提孜那甫河流域地表太陽(yáng)輻射估算及其影響因素分析

張淑花， 李新功， 李奇虎， 王默涵

（1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050081）

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，山地面積占國(guó)土面積的2/3［1］。山地系統(tǒng)具有生物資源豐富、高山區(qū)冰雪資源豐富、系統(tǒng)內(nèi)部受擾動(dòng)較少等特點(diǎn)，其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)更為敏感。因此，山區(qū)地表參量時(shí)空分布估算對(duì)于氣候變化研究、自然災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警、生態(tài)水文過(guò)程研究以及生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)等具有重要的意義［2-3］。地表太陽(yáng)輻射是地球表層的主要能量來(lái)源，其對(duì)地表能量平衡、能量交換、生態(tài)過(guò)程、水文循環(huán)以及天氣氣候過(guò)程具有決定性的意義［4-9］。山地系統(tǒng)因顯著的地形效應(yīng)，使其地表輻射過(guò)程不同于平地。受云、氣溶膠以及地形等影響，山地地表太陽(yáng)輻射呈現(xiàn)較大的時(shí)空差異性，其估算較平地更困難。

太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣到達(dá)地表過(guò)程，受氣溶膠、水汽、CO2等氣體的吸收或散射而衰減，其中云對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減最為顯著。到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射則因地形起伏而重新分配，因此復(fù)雜地形下地表太陽(yáng)輻射在空間上呈現(xiàn)較強(qiáng)的異質(zhì)性。目前可用于模擬山區(qū)地表太陽(yáng)輻射的模型中3D 輻射傳輸模型為理論模型，具有完善的物理機(jī)制因此精度較高，但其計(jì)算效率較低且需要輸入高精度數(shù)據(jù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性［10-13］?；谶b感及GIS的模型則有2類，第1類為混合模型，其給定大氣和地面等輸入數(shù)據(jù)，用輻射傳輸模型（如MODTRAN，6S）模擬平地太陽(yáng)輻射并構(gòu)建大氣層頂輻亮度、大氣及地面參數(shù)與平地太陽(yáng)輻射之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，進(jìn)而用于估算平地太陽(yáng)輻射，再分別對(duì)平地直接輻射和散射輻射做相應(yīng)的地形校正，從而形成復(fù)雜地形下的太陽(yáng)輻射模型［14-16］。第2 類采用參數(shù)化方法，用如MODIS大氣產(chǎn)品作為模型輸入，利用相對(duì)簡(jiǎn)單的參數(shù)化方程模擬大氣衰減過(guò)程，并用數(shù)字高程模型（DEM）做地形校正，從而計(jì)算山地的太陽(yáng)輻射，隨著遙感數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率的不斷提高，該類模型在大氣衰減過(guò)程以及地形校正方面精度也不斷提高［17-22］。

以上模型所需輸入數(shù)據(jù)較多，且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算效率相對(duì)較低。構(gòu)建更簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)估算山區(qū)地表太陽(yáng)輻射有利于實(shí)際應(yīng)用，如可以將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ婉詈系缴鷳B(tài)水文模型中，進(jìn)而提高山區(qū)生態(tài)水文過(guò)程參量計(jì)算精度。而構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)方程前提是選擇影響山區(qū)地表太陽(yáng)輻射的主要因素。晴空下影響山區(qū)地表太陽(yáng)輻射空間分布的因子為地形。而有云情況下云對(duì)地表太陽(yáng)輻射同樣有較大影響。多項(xiàng)研究表明地形和云是影響山區(qū)地表太陽(yáng)輻射空間分布的2個(gè)主要因素［23-25］。目前較多研究集中于研究地形因子（高程、坡度、坡向及周圍地形阻擋）對(duì)晴空太陽(yáng)輻射空間分布的影響［26-27］。較少研究關(guān)注所有天氣情況下地形和云對(duì)地表太陽(yáng)輻射的影響，且缺少定量研究地形因子和云對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布影響的相對(duì)貢獻(xiàn)率，因子貢獻(xiàn)率的確定可為構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇因子提供依據(jù)。

