（气象学专业论文）实际地形下我国潜在太阳辐射的空间分布研究.pdf

中文摘要 太阳辐射是地球大气运动的最重要能源，它在地球上的时间和空间 分布，制约着地球上气候系统的运动，也是地球气候形成和演变过程中 重要的因子。我国地形复杂，下垫面条件多样，使得各地辐射条件相差 悬殊，进而影响了我国气候的多样性和复杂性。因此，研究我国辐射分 布的特征，对揭示我国气候形成、了解我国气候资源具有十分重要的理 论意义和应用价值。 本研究试图在借鉴国内外已有的太阳辐射计算方法的基础上，利用 全国的1 ：1 0 0 万数字高程模型数据( g r i d 大小1 k m 1k m ) 为数据源， 以p c ig e o m a t i c a 为计算平台，以全国多年的太阳辐射日观测数据进行 模式验证，在晴天无云的理想条件下，根据太阳光线与实际地形问的几 何关系，研究坡度、坡向等地形因子对太阳辐射的影响，探讨太阳辐射 在复杂地表上的分配规律，力求寻找潜在太阳总辐射合理的计算方法， 为研究太阳辐射时空分布特征和建立全国尺度的太阳辐射栅格气象数据 库奠定基础，为大尺度上的生态学过程研究提供基础信息。 关键词：潜在太阳辐射、实际地形、地理信息系统、数字高程模型 l i a b s t r a c t s o l a rr a d i a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n te n e r g ys o u r c eo ne a r t h ，i t st i m e a n d s p a c ed i s t r i b u t i o no n e a r t hr e s t r i c t st h ec l i m a t es y s t e m sm o v r n e n t ，a l s o i st h em o s ti m p o r t a n tg e n ei nt h ec l i m a t es y s t e m sf o r ma n de v o l v e m e n t w i t ht h ec o m p l e xt e r r a i na n dm u l t i p l i c i t yc o n d i t i o no nu n d e r l y i n gs u r f a c e ， w eg e tg r e a td i s p a r i t yo fs o l a rr a d i a t i o ni nc h i n a ，a n di ta l s oa f f e c to u r c o u n t r y sc l i m a t e sm u l t i p l i c i t ya n dc o m p l e x i t y s oi t sv e r yi m p o r t a n tf o r r e s e a r c ho u rc o u n t r y sc l i m a t e sf o r ma n dr e s o u r c et or e s e a r c ho u rc o u n t r y s r a d i a t i o nd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r w i t hr e f e r e n c et oc a l c u l a t i o nm e t h o d so fs o l a rr a d i a t i o nw i t l l i nd o m e s t i c a n da b r o a dl i t e r a t u r ea n dw i t ht h eh e l po fo u rc o u n t r y sd e m ( w i t hi t s r e s o l u t i o ni s1 o n 1 a n ) ，w eb u i l dan e wm o d e lf o rp o t e n t i a ls o l a rr a d i a t i o n c a l c u l a t i o nc o m b i n i n gw i t hp c ig e o m a t i c a sp l a t f o r m i nt h ec a l c u l a t i o n ， h y p o t h e s i si st h a ti n s o f a ro u e c l e a rd a yi nm o r et h a no n e y e a ra st h eb i g g e s t v a l u eo fs o l a rr a d i a t i o no f o n ed a yi nm a n y y e a r si sd e f i n e da sp o t e n t i a lv a l u e o fd a i l yg l o b a ls o l a rr a d i a t i o n ，w ea l s oc o n s i d e rt h ei n f e c t i o