（气象学专业论文）河北省实际地形下太阳辐射分布式模拟.pdf

目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章前言1 1 河北省概况1 2 实际地形下太阳辐射分布式模拟的意义和目的2 3 国内外研究进展4 3 1 水平面太阳辐射研究4 3 2 起伏地形下太阳辐射研究4 第二章资料与方法6 1 资料6 1 1 常规气象资料6 1 2 辐射资料6 1 2 地形资料7 2 方法7 2 1 实际地形下天文辐射分布式模拟7 2 1 1 水平面天文辐射计算7 2 1 2 坡面天文辐射计算9 2 1 3 实际地形下天文辐射分布式模拟1 0 2 2 实际地形下直接辐射分布式模拟1 1 2 2 1 原理1 2 2 2 2 水平面总辐射计算1 2 2 2 3 水平面直接辐射计算1 3 2 2 4 实际地形下直接辐射分布式模拟1 5 2 3 实际地形下散射辐射分布式模拟1 5 2 3 1 计算模型1 5 2 3 2 水平面散射辐射计算1 7 2 3 3 地形遮蔽度的计算1 8 2 3 4 实际地形下散射辐射分布式模拟1 8 3li哪5 jjjj_98iiil_y 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 实际地形下反射辐射分布式模拟1 8 2 4 1 起伏地形下地形反射辐射计算模型1 8 2 4 2 地表反照率计算1 9 2 5 实际地形下总辐射分布式模拟1 9 第三章河北省太阳辐射模拟结果2 1 l 河北省天文辐射模拟结果2 1 2 河北省直接辐射模拟结果2 4 3 河北省散射辐射模拟结果2 8 4 河北省反射辐射模拟结果3 2 5 河北省总辐射模拟结果3 5 6 局地地形对太阳辐射的影响规律3 9 第四章应用前景4 2 l 农业产业结构调整4 2 2 日光温室生产4 3 3 太阳能发电4 3 4 山区小气候利用4 3 5 太阳能建筑4 4 6 气候变化研究4 4 第五章结论与展望4 5 l 结论4 5 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢5 3 作者简介5 4 摘要 摘要 本文利用河北省及周边省份常规气象观测站和太阳辐射站资料，结合河北省1 ：2 5 0 ， 0 0 0 d e m 数据，以地理信息系统( g i s ) 为数据处理平台，应用实际地形下太阳辐射分 布式计算模型，对河北省太阳辐射时空分布进行了模拟和研究。计算了河北省1 0 0 m x 1 0 0 m 分辨率的天文辐射、直接辐射、散射辐射、地形反射辐射和总辐射的空间分布； 分析了起伏地形太阳辐射时空分布特征及天文、地理、地形地貌、大气透明度等因子 对太阳辐射分布的影响规律，得出以下结论：( 1 ) 河北省天文辐射量7 月 4 月 1 0 月 1 月，各月天文辐射量均表现出很好的纬向分布特征，由南到北天文辐射量呈减少趋势； ( 2 ) 河北省太阳直接辐射量4 月 7 月 1 0 月 1 月，各月直接辐射量均表现出较好的纬向 分布特征，由南到北直接辐射量呈增加趋势；( 3 ) 河北省太阳散射辐射7 月 4 月 1 0 月 1 月，各月散射辐射呈现较好的纬向分布特征，呈南多北少的分布特征；( 4 ) 河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月平原及高原、盆地的反射辐射量都很小，差异不明显；山地反 射辐射值大于平地；( 5 ) 河北省太阳总辐射量7 月 4 月 1 0 月 1 月，总辐射呈现较好的 纬向分布特征，呈南少北多的分布特点；( 6 ) 太阳高度角越小，河北省辐射量越小，南 北辐射差异越大；太阳高度角越大，河北省辐射量越大，南北辐射差异越小。( 7 ) 地形 越平坦，开阔度越大，对河北省太阳辐射分布的影响越小，地形起伏越大，开阔度越 小，对河北省太阳辐射分布的影响越大。( 8 ) 河北省山地南坡接收的太阳辐射一般较同 纬度平地偏大，北坡则较平地小，太阳高度角越小，这种差异越明显；东、西坡向对 太阳辐射分布影响较小。( 9 ) 1 月、4 月、7 月、l o 月太阳直接辐射量 散射辐射量 地形 反射辐射量，地形反射辐射量占总辐射量不到1 。同时，太阳直接辐射占总辐射的比 重l o 月 1 月 4 月 7 月，这可能是由于1 月、1 0 月云量相对较少，相对湿度较低，大 气透明度较高，而7 月、4 月云量相对较多，相对湿度较高，大气透明度较低造成的。 