本研究利用作者提出的適用于復(fù)雜地形的太陽(yáng)輻射模型ASSRM［22］，模擬了昆侖山提孜那甫河流域太陽(yáng)輻射時(shí)空分布。基于模擬結(jié)果，本研究分析了研究區(qū)太陽(yáng)輻射在不同季節(jié)的空間分布，并探討了太陽(yáng)輻射與地形的關(guān)系，即太陽(yáng)輻射在不同高程帶以及不同坡度和坡向的變化規(guī)律以及太陽(yáng)輻射與地形開(kāi)闊度（Sky view factor，SVF）的變化規(guī)律及相關(guān)性。同時(shí)研究也分析了云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布在不同季節(jié)的影響。研究最后利用地理探測(cè)器定量了SVF、高程、坡度、坡向以及云對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布影響的貢獻(xiàn)率。研究可為構(gòu)建山區(qū)地表太陽(yáng)輻射估算模型提供理論依據(jù)，同時(shí)也可為山區(qū)氣候、生態(tài)水文過(guò)程研究提供理論和數(shù)據(jù)方法支持。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

提孜那甫河流域是昆侖山葉爾羌流域的一個(gè)主要支流。流域面積為5518 km2，平均高程為3605 m。提孜那甫河流域地處亞歐大陸腹地的干旱荒漠地帶，位于其南部和西部的昆侖山脈和喀喇昆侖山脈阻擋了季風(fēng)進(jìn)入。其北部地形則較為開(kāi)闊，干燥的大陸氣團(tuán)和北冰洋寒冷氣流能夠進(jìn)入，從而形成典型暖帶大陸干旱氣候（圖1a）。流域內(nèi)南部區(qū)域多高山，日照時(shí)數(shù)受地形阻擋以及天氣情況等因素的影響，較北部的平原地區(qū)少5%～30%。

圖1 提孜那甫河流域概況與氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Overview of the Tizinafu River Basin and the distribution of meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

ASSRM模型所需驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集有大氣數(shù)據(jù)［氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）、水汽等］、云相關(guān)參數(shù)（云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑、云高等）及地面參數(shù)（地表反照率等）。本研究利用MODIS大氣以及云相關(guān)屬性數(shù)據(jù)集作為模型輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)因部分大氣數(shù)據(jù)有缺失值，因此利用MERRA-2 相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。驅(qū)動(dòng)模型所需數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 ASSRM模型輸入數(shù)據(jù)集Tab.1 Input datasets for ASSRM model

模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)為在提孜那甫河流域架設(shè)的莫木克、庫(kù)地、西合休3 個(gè)自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)［22］（圖1b）。自動(dòng)氣象站可以觀測(cè)氣溫、降水、風(fēng)速以及太陽(yáng)輻射等氣象要素，記錄時(shí)間間隔為10 min。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012—2014 年。自動(dòng)氣象站觀測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)為總太陽(yáng)輻射。3個(gè)自動(dòng)氣象站位于不同的海拔高度，同時(shí)每個(gè)站點(diǎn)周圍地形阻擋情況也不同。這樣的站點(diǎn)設(shè)置為評(píng)估模型的適用性提供了較好的參考。

1.3 研究方法

1.3.1 太陽(yáng)輻射模型本文采用ASSRM 模型估算研究區(qū)地表太陽(yáng)輻射（直接輻射和散射輻射），該模型的突出特點(diǎn)是考慮山區(qū)地形和云對(duì)直接輻射和散射輻射的影響。模型用Skyshed（即Solar analyst中的Viewshed［6］）（圖2a）來(lái)刻畫(huà)每個(gè)位置的地形阻擋，用Sky weight map（圖2b）來(lái)模擬晴空散射輻射在半球天空非均勻分布，用基于云高將遙感云光學(xué)屬性重新投影獲得的Sky cloud map（圖2c）來(lái)模擬云在半球天空非均質(zhì)分布及其對(duì)散射輻射影響。模型計(jì)算散射輻射時(shí)將Sky weight map、Skyshed 以及Sky cloud map疊加從而模擬地形以及云對(duì)輻射影響的非均質(zhì)過(guò)程（圖2d），模型的直接輻射則將太陽(yáng)位置投影到Skyshed 和Sky cloud map 的疊加圖中，計(jì)算在太陽(yáng)光線方向上地形和云對(duì)直接輻射的影響。模型采用校正后的正弦插值函數(shù)將Terra 和Aqua 2 個(gè)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)值升尺度到日太陽(yáng)輻射。模型具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)［22］。

