連城縣日照時(shí)數(shù)空間分布模擬及分析

曹鎮(zhèn)鴻 林金勇 張佳暉 吳 健

連城縣日照時(shí)數(shù)空間分布模擬及分析

曹鎮(zhèn)鴻1林金勇1張佳暉2吳 健1

1.連城縣氣象局 2.武夷山市氣象局

在GIS技術(shù)的支持下，以連城縣為例，構(gòu)建地形起伏下的日照時(shí)數(shù)模型，計(jì)算出連城縣范圍內(nèi)月、季、年日照時(shí)數(shù)空間分布，并綜合分析坡向、坡度等地形因子對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響。結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)的日照時(shí)數(shù)模擬值與氣象站實(shí)測(cè)值之間具有良好的一致性；四季的日照分布不平衡，其中夏季最多，春季最少；全年日照分布呈現(xiàn)地形地貌分布規(guī)律，具有非地帶性特征；日照時(shí)數(shù)隨著坡度的增加而減少，坡度每增加5°，日照時(shí)數(shù)平均減少10.7h；坡度的影響在夏季，北坡日照充足，多于南坡，而在冬季，則為南坡日照多于北坡。

GIS DEM 日照時(shí)數(shù) 地形因子 連城縣

日照時(shí)數(shù)是反映太陽(yáng)輻射時(shí)間長(zhǎng)短的氣候指標(biāo)，是決定地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要因素。一個(gè)地區(qū)的日照時(shí)數(shù)一般有3種含義：①天文日照時(shí)數(shù)，是指不考慮大氣影響和地形遮蔽的最大可能日照時(shí)間；②地理日照時(shí)數(shù)，是指考慮地形遮蔽而不考慮大氣影響的可能日照時(shí)間；③實(shí)際日照時(shí)數(shù)，是指同時(shí)考慮地形遮蔽和大氣影響的日照時(shí)數(shù)[1]。本文計(jì)算的“日照時(shí)數(shù)”就是指“實(shí)際的日照時(shí)數(shù)”的模擬。

傳統(tǒng)的日照時(shí)數(shù)推算方法主要有三種：經(jīng)驗(yàn)方程法、解析法和圖解法。其中，經(jīng)驗(yàn)方程法易于理解，操作方便，但是對(duì)于海拔差異懸殊、地形復(fù)雜的山地，往往不能夠反映出地形的影響；解析法由傅抱璞首次提出，為非水平面日出日沒(méi)時(shí)角計(jì)算公式，并提出了確定坡面日出日沒(méi)時(shí)角的一般原則和方法，但只能解決一些理想化地形的日照時(shí)數(shù)計(jì)算問(wèn)題；而圖解法則將測(cè)點(diǎn)遮蔽圖配上太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)跡線來(lái)確定遮蔽地點(diǎn)的日出、日落時(shí)間和可照時(shí)數(shù)，此方法考慮了地形的影響,但在實(shí)際操作上，用經(jīng)緯儀測(cè)繪各點(diǎn)的遮蔽圖，工作量大，效率較低。

隨著“3S”技術(shù)發(fā)展，起伏地形下可照時(shí)間的計(jì)算也有了全新的思路，在國(guó)外，Dozier等首次提出利用DEM數(shù)據(jù)模擬太陽(yáng)輻射的方法；Hetrick等利用GIS技術(shù)，分析地形對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響。在國(guó)內(nèi)，傅抱璞、翁篤鳴、李占清等氣象專家也提出了相關(guān)理論推算模型[2]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以DEM為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合氣象站日照百分率數(shù)據(jù)，模擬出連城縣近30a年日照實(shí)數(shù)空間分布，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域概況