关键词：河北省，实际地形，太阳辐射模拟，分布特征，d e m ，g i s 南京信息 ：程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nd e m ( d i 西t a le l e v a t i o nm o d e l ) d a t aa n dm e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o n s ， g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a st h ed a t ap r o c e s s i n gp l a t f o r m ，u s i n gt h e d i s t r i b u t e dm o d e l sf o r c a l c u l a t i n gs o l a rr a d i a t i o n , t h et e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o no fs o l a rr a d i a t i o ni nh e b e iw a ss i m u l a t e da n ds t u d i e d n o r m a l so f a s t r o n o m i c a l ，d i r e c t , d i f f u s e ，t o p o g r a p h yr e f l e c ta n dg l o b a ls o l a rr a d i a t i o nq u a n t i t y w i t ht h er e s o l u t i o no flo o m x10 0 mi nh e b e iw a sc a l c u l a t e d c h a r a c t e r i s t i c so fs o l a r r a d i a t i o n q u a n t i t y i n f l u e n c e d b yg e o g r a p h i c ，t o p o g r a p h y , a s t r o n o m i c a l a n d m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r so v e rr u g g e dt e r r a i n sw e r ea n a l y z e d t h em a i na c h i e v e m e n t s w e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h ea s t r o n o m i c a lr a d i a t i o nq u a n t i t yi sf o l l o w e db y j u l y a p r i l o c t o b e r j a n u a r y t h es p a c ed i s t r i b u t i o nh a sa o b v i o u sl a t i t u d i n a l c h a r a c t e ra n dp r e s e n t sad e s c e n d e n tt r e n df r o ms o u t ht on o r t h ；( 2 ) t h ed i r e c t r a d i a t i o n q u a n t i t y i sf o l l o w e d b ya p r i l j u l y o c t o b e r j a n u a r y t h es p a c e d i s t r i b u t i o nh a sao b v i o u sl a t i t u d i n a lc h a r a c t e ra n dp r e s e n t sai n c r e a s i n gt r e n df r o m s o u t h t o n o r t h ；( 3 ) t h e d i f f u s er a d i a t i o n q u a n t i t y i sf o l l o w e d b y j u l y a p r i l o c t o b e r j a n u a r y t h es p a c e d i s t r i b u t i o nh a sao b v i o u sl a t i t u d i n a l c h a r a c t e ra n d p r e s e n t s ad e s c e n d e n tt r e n df r o ms o u t ht o n o r t h ；( 4 ) t h e t o p o g r a p h yr e f l e c tr a d i a t i o no fa l t i p l a n o ，b a s i n , p l a i ni sv e r yl e s sa n dh a sn o ta o b v i o u sd i f f e r e n c e t h em o u n t a i nr e f l e c tr a d i a t i o ni sl a r g e rt h a np l a i n ；( 5 ) t h eg l o b a l r a d i a t i o n q u a n t