圖2 ASSRM模型非均質(zhì)散射輻射模塊Fig.2 Anisotropic diffuse radiation modules of ASSRM model

本文模擬了研究區(qū)2012 年6 月—2014 年12 月的瞬時(shí)太陽(yáng)輻射以及日太陽(yáng)輻射，對(duì)比觀測(cè)站點(diǎn)每10 min 一次的太陽(yáng)輻射觀測(cè)值，模型對(duì)瞬時(shí)太陽(yáng)輻射模擬總體表現(xiàn)較好，模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)在所有站點(diǎn)都大于0.7（P＜0.01），Terra 和Aqua 過(guò)境時(shí)刻總體相對(duì)偏差為-0.2%。但模型相對(duì)絕對(duì)偏差較大為25.79%。模型在西合休（XHX）和庫(kù)地（KD）2 個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)為高估，而莫木克（MMK）站點(diǎn)表現(xiàn)為低估。日尺度太陽(yáng)輻射模型整體表現(xiàn)為高估，且相對(duì)偏差為1.43%，日尺度模擬結(jié)果與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)在所有站點(diǎn)都大于0.9，但相對(duì)絕對(duì)偏差為17.02%，總體日尺度模型比瞬時(shí)模型表現(xiàn)好。通過(guò)對(duì)比已發(fā)表模型（BESS［15］）以及降尺度后的再分析產(chǎn)品等［22］，ASSRM 模型總體精度較高，因此適用于復(fù)雜地形下山區(qū)太陽(yáng)輻射估算，也是本研究選取此模型的主要原因。

1.3.2 地理探測(cè)器地理探測(cè)器方法是探測(cè)空間分異性及其影響因子的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法［28］。該方法假設(shè)因變量與自變量空間分布趨勢(shì)一致時(shí)，認(rèn)為兩者之間有統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)性。判定自變量對(duì)因變量的空間分異解釋力大小的度量為PD,H［28］，表達(dá)式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 提孜那甫河流域山區(qū)地表太陽(yáng)輻射時(shí)空分布

為了探究山區(qū)地表太陽(yáng)輻射時(shí)空分布規(guī)律，本研究模擬了提孜那甫河流域2013 年每日太陽(yáng)輻射空間分布，并計(jì)算4 個(gè)季節(jié)以及年總太陽(yáng)輻射空間分布，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，春季和夏季太陽(yáng)輻射明顯高于秋季和冬季太陽(yáng)輻射。在空間上，4 個(gè)季節(jié)的太陽(yáng)輻射在流域下游地形相對(duì)平坦的區(qū)域表現(xiàn)相對(duì)均質(zhì)。而在中上游山區(qū)，地形起伏較大，地形變化復(fù)雜，太陽(yáng)輻射空間異質(zhì)性更強(qiáng)。年總太陽(yáng)輻射以及4個(gè)季節(jié)太陽(yáng)輻射均在流域中部呈現(xiàn)低值區(qū)，可能的原因?yàn)榱饔蛑胁康匦螐?fù)雜，地形阻擋較多且地形復(fù)雜區(qū)云出現(xiàn)概率較大，云和地形顯著減少到達(dá)地表太陽(yáng)輻射。而在流域下游，雖然高程較低，但地形阻擋相對(duì)較少，可增加入射太陽(yáng)輻射。在流域上游，高程增加，大氣路徑減小，因此同樣可增加入射太陽(yáng)輻射。