no ft h es l o p e ， a s p e c ta n di t sg e o m e t r yr e l a t i o n sa f f e c t o ns o l a rr a d i a t i o n ，w ec a l c u l a t e p o t e n t i a ls o l a rr a d i a t i o nw h i c hm a y b e u s e f u lf o rr e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no f s o l a r e n e r g ya n db u i l dl a r g e s c a l eg r i d d a t a b a s eo f0 1 l i c o u n t r y ss o l a r r a d i a t i o n k e yw o r d s ：p o t e n t i a ls o l a rr a d i a t i o n ，a c t u a lt e r r a i n ，g i s ，d e m 第一章前言 1 1 选题意义 1 1 1 太阳辐射能量是各种陆面过程的主要驱动因子 地球表层9 9 8 的能量来源于太阳 ”。太阳辐射是地球表层上的物理、生物 和化学过程( 如雪融、作物光合、蒸腾、作物生长等) 的主要能源，也是生态 系统过程模型、水文模拟模型和生物物理模型研究中的必要参数。太阳辐射是 地球大气运动的最主要能源，同时也是地球气候形成的最重要因子。气候系统 主要由两个外强迫来制约其全球行为，分别是太阳辐射能量和重力作用。其中 太阳辐射能量为主要因子，它为驱动气候系统提供了几乎所有的能量。因此太 阳辐射作为大气的唯一热源，成为控制气候的基本能量。它在地球上的时间和 空间的分布，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【2 j 。 太阳辐射不但在气候系统能量交换中扮演十分活跃的角色，而且还伴随着 热力和动力过程，与地表水分循环密切相关【3 1 。同时，太阳辐射也是植物光合 作用、植物蒸腾作用、土壤蒸发等陆面过程的主要驱动因子，是重要参数h 】 负。 在进行农业气候资源规划时，太阳辐射资源是最基本的也是最主要的农业气候 资源。 我国幅员广大，地形复杂，下垫面条件多样，使得各地辐射条件相差悬殊， 进而影响全国气候的多样性和复杂性。因此，研究我国辐射分布的特征，对揭 示我国气候形成、了解我国气候资源具有十分重要的理论意义和应用价值。 1 1 2 对实际地形下太阳辐射的研究还不完善 本文研究的是我国的太阳辐射资源的空间分布。由于我国地形复杂，地势 具有西高东低的阶梯形特点，地形对辐射分布的影响表现得非常明显。要研究 这样复杂地形的太阳辐射资源，是不可能通过实测资料取得的。地形对辐射的 影响相当复杂，海拔高度、坡度、坡向、遮蔽度以及地表性质等对辐射均有影 响”1 ，使得各地辐射条件相差悬殊，因此，研究实际地形下辐射的分布问题， 一直是气候学的重要课题之一。 迄今为止，国内外大量的太阳辐射估算模型是基于平地上的观测资料建立 的。尽管国内外都丌展了短期野外考察，取得了部分山地的实测资料和相应的 科研成果，但仍难以对起伏地形下太阳辐射的时空分布做出全面、准确的认识 6 【7 1 。自上世纪七十年代末开始，一系列陆面过程分布式模型得到了迅速发展， 但对实际坡地上的太阳辐射的相应研究，进展甚微口】。因此，探索新方法，解 决实际坡地下太阳辐射等地表时空多变要素的时空分布问题，具有十分重要的 理论意义和广阔的应用前景。 1 1 3 辐射模型与g i s 的集成为研究太阳辐射提供了新的方法 随着生态学和地球科学研究尺度的扩展，太阳辐射的空间分布特征也日趋 重要。但太阳辐射的观测由于其设备复杂，成本费用高，其观测密度远小于温 度、降水等气象要素的观测密度，采用简单的空间内插或外推技术不可能合理 的揭示太阳辐射的空间分布特征。因此，建立一个合理的太阳辐射空间模型， 并采用合适的技术手段实现，对于建立区域或国家尺度的栅格太阳辐射数据库， 进行区域或国家尺度上的宏观生态学研究，具有重要的理论和实践意义。 地形对太阳辐射的影响，由于考虑地形条件下的太阳辐射计算公式的复杂 性，地形参数获取技术以及缺乏合适的计算平台，长期以来，人们往往对其忽 略或简化 9 1 1 2 】。随着地理信息系统技术的发展，栅格数据模型的出现，人们开 始充分考虑地形对太阳辐射的影响，提出了很多算法 1 3 】【2 鲥，并通过模型与g i s 的集成手段研究地形对太阳辐射的影响幽1 - - 2 9 1 。 太阳总辐射是其中一个重要的太阳辐射参数。它包括直接辐射、散射辐射 以及由周围地形所引起的反射辐射。晴天无云条件下的太阳总辐射是地球表面 可能接受到的太阳总辐射的最大值，即潜在太阳总辐射，它包括直接辐射、散 射辐射和反射辐射三个部分。 到达地表的太阳辐射量主要受3 个方面的影响：太阳在天球上的位置变 化：地形因素；云量和其他非均质性大气影响因素。