（气象学专业论文）实际地形下山西省太阳辐射分布式模拟.pdf

摘要 基于1 ：2 5 0 ，0 0 0d e m 数据和山西省1 0 9 个气象观测站气象常规资料以及周 边省份共2 1 个日射站点辐射资料，以地理信息系统( g i g ) 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。计算了山西省l o o m l o o m 分辨率的 天文辐射、直接辐射、散射辐射以及地形反射辐射、总辐射的空间分布；分析 了起伏地形下太阳辐射受地理、地形因子影响的变化规律，模拟结果精细反映 出地形因子( 坡向、坡度、地形相互遮蔽) 对起伏地形下太阳辐射空间分布的 影响，得出如下结论： ( 1 ) f 【西省实际地形下四季天文辐射量均值分布依次为夏季 春季 秋季 冬季；山西省实际地形下年天文辐射量由南向北呈递减趋势；冬季地形因子对 山西省天文辐射分布影响最大，而夏季地形对天文辐射分布影响最小。 ( 2 ) 山西省实际地形下年直接辐射量分布呈现出北高南低的特点。 ( 3 ) 山西省四季散射辐射的空间变化幅度较直接辐射小；盆地是散射辐射 高值区，海拔较高的山地则是散射辐射的低值区。 ( 4 ) 山西省地形反射辐射量的低值区稳定出现在盆地等开阔度大的区域， 而高值区都出现在山地；从山西省多年平均值来看，地形反射辐射量仅是直接 辐射量的1 。 ( 5 ) 山西省四季太阳总辐射大小依次为夏季 春季 秋季 冬季；山西省年 太阳总辐射量由南向北逐渐增加，高值区主要集中在北部的大同盆地，低值区 主要出现在恒山、五台山、太岳山、中条山和太行山等山区；总辐射量的大小 决定于直接辐射和散射辐射，但主要决定于直接辐射。 关键字：实际地形，山西省太阳辐射，d e m ，g i s i i i a b s t r a c t d u et ot h ei n f l u e n c e so fl o c a lt o p o g r a p h i c a lf a c t o r sa n dt e r r a i ni n t e r - s h i e l d i n g ， c a l c u l a t i o no fs o l a rr a d i a t i o nq u a n t i t yo v e rr u g g e dt e r r a i n si sv e r yc o m p l e x b a s e do n 1 ：2 5 0 ，0 0 0d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) d a t a ，g r o u n do b s e r v e dd a t af r o m 10 9 m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n sa n d2 1 p r i n c i p l e so fd i r e c ta n dd i f f u s es o l a rr a d i a t i o no nt i t l e s u r f a c ei no ra r o u n ds h a n x i sp r o v i n c e ，ad i s t r i b u t e dm o d e lf o rc a l c u l a t i n gs o l a r r a d i a t i o no v e rr u g g e dt e r r a i n si su s e d t h i sm o d e lg i v e sa na l l s i d e dc o n s i d e r a t i o no n f a c t o r si n f l u e n c i n gs o l a rr a d i a t i o n n o r m a lo fa 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 y r e f l e c ta n dg l o b a ls o l a rr a d i a t i o n q u a n t i t y w i t ht h er e s o l u t i o no f lo o m x1o o mf o rs h a n x ip r o v i n c ew 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 rr a d i a t i o n q u a n t i t yi n f l u e n c e db yg e o g r a p h i ca n dt o p o g r a p h i cf a c t o r so v e rr u g g e dt e r r a i n sw e r e a n a l y z e d t h ef o l l o w i n ga r ec o n c l u d e d ： ( 1 ) i nt h ea c t u a lt e r r a i no fs h a n x ip r o v i n c e ，s e a s o n a la v e r a g ed i s t r i b u t i o no ft h e a m o u n to fa s t r o n o m i c a lr a d i a t i o ni sf o l l o w e db ys u m m e r s p r i n g a u t u m n w i n t e r 珏ea