圖3 研究區(qū)季節(jié)及年總太陽(yáng)輻射空間分布Fig.3 Spatial distributions of seasonal and annual total solar radiation in the study area

2.2 地形對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響

山地太陽(yáng)輻射呈現(xiàn)高時(shí)空異質(zhì)性，其中主要原因?yàn)榈匦螌?duì)太陽(yáng)輻射的影響。因此本研究基于模型模擬結(jié)果探究了地形與太陽(yáng)輻射空間分布的關(guān)系。而地形因素包括地形自身阻擋和周圍地形阻擋。本研究中地形自身阻擋選擇從高程、坡度以及坡向3個(gè)角度分析其與太陽(yáng)輻射的關(guān)系。研究區(qū)高程范圍為1488～6306 m，按500 m 間隔將其等分為9個(gè)區(qū)間。計(jì)算每個(gè)高程區(qū)段在整個(gè)流域的面積比例，發(fā)現(xiàn)2500～3000 m 高程范圍所占比例最高（16.04%），其次為3000～3500 m 以及3500～4000 m高程范圍，流域高程最高處（5500～6306 m）所占面積最小，所占比例僅為2.00%。坡度范圍為0～80.4°，同樣根據(jù)間隔10°將其等分，共分為8 個(gè)區(qū)間。研究區(qū)內(nèi)30°～40°坡度范圍所占面積最多，其次為20°～30°坡度范圍，大于40°坡度的面積較少。而坡向劃分則根據(jù)從北向東每22.5°為1 個(gè)區(qū)間劃分為9 個(gè)區(qū)間段。研究區(qū)不同坡向的占比相差不大，面積占比最大的坡向?yàn)闁|向（14.72%），占比最小的坡向?yàn)槟舷颍?0.20%）。針對(duì)高程、坡度以及坡向的不同區(qū)間段，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間年總太陽(yáng)輻射的均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖4a～c所示。

高程影響太陽(yáng)光線到達(dá)地面的路徑長(zhǎng)度。一般晴空下大氣路徑隨高程增加而減少，因此海拔較高的地方，太陽(yáng)輻射相對(duì)較高。而有云情況下，太陽(yáng)輻射隨高程的變化則較為復(fù)雜。如圖4a所示，研究區(qū)年總太陽(yáng)輻射隨高程變化可以分為2 段，在高程小于3 km 的區(qū)間段，太陽(yáng)輻射隨高程增加而減少，而在高程大于3 km 的區(qū)間段，太陽(yáng)輻射隨高程增加而增加。轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要發(fā)生在3.0～3.5 km高程帶內(nèi)。其中可能的原因?yàn)椋谛∮? km的低海拔地區(qū)（流域下游），雖然大氣路徑相對(duì)較大，但因海拔較低區(qū)域，地形平坦，地形阻擋相對(duì)在3 km區(qū)域較少，因此太陽(yáng)輻射相對(duì)較多。3 km左右高程帶內(nèi)，地形隨之復(fù)雜，地形阻擋隨之增多，使得到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射有所減少。超過(guò)4 km海拔的高程帶，隨著海拔增加，雖然仍有地形阻擋作用，但因高程較高，地形阻擋相對(duì)3 km高程帶有所減少，因此太陽(yáng)輻射增加。同時(shí)在超過(guò)4 km 的高程帶，隨高程增加，大氣路徑減少，太陽(yáng)輻射增加，因此超過(guò)4 km的高程帶，隨著海拔增加太陽(yáng)輻射也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。利用周圍地形阻擋因子SVF 與高程的變化趨勢(shì)分析同樣證明了以上推測(cè)（具體結(jié)果見(jiàn)本節(jié)第4 段及圖5b）。另外隨著高程增加，大氣抬升凝結(jié)高度隨之變化，從而影響云的形成。因大氣抬升凝結(jié)高度近似于云底高度，因此研究統(tǒng)計(jì)了云底高度隨高程的變化，發(fā)現(xiàn)在高程小于3.5 km 區(qū)域，云底高度隨高程增加而降低。3.0～3.5 km 高程帶云底平均高度為7.63 km 低于在1.5～3.0 km 高程帶區(qū)域的平均云底高度10.85 km。1.5～3.0 km 高程帶云屬于高云，其對(duì)輻射的透過(guò)率相對(duì)更高，因此到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射較3.0～3.5 km 區(qū)域高，這也是太陽(yáng)輻射隨高程變化在該區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)折的另一可能的原因?；诿總€(gè)高程區(qū)間段太陽(yáng)輻射的標(biāo)準(zhǔn)差的變化可以看出，隨著高程增加，每個(gè)區(qū)間段太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)差隨之增加，說(shuō)明地形復(fù)雜區(qū)域，太陽(yáng)輻射空間差異性更大。

