實(shí)際地形下地表太陽(yáng)總輻射的簡(jiǎn)化算法及應(yīng)用*

盧燕宇，田 紅，侯恩兵，孫 維，鄧汗青，何冬燕

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實(shí)際地形下地表太陽(yáng)總輻射的簡(jiǎn)化算法及應(yīng)用*

盧燕宇1,2，田 紅1**，侯恩兵3，孫 維4，鄧汗青1,2，何冬燕1,2

（1.安徽省氣象局氣候中心，合肥 230031；2.安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3.安徽省基礎(chǔ)測(cè)繪信息中心，合肥 230031；4.安徽省氣象局公共氣象服務(wù)中心，合肥 230031）

為快速準(zhǔn)確估算實(shí)際地形下地表太陽(yáng)總輻射，針對(duì)輻射觀測(cè)資料不足現(xiàn)狀，通過(guò)考慮天文、大氣和地理地形等因子對(duì)地表太陽(yáng)總輻射的影響，構(gòu)建了融合起伏地形天文輻射模型、地表太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W公式和日照百分率優(yōu)化插值方案的太陽(yáng)總輻射簡(jiǎn)化算法。并以安徽省為例，對(duì)簡(jiǎn)化算法實(shí)施參數(shù)化和應(yīng)用，采用2個(gè)輻射站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)回歸得到氣候?qū)W公式參數(shù)，參數(shù)化后的公式計(jì)算相對(duì)誤差為7.65%。利用80個(gè)站點(diǎn)的日照百分率數(shù)據(jù)分析了不同插值方法適用性，逐點(diǎn)交叉檢驗(yàn)結(jié)果表明，薄盤樣條法對(duì)安徽省日照百分率具有更好的插值效果?；诤?jiǎn)化算法計(jì)算得到實(shí)際地形下安徽省地表太陽(yáng)總輻射平均為4500MJ·m-2·a-1，總體呈北部高、南部低，山區(qū)南坡高、北坡低的分布特征，部分開(kāi)闊南坡的太陽(yáng)輻射超過(guò)同緯度水平地面。季節(jié)特征上地形對(duì)太陽(yáng)輻射的影響隨月份而異，在冬半年影響幅度更為明顯，夏半年地形影響相對(duì)較弱，并多以削減為主。安徽省太陽(yáng)能資源以3級(jí)為主，大別山和皖南山區(qū)的北坡多為4級(jí)，而在皖北低山丘陵的南坡存在零星的2級(jí)資源區(qū)。近年來(lái)由于日照百分率的下降，導(dǎo)致全省地表太陽(yáng)總輻射普遍減少。

天文輻射；日照百分率；空間分析；薄盤樣條；安徽省

太陽(yáng)輻射是地球上生物有機(jī)體的基本能量來(lái)源[1]，是最重要的農(nóng)業(yè)氣候資源之一[2]。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射受天文、大氣和地理地形等多種因素影響[3-4]，特別是局部地形的變化，如海拔、坡度、坡向、地形起伏等因素會(huì)造成地表太陽(yáng)輻射的明顯空間差異[5]，而當(dāng)前輻射觀測(cè)資料嚴(yán)重匱乏，在中國(guó)2500多個(gè)氣象觀測(cè)臺(tái)站中僅有約110個(gè)臺(tái)站有太陽(yáng)輻射觀測(cè)項(xiàng)目[6]，現(xiàn)有實(shí)測(cè)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能滿足研究和實(shí)際應(yīng)用的需求，因此，建立準(zhǔn)確估算太陽(yáng)輻射的模型與方法對(duì)開(kāi)發(fā)利用氣候資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

