基于改進(jìn)的MT-CLIM模型的中高緯低山丘陵區(qū)太陽輻射模擬——以小興安嶺為例

基于改進(jìn)的MT-CLIM模型的中高緯低山丘陵區(qū)太陽輻射模擬
——以小興安嶺為例

梅曉丹1,2，毛學(xué)剛2，范文義2，王強(qiáng)1，劉丹丹1，張為成1

(1.黑龍江工程學(xué)院測繪工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050； 2．東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：將DEM、坡度和坡向作為地形因子，基于ENVI/IDL編寫MT-CLIM模型批量處理程序，使用改進(jìn)MT-CLIM模型對(duì)小興安嶺地區(qū)的地面氣象臺(tái)站進(jìn)行太陽輻射模擬，并將模擬結(jié)果分別與輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)和二次趨勢面統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：從整年上，其與輻射臺(tái)站的擬合精度R2為0.813 3，其中，夏季模擬太陽輻射日值擬合精度偏低，而其與二次趨勢面統(tǒng)計(jì)模型擬合精度R2值范圍為0.571 3～0.793 3；采用改進(jìn)的MT-CLIM模型模擬較大區(qū)域的太陽輻射，比統(tǒng)計(jì)模型具有更好的普適性和高效性，能獲得較好的中高緯低山丘陵區(qū)模擬效果，且為森林生態(tài)過程模型的輸入?yún)?shù)研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MT-CLIM模型；太陽輻射模擬；二次趨勢面模型；小興安嶺；ENVI/IDL

中圖分類號(hào)：P422.1

收稿日期：2014-10-20;修回日期：2015-05-30

基金項(xiàng)目：黑龍江省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間地理信息綜合實(shí)驗(yàn)室開放課題資助(KJKF-12-04)；“十二五”國家科技支撐項(xiàng)目(2011BAD08B01)

作者簡介：梅曉丹(1979-)，女，講師，博士研究生.

Solar radiation simulation of low hilly land in high latitude based on improved MT-CLIM model -Taking the Xiaoxinganling Mountains for Example

MEI Xiao-dan1,2，MAO Xue-gang2，F(xiàn)AN Wen-yi2，WANG Qiang1，LIU Dan-dan1，ZHANG Wei-cheng1

(1.College of Surveying and Mapping Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China ;2.School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)

Abstract：Taking the DEM, gradient and slope direction as terrain factor，this paper writes an MT-CLIM model batch processing program，and then uses the improved MT-CLIM model to simulate the solar radiation of meteorological stations on the ground in Xiaoxinganling Mountains.Compared the model simulation results with radiation stations measured data and the simulation results of the secondary trend surface statistical model, the former of fitting precision R2 is 0.813 3 through the whole year，but simulated solar radiation of fitting precision is low in summer than other seasons; the latter of fitting precision R2 is 0.571 3 to 0.793 3.The results prove that the improved MT-CLIM model which has better effectiveness and efficiency than the statistic model can be used for simulating large area of solar radiation and obtain the better simulating effect than the original model in low hilly land of the high latitude. The results will provid a basis for the research of the input parameters of the forest ecological process model.

Key words：MT-CLIM model；solar radiation simulation；secondary trend surface model； Xiaoxinganling Mountains ；ENVI/IDL

許多森林生態(tài)系統(tǒng)過程模型需要將氣象數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，例如：BIOME-BGC模型。在地表氣象影響陸地生物地球化學(xué)系統(tǒng)中的許多過程，經(jīng)常會(huì)遇到進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)過程模擬的地區(qū)沒有氣象實(shí)測數(shù)據(jù)的情況。目前，我國的輻射臺(tái)站個(gè)數(shù)非常有限，據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截至2000年，全國范圍內(nèi)氣象臺(tái)站共有756站，輻射臺(tái)站僅有122站，兩者比例關(guān)系約為6∶1。因此，本文依據(jù)中高緯低山丘陵區(qū)(小興安嶺)的特點(diǎn)，將DEM、坡度和坡向數(shù)據(jù)作為地形因子，改進(jìn)MT-CLIM模型，從而實(shí)現(xiàn)模擬較大區(qū)域的太陽輻射。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1研究區(qū)概況

小興安嶺位于中國黑龍江省東北部(46°28′ ～49°21′N，127°42′ ～ 130°14′E)，屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)；四季分明，冬季嚴(yán)寒、干燥而漫長； 夏季溫?zé)岫虝?；年平均氣?-1 ℃，年平均日照數(shù)2 355 h；年降水量 550 ～670 mm，降雨集中在夏季；地貌屬低山丘陵，北部多臺(tái)地、寬谷，中部低山丘陵，山勢和緩，南部屬低山，山勢較陡。