圖4 年總太陽(yáng)輻射隨高程、坡度、坡向和地形開(kāi)闊度的變化Fig.4 Annual total solar radiation changes with elevation,slope,aspect and sky view factor

坡度和坡向代表了地形的自身阻擋。因此坡度較大以及北向區(qū)域所接受的太陽(yáng)輻射相對(duì)較少。圖4b為年總太陽(yáng)輻射隨坡度的變化，可以發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射呈隨坡度增加而減少趨勢(shì)，而區(qū)段內(nèi)太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)差呈隨坡度增加而增加的趨勢(shì)。同樣太陽(yáng)輻射隨坡向的變化（圖4c）呈現(xiàn)南向區(qū)域年總太陽(yáng)輻射大于北向區(qū)域，且東南區(qū)域大于西南區(qū)域。同時(shí)太陽(yáng)輻射在每個(gè)區(qū)段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差也呈現(xiàn)在北、東、西3 個(gè)區(qū)域大于南向區(qū)域。基于以上2 個(gè)變量與太陽(yáng)輻射的關(guān)系分析可以發(fā)現(xiàn)，坡度較大且北向區(qū)域意味著存在地形自身阻擋，因此總體太陽(yáng)輻射相對(duì)較小。而南向區(qū)域和坡度較小的區(qū)域由于地形阻擋相對(duì)較少，太陽(yáng)輻射總體值較高，且空間異質(zhì)性較小。

為了探究周圍地形阻擋對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布的影響，本研究計(jì)算了研究區(qū)1 km 網(wǎng)格中心格點(diǎn)處的周圍地形阻擋圖Viewshed（參考Solar analyst［6］）進(jìn)而計(jì)算其對(duì)應(yīng)的SVF（即研究點(diǎn)對(duì)應(yīng)半球天空中可見(jiàn)天空所占比例）。為了探究太陽(yáng)輻射與SVF的關(guān)系，研究將SVF分為5個(gè)區(qū)間段，計(jì)算其每個(gè)區(qū)間段年總太陽(yáng)輻射均值與標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖4d所示。年總太陽(yáng)輻射隨SVF 增加呈顯著增加趨勢(shì)，且太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)差隨SVF增加而減少。SVF大的區(qū)域意味著地形更開(kāi)闊，周圍地形阻擋較少，所接受到太陽(yáng)輻射更多。同時(shí)SVF 大的區(qū)域地形更平坦，因此太陽(yáng)輻射空間差異較小。研究同時(shí)計(jì)算了SVF與地表太陽(yáng)輻射空間分布的相關(guān)性，將SVF 空間分布圖與年總太陽(yáng)輻射以及季節(jié)太陽(yáng)輻射空間分布做相關(guān)分析，結(jié)果如圖5a 所示，年總太陽(yáng)輻射空間分布與SVF 的相關(guān)系數(shù)為0.56，表明周圍地形阻擋顯著影響地表太陽(yáng)輻射空間分布。從不同季節(jié)相關(guān)系數(shù)可以看出，不同季節(jié)太陽(yáng)輻射都顯著受周圍地形阻擋的影響，春季影響最大，冬季影響相對(duì)較小。本研究計(jì)算了不同高程區(qū)段內(nèi)SVF 的均值（圖5b），可以看到其變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻射隨高程變化（圖4a）具有一致性，說(shuō)明太陽(yáng)輻射不僅受高程的影響，更受周圍地形阻擋的影響。