其中太阳在天球上的 位置决定太阳辐射的纬度效应和季节变化特征：地形因素控制太阳辐射在不同 坡度、坡向以及周围地形影响情况下的变化特征；云量和其它非均质性大气因 素决定太阳辐射受局地气候影响的变化规律。潜在太阳总辐射的计算就是在充 分考虑前两者因素和第三个因素中非均质性大气( 即大气衰减) 影响的条件下， 计算到达地球表层的太阳总辐射量。本研究重点讨论潜在太阳总辐射的计算方 法。 1 2 研究内容 本研究试图在借鉴国内外已有的太阳辐射计算方法的基础上，利用全国的 1 ：1 0 0 万数字高程模型数据( g r i d 大小1k mx1k m ) 为数据源，以p c ig e o m a t i c a 为计算平台，以全国多年的太阳辐射日观测数据进行模式验证，力求寻找潜在 太阳总辐射合理的计算方法，为研究太阳辐射时空分布特征和建立全国尺度的 太阳辐射栅格气象数据库奠定基础，为我国资源分析、利用及陆面过程研究提 供基础数据。 第二章国内外辐射估算模型的研究现状 2 1 影响辐射各个因子的分析 影响到达地面的太阳总辐射的因子可分为3 大类： 天文因子及地理因子：日地距离、太阳赤纬、测站的纬度、海拔高度等。 大气物理因子：纯大气消光、大气中水汽含量、大气浑浊度( 包括波长指数 和浑浊度系数) 等。 气象因子：天空总云量、日照时数( 日照百分率) 。 2 1 1 天文因子及地理因子 天文因素对地球辐射状况的影响主要是通过改变太阳倾角、太阳高度角、 日地距离以及研究地点的地理纬度体现出来的，它们决定了各地太阳辐射到达 量的差异。理论研究和大量实测结果表明，在一般情况下，太阳辐射到达量是 各地辐射交换过程中的最主要分量，其强弱在很大程度上决定了地表净辐射的 大小，而其时空变化特点基本上也代表了后者的变化。这从统计太阳总辐射与 地表净辐射的相关性中可看得很清楚。研究证实，无论是对瞬时通量密度，还 是对年、月平均值，两者的线性相关普遍都很明显( 相关系数一般在o 9 0 0 以 上) 。 地理因子主要包括地形和下垫面状况两部分，其对辐射交换的影响也很重 要。地形影响包括海拔高度、玻地的坡向、坡度和起伏程度三个方面。随着站 点海拔高度的变化，测站上方气柱厚度以及与此有关的水汽和气溶胶含量也发 生变化，从而导致通过气柱的太阳辐射和地球辐射强度的变化。这是造成高山 ( 包括高原) 辐射状况有别于低海拔地区的根本原因。随着海拔高度的增加， 太阳直接辐射、总辐射、反射辐射、地表有效辐射都呈单调递增趋势，散射辐 射和大气逆辐射则递减。 坡地坡度、坡向的影响，主要通过改变太阳辐射和大气逆辐射投射角表现 出来。理论和实测结果证实，这种影响是很大的，其中对太阳辐射分布所造成 的影响最为突出。这里，坡向作用最为重要。向阳坡地获得丰富的太阳能辐射， 而背阴坡地获得的就很少，在极端情况下可全天被荫蔽。坡地对太阳散射辐射 和大气长波辐射的影响比之太阳直接辐射要小些，但仍然是比较明显的。坡地 上的散射辐射和长波辐射一般随坡度增大而减小。另外，坡向对散射辐射也有 一定影响。 起伏地形是由各种坡地、山岗、谷地等地形单体所组成，其对辐射分布的 影响，除所在坡地自身影响外，主要表现为地形单体之间相互遮蔽的附加作用。 山岗因其表面平坦且较少遮挡，其辐射条件与平地相近，谷地因受四周山地遮 挡，所得的太阳辐射量最少，是山区辐射条件最差的地段之一。 下垫面状况主要指地表物理性质及其覆盖状况，最常见的如植被( 包括森 林、草地、农作物等) 、雪被、水体以及裸地等几类，其对辐射状况的影响主要 通过反射率差异表现出来。雪被，特别是新雪具有很强的反射能力( 新雪反射 率可达0 8 0 o 9 0 ) ，而水体的反射率则很小( 一般不超过0 i 0 ) 。它们对各地 辐射气候形成起着非常重要的作用。各种植被的反射率也可因种类及生育期不 同而有所差别。所以在辐射气候研究中，正确地确定各种下垫面反射率具有很 重要的意义。 2 1 2 大气物理因子 太阳辐射和地球长波辐射在大气中传播，由于受空气分子( 主要是c o 。、0 。、 o ：等气体) 、水汽以及气溶胶质粒的散射和吸收而消弱。这些物质对太阳辐射和 地球辐射具有复杂的吸收谱带，且有的互相重叠。空气分子和气溶胶质粒散射 也很复杂。因此，要准确描述瞬时辐射传输过程是比较困难的。首先可一般地 不考虑大气成分的改变以及由此产生对辐射的影响，只有水汽及气溶胶含量变 化才是最重要的影响因子。由于大气中水汽含量可通过气象观测得到，所以其 在辐射气候计算和分析研究中使用最多。大气气溶胶的特征场不易取得，研究 中常以某些相关的天气现象( 如霾、扬沙、尘暴、大风等) 日数间接表示，这 样做虽能说明一些问题，但远不及水汽资料那样直接、准确。 大气中c o ：含量变化主要对大气长波辐射产生影响，被认为是人类活动影响 气候的主要原因之一，并在各种气候模式中反映出来。但在大气长波辐射观测 研究中，还无法直接揭示出c o z 增加所引起的大气逆辐射增大现象，事实上它的 影响常被水汽作用所掩盖。 2 1 3 气象因子 云是大气中水汽相变的产物，它对辐射的影响很大。而且其物理机理比较 复杂，已成为当前辐射研究和气候模拟研究的重要课题之一。但从气候研究角 度看，云对辐射的影响还是比较清楚的。就云量影响来说，随着总云量的增多， 太阳辐射和大气长波辐射都发生相应变化，只是变化程度可因云状、地区不同 而有所差异。