連城縣位于福建省武夷山南段東側(cè)，境內(nèi)中部偏西是一片自北向南的串珠狀河谷盆地，東及東南部為玳瑁山脈的梅花山中山區(qū)，約占全境面積的2/3左右，地勢(shì)較高，崗嶺重疊，群山起伏，峰壑縱橫，澗流密布，西部為武夷山支脈的松毛嶺次中山區(qū)，峰巒聳峙，形勢(shì)險(xiǎn)要，成為處于長(zhǎng)廊盆地中的縣城西北部屏障，全縣范圍內(nèi)地形起伏達(dá)368m，為典型的山地丘陵地帶。

將連城縣范圍內(nèi)坡向分成8個(gè)方位及無(wú)坡向的平面；坡度則分為12個(gè)角度，則連城縣地形坡向及坡度百分比如圖1所示。

圖1 連城縣地形坡向、坡度百分比

連城縣東坡及西坡所占最多，而平面所占比例最少，西南坡次之；而坡度主要集中在0°～25°之間，大于25°的坡度僅占5%的比例。八個(gè)方位的坡向范圍如表1所示。

表1 坡向范圍表

1.2 數(shù)據(jù)資料

以1:25萬(wàn)的連城縣數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，相應(yīng)提取同等分辨率的坡向、坡度等柵格圖層。

日照時(shí)數(shù)實(shí)測(cè)值及日照百分率數(shù)據(jù)取自連城縣氣象局1981～2010年平均值。

2 基于DEM地形起伏下的日照時(shí)數(shù)計(jì)算模型

實(shí)際日照時(shí)數(shù)是在地理日照時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)上考慮大氣變化對(duì)日照的影響，由于日照百分率在總體上能反映該地區(qū)的云量分布情況，所以在本文中以日照百分率來(lái)表示大氣變化的情況，將地理日照時(shí)數(shù)與相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的日照百分率相乘，即得出該時(shí)段內(nèi)地形起伏下的日照時(shí)數(shù)，其公式為：

T=T×（1）

式中，T為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，T為地理日照時(shí)數(shù)，為日照百分率。

而地理日照時(shí)數(shù)（T）的計(jì)算重點(diǎn)在于地形的遮蔽分析，為了便于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，將一天的地理日照時(shí)數(shù)離散化，做分布積分處理，再分別計(jì)算出任意時(shí)段內(nèi)的地形遮蔽因子，判斷該點(diǎn)是否可照，最后累加求和，所得為一天的地理日照時(shí)數(shù)。

2.1 計(jì)算天文日照時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)的日出和日沒(méi)時(shí)角

地球上的任一點(diǎn)的日出日沒(méi)時(shí)角ω、ω，其公式[3]為：

ω=arccos（- tan×tan） （2）

ω= -ω（3）

式中，ω為日沒(méi)時(shí)角，ω為日出時(shí)角，為太陽(yáng)赤緯，為測(cè)點(diǎn)地理緯度。

太陽(yáng)赤緯可由左大康[4]等根據(jù)1986年中國(guó)天文年歷中的列表值對(duì)進(jìn)行了Fouirer分析所得公式求?。?/p>

=（0.006894-0.399512 cos0.072075 sin-

0.006799 cos 20.000896 sin 2- （4）

= 2π（D-1）/365 （5）

式中，為日角，以弧度表示，其中D為1月1日的1到12月31日的365（假定2月為28d）。

2.2地理日照時(shí)數(shù)（Te）離散化及計(jì)算

任意一天的地理日照時(shí)數(shù)在[ω,ω]區(qū)間內(nèi)，假設(shè)其離散數(shù)目為，時(shí)角的間隔為△，即得相應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度△：

若離散數(shù)目取值越大，計(jì)算結(jié)果精度越高，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)李占清[5]的研究，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為20min，即離散數(shù)目=36時(shí)，相對(duì)誤差小，同時(shí)滿足計(jì)算精度的要求。

所以，將任意一天的天文日照時(shí)數(shù)[ω,ω]劃分為36個(gè)微分時(shí)段，通過(guò)公式（7）計(jì)算對(duì)應(yīng)的△，并代入公式（8）～（10）計(jì)算每一時(shí)角ω所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角H和太陽(yáng)方位角A：