圖5 不同時(shí)間尺度太陽(yáng)輻射及高程與SVF的關(guān)系Fig.5 Relationship between SVF and solar radiation,and SVF changes with elevation

總結(jié)太陽(yáng)輻射空間分布與高程、坡度和坡向以及周圍地形阻擋SVF 的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，高程影響太陽(yáng)光線到達(dá)地表所經(jīng)過(guò)的大氣路徑長(zhǎng)度，但地形自身以及周圍地形的阻擋同樣影響太陽(yáng)輻射空間分布，尤其周圍地形的阻擋對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響較為顯著。因此，在未來(lái)山區(qū)太陽(yáng)輻射模型構(gòu)建過(guò)程中，需綜合考慮高程、地形自身以及周圍地形阻擋對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響。

2.3 云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響

云是影響太陽(yáng)輻射衰減的主要因素。山區(qū)由于地形起伏，云出現(xiàn)的頻率較高，尤其高山區(qū)，云出現(xiàn)的頻率較平地更高，因此本研究首先統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)每個(gè)季節(jié)云出現(xiàn)天數(shù)的空間分布，并計(jì)算季節(jié)云出現(xiàn)頻率與相應(yīng)季節(jié)地表太陽(yáng)輻射空間分布相關(guān)系數(shù)，探究云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響。圖6 為研究區(qū)每個(gè)季節(jié)云出現(xiàn)天數(shù)空間分布圖，從圖中可以看出，冬季云出現(xiàn)的頻率最大，且云出現(xiàn)頻率較高的地方主要位于地形較為復(fù)雜的高山區(qū)域，其整體空間分布與地形具有一定的一致性。云在冬季出現(xiàn)的頻率高可能是冬季模型模擬太陽(yáng)輻射誤差較大的原因。除了冬季，春季和夏季云出現(xiàn)的頻率也相對(duì)較高，春季云出現(xiàn)的頻率空間分布與地形也具有一致性，而夏季云較多的區(qū)域則位于中海拔且地形較為復(fù)雜的區(qū)域。秋季云出現(xiàn)的頻率最少，因此“秋高氣爽”是研究區(qū)秋季的特征。另外研究計(jì)算了ASSRM 模型太陽(yáng)輻射空間分布與云出現(xiàn)頻率（季節(jié)內(nèi)云出現(xiàn)天數(shù)/季節(jié)總天數(shù)）空間分布的相關(guān)系數(shù)：春季（R2=0.18，P＜0.05），夏季（R2=-0.48，P＜0.05），秋季（R2=0.08，P＜0.05）以及冬季（R2=0.07，P＜0.05）。從以上結(jié)果可以看出，夏季太陽(yáng)輻射空間分布受云的影響較大，其他季節(jié)云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響相對(duì)較小。

圖6 季節(jié)云出現(xiàn)天數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of seasonal cloud occurrence days