i t y i sf o l l o w e d b yj u l y a p r i l o c t o b e r j a n u a r y t h es p a c e d i s t r i b u t i o nh a sao b v i o u sl a t i t u d i n a lc h a r a c t e ra n dp r e s e n t sa i n c r e a s i n gt r e n df r o m s o u t ht on o r t h ；( 6 ) a st h es o l a ra l t i t u d eb e c o m e ss m a l l e r , t h es o l a rr a d i a t i o nq u a n t i t y b e c o m e sl e s sa n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns o u t ha n dn o r t hb e c o m e sl a r g e ra n dv i c e v e r s a ；( 7 ) t h em o r et h e t e r r a i nb e c o m e sf l a t t e r , t h em o r et h et e r r a i no p e n n e s s b e c o m e sl a r g e ra n dt h el e s st h et e r r a i ni n f l u e n c e st h es o l a rr a d i a t i o na n dv i c ev e r s a ； ( 8 ) t h es o l a rr a d i a t i o no fs o u t h e r ns l o p ei sl a r g e rt h a nt h a to ff l a t , b u tn o r t h e r ns l o p e 摘要 i ss m a l l e rt h a nf l a t e s p e c i a l l yw h e nt h es o l a ra l t i t u d ei ss m a l l ，t h i sd i f f e r e n c ei sv e r y o b v i o u s t h ei n f l u e n c e so fe a s t e r na n dw e s t e r ns l o p et ot h es o l a rr a d i a t i o n d i s t r i b u t i o ni sv e r ys m a l l ；( 9 ) i nj a n u a r y , a p r i l ，j u l ya n do c t o b e r , i tw a sf o l l o w e db y t h ed i r e c tr a d i a t i o nq u a n t i t y t h ed i f f u s er a d i a t i o nq u a n t i t y t h er e f l e c tr a d i a t i o n t h ep r o p o r o o no ft h er e f l e c tr a d i a t i o ni n g l o b a lr a d i a t i o n i su n d e rl t h e p r o p o r t i o n o ft h ed i r e c tr a d i a t i o ni n g l o b a l r a d i a t i o ni sf o l l o w e d b y o c t o b e r j a n u a r y a p r i l j u l yb e c a u s ei th a sl e s sc l o u d ，r e l a t i v eh u m i d i t ya n dh i g h e r a t m o s p h e r et r a n s p a r e n c ei nj a n u a r ya n do c t o b e rt h a na p r i la n dj u l y k e yw o r d s ：h e b e i ，r e a lt o p o g r a p h y , s o l a r r a d i a t i o ns i m u l a t i o n , d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i e ，d e m ，g i s 第一章前言 1 河北省概况 第一章前言 河北省位于东经1 1 3 0 0 4 至1 1 9 。5 3 。，北纬3 6 0 0 1 至4 2 。3 7 之间，地处华北中部，黄 河下游以北地区。