ω= -ω+△（=1,2,…,36） （8）

H= arc sin（sinsin+coscoscosω） （9）

將計(jì)算得出的太陽(yáng)高度角H和太陽(yáng)方位角A代入ArcGIS提供的Hillshade模型中進(jìn)行運(yùn)算，可得出該時(shí)角ω研究區(qū)域的陰影值，將陰影值重分類(lèi)用Z表示（Z=0為遮蔽，Z=1為可照），通過(guò)Z值判斷ω-1到ω這一微分時(shí)段內(nèi)的遮蔽情況，所依據(jù)的法則如下：

2.3實(shí)際日照時(shí)數(shù)（Tr）的計(jì)算

將地理日照時(shí)數(shù)值T代入公式（1），所得結(jié)果為該日的實(shí)際日照時(shí)數(shù)T，依此模型，計(jì)算得出每日的實(shí)際日照時(shí)數(shù)，疊加求和即可得相對(duì)應(yīng)的月、年實(shí)際日照時(shí)數(shù)總值?；跉夂?qū)W的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可取每月的15日作為代表日，通過(guò)每月代表日的實(shí)際日照時(shí)數(shù)乘以該月天數(shù)，即為月實(shí)際日照時(shí)數(shù)；再將各月實(shí)際日照時(shí)數(shù)疊加，可得出全年的實(shí)際日照時(shí)數(shù)。

3 連城縣日照時(shí)數(shù)分布變化分析

以1:25萬(wàn)的連城縣數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)上述DEM地形起伏下的日照時(shí)數(shù)計(jì)算模型步驟，獲取月、季、年日照時(shí)數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)；由于分析區(qū)域緯度變化幅度不大，為了計(jì)算方便，取平均緯度0.446832 rad代入模型計(jì)算，計(jì)算所得模擬值與近30年實(shí)測(cè)平均值的偏差如表2所示，各月的日照時(shí)數(shù)模擬值都比近30年均值偏小，其原因在于，高海拔區(qū)域提早出現(xiàn)的日出時(shí)角未曾計(jì)算在內(nèi)，以及本模型未曾考慮光線的反射和散射對(duì)日照時(shí)數(shù)的增量問(wèn)題。

但是，除9月偏少9%以外，其余偏差均在3%～4%之間。對(duì)模擬值與實(shí)際日照數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出R2=0.9956，表明模擬值與實(shí)測(cè)值具有很強(qiáng)的相關(guān)性，也說(shuō)明模擬結(jié)果的正確性。

表2 日照時(shí)數(shù)模擬值偏差表

3.1 日照時(shí)數(shù)的空間分布特征

3.1.1逐月日照時(shí)數(shù)空間分布特征

如表3所示，連城縣全年當(dāng)中，7月份日照時(shí)數(shù)最長(zhǎng)，為207.8h；最短日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)在3月份，為76.1h，月日照時(shí)數(shù)變化在整體上呈現(xiàn)近似軸對(duì)稱分布。臨近冬季，太陽(yáng)高度角趨于減小，使得受地形遮蔽更加明顯，其中11月、12月和1月的最小日照時(shí)數(shù)均為0 h，出現(xiàn)在以北坡方向，且坡度較陡的區(qū)域內(nèi)居多。

表3 連城縣各月日照時(shí)數(shù)空間分布特征 單位：h

3.1.2季節(jié)日照時(shí)數(shù)空間分布特征

從四季日照時(shí)數(shù)空間分布圖（圖2）可以看出，夏季日照最多，平均日照時(shí)數(shù)519.0h，秋季次之，平均日照時(shí)數(shù)為437.0h，冬季平均日照時(shí)數(shù)314.5h，而日照最少出現(xiàn)在春季，平均日照時(shí)數(shù)僅為283.8h，表現(xiàn)出四季分布的不平衡特征。