為了進(jìn)一步探究云對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，本研究利用不考慮云對(duì)輻射衰減過(guò)程但考慮地形阻擋作用的Kumar 模型［5］與本研究所用ASSRM 模型（該模型既考慮地形阻擋也考慮云對(duì)輻射的衰減）模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而獲得云對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。利用2個(gè)模型分別模擬了研究區(qū)2013年每日太陽(yáng)輻射空間分布。首先計(jì)算2 個(gè)模型差異，并統(tǒng)計(jì)模型差異在不同時(shí)間尺度的空間均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值以及最小值。如不考慮云對(duì)太陽(yáng)輻射的影響（Kumar 模型［5］），日尺度太陽(yáng)輻射高估約6.57 MJ·m-2，最大差異可達(dá)19.48 MJ·m-2。而在不同季節(jié)，2個(gè)模型在秋季的差異最小，這與云在秋季出現(xiàn)的頻率最低保持一致。夏季的差異最大，可能的原因?yàn)樵圃谙募境霈F(xiàn)的頻率相對(duì)較高同時(shí)夏季整體輻射水平較高。2個(gè)模型年總太陽(yáng)輻射差異較大（2398 MJ·m-2），Kumar模型［5］因未考慮云的輻射衰減過(guò)程，總體模擬結(jié)果顯著高于ASSRM模型。圖7為每個(gè)季節(jié)2個(gè)模型差異的空間分布（Kumar模型模擬值減去ASSRM模型模擬值）?？梢园l(fā)現(xiàn)春季、夏季和冬季2個(gè)模型的差異較大，而秋季差異最小，這與圖6所示云在不同季節(jié)出現(xiàn)的頻率的規(guī)律一致。研究計(jì)算了不同季節(jié)2個(gè)模型差異與云出現(xiàn)的頻率的空間相關(guān)系數(shù)分別為：春季（R2=-0.26，P＜0.05），夏季（R2=0.40，P＜0.05），秋季（R2=-0.10，P＜0.05）以及冬季（R2=-0.05，P＜0.05）?？梢?jiàn)相對(duì)其他季節(jié)，夏季云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響更顯著。

圖7 不同季節(jié)Kumar模型與ASSRM模型模擬值差異的空間分布Fig.7 Spatial distributions of differences between Kumar model and ASSRM model in different seasons

2.4 定量地形和云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響

為了進(jìn)一步定量分析地形因子以及云對(duì)地表太陽(yáng)輻射的影響，本研究嘗試?yán)玫乩硖綔y(cè)器從空間分異角度定量各因子對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布的影響。研究將年總太陽(yáng)輻射作為因變量，其中高程、坡度、坡向、SVF 以及云出現(xiàn)的頻率作為自變量。因地理探測(cè)器所需自變量為分類變量，因此研究將所有自變量分為10 類。利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器探測(cè)每個(gè)影響因子的重要性，結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，不同因子對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布影響的程度為SVF（37%）＞高程（26%）＞云（12%）＞坡度（11%）＞坡向（0.8%）。SVF和高程影響太陽(yáng)輻射空間分布的貢獻(xiàn)率排在前兩位，說(shuō)明地形對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響非常顯著，尤其周圍地形阻擋SVF 是影響太陽(yáng)輻射空間分布的主要因子。從年總太陽(yáng)輻射與SVF 空間分布的對(duì)比圖（圖9），可以看出SVF 與太陽(yáng)輻射空間分布特征具有一定的相似性。流域下游地形相對(duì)開(kāi)闊，SVF值較大，對(duì)應(yīng)該區(qū)域太陽(yáng)輻射值也較大。而在流域中部，地形變化較大，SVF在區(qū)域上變化較大，對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射也有較大的變化。影響程度排在第三位的是云出現(xiàn)的頻率，可見(jiàn)云不僅對(duì)太陽(yáng)輻射有明顯的衰減作用，對(duì)其空間分布的影響也非常顯著。以上研究結(jié)果表明山區(qū)復(fù)雜地形下地表太陽(yáng)輻射模擬中考慮高程、SVF以及云的輻射效應(yīng)是必要的，是提高其模擬精度的有效手段。

圖8 不同因子對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布影響的貢獻(xiàn)率Fig.8 Contribution of different factors to spatial distribution of surface solar radiation

圖9 年總太陽(yáng)輻射與SVF空間分布對(duì)比圖Fig.9 Comparison of spatial distributions of annual total solar radiation and SVF