1.2數(shù)據(jù)收集

1)氣象數(shù)據(jù):小興安嶺地面氣象臺(tái)站的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，主要包括：黑河、嫩江、孫吳、北安、海倫、伊春、鶴崗、鐵力、依蘭和通河，共10個(gè)臺(tái)站，如表1所示。從地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集中，提取模型模擬需要小興安嶺氣象臺(tái)站的每日最高氣溫(0.1 ℃)、每日最低氣溫(0.1 ℃)和20：00～20：00降水量(0.1 mm)等氣象變量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MT-CLIM模型輸入數(shù)據(jù)(*.mtcin)；依據(jù)地面氣象臺(tái)站的經(jīng)緯度值，采用ArcGIS生成小興安嶺地面氣象臺(tái)站的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)(*.shp)，如圖1所示。

表1　小興安嶺的地面氣象臺(tái)站

圖1　小興安嶺的地面氣象臺(tái)站和輻射臺(tái)站

2)輻射數(shù)據(jù):小興安嶺輻射臺(tái)站的日值數(shù)據(jù)集來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，僅包括黑河1個(gè)輻射臺(tái)站(黑河既是氣象臺(tái)站又是輻射臺(tái)站)。從研究區(qū)的輻射日值數(shù)據(jù)集中，提取模型模擬驗(yàn)證需要太陽輻射數(shù)據(jù)，即日總輻射曝輻量(0.01 MJ/km2)；二次趨勢面模型模擬東北三省101個(gè)氣象臺(tái)站的太陽輻射日值進(jìn)行插值，獲得東北三省區(qū)域的太陽輻射日值柵格數(shù)據(jù)，然后，將小興安嶺邊界矢量數(shù)據(jù)作為掩模，采用ENVI的掩模裁切方法，獲得小興安嶺區(qū)域的太陽輻射日值柵格數(shù)據(jù)(空間分辨率1 km)，再采用ENVI的ROI提取感興趣區(qū)域的方法，提取2007年小興安嶺10個(gè)地面氣象臺(tái)站的太陽輻射日值數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存為Excel格式(*.xls)。

3)地形數(shù)據(jù)：小興安嶺的DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)作為地形因子，數(shù)據(jù)空間分辨率1 km，數(shù)據(jù)格式為柵格數(shù)據(jù)(*.tif)。其中，坡度和坡向數(shù)據(jù)是基于小興安嶺DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行ENVI地形計(jì)算所獲得的派生數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1模型的選擇

到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。入射太陽輻射穿過大氣層到達(dá)地面，會(huì)受到大氣、地形和表面要素的影響。太陽的直接輻射就是通過直線路徑從太陽射來的光線；散射輻射則是經(jīng)過大氣分子、水蒸氣、灰塵等質(zhì)點(diǎn)的影響，改變方向的太陽輻射；反射輻射則是經(jīng)過表面要素的反射太陽輻射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽輻射總量。MT-CLIM模型結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)主要的子程序，即每日太陽輻射、氣溫、濕度和降水的模擬估算。本文采用MT-CLIM模型的太陽輻射模擬方法，其是由Thorton和Running所提出的估算入射太陽短波輻射方法。從量測的溫度、濕度和降水估算入射每日太陽輻射改進(jìn)算法，Thornton和Running考慮時(shí)間、空間變化對(duì)總透射影響，以及研究地點(diǎn)的緯度、海拔、坡度和坡向等因子對(duì)太陽輻射的影響，并在模型里應(yīng)用濕度-輻射循環(huán)模式進(jìn)行修正。之后Thornton等又將地平面角、積雪的影響加以參數(shù)化。

MT-CLIM模型模擬太陽輻射的主要思路：①計(jì)算云量對(duì)大氣透射率的校正參數(shù)(Tfmax):由于每日平均大氣透射率與氣溫日較差密切相關(guān)，其可表示為氣溫日較差的指數(shù)函數(shù)形式，同時(shí)考慮大氣消光系數(shù)；②計(jì)算到達(dá)地面的每日太陽總輻射(Rgh)：考慮大氣衰減影響，調(diào)整坡度、坡向和東西地平線的遮蔽效應(yīng)，計(jì)算到達(dá)地球的坡面上和水平面上的太陽輻射；③計(jì)算漫射輻射(Rsrad1)和直射輻射(Rsrad2)：以瞬時(shí)為基礎(chǔ)，從每日總透射率中估算漫反射輻射占總輻射的分量，Jones and Gates用漫反射率、直射率與總透射率之間的關(guān)系(總透射率=直射率+漫反射率)，分別計(jì)算漫射輻射和直射輻射；④計(jì)算經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的每日太陽總輻射(Rs_srad)：考慮積雪的影響，增加積雪/融化模型修正輻射，計(jì)算經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的每日太陽總輻射。