從圖中色澤多樣性及變化幅度來(lái)看，秋冬季的顏色種類(lèi)較春夏季更多，色澤變化幅度也更大，其中，以冬季日照時(shí)數(shù)差異為最大，在43.3～338.4h之間，而春季最小，僅在210.7～300.1h之間變化。這是由于秋冬季太陽(yáng)直射點(diǎn)逐漸南移，該區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角逐漸減小，到了冬季為最小，地形遮蔽對(duì)日照的影響更加顯著；而到了春夏季，太陽(yáng)高度角逐漸增大，相應(yīng)的地形遮蔽影響較為不明顯。

圖2 連城縣四季日照時(shí)數(shù)空間分布圖

3.1.3年日照時(shí)數(shù)空間分布特征

圖3為年日照時(shí)數(shù)空間分布圖，是與地形疊加所顯示，連城縣年日照時(shí)數(shù)為1142.2～1652.1h，地域差異性明顯，結(jié)合連城縣地形地貌變化特征可以看出，年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)明顯的地形地貌分布規(guī)律，與四季日照時(shí)數(shù)空間分布特征相一致，在同一緯度的不同地貌類(lèi)型區(qū)域，年日照時(shí)數(shù)差異較大，表現(xiàn)為明顯的非地帶性分布特征。

圖3 連城縣年日照時(shí)數(shù)空間分布圖

如圖3所示，深紅色以上的區(qū)域?yàn)槿照崭咧祬^(qū)，其中灰黑色主要分布在地勢(shì)平坦地帶及山脊上（坡度≤5°），而代表最高值的白色則主要分布在地勢(shì)平坦（坡度≤5°），且在西坡至北坡（坡向247.5°～22.5°）的區(qū)域內(nèi)；而相對(duì)顏色較淺的低值區(qū)，則主要分布在東部、東南部的玳瑁山脈和西部的武夷山支脈的山谷里，同時(shí)，以東北坡至東坡方向上的區(qū)域內(nèi)為主（坡向22.5°～112.5°）。

3.2 地形要素對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響

依據(jù)圖1 的坡向、坡度分類(lèi)方法，提取相應(yīng)的坡向、坡度數(shù)據(jù)圖層，并選取夏季和冬季的日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，分析坡向、坡度對(duì)日照時(shí)數(shù)空間分布的影響。由于坡度在40°～58°范圍內(nèi)所占比例不到1%，所以本文將該范圍內(nèi)坡度歸一類(lèi)坡度參與數(shù)據(jù)分析，記作≥40°。

3.2.1坡向的影響

如圖4所示，在相同坡度的情況下，除了平地及坡度≤5°范圍內(nèi)，坡向影響較小以外，其余坡度日照時(shí)數(shù)受坡向的影響較為顯著，隨著坡度的增加，坡向?qū)θ照諘r(shí)數(shù)的影響力不斷增強(qiáng)；從夏、冬兩季的變化趨勢(shì)來(lái)看，有著截然相反的變化，其中，在夏季呈現(xiàn)字母“W”型的走勢(shì)，從北坡到東坡，日照時(shí)數(shù)逐級(jí)遞減，東坡到南坡，有所增加，而南坡到西坡再次減少，西坡至北坡，日照時(shí)數(shù)再次增多；而到了冬季呈現(xiàn)字符“Λ”型的變化，北坡到南坡，日照時(shí)數(shù)逐級(jí)增多，南坡至北坡，日照時(shí)數(shù)不斷減少。從兩季日照時(shí)數(shù)變化幅度來(lái)看，冬季坡向?qū)θ照諘r(shí)數(shù)的影響大于夏季，在冬季，南坡方向上的區(qū)域，日照較為充足，而夏季，則出現(xiàn)在北坡，其日照時(shí)數(shù)平均值甚至多于平地區(qū)域，這些特征主要是由于連城縣位于北回歸線附近，在夏、冬兩季，太陽(yáng)直射點(diǎn)位置不同及太陽(yáng)高度角高低所造成的。