高、中、低云对辐射气候的影响，从总体上说也有所了解。基于 以上认识，各辐射分量的气候计算式通常都以其晴天值乘以某一云量( 或r 照 百分率) 函数表示。所以气候分析时，非常注意晴、阴天以及平均云量下的辐 射对比。 另外，人类活动对各地辐射气候状况也能产生作用。这主要是通过改变大 气中某些气体成分( 如c o 。) 及气溶胶含量，特别是改变局地地形和下垫面条件 表现出来，其中c o ：和气溶胶的增加以及大面积砍伐森林、草原开发、灌溉、水 利建设、城市化等的作用，已达到相当的程度。当前人们最关心的气候变化问 题，主要考虑的就是人类活动所引起的大气温室气体的增加所产生的温室效应 问题，大量砍伐森林和草原开发所引起的沙漠化问题。 2 2 国内外研究现状 2 2 1 国外研究现状 1 9 2 2 年a _ n g s t r 6 m 最先提出总辐射的气候学计算公式，稍后，k i m b a l l 在1 9 2 8 年提出了并证实了总辐射与云量存在着很好的线性关系 3 1 】，迄今为止，已经建 立了大量的太阳总辐射、直接辐射及散射辐射估算模型。总体看来，这些模型 包括理论模型和统计模型两大类f 3 2 ： l _ 理论模型 大部分的理论模型都详细地考虑了大气中的主要成分对太阳短波辐射的影 响，根据直接辐射与散射辐射产生的不同机理，分别对它们进行模拟。因此， 理论模型的结构往往非常复杂。对太阳短波辐射产生重要影响，并被用于理论 模型的大气物n n 子包括：大气分子、气溶胶粒子的散射作用和臭氧、二氧化 碳、水汽的吸收作用” ；气象环境因子包括云量、云的类型、云的分布或日照 百分率、日照时数，大气混浊度，大气可降水量等。由于理论模型都比较详的 考虑了大气中的主要成分对太阳短波辐射的影响，并且从辐射机理上分别对直 接辐射与散射辐射进行了模拟，因此理论模型很适合比较精确的对潜在太阳辐 射进行计算，但其计算步骤往往比较复杂。 比较适合计算潜在太阳辐射的理论模型有：得到广泛应用的l q b a lm o d e lc 3 4 ( i q b a l ，1 9 8 3 ) 以及被广泛应用于工程与建筑业的a s h r a em o d e l 3 5 】。 ( 1 ) i q b a lm o d e lc 与太阳光线垂直表面的直接辐射辐照度厶( 矿m 。) 为： ，。= 。，s ， 吉 2 ，。r ，r 。r 。r 。r 。 c z ， 式中 ，。为与太阳光线垂直表面的直接辐射辐照度，单位( w 。t ) ： 折算系数0 9 7 5 1 是由于光谱间隔为o 3 - 3 肼时积分引入的订正系数： r ，为空气分子r a y l e i g h 散射透射率，无量纲； r 。为气溶胶粒子散射透射率，无量纲： f 。为臭氧吸收透射率，无量纲： r 。为二氧化碳、氧气等均一混合气体的吸收透射率，无量纲； f 。为水汽吸收透射率，无量纲； 上述参数的计算式为： r ，= g “3 “：“h 一”叫 ( 2 2 ) r 。= 1 一 o 1 6 11 ( 1 + 1 3 9 4 8 ) “” 一o 0 0 2 7 1 5 u 3 ( 1 + o 0 4 4 u 3 + o ，0 0 0 3 u ；) - 1 2 - 3 t g = p - 0 0 1 2 7 m u 。1 6 ( 2 4 ) r 。：1 - 2 4 9 5 9 u 。 ( 1 + 7 9 0 3 4 u 。) s + 6 3 8 5 u 1 1 _ r 。：e f 螂+ k f p 舻” 其中 m 。为经气压订正后的空气质量，无量纲，可由下式计算 旷m ，( 志) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) m ，无量纲，为标准大气压下的空气质量，可以根据k a s t e n & y o u n g 公 式( 1 9 8 9 ) 精确计算： r2 面j 面面再1 面酽 他8 h 。为太阳高度角，单位：( d e g ) ； p 为实际大气压，单位：( 1 l p a ) ； u ，= f 。m ，为订正后的臭氧厚度，单位：( c m ) ； 乙为垂直方向上的臭氧厚度，单位：( c r n ) 。可以根据v a nh e u k o l ( 1 9 7 9 ) ， m a n a b e & s t r i c l d e r 3 8 1 ( 1 9 6 4 ) 的方案计算，一般情况下可取值0 3 4 c m ； u = m ，为订正后的大气可降水量，单位：( c m ) ； w 为气压= 1 0 1 3 2 5h p a ，气温= 2 7 3k 的理想大气条件下的大气可降水量，单 位：( c m ) 。可用下式根据实际大气可降水量w 计算： w w ，( 志 i2 7 _ 3 ) j 。， w 也可以根据地面观测资料，按下式计算( m g c h l e r ，1 9 8 5 ) 3 9 1 ： w o 。，。( e 冲( 2 6 ：s - 5 4 1 6 t ) ( 2 1 0 ， 其中，日，为空气相对湿度，为气温，单位：( k ) ，无量纲，为气溶胶吸收的光谱减弱系数，可按下式计算 。20 2 7 5 8 l = o 3 8 m + 0 3 5 l o 。