2.2改進(jìn)MT-CLIM模型的太陽輻射模擬方法

由于MT-CLIM模型是單點(diǎn)運(yùn)行模式，采用ENVI/IDL編寫MT-CLIM模型批量處理程序(multimtclim.pro)，其可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成批量處理運(yùn)行程序(metdata.bat)，將小興安嶺的DEM、坡度和坡向作為地形因子的數(shù)據(jù)源，使用ArcGIS10.1的Kriging空間插值方法，實(shí)現(xiàn)一次性模擬較大區(qū)域山地的太陽輻射空間格局。MT-CLIM模型的初始化數(shù)據(jù)(*.ini)，主要包括：輸入/輸出文件信息、控制參數(shù)和模型參數(shù)；MT-CLIM模型的輸入數(shù)據(jù)(*.mtcin)，即測站(基站)的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，主要包括：每日最高氣溫(℃)、每日最低氣溫(℃)、每日降水量(cm)等氣象變量，以及用戶給定的溫度和降水與海拔高度的關(guān)系等信息，模擬基站附近非測站的氣象變量；MT-CLIM模型的模擬輸出數(shù)據(jù)(*. .mtc43)，主要包括：每日最高氣溫(℃)、每日最低氣溫(℃)、每日降水量(cm)、每日白天平均氣溫(℃)、每日降水量(cm)、每日濕度(Pa)、每日入射短波輻射(W/m2)和晝長(s)。

3結(jié)果分析與驗(yàn)證

采用兩種模型模擬驗(yàn)證方法，對(duì)本模型模擬結(jié)果進(jìn)行擬合精度驗(yàn)證和分析。一是將改進(jìn)的MT-CLIM模型模擬結(jié)果與輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)比較；二是將改進(jìn)的MT-CLIM模型模擬結(jié)果與其它太陽輻射模型模擬結(jié)果比較，這里選擇二次趨勢面模型。

1)模型模擬結(jié)果與輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)比較。 輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)來源于2007年小興安嶺輻射臺(tái)站的日值數(shù)據(jù)集，研究區(qū)內(nèi)僅1個(gè)黑河輻射臺(tái)站實(shí)測太陽輻射日值數(shù)據(jù)(0.01 MJ/km2)，共365 d。在時(shí)間尺度上，分別從季節(jié)和特殊日角度，將模型模擬結(jié)果與輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合精度驗(yàn)證和分析。依據(jù)我國農(nóng)歷四季劃分法，將365 d，1～90 d劃分為春季(1～3月)、91～181 d劃分為夏季(4～6月)、182～273 d劃分為秋季(7～9月)、274～365 d劃分為冬季(10～12月)。2007年特殊日，分別為春分日(3月21日)、秋分日(9月23日)、夏至日(6月22日)和冬至日(12月22日)。本模型模擬結(jié)果與2007年黑河輻射臺(tái)站實(shí)測太陽輻射日值數(shù)據(jù)(共365 d)，整年兩者的擬合精度R2為0.8133，如圖2所示。從季節(jié)上看，兩者四季的擬合精度R2分別為春季0.816 2、夏季0.469 5、秋季0.744 3和冬季0.695 1，而且本模擬的太陽輻射日值最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季。從季節(jié)上，模型模擬的太陽輻射日值，各個(gè)季節(jié)的平均日值由大到小的排列順序?yàn)椋合募?秋季>春季>冬季，如圖3所示。其中，夏季擬合精度R2偏低，主要原因可能與小興安嶺的森林類型是以紅松為主的針闊葉混交林有關(guān)。由于紅松生長每年成規(guī)律性的變化，5月初～5月下旬進(jìn)入開始生長期，5月下旬～6月初進(jìn)入速生期，6月中旬以后生長減慢進(jìn)入生長末期。因此，在夏季(4～6月)，由于受到植被生長的影響，改進(jìn)MT-CLIM模型模擬擬合精度稍低，但模型模擬整年效果較好。