河北省地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。地貌复杂多样， 高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，主要有坝上高原、燕山和太行山山地、河 北平原三大地貌单元。坝上高原为河北省张家口、承德北部，燕山山脉以北高原地区， 属蒙古高原的一部分，地形南高北低，平均海拔1 2 0 0 米 1 5 0 0 米，占全省总面积的 8 5 。燕山和太行山山地包括中山山地区、低山山地区、丘陵地区和山间盆地4 种地 貌类型，海拔多在2 0 0 0 米以下，占全省总面积的4 8 1 。燕山山脉包括桑干河以北， 坝上高原以南的张家口地区、坝上高原以南的承德地区、唐山北部地区及秦皇岛中北 部地区。河北省境内燕山山脉整体呈东西走向，其中张家口地区及承德中北部地区的 燕山山脉以南北走向为主，承德南部地区的燕山山脉以东西走向为主。河北省境内太 行山山脉包括张家口境内桑干河以南地区及保定、石家庄、邢台、邯郸西部地区。太 行山山脉整体呈南北走向，其中张家口南部、保定北部的太行山山脉呈东北西南走向； 石家庄中南部地区及邢台的太行山山脉呈南北走向；邯郸境内的太行山呈西北东南走 向。河北平原区是华北大平原的一部分，包括保定、石家庄、邢台、邯郸中东部地区、 唐山、秦皇岛南部地区及廊坊、沧州、衡水地区，占全省总面积的4 3 4 。另外，张 家口坝下山中有三大盆地，呈南北向排列，自北向南分别为洋河盆地、桑干河盆地及 壶流河盆地；唐山北部山中有两个盆地，呈东西向排列，自西向东分别为遵化盆地、 迁安盆地。河北省地形图详见图1 1 。 南京信息工程大学硕士学位论文 图1 - 1 河北省地形地貌图 河北省属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，四季分明。冬季寒冷干燥、雨雪稀 少：春季冷暖多变，干旱多风；夏季炎热潮湿、雨量集中；秋季风和日丽，凉爽少雨。 全省年平均气温在4 1 3 摄氏度之间，大体呈东南高西北低分布。各地的气温年较差、 日较差都较大，年总辐射量为4 8 5 4 - 5 9 8 1 兆焦平方米，年日照时数2 3 1 9 - - 3 0 7 7 小时， 全年无霜期1 1 0 一2 2 0 天。全省年平均降水量分布很不均匀，年变率也很大，一般的年 平均降水量在4 0 0 8 0 0 毫米之间。 2 实际地形下太阳辐射分布式模拟的意义和目的 太阳辐射是地球生态系统最主要和最直接的能量来源，影响到地球上所有的 2 第一章前言 物理、生物和化学过程，是维持地表温度，促进地球上的水、大气、生物活动和 变化的主要动力。太阳辐射作为大气的唯一热源，是控制气候的基本能量。太阳 辐射在地球上的时空分布，制约着地球上气候系统的运动，是气候形成和演变过 程中重要的外参数【1 1 。太阳辐射在地表上的分配变化会根本改变云覆盖、温度、 湿度、降水和大气环流特征3 卅等，同时还伴随有热力和动力过程，与地表水分 循环也密切相关。同时，由于工业产业的发展及能源紧缺，太阳能的开发利用对于保 障能源安全、提高环境质量、应对气候变化也具有重要意义。随着太阳能资源的成功 利用和快速发展，相关行业，特别是太阳能发电，太阳能水热系统，建筑节能、农业 生产、气候区划等都迫切要求了解太阳能资源的分布情况，而现有的观测资料远远不 能满足要求。为摸清太阳能资源的分布情况，更好地利用太阳能资源，做好太阳能资 源精细化模拟十分必要。 到达地面的太阳辐射既与到达地球大气上界的太阳辐射能量有关，还与通过 的大气层有关，同时，地表特征、坡向、坡度、地形遮蔽等局部地形的变化，也 极大地影响着地表实际接收的太阳辐射量【】。另外，随着太阳在天空中的运行 轨迹的变化，地形之问的相互遮蔽影响也在不断地变化之中，这使得起伏地形下 太阳辐射的计算变得非常复杂，但同时也更有意义。分布式模型可以清楚地考虑 每个网格点的地形特征及其与周围地形问的相互影响，因此可以详细地模拟太阳 辐射在复杂地形下的空间分布规律，是研究复杂地形下太阳辐射精细空间分布的 有利工具。 目前河北省实际地形下的太阳辐射分布式模拟工作尚未开展，本文在前人研究成 果的基础上，利用邱新法、曾燕等研究的太阳辐射分布式模型，结合河北省实际地形， 进行了河北省实际地形下太阳辐射分布式模拟和结果分析，为河北省太阳能开发利用、 农业产业结构调整、气候区划、光能生产潜力计算、山区小气候资源利用等提供了科 学依据。 南京信息工程大学硕士学位论文 3 国内外研究进展 3 1 水平面太阳辐射研究 水平面的太阳辐射研究主要集中在两类模式，理论模式和经验模式t 4 0 ，理论模式 具有坚实的物理基础，但模式的结构非常复杂，且模式的输入参数中包括臭氧厚度、 气溶胶含量、大气可降水量等很难获得的变量，这限制了理论模式的推广应用。 经验模式结构简单，主要有日照百分率模式、成分分解模式、云量模式。使用日 照百分率、云量等常规气象观测资料建立的辐射经验估算模式，使得在更多的地区估 算辐射量成为可能。但经验模式中的经验系数需要长期的辐射观测资料来确定，且经 验系数随时间、地点而变化。