a b ：o5 m ( 2 11 ) 其中，a ( , u m ) 为波长； m f i c h l e r e 3 9 1 ( 1 9 8 5 ) 认为，气溶胶粒子散射透射率f 。是能见度矿( k m ) 的函 数： t a = ( o 1 2 4 4 5 9 一0 0 1 6 2 ) + ( 1 0 0 3 - 0 1 2 5 8 ) 唧 - j 锄。( 1 0 8 9 a + o 5 1 2 3 ) ( 2 1 2 ) 一般地，取a = 1 3 ， 缸a g s t r 6 m 大气混浊度系数卢。按下式计算： 3 。= ( 0 5 5 ) 。( 3 。9 1 彩姐0 1 1 6 2 1 0 0 2 4 7 2 ( v 一5 ) + 1 1 3 2 ( 2 1 3 ) 水平面上的太阳直接辐射辐照度，。为： l = ，。c o s z o ( w m 。) ( 2 1 4 ) 水平面上的散射辐射辐照度( 矽川- 2 ) 由三部分组成，即：分子r a y l e i 曲 散射以( 驴+ m 。2 ) 、气溶胶散射d d ( 矽m 。2 ) 和地表与大气问的多重散射d 。 ( 形m 。2 ) ，即： i a = d ，+ 见+ 仇( 2 1 5 ) 其中： 。，- o ，b 卜s 汕o t o t g z w z o a0 5 ( z1 ) ，o - - m 。+ m p z ) 式中r 。为气溶胶粒子吸收透射率，无量纲，可由下式计算： r a a = i - ( 1 一z 。x l m 。+ m ：。6x 1 - - t a )( 2 1 7 1 叮。，无量纲，为气溶胶单向散射消减占气溶胶总消减量的比，一般地，可取值 0 9 ； 卟们9 ( 爿2 ，o s i 吣凡r 。k c h 功- t o o + m ) 他 式中 p ，无量纲，为气溶胶前向散射占总散射的比，一般地，可取值0 8 4 ； f 。= i ( 2 1 9 ) f 叩 d 。：( i n s i n - h _ e + d r + d a ) p g p , ( 2 2 0 ) 1 一p 。p 。 式中 p 。，无量纲，为地表反射率； 以，无量纲，为晴空逆反射率，可由下式计算： p 。= 0 0 6 8 5 + ( 1 一ex 1 一f 。) ( 2 2 1 ) h 。为太阳高度角。 s i n h 。= c o s z o ( 2 2 2 ) 水平面上的太阳总辐射辐照度，( 矿m - 2 ) 为： 扣驴( i n c o s z o + d , + d 忙孟 汜z 。， ( 2 ) a s h r a em o d e l a s h r a e m o d e l 的结构相对简单，因此，被广泛地应用于- 2 程与建筑业中。 在a s h r a e m o d e l 中，与太阳光线垂直表面的直接辐射辐照度。为： l ：( e ) 爿。一面b i p ：e 爿。一b 廿 ( 2 2 4 ) 式中 彳= ( 舭； c z z s ， b ，无量纲，为大气在整个太阳光谱波段范围内的消光系数； e ，无量纲，为表征晴空状况的经验系数 ( 形。) s e c 乙，近似于空气质量，p 为气压，为海平面气压，z 。为太阳 天顶距； 任意倾斜面上的太阳总辐射辐照度，7 ( w m 2 ) 由三部分组成：直接辐射辐照 度，。c o s o 、散射辐射辐照度，。和周围地物的反射辐射辐照度，( 矿m - 2 ) ，即： i t = ih c o s o + i d + i ?( 2 2 6 ) 其中 0 为太阳光线入射角： i d = c ，f 。( 2 2 7 ) c 表示晴天水平面上散射辐射，。与太阳光线垂直表面上直接辐射z 。之比：疋无 量纲，为倾斜面散射辐射的角度订正函数，其表达式为： 巴= + o 厂o s t z ( 2 2 8 ) 式中口为倾斜面的坡度； i ，= l t p g f ( 2 2 9 ) p 。，无量纲，为地表反射率； ，为水平面上的太阳总辐射； 名，无量纲，为倾斜面反射辐射的角度订正函数； 几 i c o s s g2 - ( 2 3 0 ) 2 统计模型 不同的统计模型所采用的因子并不相同，但基本上所有的统计模型都将云 量( n ) 或日照百分率( s ) 作为主要因子，c ! i 沙维诺夫在1 9 3 3 年详细研 究了s 与n 之间的关系“”“，并给出了如下关系式： 一n ：1 一! 二! ! ! ( 2 3 1 ) 2 可见，云量与日照百分率在形式上是完全统一的。 ( 1 ) 日照百分率模式 a n g s t r 6 m 4 2 1 ( 1 9 2 4 ) 确定了用日照百分率( s ) 来估算总辐射( 月平均日总量) ( h ) 的表达式： 日= 皿 c 0 + ( 1 一c o ) s s o ( 2 3 2 ) 式中 日，为可能太阳总辐射； c 0 为经验系数，代表全阴天条件下水平面上接受的太阳总辐射占可能太阳 总辐射的比例【4 3 】( b l a c ke ta 1 ，1 9 5 4 ) ： 在没有太阳辐射观测资料的情况下，很难精确估算可能太阳总辐射日，因 此，p r e s c o t t ( 1 9 4 0 ) 用天文辐射h o 替代a n g s t r 6 m 公式中的可能太阳总辐射 日，并给出如下计算式： 日= 砜 c 。