20世紀(jì)20年代Angsrtom提出太陽(yáng)輻射的氣候?qū)W計(jì)算公式以來(lái)[7]，迄今為止已經(jīng)建立了大量的太陽(yáng)輻射估算模型，應(yīng)用常規(guī)氣象觀測(cè)資料（如日照時(shí)數(shù)、云量等），估算太陽(yáng)輻射及其各分量是眾多太陽(yáng)輻射估算模式的基本出發(fā)點(diǎn)[8-10]，而研制物理依據(jù)充分、計(jì)算精度高、使用方便的輻射計(jì)算方法則是目前輻射研究中廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前太陽(yáng)輻射計(jì)算模型主要包括理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ńy(tǒng)計(jì)模型）兩大類[11]。理論模型具有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，但模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且輸入?yún)?shù)中包括臭氧厚度、氣溶膠含量、大氣可降水量等較難獲得的變量，限制了理論模型的推廣應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用日照百分率、云量等常規(guī)氣象觀測(cè)資料，便于推廣應(yīng)用，但經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膮?shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化，容易給區(qū)域模擬計(jì)算帶來(lái)誤差，需要長(zhǎng)期的輻射觀測(cè)資料來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理取值，此外經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话悴豢紤]地理地形條件差異，因而在精細(xì)化程度方面仍有不足。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于起伏地形下太陽(yáng)輻射的分布式算法不斷涌現(xiàn)[12-13]，這為高分辨率的輻射數(shù)據(jù)研制和應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。一般來(lái)說(shuō)，目前太陽(yáng)輻射分布式算法的關(guān)鍵是需要逐步判斷地形參數(shù)及周邊起伏地形對(duì)計(jì)算點(diǎn)的影響，雖然柵格數(shù)據(jù)模型的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟和計(jì)算量[14]，但是實(shí)際應(yīng)用中仍然涉及復(fù)雜的迭代運(yùn)算和數(shù)值積分，計(jì)算較為繁瑣，計(jì)算量大，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了不便。總的來(lái)看，現(xiàn)有研究對(duì)影響輻射的微觀和宏觀因素的結(jié)合不夠，仍然需要充分結(jié)合不同方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以快速準(zhǔn)確地計(jì)算得到大范圍高分辨率的輻射數(shù)據(jù)，從而為科學(xué)評(píng)估太陽(yáng)能資源提供科學(xué)依據(jù)。因此，本文嘗試在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)融合坡面輻射理論、太陽(yáng)輻射氣候?qū)W研究成果和GIS空間分析技術(shù)來(lái)構(gòu)建一種簡(jiǎn)化的適用于實(shí)際地形下太陽(yáng)總輻射的計(jì)算方法，并以安徽省為例開(kāi)展應(yīng)用研究，以期為太陽(yáng)輻射的計(jì)算提供思路和參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況及研究資料

安徽地處暖溫帶與亞熱帶過(guò)渡地區(qū)，氣候多變。省內(nèi)地形地貌呈現(xiàn)多樣性，長(zhǎng)江和淮河自西向東橫貫全境，全省2/3的面積為山地和丘陵，下墊面條件復(fù)雜（圖1），使得各地輻射條件相差懸殊。本文采用的地表太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自安徽省氣象信息中心整編的合肥和屯溪輻射站逐日資料。日照時(shí)數(shù)來(lái)自安徽省80個(gè)氣象臺(tái)站建站至2010年的逐日觀測(cè)資料。數(shù)字地面高程（DEM）來(lái)自SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)集，空間分辨率為90m。

1.2 研究方法

1.2.1 研究思路

考慮到研究區(qū)山區(qū)坡度多為40°以下，綜合文獻(xiàn)[12, 15-16]等并作簡(jiǎn)化與改進(jìn)，即不分別計(jì)算太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和反射輻射，直接建立天文太陽(yáng)輻射與太陽(yáng)總輻射的關(guān)系模型。圖2給出了涉及的技術(shù)方法、數(shù)據(jù)及流程示意，其算法核心主要包括三方面：起伏地形天文輻射模型、地表太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W公式和日照百分率最優(yōu)化插值方案。首先基于坡面天文輻射理論模型，并結(jié)合地形遮蔽分析計(jì)算起伏地形下天文輻射量，然后采用輻射站觀測(cè)資料序列統(tǒng)計(jì)得到地表太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W公式參數(shù)，再以空間插值獲取格網(wǎng)化的日照百分率，最后將天文輻射量和日照百分率帶入氣候?qū)W公式，推算出實(shí)際地形下任意一點(diǎn)的地表太陽(yáng)總輻射量。

1.2.2 起伏地形下天文輻射計(jì)算模型

根據(jù)天文輻射研究成果，坡面天文輻射主要受太陽(yáng)赤緯、地理緯度、坡度、坡向等因子影響[17]，對(duì)于地表任意傾斜表面的天文輻射量（Qs）有[18]

式中，T為1d的時(shí)間長(zhǎng)度（1440min），I0為太陽(yáng)常數(shù)（0.082MJ?m-2?min-1），ρ為日地距離系數(shù)，δ為太陽(yáng)赤緯，ωse、ωss分別為日落和日出太陽(yáng)時(shí)角，u、v、w為中間參數(shù)。