成分分解模式在估算散射辐射或直接辐射时，必须先知 道晴空指数，即必须先有总辐射资料，或必须先通过其他途径估算晴空指数或总辐射， 这可能会给散射辐射或直接辐射的估算带来双重误差。但成分分解模式中提出的晴空 指数、直接透射率、散射系数等概念是描述大气对太阳短波辐射影响的综合指标，从 而将太阳辐射在复杂地表上的重分布过程与大气过程独立开来，这对起伏地形下太阳 辐射的空间分布研究是有益的。 3 2 起伏地形下太阳辐射研究 傅抱璞1 9 1 ( 1 9 5 8 ) 、朱志辉1 2 0 ( 1 9 8 8 ) 、翁笃鸣口1 1 ( 1 9 8 1 ) 、r e v f e i m ( 1 9 7 8 ) g r j 坡地太阳 辐射进行了理论研究和区域性实验，但由于受地形数据、计算工具的限制，研究的多 为单一、无限长的倾斜坡面，与实际地形下的太阳辐射分布还有一定的距离；李占清口2 - 2 4 等( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 曾尝试从地形图中提取网格高程来计算山地的太阳辐射； w i l l i m a s t 2 5 1 ( 1 9 7 2 ) 、d o z i 一嬲1 ( 1 9 9 0 ) 、b o c q u e t 伫3 1 ( 1 9 8 4 ) 、李新跚( 1 9 9 9 ) 等尝试用d e m 来计算山地太阳辐射，为实际地形下太阳辐射计算提供了新思路；李净6 2 1 等利用数字 高程模型( d e m ) 生成了计算山地太阳辐射的坡度、坡向、遮蔽度等地形因子，计算 了晴空下山地太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和周围地形反射辐射；郝成元 6 3 1 等结 合太阳总辐射的两种主要气候学计算模式a n g s t r o m 模型和b r i s t o w - c a m p b e l l 模型，以 d e m 、月均温差、月平均日照百分率以及地理纬度、赤纬等为基础数据，实现了云南 第一章前言 省中南部山地的多年平均1 1 2 月太阳总辐射的空间化；张海龙啤】等基于太阳辐射在 大气中的传输过程，结合m o d i s 大气产品及d e m ，构建了分布式太阳短波辐射参数 化模型，对青藏高原地区的太阳直接辐射、散射辐射及总辐射的时空分布进行了模拟 分析；李军1 6 5 】等以山区的高空间分辨率d e m 数据为主要数据源，从中分别提取经度、 纬度、坡度、坡向等相应的地形要素栅格数据，结合多年平均的实际日照百分率资料， 利用g i s 技术建立山区实际太阳直接辐射的高空间分辨率分布模型，实现太阳直接辐 射空间分布规律的可视化表达，分析了山区各月太阳直接辐射的空间分布特征；杨昕嘲 等建立了一种基于d e m 模拟山区总辐射的方法，通过提取数字坡度模型、数字高度 模型以及地形遮蔽度模型等信息，并采用多层面复合分析的方法，建立了山区直接辐 射、散射辐射以及总辐射的数字模型；张世范f 6 7 】等应用数字高程模型( d e m ) 数据和 地理信息系统( g i s ) ，建立了起伏地形下天文辐射分布式计算模型，计算了朝鲜半岛 起伏地形下全年各月的1 0 0 m x1 0 0m 分辨率天文辐射精细空问分布结果，并详细分析 了朝鲜半岛天文辐射的空间分布特征；邱新法【2 1 ( 2 0 0 3 ) 、曾燕 3 0 - 3 1 1 ( 2 0 0 3 ) 等利用d e m 地 形数据，对实际地形下的太阳辐射数值模拟进行了理论探索，成功解决了地形相互遮 蔽对太阳辐射的影响难题，建立了太阳辐射分布式计算模型，并得到广泛应用，计算 了黄河流域l k m xl k m 分辨率各月天文辐射的空间分布i s l l 、我国范围内l k m xl k m 分 辨率l 一1 2 月气候平均太阳直接辐射的空间分布瞪7 1 、我国范围内1k mx lk m 分辨率 l 一1 2 月气候平均太阳散射辐射的空间分布5 5 1 等，模型综合考虑了天空因素和地形因 素对太阳辐射的影响，模拟结果可靠。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 资料 1 1 常规气象资料 第二章资料与方法 本文太阳辐射分布式计算模型所用河北省1 4 2 个气象观测站1 9 6 5 2 0 0 5 年月 平均日照百分率数据由河北省气候中心提供，并经过严格的质量控制，所选站点 分布见图2 1 。 1 2 辐射资料 图2 1本文所选气象观测站位置分布图 直射辐射、散射辐射资料采用二连浩特、大同、太原、侯马、沈阳、北京市、 天津市、济南、郑州共9 个太阳辐射观测站观测数据，总辐射资料采用二连浩特、 大同、东胜、太原、锡林浩特、朝阳、北京市、天津市、乐亭、大连、济南、郑 州共1 2 个太阳辐射观测站观测数据，在资料应用前，对所有资料进行了严格的 质量检测和筛选。 