+ c ：s s 。 式中 ( 2 3 3 ) c i 、c 2 为经验系数； 尽管a n g s t r 6 m p r e s c o t t 公式的形式非常简单，但在世界各地得到了广泛的 使用。迄今为止，8 0 多年的检验证明，a n g s t r 6 m p r e s c o t t 公式是有效的。p a g e 4 5 】 ( 1 9 6 1 ) 在使用a n g s t r 6 m p r e s c o t t 公式估算长年平均总辐射时指出：a n g s t r 6 m p r e s c o t t 公式的线性形式在估算极端气候条件下( 即：s t s 。= 1 的完全晴天和 s s 。= 0 的完全阴天) 的总辐射值时，结果可能偏大。这一观点被b e n s o n 等 人 4 6 1 ( 1 9 8 4 ) 和m i c h a l s k y 4 7 1 ( 1 9 9 2 ) 在估算日总辐射量时所证实。据此，p a g e 提出了二次项的总辐射估算式： 日= h 。 c ，+ c 4 s s 。+ c 5 ( s s 。) 2 ( 2 3 4 ) 式中 c 3 、c 4 、c 5 为经验系数； 二次项形式的总辐射估算模式，在此后的很多研究中也被证明是有效的 4 8 】 ( h i n r i c h s e n ，1 9 9 4 ) 。 f i m g s t r 6 m - p r e s c o r 公式主要缺点是：模式的经验系数需要实测资料用回归等 统计方法确定，且经验系数会随着地区和时间的不同而变化。 ( 2 ) 云量模式 云对辐射有重要影响，也是一般气象台站的常规观测资料之。长期以来， 对云量、云高、云状等资料的观测，主要依靠观测员目视记录。直至1 9 9 1 年， 在美国等发达国家逐步推广应用自动气象站之后，才开始用仪器对云进行观测。 k i m b a l l 4 9 1 ( 1 9 2 8 ) 根据美国站点的资料，得出太阳总辐射的云量估算模式； h = h 。k + c ，( 1 一) 】 ( 2 3 5 ) 式中 、c ，为经验系数，为平均总云量； 云对太阳辐射有重要影响，影响到大气对辐射的反射、吸收和透射等多方面。 根据云对直接辐射和散射辐射的不同机理，可以分别设计直接辐射云量估算模 式和散射辐射云量估算模式。 直接辐射云量估算模式的形式相对简单： h 6 = 以6 ( 1 一n ) ( 2 3 6 ) 式中 h 。为直接辐射；h 。为可能直接辐射 上式中的总云量v ，在不同的研究中采用不同的处理方法，主要有两种类 型：对不同的云不作区别，取总云量 5 0 1 ( m u n r o ，1 9 9 1 ) ；将不同的云分为 透光云和蔽光云两种类型，模式中使用蔽光云的总云量 5 1 】( d a v i e s m c k a y ， 1 9 8 9 ；k i m u r a & s t e p h e n s o n ，1 9 6 9 ) 。 据m o n t e i t h 5 3 1 ( 1 9 6 2 ) 、m u n r oa n dy o u n g 5 4 1 ( 1 9 8 2 ) 等的研究，散射辐射云量 估算模式由两部分组成，即： 以= d 1 + d 2 ( 2 3 7 ) d l = h d ( 1 一n ) 十n - ( 1 一a 。一a 。) ( 2 3 8 ) d 2 = ( h 曲+ d 1 ) n a p 9 0 一a 6 p ) r 1 ( 2 3 9 ) 式中 h 。为散射辐射； 。为晴空散射辐射； 为云的吸收率； a 。为云顶反射率； a 。为云底反射率； 因此，上式中d 。表示无云天空的散射与云散射的总和；d 2 表示由地表和云底间 的多重反射形成的散射辐射。 更加复杂的云量模式，将云分成多层，并分别模拟各层云对辐射的影响，文 献中也常称这类模式为分层云量模式，其一般形式为： ， h = 日。n ( 1 一g + c t , q ) 0 - p 9 6 ) ( 2 4 0 ) i = 1 式中 14 e 为第i 层云量； c z 为第i 层云的透射率； ，为云的分层数： b 为大气对地表反射辐射的后向散射率： 2 2 2 国内研究现状 对于辐射的研究，我国起步较晚，主要是从1 9 5 7 年开始建立全国日射观测 站网后，才真正发展起来。在此之前仅做过一些零星的工作。经过4 0 多年的努 力，已经取得了很大的进展。 我国对于辐射方面的研究，大致经历了两个阶段。五六十年代属于起步阶 段，主要工作以应用国外已有的辐射计算方法结合国内资料进行，并在此基础 上提出一些适合我国的计算方法。其中研究的比较多的是太阳总辐射的计算方 法，还初步提出了有关直接辐射和散射辐射的计算式。左大康等最先完成了对 我国地表辐射平衡各分量的计算和分析，初步揭示出我国辐射气候的基本特征。 有的作者还开展了区域或单站辐射气候特征分析。这期间，陈隆勋等、左大康 等还对我国地气系统和大气辐射气候进行了计算研究。傅抱璞对坡地辐射的理 论研究达到了很高的水平。 