（2）

（4）

式中，φ為地理緯度，α為坡度，β為坡面方位角或坡向。

理想狀態(tài)下可直接利用式（1）獲得天文輻射日總量，但由于實(shí)際地形起伏不規(guī)則對(duì)日照形成遮蔽，天文輻射日總量只能采用分段積分的方法獲得，即將一天時(shí)間分割為n個(gè)步長(zhǎng)為ΔT的時(shí)間段，當(dāng)該時(shí)段該點(diǎn)被遮蔽則可照時(shí)間計(jì)為0，如該點(diǎn)未被遮蔽則可照時(shí)間計(jì)為ΔT。若一天中有m個(gè)可照時(shí)段，可基于式（1）求算每個(gè)可照時(shí)段所獲得的天文輻射量，最后累加得到實(shí)際地形下天文輻射日總量。即

式中，ωsei、ωssi代表每個(gè)可照時(shí)段終止和起始太陽(yáng)時(shí)角。

在以往的太陽(yáng)輻射分布式算法中，地形遮蔽需要沿不同方位按距離步長(zhǎng)依次判斷周邊地形對(duì)計(jì)算點(diǎn)的遮蔽狀況，計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。本文采用視域計(jì)算來(lái)簡(jiǎn)化遮蔽分析[19-20]，計(jì)算原理是基于DEM數(shù)據(jù)在指定數(shù)量的方向上進(jìn)行搜索，確定計(jì)算點(diǎn)天空遮擋的最大角度或視角，最后與太陽(yáng)軌跡圖進(jìn)行疊加來(lái)判斷每個(gè)時(shí)段日照是否被遮蔽。天文輻射計(jì)算中的坡度、坡向等參數(shù)提取和視域分析采用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 地表太陽(yáng)總輻射的氣候?qū)W公式

已有研究表明，到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射（Q）和天文輻射（Qs）之比與日照百分率（S）具有很好的線性關(guān)系，利用天文太陽(yáng)輻射和日照百分率計(jì)算地表太陽(yáng)總輻射的氣候?qū)W方法已被普遍采用。

Q = Qs(a + bS) （6）

式中，a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)太陽(yáng)輻射站觀測(cè)的地表太陽(yáng)總輻射和日照百分率序列，結(jié)合該站點(diǎn)的天文輻射量計(jì)算值，利用最小二乘法統(tǒng)計(jì)回歸求出。

1.2.4 日照百分率的空間插值

由于日照百分率僅有臺(tái)站尺度的觀測(cè)資料，而將站點(diǎn)日照百分率推算到空間上任意一點(diǎn)需要借助空間格網(wǎng)化方案，而選擇合適的插值方法將對(duì)太陽(yáng)輻射的模擬精度起著至關(guān)重要的作用。本文采用反距離權(quán)重（IDW）、克里金（Kriging）、多項(xiàng)式（GPI）和薄盤樣條（TPS）等常用插值方法[21-22]對(duì)日照百分率進(jìn)行空間插值，并基于逐點(diǎn)交叉驗(yàn)證[21]結(jié)果選擇最優(yōu)化方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 考慮地形影響的安徽省天文輻射分布特征

如果不考慮地形影響，安徽省年天文輻射量等值線應(yīng)與緯度平行。而實(shí)際情況下，除了地勢(shì)平坦地區(qū)地形的影響可以忽略外，在地形起伏較大的山區(qū)，天文輻射量受地形的影響非常顯著，在空間分布上一般是山脊大、山谷小，陽(yáng)坡大、陰坡小（圖3a）。根據(jù)天文輻射模型可知，一般而言，南坡坡面輻射會(huì)高于同緯度平地輻射，但是在山區(qū)地形遮蔽作用會(huì)導(dǎo)致可照時(shí)數(shù)減少，降低實(shí)際所獲得的天文輻射量，而地勢(shì)較高地區(qū)受地形遮蔽的影響較小，因此，實(shí)際情況下只有靠近山頂或是開(kāi)闊地帶的南坡才會(huì)出現(xiàn)天文輻射高于平地的現(xiàn)象。由圖3a也可看出，安徽省天文輻射量高于12000MJ?m-2的地區(qū)主要零星地分布在大別山區(qū)和皖南山區(qū)的山脊南坡地帶。而對(duì)于山區(qū)北坡，只有當(dāng)太陽(yáng)高度角大于坡度時(shí)，才有日照，坡度越大，太陽(yáng)赤緯越南移，日照越少，相應(yīng)的太陽(yáng)輻射也越小，因而，山地北坡年天文輻射總量多在11000MJ?m-2以下，比同緯度平地明顯減小。

