻射值的影響。在今后的研究中，可以利用多個站點的實測日照時數(shù)、實測太陽輻射值計算出不同的季節(jié)里，不同的日照時數(shù)對應(yīng)的不同的透射率和散射比率值。另外，在一些地表反照度高的地區(qū)使用ArcGIS計算太陽輻射時，可以加入反射輻射的值，使結(jié)果更加貼近實測值。

參考文獻(xiàn)

[1] JACOBSON M Z.Fundamentals of Atmospheric Modeling[M].Cambridge：Cambridge University Press，1999：241-297.

[2] OLIPHANT A J，SPRONKENSMITH R A，STURMAN A P，et al.Spatial variability of surface radiation fluxes in mountainous region [J].Appl Meteorol，2003，42：113-128.

[3] DICKINSON W C，CHEREMISINOFF P N.Solar Energy Technology Handbook[K].London：Butterworths，1980.

[4] 何洪林，于貴瑞，牛棟.復(fù)雜地形條件下的太陽資源輻射計算方法研究[J].資源科學(xué)，2003，25（1）：78-85.

[5] 李新，程國棟，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，1999，44（9）：993-998.

[6] HETRICK W A，RICH P M，BARNES F J，et al.GISbased solar radiation flux models[C]// American Society for Photogrammetry and Remote Sensing Technical Papers，Vol3：GIS Photogrammetry and modeling[S.l.]：American Society for photogrammetry and Remote Sensing，1993：132-143.

[7] 劉俊峰，陳仁升，陽勇，等.實際地形下30 min太陽輻射模擬及誤差分析[J].高原氣象，2011，30（6）：1647-1652.

[8] 王瀟宇.復(fù)雜地形下我國太陽總輻射的分布式模擬[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2005：9-18.

[9] 翁篤鳴，孫治安，史兵.中國坡度總輻射的計算和分析[J].氣象科學(xué)，1990，10（4）：348-357.

[10] 孫治安，史兵，翁篤鳴.中國坡度太陽直接輻射分布特征[J].高原氣象，1990，9（4）：371-381.

[11] 陳斌，張耀存，丁裕國.地形起伏時模式地表長波輻射計算的影響[J].高原氣象，2006，25（3）：406-412.

[12] 鄒基玲，侯旭宏，季國良.黑河地區(qū)夏末太陽輻射特征的初步分析[J].高原氣象，1992，11（4）：381-388.

[13] GARNIER B J，A OHMURA.A method of calculating the direct shortwave radiation income of slopes[J].J Appl Meteor，1968，7（5）：796-800.