m o u n to fa s t r o n o m i c a lr a d i a t i o ni sd e c r e a s e dw i t hl a t i t u d e u p p e r 功e d i s t r i b u t i o no fa s t r o n o m i c a ls o l a rr a d i a t i o ni ns h a n x ip r o v i n c ei si n f l u e n c e dm o s tb y t e r r a i ni nw i n t e r , w h i l el e a s tb yt e r r a i ni ns u n l m e r ( 2 ) i nt h ea c t u a lt e r r a i no fs h a n x ip r o v i n c e ，d i r e c tr a d i a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h e w h o l ey e a ri sc h a r a c t e r i z e da sh i g hi nn o r t ha n dl o wi ns o u t h ( 3 ) 1 1 1 es p a t i a lv a r i a t i o no fd i f f u s er a d i a t i o ni sl e s st h a nd i r e c tr a d i a t i o ni n s h a n x i b a s i ni sh i g h - v a l u ea r e a so fd i f f u s er a d i a t i o n ，b u tm o u n t a i ni sl o w - v a l u e a r e a s ( 4 ) l o w - v a l u ea r e a so fs h a n x it o p o g r a p h yr e f l e c t i o nr a d i a t i o ni st h eb a s i n ，a n d h i g h v a l u ed i s t r i c ti st h em o u n t a i n s t h er e f l e c t i o nr a d i a t i o ni s1 o fd i r e c tr a d i a t i o n ( 5 ) g l o b a ls o l a rr a d i a t i o na b o u ts e a s o n a la v e r a g ei ns h a n x ii sf o l l o w e db y s u m m e r s p r i n g a u t u m n w i n t e r s h a n x ig l o b a ls o l a rr a d i a t i o ni sag r a d u a li n c r e a s e f r o ms o u t ht o n o r t h ，h i 曲v a l u ea r e a sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h en o r t h e r np a r to f d a t o n gb a s i n ，m a i n l yl o w - v a l u ea r e ai n t h eh e n g s h a n ，w u t a im o u n t a i n ，t a i y u e m o u n t a i n ，t a i h a n gm o u n t a i n sa n dt h ez h o n g t i a om o u n t a i n s ，e t c t h et o t a la m o u n to f s o l a rr a d i a t i o nd e t e r m i n e db yt h es i z eo ft h ed i r e c tr a d i a t i o na n dd i f f u s er a d i a t i o n ，b u t m a i n l yo n t h ed i r e c tr a d i a t i o n k e y w o r d ：t h ea c t u a lt o p o g r a p h y , s o l a rr a d i a t i o n ，s h a n x ip r o v i n c e ，d e m ，g i s l v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：聋垦垒 日期：羁l 一 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：地型- 9 二 日期： 1 2 ：生 11 研究区域概况 第一章引言 山西省地处黄河中游，黄土高原东翼，地理坐标为北纬3 4 0 3 4 - 4 0 0 4 3 。、东经 1 1 0 。1 4 w 1 1 43 3 a 东西宽约2 9 0 公里，南北长约5 5 0 公里，全省总面积1 s 6 万平方公里， 约占全国总面积的1 6 ，总人口3 3 0 0 余万人占全国总人口的2 4 。境界轮廓略呈 东北斜向西南的平行四边形。东有巍巍太行山作天然屏障，与河北省为邻；西、南以涛涛 黄河为堑与陕西省、河南省相望；北跨绵绵内长城，与内蒙古自治区毗连。