第二章资料与方法 1 2 地形资料 采用河北省气象局提供的1 ：2 5 0 ，0 0 0 分辨率的数字高程模型( d e m ) 数据作为河 2 方法 2 1 实际地形下天文辐射分布式模拟 天文辐射是指在不考虑大气影响的情况下，仅由日地天文关系和地理、地形因素 所决定的地表太阳辐射，是地球表面实际太阳入射辐射的基础背景口2 1 ，也是辐射计算 重要的起始参量1 6 , 5 2 。实际起伏地形情况下，投射到坡面上的天文辐射除受上述因子影 响外，还受坡度、坡向和地形遮蔽等地形因子的影响。随着太阳在天空中运行轨迹的 变化，地形之间的相互遮蔽影响也在不断的响应变化之中，这使得起伏地形下天文辐 射场的计算变得异常复杂。在以往的天文辐射计算中，往往忽略地形因子的影响，或 者仅考虑地形因子中坡度、坡向的影响，而不考虑地形之间相互遮蔽的影响【1 9 。2 0 ，3 3 1 。 事实上，起伏地形中，周围地形的遮蔽作用会强烈影响局地可照时间的分布啪】，不同 坡面上太阳光线入射角的不同，使其接受的太阳辐射量存在显著差异列，从而形成复 杂的太阳辐射空间分布。本节在以往学者研究工作的基础上口，1 0 ，2 6 ，嚣一1 ，利用建立的起 伏地形下天文辐射分布式计算模型，全面考虑地形因子对辐射的影响，以l ：2 5 0 , 0 0 0 分辨率的数字高程模型( d e m ) 数据作为地形的综合反映，计算出河北省1 0 0 m x1 0 0 m 分辨率月天文辐射空间分布。 2 1 1 水平面天文辐射计算 水平面天文辐射方面的研究已经相当成熟【3 5 1 。在不考虑大气影响的情况下，根据 朗伯定律，地球上各处水平面上的太阳辐照度，( 天文辐照度) 与太阳高度角的正弦 或太阳天顶距z 口的余弦成正比，即 ，= ( 吉 2j 。s i n 办p ：( 吉) 2 ，。c 。s z 口。2 。， 南京信息工程大学硕士学位论文 1 为不考虑大气影响情况下的水平面上的太阳辐照度，单位：m j n l - 2 m i n ； 厶为太阳常数，是地球位于日地平均距离时，大气上界与太阳光垂直的单位面积 单位时间所接收的太阳辐射能，根据w m o 标准，一般取厶= o 0 8 2m j l n 2 m i n ； ( 1 1 为日地距离订正系数c 又称地球轨道偏心率订正因子，无量纲，； 根据太阳视轨道方程： 一一 s m l l o = s m r p s m b + c o s f p m s b c o s r n( 2 i 2 ) 则水平面天文辐射辐照度，可表示为： ，= 2 帕；n 叫n 万s 舢s 跏s 国， 仁， 其中： 9 为测点地理纬度，单位：弧度( t a d ) 。 万为太阳赤纬，以天赤道以北为正，以南为负，单位：弧度( r a d ) ； 国为太阳时角，从真太阳时正午算起，向西为正，向东为负，单位：( t a d ) ； 艿= 0 0 0 6 8 9 4 0 3 9 9 51 2c o sf + 0 0 7 2 0 7 5s i nf 一0 0 0 6 7 9 9c o s2 r + 0 0 0 0 8 9 6 s i n 2 f 一0 0 0 2 6 8 9 c o s 3 f + o 0 0 1 5 1 6 s i n 3 f ( 2 l 4 ) ( 去) 2 = 。9 + 。3 3 4 9 4 c 。s f + 。1 4 7 2 s m r 。2 。5 ， + 0 0 0 0 7 6 8c o s2 f + 0 0 0 0 0 7 9s i i l2 f 其中： f 为日角，以弧度( 脚) 表示，可用日序乜来确定，见从1 月1 日的i 到1 2 月 3 1 日的3 6 5 ( 假定2 月为2 8 天) ，也即： 彳= 2 ，蛾- 1 ) 3 6 5( 2 1 6 ) 每 第一章资料与方法 令太阳高度角= o ，利用( 2 1 2 ) 式可以得到水平面上日出、日落时的太阳时角： c o o = a r c c o s ( 一t a nc p t a n6 )( 2 1 7 ) 其中，一对应日出时的太阳时角；对应日落时的太阳时角。 根据( 2 1 3 ) 式，可以计算任一地点、任一时刻水平面天文辐照度1 ，但必须满足 0 的条件，即一 4 月 7 月。( 5 ) 从表3 1 可以看出， 四个月天文辐射量标准差的大小依次为1 月 1 0 月 4 月 7 月，与地形因子对四个月天 文辐射影响作用相一致，这说明地形因子是影响四个月天文辐射空间分布差异的主要 因子之一。 表3 - i 河北省1 月、4 月、7 月、l o 月天文辐射特征最( 单位：m j m - 2 ) 2 河北省直接辐射模拟结果 图3 - 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别给出河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月河北省直接辐射 模拟结果。由图3 2 可知，河北省直接辐射表现出较好的纬向分布特征，由南到北直 接辐射逐渐增加，这与天文辐射的南高北低的分布特征恰好相反。同时，直接辐射受 地形因子作用明显，燕山山地、太行山山地受地形地貌影响，直接辐射量差异很大。 