七十年代后期以来，随着资料的完善和计算能力的提高，我国对于辐射的 研究进入了新的发展阶段。高国栋、陆渝蓉对我国地表平衡做了再次研究。随 后我们逐一发表了总辐射、直接辐射、散射辐射、地表反射率、大气逆辐射、 地表有效辐射和地表净辐射的气候计算方法及其分析结果，从而使我们对我国 的辐射气候特征有了更全面地了解。 1 9 7 9 年夏季的青藏高原气象科学实验以及1 9 8 2 1 9 8 3 年的青藏高原地面热 源考察较为全面、深入的研究青藏高原地表辐射特征提供了最宝贵的资料基础。 揭示出诸如青藏高原地表辐射场基本特征及其季节变化特点，以及各辐射要素 随海拔高度变化规律等系列重要结论。 8 0 年代中期开展了起伏山区地面辐射场的数值模拟和坡面辐射气候计算方 法的研究，比较真实地描绘出山区3 3 5 k m2 范围各辐射分量的分布，具体地显 示出坡地自身坡向、坡度及地形遮蔽程度的重大影响。绘制出了平均云量条件 下坡地直接辐射、总辐射和净辐射的全国分布图。 卫星辐射气候研究在近期也取得了较快的发展。钟强及其同事们主要针对 青藏高原低一气系统辐射咀及利用卫星辐射资料结合辐射模式反演地面辐射场 方面开展了工作。 1 太阳总辐射 1 9 6 3 年左大康等5 5 1 最先系统地研究了我国总辐射的气候计算问题，提出了 以a n g s t r f m 式为基础的全国统一的总辐射气候计算式 q = q o ( o 2 4 8 + o 7 5 2 s 1 ) ( 2 4 1 ) 并首次绘制出具有气候学意义的中国年、月总辐射分布图，讨论了其分布规律。 1 9 6 4 年瓮笃呜等【5 6 从推导晴天直接辐射、散射辐射和总辐射计算公式的一般性 着手，论证了采用天文辐射计算总辐射及其分量的合理性，并针对我国地理、 气候条件对全国( 除青藏高原) 分四区提出如下经验公式，即： q = & ( o 6 2 5 s ，+ o 1 3 0 ) ( 华南) q = s o ( o 4 7 5 s l + 0 2 0 5 ) ( 华中) q = s 。( o 7 0 8 s 。+ o 1 0 5 ) ( 华北) q = s o ( o 3 9 0 s 1 + o 3 4 4 ) 晒北) ( 2 4 2 ) 还就天空遮蔽度特征的函数形式，云量和日照百分率的关系，以及直接辐射和 散射辐射的气候计算作了讨论。1 9 8 2 年祝昌汉在此基础上进一步就总辐射气候 计算中的基本问题作了较全面、深入的论述嘞1 ，再次论证了i n g s t r 6 m 式的合 理性。 王炳忠等提议把理想大气总辐射q 引入总辐射计算式，以改善经验式的 稳定性，其形式为 q = q 1 0 + b s l ) ( 2 4 3 ) 他们还从日照和云量的各种经验组合中，对遮蔽度函数形式作了比较详细的对 比，证实以采用日照百分率的效果最好。 在诸多的总辐射气候计算式中，朱志辉所提出的全国统一计算方法有其特 殊性，他先后提出了计算各月总辐射的线性和非线性回归模型： q 强lb o + 乳ti ( 2 4 4 ) 和q = s 。b 。+ 芝( 害b ，z ? + 芝c 。石，x 。 icz45)i=1 k = i + l 和= 。l 。+ l ，z h v il l、，= li 式中一，为因子，b 。，b ，b ，为相应的回归系数，作者共选用了海拔高 度，日照百分率和水气压等6 个基本因子，经逐步回归筛选最终得出相应的总 辐射气候计算式。 随着气候模拟研究的发展，有的作者开始应用辐射模式来做总辐射的气候计 算。钟强应用二流近似模式计算了青藏高原晴天总辐射“。王世放、高国栋则 主要应用文献 3 4 介绍的辐射参数化模式c 计算了全国l 、7 月晴天总辐射，并 由此建立起总辐射气候计算式9 “。 2 太阳直接辐射 关于太阳直接辐射的气候计算问题，由于实际应用不及总辐射广泛，所以总 的研究还不多。我国的作者从6 0 年代开始针对我国具体情况也提出了一些太阳 直接辐射的计算方法。 1 9 6 4 年瓮笃鸣等在讨论总辐射气候计算方法的时候，也提出了直接辐射的 计算式【5 6 】： s = s o 陋l + b s ? ) ( 2 4 6 ) 这里s 。，s 。分别为直接辐射和天文辐射的月平均日总量或平均通量密度，a ，b 为经验系数。针对当时日射资料较少的特定条件，分区得出各地的口，b 系数。 高国栋、陆渝蓉得到另外形式的太阳直接辐射计算式”“： s 。= 。+ b s 0 5 l ( 2 4 7 ) 并按冬、夏两半年分别确定各站系数值。认为这是顾及8 ，b 系数的季节差异， 并考虑到当日照百分率为0 时，尚有部分太阳直接辐射透过中、高云而到达地 面的可能性。 朱志辉针对太阳直接辐射计算式中经验系数区域推广的困难，分月建立全国 统一的计算式“： s ：s 。f 。+ 喜包。， ( 2 4 8 ) 式中引入的因子x 较多，包括海拔高度、月平均日照百分率、月平均水汽压、 月平均总云量、月浮尘日数、烟幕日数等。 3 太阳散射辐射 关于太阳散射辐射气候计算的问题，总的研究也并不多见，其原因与直接 辐射的原因相同。国内对散射辐射的研究起于六十年到初期。 国内的研究工作比较注重云对散射辐射的影响【6 3 。