3 討論

山區(qū)地表太陽(yáng)輻射呈現(xiàn)高時(shí)空異質(zhì)性特征，其中地形和云是影響山區(qū)地表太陽(yáng)輻射空間分布的2個(gè)主要因素。較多現(xiàn)有研究分析了地形因子中高程、坡度、坡向與太陽(yáng)輻射的關(guān)系特征［26-27,29］。黃盼等［29］在川西地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射隨坡度增加而增加，這與本文研究太陽(yáng)輻射與坡度的關(guān)系基本一致。該研究同時(shí)探討了高程與太陽(yáng)輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻射并不隨高程上升而單調(diào)遞增，這與本文研究發(fā)現(xiàn)基本一致。但其變化趨勢(shì)與本文不同，可能的原因?yàn)檠芯繀^(qū)域不同，同時(shí)黃盼等［29］只針對(duì)晴空進(jìn)行了相關(guān)研究，而本文是針對(duì)所有天氣情況的研究結(jié)果。另外本文還研究了周圍地形阻擋與太陽(yáng)輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其關(guān)系非常顯著。Hoch等［27］利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了地形對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。其發(fā)現(xiàn)第一個(gè)重要的地形要素是周圍地形阻擋，因?yàn)槠淇梢杂绊懼苯虞椛淞浚c本研究結(jié)果基本一致。但其沒(méi)有定量不同地形因子對(duì)太陽(yáng)輻射影響的貢獻(xiàn)率。本文通過(guò)地理探測(cè)器定量不同因子對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響，發(fā)現(xiàn)周圍地形阻擋對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響最大。該結(jié)果可為改進(jìn)晴空山區(qū)太陽(yáng)輻射模型提供參考。

以上現(xiàn)有研究主要針對(duì)晴空太陽(yáng)輻射［29］，并沒(méi)有研究云對(duì)山區(qū)太陽(yáng)輻射空間分布的影響。而山區(qū)云出現(xiàn)的頻率較高，本研究利用遙感云數(shù)據(jù)，通過(guò)比較考慮云的太陽(yáng)輻射模型與晴空太陽(yáng)輻射模型差異，以及云與太陽(yáng)輻射空間分布關(guān)系，進(jìn)一步探討了云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響。同時(shí)本研究定量了地形因子和云對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布影響的相對(duì)貢獻(xiàn)率，研究結(jié)果可為構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)性所有天氣情況下山區(qū)地表太陽(yáng)輻射模型中因子選擇提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

本文采用適用于山區(qū)的地表太陽(yáng)輻射模型對(duì)西北昆侖山提孜那甫河流域地表太陽(yáng)輻射時(shí)空分布進(jìn)行了估算，并探究了地形和云對(duì)山區(qū)太陽(yáng)輻射空間分布的影響，主要研究結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)春季和夏季太陽(yáng)輻射高于秋季和冬季。在空間上，太陽(yáng)輻射在流域下游地形相對(duì)平坦的區(qū)域4個(gè)季節(jié)都表現(xiàn)為相對(duì)均質(zhì)，而在上游山區(qū)，地形起伏較多，地形變化復(fù)雜，太陽(yáng)輻射空間異質(zhì)性更強(qiáng)。

（2）地形因子中，周圍地形阻擋SVF 與年總太陽(yáng)輻射的關(guān)系最為顯著，太陽(yáng)輻射隨SVF 增加而增加。年總太陽(yáng)輻射隨著高程增加首先減少，再而隨之增加。轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要發(fā)生在3.0～3.5 km 高程帶內(nèi)。夏季太陽(yáng)輻射空間分布受云的影響較大，其他季節(jié)云對(duì)太陽(yáng)輻射空間分布的影響相對(duì)夏季較小。

（3）利用地理探測(cè)器定量分析了地形因子（高程、坡度、坡向以及周圍地形阻擋SVF）以及云對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布的影響的相對(duì)貢獻(xiàn)率，表明周圍地形阻擋SVF 對(duì)地表太陽(yáng)輻射空間分布的影響最顯著，高程和云次之。

基于以上結(jié)論，本研究提出未來(lái)構(gòu)建山區(qū)復(fù)雜地形地表太陽(yáng)輻射估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，首選的因子為SVF、高程以及云。同時(shí)在山區(qū)復(fù)雜地形下地表太陽(yáng)輻射估算中僅利用高程對(duì)其地形校正存在明顯不足，需考慮周圍地形影響。