1 月直接辐射由南向北逐渐增大，全省直接辐射量整体较小，具体分布如下：河 北平原月平均直接辐射量为1 2 0 1 4 9 m j m - 2 ；坝上高原直接辐射量为1 5 0 1 9 5m j n 1 2 ； 燕山、太行山地直接辐射量0 - 2 6 6 m j 咖五；张家i = 1 盆地的直接辐射量为1 5 0 1 9 5 m j i t l - 2 ， 受地形遮蔽影响，盆地内直接辐射呈现南低北高的分布特点；直接辐射高值区主要分 2 4 第三章河北省太阳辐射模拟结果 布在坝上高原和张家口盆地。 4 月直接辐射纬向分布特征较明显，随纬度升高辐射量增大，直接辐射量较1 月 明显偏多；同时，河北平原北部直接辐射表现出东高西低的特点。具体分布如下：石 家庄以南平原地区月平均直接辐射量为2 7 8 2 9 0 m j m - 2 ，石家庄以北平原地区月平均 直接辐射量为2 9 1 3 2 3 m j m - ：，其中唐山、秦皇岛境内平原地区直接辐射量为 3 0 6 3 2 3 m j m 五，较同纬度东部平原直接辐射量偏高；坝上高原直接辐射量为 3 2 4 3 7 9 m j m - 2 ，为全省直接辐射分布主要高值区；燕山、太行山地直接辐射量 0 3 7 9 m j m - 2 ，山地辐射量一方面受纬度影响，总体呈南低北高分布特点，另一方面 受地形影响，山地局地直接辐射差异较大；张家口盆地的直接辐射量为3 0 6 3 7 9 m jt n 。2 ， 盆地内的直接辐射量南北差异比1 月减小。 7 月全省直接辐射总体呈南低北高纬向分布特征，同时，河北省北部高原山地表 现出西高东低的分布规律。7 月直接辐射量较4 月略偏少，具体分布如下：河北平原 月平均直接辐射量为2 6 9 2 9 8 m j m 之；坝上高原直接辐射量为3 2 3 3 9 3 m j m 。2 ；燕山、 太行山地直接辐射量0 - 3 9 3 m j m 0 2 ，山地地形对直接辐射的影响很小；张家口盆地的 直接辐射量为3 2 3 3 9 3 m j m 之，地形基本不对盆地内的直接辐射南北分布产生影响。 1 0 月直接辐射南北纬向分布特征极为明显，同时，河北省北部高原山地呈现出明 显的西高东低的分布特点。l o 月直接辐射量较1 月偏多，较4 月、7 月偏少，具体分 布如下：石家庄及以南平原地区月平均直接辐射量为1 9 9 - 2 4 7 m j m - 2 ，石家庄以北平 原地区直接辐射量为2 2 4 - 2 4 7 m j m - 2 ，；坝上高原直接辐射量为2 4 8 3 0 6 m j m 0 2 ；燕 山、太行山地直接辐射量0 - 4 3 1 m j m 五，山地直接辐射量空间分布差异较大；张家口 盆地的直接辐射量为2 4 8 3 0 6 m j m 。2 ，盆地内的直接辐射量南北分布特点与1 月相似。 南京信息工程大学硕士学位论文 2 6 - a b d 图3 - 1 河北省实际地形下1 月( a ) 、4 月( b ) 、7 月( c ) 、1 0 月( d ) 直接辐射模拟结果( 单位：m j i n 2 ) 2 7 南京信息工程大学硕士学位论文 对比分析河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月直接辐射量模拟结果可知：( 1 ) 4 月河北省 月平均直接辐射量最大，7 月次之，1 0 月第三，1 月直接辐射量最小( 详见表3 - 2 之平 均值) ，这与四个月天文辐射量的时间变化规律有所区别。( 2 ) 河北省直接辐射呈现出较 好的由南向北逐渐增加的纬向分布特征，与天文辐射南高北低的分布规律相反，这表 明直接辐射除受天文地理因子、局地地形因子影响外，还受到大气物理因子、气象因 子等引起直接透射率发生变化的因素的影响。( 3 ) 1 月、1 0 月山地地形对直接辐射影响 较大，4 月、7 月影响最小，1 月太阳直接辐射分布差异最为明显，局地地形对直接辐 射的空间分布影响为四个月中最大。地形因子对直接辐射的影响作用大小为：1 月 1 0 月 4 月 7 月，与地形对天文辐射影响规律一致。( 4 ) 从表3 2 可以看出，四个月直接辐 射量标准差的大小依次为1 月 1 0 月 7 月 4 月，4 月标准差小于7 月，说明直接辐射 数据离散和差异小于7 月，而地形因子作用是4 月 7 月，这说明直接辐射空间分布差 异的大小不仅与地形因子作用有关，此外，还受大气透明度空间分布差异的影响。 表3 2 河北省1 月、4 月、7 月、l o 月直接辐射特征量 3 河北省散射辐射模拟结果 图3 - 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别给出河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月河北省散射辐射 模拟结果。由图3 3 可知，河北省散射辐射表现出较好的纬向分布特征，由南到北散 射辐射逐渐减少，这与天文辐射空间分布特征相一致。同时，散射辐射受地形作用明 显，燕山山地、太行山山地受地形地貌影响，散射辐射量差异明显。 