以1、4、7、10月作為冬、春、夏、秋四季的典型月份，進(jìn)一步分析不同季節(jié)下地形對(duì)天文輻射的影響。由于不同月份輻射量不一，采用統(tǒng)一的Jenks自然斷點(diǎn)法[23]進(jìn)行色標(biāo)分類。由圖3可以看出，受太陽(yáng)高度角的季節(jié)變化影響，地形對(duì)天文輻射的作用同樣具有季節(jié)差異。在太陽(yáng)高度角較低的冬半年，坡度、坡向和地形遮蔽對(duì)日照的影響較大，山區(qū)平地之間以及山區(qū)南北坡之間天文輻射差異明顯。而在太陽(yáng)高度角較高的夏半年，地形對(duì)日照的影響相對(duì)較小，山地天文輻射量接近平地。同時(shí)由圖可知，4、7月地勢(shì)平坦地區(qū)的天文輻射量均落在高值區(qū)間，說(shuō)明山地天文輻射受地形影響以削減為主；而1、10月平地天文輻射量則處于中間值域，說(shuō)明山地天文輻射隨地形的不同而會(huì)產(chǎn)生增減不一的情況。

2.2 安徽省太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W公式參數(shù)分析

安徽省合肥和屯溪輻射觀測(cè)站分別地處皖中和皖南，兩地氣候、地形、地貌和環(huán)境等均有一定程度的差異。已有研究表明，合肥站與周邊以及安徽北部站點(diǎn)的日照有很好的相關(guān)關(guān)系，具有較好的代表性；而屯溪站在皖南地區(qū)具有一定的代表性[24]。為確定氣候?qū)W公式的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)及其在安徽省的適用性，首先利用兩站資料分別進(jìn)行擬合，建立各自的輻射計(jì)算公式（分別簡(jiǎn)稱“合肥公式”和“屯溪公式”）；同時(shí)將兩站資料進(jìn)行合并，建立統(tǒng)一的擬合公式（簡(jiǎn)稱“統(tǒng)一公式”）；之后利用兩站觀測(cè)資料對(duì)所建立的3組公式進(jìn)行驗(yàn)證。由圖4可知，基于不同站點(diǎn)資料均可較好地?cái)M合氣候?qū)W公式（式6）中的a、b參數(shù)，且參數(shù)值較接近，3組公式的回歸決定系數(shù)（R2）均達(dá)到0.7以上。誤差分析表明，利用兩站資料相互驗(yàn)證的結(jié)果顯著差于計(jì)算公式在本站回代的效果，其中屯溪公式在合肥站驗(yàn)證的相對(duì)誤差超過(guò)10%，合肥公式的適用性在兩站的計(jì)算誤差相對(duì)較為接近（表1）?？偟膩?lái)說(shuō)，單站資料所建立的公式的空間適用性仍有局限。將兩站資料合并后可以看出，統(tǒng)一公式對(duì)兩站資料均有較好的模擬效果，計(jì)算的相對(duì)誤差介于本站公式與外站公式之間，利用兩站合并資料進(jìn)行的誤差分析結(jié)果表明，統(tǒng)一公式的計(jì)算相對(duì)誤差在3組公式中最小，具有較好的適用性，因此，以統(tǒng)一公式作為計(jì)算安徽省地表太陽(yáng)總輻射的氣候?qū)W公式。

2.3 安徽省日照百分率的空間分布

不同插值方法生成的安徽省日照百分率空間分布總體較為一致，呈現(xiàn)北高南低的特征，以皖北東部最高，皖南山區(qū)最低。在局部的分布特征上，不同算法的結(jié)果差異較大。其中IDW與Kriging法插值結(jié)果在臺(tái)站周邊的分布較為破碎，形成了空間插值的同心圓即“牛眼”現(xiàn)象（圖5a、5b），這主要是插值算法的原因，導(dǎo)致臺(tái)站數(shù)據(jù)對(duì)周邊地區(qū)的影響權(quán)重較大，破壞了整體的分布趨勢(shì)[21]。GPI與TPS法模擬的分布趨勢(shì)大體相同，具有較好的整體分布規(guī)律（圖5c、5d），其中TPS基于樣條函數(shù)，在進(jìn)行空間建模時(shí)，利用海拔高度作為協(xié)變量，因此在空間分布結(jié)果中能夠體現(xiàn)出地形影響[22]，可以看出山區(qū)的日照百分率低于周邊平地，這與山地多云霧，日照百分率較低的氣候特征相一致。逐點(diǎn)交叉驗(yàn)證結(jié)果表明，不論均方根誤差還是平均絕對(duì)誤差，均表現(xiàn)為TPS法最小，表明其插值效果在4種方法中最好（表2）。因此，選擇TPS法作為日照百分率的空間格網(wǎng)化方案，推算任意一點(diǎn)的日照百分率值。