圖4 連城縣不同坡度夏、冬日照時(shí)數(shù)隨坡向的變化規(guī)律

3.2.2坡度的影響

圖5為相同坡向下日照時(shí)數(shù)隨坡度的變化曲線，冬夏兩季總體變化趨勢(shì)一致，隨著坡度的增加，日照時(shí)數(shù)趨于減少，表現(xiàn)為坡度每增加5°，日照時(shí)數(shù)平均減少10.7h。

其中，坡度每增加5°，在夏季，東坡和西坡遞減幅度是最大的，平均減少15.6h和16.0h，北坡為最小，僅為0.5h；而在冬季，北坡平均減少28.4h為最大，南坡的變化最小，僅為0.3h。

圖5 連城縣不同坡向夏、冬日照時(shí)數(shù)隨坡度的變化規(guī)律

4 結(jié)論

日照時(shí)數(shù)是衡量光能資源的重要?dú)夂蛑笜?biāo)，其具有獨(dú)特的時(shí)空分布規(guī)律，尤其在地形復(fù)雜的山區(qū)。本文以典型的山地丘陵地帶——連城縣作為研究對(duì)象，著重分析復(fù)雜地形下日照時(shí)數(shù)的空間分布特征，得出以下結(jié)論：

（1）基于DEM地形起伏下的日照時(shí)數(shù)模型所模擬出的效果良好，與實(shí)測(cè)值具有較高的相關(guān)性，適用于緯度變化不大區(qū)域的研究，計(jì)算所得的日照時(shí)數(shù)可作為一項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于其他相關(guān)研究，為精細(xì)化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

（2）連城縣日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)明顯的地形地貌分布規(guī)律，地域差異性明顯，呈現(xiàn)典型的非地帶性分布特征，年日照分布最多集中在地勢(shì)平坦、且在西坡至北坡的區(qū)域內(nèi)，而最少區(qū)域主要在東部、東南部的玳瑁山脈和西部的武夷山支脈的山谷里，且以東北坡至東坡方向上的區(qū)域內(nèi)為主；四季實(shí)照時(shí)數(shù)差別明顯，具有明顯的季節(jié)不平衡性，按季節(jié)實(shí)照時(shí)數(shù)的大小依次為夏季>秋季>冬季>春季；日照時(shí)數(shù)隨著坡度的增加而減少，坡度每增加5°，日照時(shí)數(shù)平均減少10.7h，其中，在夏季，東坡和西坡遞減幅度是最大的，平均減少15.6h和16.0h，北坡為最小，僅為0.5h；而在冬季，北坡平均減少28.4h為最大，南坡的變化最小，僅為0.3h；坡度的影響隨著季節(jié)更替則呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，在冬季，南坡方向上的區(qū)域，日照較為充足，而夏季，則出現(xiàn)在北坡，其日照時(shí)數(shù)平均值甚至多于平地區(qū)域，從冬夏兩季日照時(shí)數(shù)變化幅度來(lái)看，冬季坡向?qū)θ照諘r(shí)數(shù)的影響大于夏季。

（3）由于本文采用的方法未考慮大氣對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響，同時(shí)采用的日照百分率數(shù)據(jù)為記錄點(diǎn)的常年平均值，未能考慮地形遮蔽因素，且不能準(zhǔn)確代表每個(gè)柵格點(diǎn)所在位置具體的日照百分率，這都會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的影響。

[1] 傅抱璞,羅哲賢.山區(qū)地形氣候[M].北京:氣象出版社,1983.

[2] 曹蕓.日照時(shí)數(shù)3S集成模型研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2011.

[3] 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):545-548.

[4] 左大康,周允華,項(xiàng)月琴,等,地球表層輻射研究[M].北京:科學(xué)出版社,1991.

[5] 李占清,翁篤嗚.一個(gè)計(jì)算山地日照時(shí)間的計(jì)算機(jī)模式[J].科學(xué)通報(bào), 1987 (17): 1333-1335.