1 月河北省散射辐射量整体较小。具体分布如下：石家庄中南部至以南地区平原 月平均散射辐射量为1 1 3 1 5 2 m j m 。2 ，为全省散射辐射高值区；石家庄北部至保定一 带平原散射辐射量为1 0 6 - 1 1 2 m j m - 2 ；保定以北平原散射辐射量为9 9 1 0 5 m j n 1 2 ： 坝上高原散射辐射量为8 6 9 8m j m - 2 ；燕山、太行山地散射辐射量o 1 5 2 m j m - 2 ；张 家口盆地的散射辐射量为9 3 1 0 5 m j m 之，受地形遮蔽影响，盆地内的散射辐射量呈南 2 8 第三章河北省太阳辐射模拟结果 低北高分布特点。 4 月河北省散射辐射量较1 月明显偏多，具体分布如下：河北平原地区月平均散 射辐射量为2 3 6 2 5 6 m j m 2 ：坝上高原散射辐射量为2 2 7 - 2 4 3 m j m 之：燕山、太行山 地散射辐射量0 - 2 5 6 m j m 。2 ；张家口盆地的散射辐射量为2 3 6 2 5 6 m j l n 2 ，与1 月相 比较，盆地内的散射辐射量受山体遮蔽影响明显减小。， 7 月河北省散射辐射量较4 月偏多，具体分布如下：河北平原月平均散射辐射量 为2 6 5 2 7 8 m j m 2 ；坝上高原散射辐射量为2 4 6 2 6 4 m j m 之；燕山、太行山地散射辐 射量0 - 2 7 8 m j l n 2 ；张家1 2 1 盆地的散射辐射量为2 5 6 - 2 6 4 m j n 1 2 ，盆地四周散射辐射 量较小，中部辐射量较大且分布均匀。 1 0 月河北省散射辐射量较1 月偏多，较4 月偏少，具体分布如下：河北省石家庄 至以南平原地区月平均散射辐射量为1 5 1 1 7 9 m j m 。2 ，石家庄以北平原散射辐射量为 1 4 4 - 1 5 0 m j m 。2 ；坝上高原散射辐射量为1 2 9 1 4 3 m j m - 2 ；燕山、太行山地散射辐射 量o 1 7 9 m j t n 2 ；张家口盆地散射辐射量为1 3 7 1 5 0 m j n l - 2 ，与1 月相似，地形遮蔽 对盆地内散射辐射作用明显。 - 2 9 南京信息工程大学硕士学位论文 a b - 3 0 第三章河北省太阳辐射模拟结果 c d 图3 - i 河北省实际地形下1 月( a ) 、4 月( b ) 、7 月( c ) 、1 0 月( d ) 散射辐射模拟结果( 单位：m j m 之) 3 l - 南京信息工程大学硕士学位论文 对比分析河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月散射辐射量模拟结果可知：( 1 ) 7 月河北省 月平均散射辐射量最大，4 月次之，1 0 月第三，1 月散射辐射量最小( 详见表3 3 之平 均值) 。( 2 ) 河北省散射辐射总体呈南高北低的纬向分布特征，与天文辐射分布规律相类 似。( 3 ) 与直接辐射相比，散射辐射的分布比较均匀，变化幅度较d , t 5 5 1 ( 详见表3 3 之 标准差) 。( 4 ) 散射辐射分布与地形开阔度分布基本一致，辐射高值区主要集中分布在河 北平原地区，受地形影响，平原、高原和盆地内散射辐射分布均匀，山地散射辐射分 布差异明显。( 5 ) 对比四个月辐射空间分布图可以看出，与天文辐射、直接辐射不同， 地形因子对四个月散射辐射影响作用大小无明显区别，这主要是由于散射辐射与直接 辐射、天文辐射的辐射机理不同所致。 表3 3 河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月散射辐射特征量 4 河北省反射辐射模拟结果 图3 - 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别给出河北省1 月、4 月、7 月、1 0 月河北省反射辐射 模拟结果。由图3 _ 4 可知，河北省地形反射辐射量与直接辐射量、散射辐射量相比， 要小的多，河北省反射辐射呈现出明显的地形分布特征，无明显纬向分布特点。 ( 1 ) 1 月、4 月、7 月、1 0 月河北平原及坝上高原、张家口盆地的反射辐射量均为 0 1 m j i n 2 ，差异不明显，由于平地地势平坦，地形反射辐射量都很小。平原、高原 和盆地是全省地形反射辐射的低值区。 ( 2 ) 1 月山地反射辐射量为1 - 2 9 m j m 五，4 月山地反射辐射量为2 - 5 6 m j m - ：，7 月山地反射辐射量为2 - 5 5 m j m - 2 ，1 0 月山地反射辐射量为1 - 3 0 m j - 1 1 1 五；受地形开阔 度影响，山地反射辐射量差异较大，全省地形反射辐射高值区分布在开阔度低的山地。 - 3 3 b 南京信息工程大学硕士学位论文 - 3 4 c d 第三章河北省太阳辐射模拟结果 图3 - 1 河北省实际地形下1 月( a ) 、4 月( b ) 、7j l ( c ) 、1 0 月( d ) 反射辐射模拟结果( 单位：m j m - s ) 对比分析河北省1 月