表1 不同站點(diǎn)資料擬合公式的相對(duì)誤差（%）

表2 不同方法的交叉驗(yàn)證誤差分析

2.4 安徽省地表太陽(yáng)總輻射的分布特征

受地理地形分布和日照百分率變化的共同影響，安徽省地表太陽(yáng)總輻射在1500～5400MJ·m-2（圖6a），全省網(wǎng)格點(diǎn)平均值為4500MJ·m-2，略高于站點(diǎn)平均值4364MJ·m-2[25]?？臻g分布上呈現(xiàn)由北向南遞減的趨勢(shì)，然而受地形起伏的影響，山區(qū)受到太陽(yáng)總輻射與平地有較大差異，這主要有兩方面因素，一方面，山地由于坡度、坡向以及地形遮蔽的影響改變了天文輻射的分布，另一方面山地氣候特征與平地不同，山區(qū)多云霧，日照百分率常低于平原地區(qū)?？偟膩?lái)說(shuō)，安徽省年總太陽(yáng)輻射呈北部高、南部低，山區(qū)南坡高、北坡低的分布特征。

根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》[26]對(duì)安徽省太陽(yáng)能資源進(jìn)行區(qū)劃（圖6b），可以看出，安徽省的平原地區(qū)太陽(yáng)能資源基本為3級(jí)，即資源豐富區(qū)；在大別山和皖南山區(qū)的南坡地帶雖然天文輻射較高，但由于山區(qū)日照百分率較低，兩方面因素互抵，也多為3級(jí)資源區(qū)。在皖北低山丘陵的陽(yáng)坡地區(qū)存有零星的2級(jí)區(qū)，這主要跟該地區(qū)較高的日照百分率、南坡較高的天文輻射量，以及周邊開(kāi)闊的地勢(shì)有關(guān)。而受地形遮擋以及較低的日照百分率影響，大別山區(qū)以及皖南山區(qū)的北坡地帶則多為最低的4級(jí)區(qū)。

由圖7可知，近年來(lái)全省范圍內(nèi)地表太陽(yáng)總輻射均以下降為主，大部分地區(qū)的下降幅度達(dá)到了100MJ·m-2，以皖西北和東南地區(qū)下降幅度最大，超過(guò)200MJ·m-2，全省平均下降了約160MJ·m-2。由于天文輻射量隨年際變化微乎其微，因此，安徽省太陽(yáng)總輻射量的下降主要是受日照時(shí)數(shù)減少所致[27]，這與全球太陽(yáng)輻射經(jīng)歷的“變暗”趨勢(shì)類似[28]。

3 討論與結(jié)論

通過(guò)融合坡面輻射理論、氣候?qū)W方法和GIS技術(shù)構(gòu)建了實(shí)際地形下太陽(yáng)總輻射的簡(jiǎn)化算法，可以利用日照百分率觀測(cè)資料和數(shù)字地面高程來(lái)推算任意一點(diǎn)的地表太陽(yáng)總輻射值。與簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式法相比，本算法通過(guò)構(gòu)建起伏地形下天文輻射模型和優(yōu)化日照百分率插值算法，能夠更為精細(xì)地反映海拔、坡度、坡向和地形遮蔽等因素對(duì)地表太陽(yáng)總輻射的影響；而與以往的分布式算法相比，本方法結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)簡(jiǎn)化了計(jì)算分量，避免了復(fù)雜的地形遮蔽迭代運(yùn)算，借助GIS空間分析技術(shù)可以較為簡(jiǎn)便地完成計(jì)算。由于不同地區(qū)的氣候和下墊面特征具有差異，在特定地區(qū)應(yīng)用該算法時(shí)，需要確定適用于研究區(qū)的算法參數(shù)和插值方案。以安徽省為例，基于輻射觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得到的氣候?qū)W公式a、b參數(shù)大小基本介于全國(guó)不同地區(qū)參數(shù)值范圍之間[29]，這與安徽省所處的過(guò)渡性氣候帶與地理位置特點(diǎn)一致，而日照百分率則以TPS插值法在該地區(qū)適用性更強(qiáng)。誤差分析結(jié)果表明參數(shù)本地化和優(yōu)化插值方案均具有較好的應(yīng)用效果，與實(shí)測(cè)資料較為接近。需要指出的是，由于該算法中所采用的氣候?qū)W公式僅考慮日照百分率的影響，主要適用于逐月太陽(yáng)輻射的計(jì)算，對(duì)于日尺度的太陽(yáng)輻射，由于其波動(dòng)大，影響因素多，需進(jìn)一步考慮降水、氣溫、水汽壓等要素的作用[30]。