见图1 1 山 西省行政区域地形地势图。 雾 图1 1 山西省行政区地形地势圈 1 1 1 地形地貌 山西地形较为复杂，境内有山地、丘陵、高原、盆地、台地等多种地貌类型。山区、 丘陵占总面积的三分之二以上，大部分在海拔i 0 0 0 米至2 0 0 0 米之间。最高点为五台山 的北台叶斗峰，海拔3 0 5 8 米，最低点在垣曲县境内西阳河入黄河处，海拔仅1 8 0 米。山 西表里山河，东界太行山，西有吕梁山，北亘北岳恒山、五台山，南耸中条山，中立太岳 山，由南向北分布有运城盆地、临汾盆地、上当盆地、太原盆地、忻定盆地和大同盆地。 1 1 2 江河湖泊 主要河流有汾河、海河两大水系。境内有大小河流1 0 0 0 多条，其中流域面积大于1 0 0 平方公里、河长在1 5 0 公里以上的有2 4 0 条，大于4 0 0 0 平方公里、河长在1 5 0 公里以 上的有汾河、沁河、涑水河、三川河、昕水河、桑干河、滹沱河、漳河等。汾河最长，全 长6 5 9 公里。被称为中华民族文化摇篮的黄河，北自偏关县老牛湾入境，飞流直下，一泻 千里，抵芮城县风陵渡而东折，南至垣曲县碾盘沟出境，途经1 9 县5 6 0 个村庄，流程9 6 5 公里。 1 1 3 气候 山西地形多样，高差悬殊，地处中纬度地区，距海不远，但因山脉阻隔，夏季风影响 不大，属温带大陆陛季风气候，冬寒夏暖，四季分明，南北差异和垂直差异较大。山西年 平均气温3 c 1 4 。c ，昼夜和南北温差较大。西部黄河谷地、太原盆地及晋东南的大部分 地区，平均温度在8 1 0 之间；临汾、运城盆地年均温度达1 2 1 4 。冬季气温 全省均在0 以下，夏季全省普遍高温，7 月份气温介于2 l 2 6 之间。山西无霜期南 长北短，平川长山地短。大同盆地为1 1 0 1 4 0 天，五台山仅8 5 天，忻州盆地以北和东 部山区1 3 5 1 5 5 天，临汾、运城盆地则长达2 0 0 2 2 0 天。全省年降水量在4 0 0 6 5 0 毫米，但季节分布不均匀，夏季6 月8 月降水高度集中且多暴雨，降水量约占全年的6 0 以上。全省降水受地形影响很大，山区较多，盆地较少。山西有三个多雨区，一是晋东南 太行山区和中条山区，二是五台山区，三是吕梁山区。 1 2 山西省实际地形下太阳辐射分布式模拟的意义与目的 太阳辐射是太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流，地球所接受的太阳辐射能量仅为 2 太阳宇宙空间放射的总能量的二十二亿分之一。但却是地球表层能量的主要来源。到达地 球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量；太阳辐射通过大气，一部分到达地面， 称为直接太阳辐射；另一部份为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。 被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射 太阳辐射；地面接收到的太阳辐射总量称为总辐射。 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【l 】；它在地表上的 分配变化会根本改变云覆盖、温度、湿度、降水和大气环流特，怔【2 。3 】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；太阳辐射还是太阳能资源评估、农业生产潜力 估算等方面的重要参数。 局部地形的变化，如坡向坡度等，极大地影响着地表实际接收的太阳辐射量卜引，在起 伏地形情况下投射到坡面的太阳辐射除受坡面本身地形因子的影响外，还受到周围地形因 子( 地形遮蔽) 的影响。随着太阳在天空中的运行轨迹的变化，地形之间的相互遮蔽影响 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，但也更有意义。 分布式模型可以清楚地考虑下垫面特性的空间变化及每个网格点的地形特征及其与周围地 形间的相互影响，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。 目前为止，有很多省份都进行了太阳辐射分布式模拟，在山西省实际地形下的太阳辐 射分布式模拟还是空白，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，结合山西省实际地形，进行山西省实际地形下太阳辐射分布式模拟对了解山 西省太阳能资源分布及其对山西气候变化的影响等方面都具有非常大的现实意义。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 国内外水平面太阳辐射研究 水平面太阳辐射研究主要集中在两类模式，理论模式和经验模式1 ，理论模式具有坚 实的物理基础，但模式的结构非常复杂，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，主要的理论模型见表1 1 。 3 表1 1 理论模型 模型名称作者时间 i q b a lm o d e lc 【1 0 】i q b a l 19 8 3 m e t s t a tm o d e l 1m a x w e l l19 9 8 a s h r a em o d e l 1 2 a s h r a e19 9 9 p a g em o d e l 1 3 1p a g e 19 9 7 r e s tm o d e l 1 4 】 g u e y m a r d 2 0 0 2 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旧引。 