1 9 6 4 年瓮笃鸣等5 6 1 在分 析云对散射辐射影响的基础上，提出 d = s o 忙+ b n ) ( 2 4 9 ) 并针对全国四个区域拟合出a ，b 系数。 祝昌汉1 根据散射辐射气候计算式的最一般形式，参照文献中已使用以及可 能使用的各种天空遮蔽度函数形式，设计了8 种经验函数，并通过实测拟合、 对比，最后提出 d = k q f ( 口+ b n _ i ：r + c n ) ( 2 5 0 ) 式中q 为理想大气总辐射，n 。，n 。分别为中高云量和低云量，七位于地表反射 率有关的参数，其经验表达式有 d1 扣石翻 5 1 ) a ，b ，c 为经验参数，还初步给出它们的参数化形式。 朱志辉【4 0 1 注意到了利用简单线性模式拟合散射辐射的精度还不够高，以及 经验系数在空间内插推广比较困难等情况，提出在全国范围内分月建立统一的 多元回归方程，即 厂，、 d = s 。ib 。+ z b i ( 2 5 2 ) 式中b 。，b l ，b ，b ，为经验系数，x 。，x 。，x ，为影响因子，通过筛选 最后确定出包括海拔高度、水汽压、总云量等6 个因子。 2 3 辐射研究中应注意的一些问题 日射站点稀少是各种气候学辐射估算模式未能得到发展的根本原因。在影响 辐射的众多因子中，有关天文因子和地理因子方面的研究已经相当成熟。所以， 辐射估算模式的重点就在于模拟大气对太阳辐射的影响。理论模式虽然具有坚 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、大气可降水量等交量，这些变量很难获得，因而限制了理论模式 的推广应用。经验模式结构简单，使用日照百分率、云量等常规气象观测资料 建立的辐射经验估箅模式，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确定，且经验系数随时间、地点而变 化。因此，在实际地形下太阳辐射空间分布研究中，理想的途径是建立既具有 一定物理基础、结构简单的半经验、半理论性质的辐射估算模式模拟大气辐射 过程，在充分考虑辐射传输的物理机制的基础上，选择具有明确物理意义的主 要因子，以突出其主导作用是很重要的。 在日照百分率和云量这两个遮蔽因子的选择方面，一般地，日照百分率要优 先于云量。这是因为在现阶段，日照百分率是器测项目，而云量是目测项目； 日照百分率观测记数比较精确，而云量记数一般采用十进制或八进制，比较粗 略等原因引起的。 在辐射气候计算中，任何公式都必须满足一定的精度要求，但也要考虑到要 素本身的观测精度问题。一般认为，就全国或一个大的区域来说，对总辐射的 气候计算公式，精度达到5 就很好了。而对太阳直接辐射、散射辐射，精度达 到1 0 已能满足需要。 第三章实际地形下潜在太阳辐射的空间分布研究 在晴天无云的理想条件下，根据太阳光线与实际地形间的几何关系，研究 坡度、坡向等地形因子对太阳辐射的影响，探讨太阳辐射在复杂地表上的分配 规律，建立实际地形下潜在太阳辐射的估算模型，为实际地形下太阳辐射的估 算提供起始数据。 3 1 模型的建立 3 1 1 基本参数的确立 计算地球表面任意一点的太阳辐射，需要确立一些基本的天文参数。主要 包括太阳高度角、太阳方位角、赤纬、日出与日落时间、地球表层大气外界上 空的垂直太阳辐射强度等。 1 太阳高度角( 口) 与太阳方位角( a 。) 太阳高度角是太阳光线与水平面的夹角。太阳方位角是太阳光线在水平面 上的投影与当地子午线的夹角，正北为零度。它们与地理纬度、太阳直射地球 时的位置( 赤纬) 以及时角有关。计算公式分别为”： s i n a = s i n l s i n 5 ，+ c o s l c o s 5 ，c o s h 。 ( 3 1 ) s i n a ：= c o s s 。s i n h ，c o s a( 3 2 ) 式中：l 为地理纬度；占。为赤纬：h 。为时角。 2 赤纬( 占。) 和时角( ，) 赤纬是在赤道坐标系中，从天赤道起沿太阳的赤经圈到太阳的角距离，太 阳在天赤道以北为正，以南为负，变化范围为0 2 3 4 4 。计算公式为“”： 5 。= 2 3 4 5 十s i n ( 3 6 0 。 ( 2 8 4 + n ) 3 6 5 ) f 3 3 ) 式中：为日序，1 月1 日为l ，1 2 月3 1 日为3 6 5 。 时角描述太阳在2 4 h 内的运动情况，以当地真太阳时正午为零度，下午为正， 上午为负，每一小时为1 5 度。即： 3 日长和日出日落时间( h k ) 日出和日落时间之间的时间间隔为日长。 0 。即： s i n a = 0 = s i n l s i n 占。+ c o s l c o s ，c o s h 。， h ：，= c o s 。1 ( _ t a n l t a n 5 ，) h 。= 一hs r ( 3 4 ) 在日出和日落时刻太阳高度角为 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 4 大气上界垂直入射的太阳辐射强度 当太阳光线垂直入射在大气上界时，其太阳辐射强度为“： ，。= s o ( 1 + 0 0 3 4 4 c o s ( 3 6 0 0 n 3 6 5 ) ) 妒聊4 )