2)模型模擬結(jié)果與二次趨勢面模型模擬結(jié)果比較。 根據(jù)太陽輻射與經(jīng)緯度有密切的關(guān)系這一因素，將經(jīng)度和緯度作為自變量，太陽輻射為因變量，采用二次趨勢面模型，建立太陽輻射與經(jīng)緯度的回歸模型。由于東北三省內(nèi)輻射臺(tái)站只有10個(gè)，應(yīng)用SPSS13.0軟件將10個(gè)樣本全部參與建模，采用強(qiáng)迫引入法，建立東北三省的太陽輻射二次趨勢面模型。將各月太陽輻射分為三個(gè)時(shí)間段，每10 d建立一個(gè)模型，建立36個(gè)二次趨勢面模型，然后選擇每月最佳擬合模型，獲得東北三省101個(gè)氣象臺(tái)站的太陽輻射日值，時(shí)間分辨率為10 d。二次趨勢面模型與輻射臺(tái)站的1～12個(gè)月擬合精度R2為0.630～0.973。采用ArcGIS10.1軟件的克里金插值方法，對(duì)東北三省101個(gè)氣象臺(tái)站的太陽輻射日值進(jìn)行插值，獲得東北三省區(qū)域的太陽輻射日值柵格數(shù)據(jù)；然后，將小興安嶺邊界矢量數(shù)據(jù)作為掩模，采用ENVI的掩模裁切方法，獲得小興安嶺區(qū)域的太陽輻射日值柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km；利用ENVI的ROI提取感興趣的2007年小興安嶺10個(gè)地面氣象臺(tái)站的太陽輻射日值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存為Excel格式(*.xls)。二次趨勢面模型模擬結(jié)果與輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)，兩者的擬合精度R2在0.630～0.973；本模型模擬結(jié)果與二次趨勢面模型模擬結(jié)果對(duì)比，小興安嶺10個(gè)地面氣象臺(tái)站的擬合精度R2在0.571 3～0.793 3范圍。雖然二次趨勢面模型模擬結(jié)果比本模型模擬結(jié)果稍高，其主要原因是二次趨勢面模型在依據(jù)太陽輻射與經(jīng)緯度關(guān)系建模時(shí)，將輻射臺(tái)站實(shí)測數(shù)據(jù)直接作為建模樣本數(shù)據(jù)，因此擬合精度R2較好，如圖4所示。

圖2　輻射臺(tái)站實(shí)測與改進(jìn)MT-CLIM模型模擬

圖3　改進(jìn)MT-CLIM模型模擬

圖4　輻射臺(tái)站實(shí)測與改進(jìn)MT-CLIM模型、 二次趨勢面模型

4結(jié)論

1)本研究以小興安嶺為例，將MT-CLIM 模型與ENVI/DIL和ArcGIS相結(jié)合，引入地形因子，借助批量處理模式，實(shí)現(xiàn)小興安嶺10個(gè)地面氣象臺(tái)站2007年入射太陽輻射模擬，能更好地模擬中高緯低山丘陵區(qū)大氣效應(yīng)對(duì)太陽輻射的影響，并有效地提高太陽輻射模擬的效率；

2)對(duì)已有的二次趨勢面統(tǒng)計(jì)模型和輻射臺(tái)站實(shí)測值進(jìn)行檢驗(yàn)，它們的太陽輻射變化趨勢與本研究結(jié)果一致，且擬合精度較好。本研究屬于機(jī)理模型，基于ENVI/DIL的改進(jìn)MT-CLIM 模型，其有較大的普適性，建模效率明顯優(yōu)于二次趨勢面模型，且實(shí)現(xiàn)一次性模擬較大區(qū)域的太陽輻射；

3)隨著新型長時(shí)間序列高分辨率的地面輻射產(chǎn)品的涌現(xiàn)，有利于MT-CLIM模型考慮云對(duì)太陽輻射的影響、直接輻射和散射輻射的影響因素，以及探索多源遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用。因此，下一步研究是將遙感和GIS相結(jié)合，考慮MT-CLIM 模型大中尺度的太陽輻射模擬，提高模型的區(qū)域適用性。另外，由于植被類型及植被覆蓋率條件會(huì)影響輻射的反射效果，需進(jìn)一步考慮葉面積指數(shù)對(duì)太陽輻射的影響，提高本模型模擬精度，解決中高緯低山丘陵區(qū)不同季節(jié)擬合精度的問題。

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[責(zé)任編輯：張德福]