基于所構(gòu)建的算法流程分析了安徽省地表太陽(yáng)總輻射的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，安徽省地表太陽(yáng)總輻射受地理地形、大氣狀況的共同影響，呈北部高、南部低，山區(qū)南坡高、北坡低，部分開(kāi)闊南坡的太陽(yáng)輻射超過(guò)同緯度水平地面。安徽省太陽(yáng)能資源以3級(jí)為主，大別山和皖南山區(qū)的北坡多為4級(jí)，而在皖北低山丘陵的南坡存有零星的2級(jí)資源區(qū)。近年來(lái)由于日照百分率的下降，導(dǎo)致全省地表太陽(yáng)總輻射量普遍減少，并且下降趨勢(shì)大于全國(guó)平均。已有研究表明安徽省日照時(shí)數(shù)的顯著下降與能見(jiàn)度關(guān)系密切[27]，該地區(qū)氣溶膠濃度近年來(lái)持續(xù)較高有可能是導(dǎo)致地表太陽(yáng)總輻射下降幅度偏大的重要因素之一[31]。

References

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A Simplified Calculation Method of Surface Solar Radiation over Rugged Terrains: the Procedure and its Application in Anhui Province

LU Yan-yu1, 2, TIAN Hong1, HOU En-bing3, SUN Wei4, DENG Han-qing1, 2, HE Dong-yan1, 2

（1.Anhui Climate Center, Anhui Meteorological Administration, Hefei 230031, China; 2.Anhui Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Anhui Meteorological Administration, Hefei 230031; 3.Anhui Basic Surveying and Mapping Information Center, Hefei 230031; 4.Anhui Public Meteorological Service Center, Anhui Meteorological Administration, Hefei 230031）

To rapidly and accurately estimate the surface solar radiation over rugged terrains, a simplified algorithm was established by considering the effect of astronomy, meteorology and topography factors, which included model of astronomical radiation over rugged terrains, climatological formula of surface solar radiation, and optimal interpolation scheme for sunshine percentage. A case study was then implemented in Anhui Province to illustrate the parameterization and application of the algorithm. Regression analysis was adopted to obtain the parameters of climatological formula by using observed solar radiation of 2 stations, and the relative error of the formula was 7.65%. Result of cross-validation indicated that the Thin Plate Spline method was the optimal interpolation scheme for sunshine percentage in Anhui Province. By using the simplified algorithm, the surface solar radiation at any location could be calculated on the basis of the percentage of sunshine and the digital elevation. Result indicated that the annual surface solar radiation was averaged at 4500MJ·m-2·y-1 inthe province. As effected by the topographical and climate characteristics, the spatial pattern was dominated by more solar radiation gained in the north and less in the south of the province, while the southern slope of mountain received more solar radiation compared than the northern slope. The impact of terrains on the solar radiation showed different season characteristics, which is more significant in the winter half year. Moreover, the rugged terrains tended to reduce the solar radiation compared the flat plain in the summer half year. Further, the assessment of solar energy resources showed that the 3rdlevel of solar resources dominated in Anhui Province. The 4thlevel was identified in the northern slope of the Dabie and Wannan Mountains, while 2 level resource areas sporadically located in the southern slope of hilly in North Anhui. Due to the decline of percentage of sunshine, the significant decrease of global solar radiation was simulated by the method in Anhui Province in recent years.

Astronomical radiation；Sunshine percentage；Spatial analysis；Thin plate spline；Anhui province

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.07.001

盧燕宇,田紅,侯恩兵,等.實(shí)際地形下地表太陽(yáng)總輻射的簡(jiǎn)化算法及應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(7): 397-406

2016-11-11

。E-mail：linda2383@163.com

中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)（CCSF201507）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41105080）；安徽省氣象局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃；中國(guó)氣象局青年英才計(jì)劃

盧燕宇（1981-），博士，研究方向?yàn)闅夂蜃兓蜌庀鬄?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。E-mail: ahqxlyy@163.com