1 3 2 国内外起伏地形下的太阳辐射研究 傅抱璞( 1 9 5 8 ) n 引、朱志辉( 1 9 8 8 ) n6 1 、翁笃鸣n 铂( 1 9 8 1 ，1 9 9 7 ) 、r e v f e i m ( 1 9 7 8 ) 对坡地太 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u 8 。2 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 a m s 心( 1 9 7 2 ) 、 d o z i e r 扭2 删( 1 9 9 0 ) 、b o c q u e t 伫4 1 ( 1 9 8 4 ) 、李新陋朝( 1 9 9 9 ) 等尝试用d e m 来计算山地的太阳辐射 为实际地形下的太阳辐射计算提供了新思路；邱新法心1 ( 2 0 0 3 ) 、曾燕伫6 删( 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。 4 第二章起伏地形下山西省天文辐射分布式模拟 天文辐射又称为地球外太阳辐射、大气顶太阳辐射，是地球表面不考虑大气影响、仅 由日地天文关系所决定的太阳辐射，是地表实际太阳入射辐射的基础背景，也是辐射计算 中重要的天文参量。我们所说的起伏地形下的天文辐射是指除考虑日地天文关系外还要考 虑地理、地形因子( 包括坡度、坡向和地形遮蔽) 影响的地表太阳辐射。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的坡度、坡向的影响，而不考虑地形之间相互遮蔽的影响【w j 。事实 上，起伏地形中，周同地形的遮蔽作用会强烈影响局地可照时间的分布【2 9 1 ，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【2 1 1 ，从而形成复杂的太阳辐射 空间分布。 在借鉴以往学者研究工作的基础上【2 7 之引，利用起伏地形下天文辐射分布式计算模型， 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，全面考虑地形因子对 辐射的影响【3 9 】，计算山西各月天文辐射的空间分布( 1 0 0 m x l o o m 分辨率) ，探讨山西省天 文辐射时间、空间分布的基本规律。 2 1 研究方法 2 1 1 水平面天文辐射i 水平面天文辐射方面的研究已经相当成熟m 。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 天顶距历的余弦成正比，即 ，= ( 吉) 2 厶( s i n 9 s i n 6 + c 。s 妒c 。s 6 c 。s ) c 2 t ， 其中： ，为不考虑大气影响情况下的水平面上的太刚辐照度，单位：m j m - 2 m i n - 1 ； 而为太阳常数，是地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的 单位面积在单位时间内所收到的太阳辐射的全谱总能量，根据w m o 的标准，一般取 而= 0 0 8 2m j m - 2 m i n - 1 ； ( 吉) 2 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， 2 = 1 0 0 0 1 0 9 + 0 0 3 3 4 9 4 c o s r + 0 0 0 1 4 7 2 s i n r + o 0 0 0 7 6 8c o s2 f + 0 0 0 0 0 7 9s i n2 r 9 为测点地理纬度，单位：弧度； d 为太阳赤纬，在天赤道以北为正，以南为负，单位：弧度， 6= 0 0 0 6 8 9 4 0 3 9 9 512c o sf - t - 0 0 7 2 0 7 5s i nr 一0 0 0 6 7 9 9c o s2 f + o 0 0 0 8 9 6 s i n 2 f 一0 0 0 2 6 8 9 c o s 3 r - i - 0 0 0 1 5 1 6 s i n 3 f 为太阳时角，从真太阳时正午算起，向西为正，向东为负，单位：弧度； f 为日角，以弧度表示，用日序风来确定，仇从1 月1 日的1 到1 2 月3 1 日的3 6 5 ( 假 定2 月为2 8 天) ，f = 2 z r ( d 一1 ) 3 6 5 。 根据( 2 1 ) 式，可以计算任一地点、任一时刻水平面天文辐照度厶但必须满足兰0 的 条件，即在o 秋季 冬季，表现出了季节的不对称性，有明显的季节变化，与日地距离对天文辐射 的影响相对应；四季标准差的大小依次为，冬季 秋季 春季 夏季，次序正好与四季天 文辐射均值分布时间变化趋势相反，标准差反映了数据间的离散和差异程度，夏季标准差 最小，说明夏季天文辐射分布的数据离散度小，夏季由于太阳高度角较高，地形因子对天 文辐射的影响相对于其他季节要小，夏季天文辐射的空间差异不大，整体水平都比较高， 所以空间分布不明显；而冬季则反之，天文辐射标准差最大，这是因为太阳高度角较低， 地理、地形因子的影响较大。所以由标准差的值的变化规律也可以得出：地形因子在四季 中的作用大小依次为：冬季 秋季 春季 夏季。 山西省地形复杂，山区和丘陵占总面积的2 3 ，本文以冬季的1 月、夏季的7 月山西省 天文辐射分布图( 图2 4 ) 来看山地对山西省天文辐射的影响。以横亘在山西省南部的中条 山为例，1 月份向阳山坡和背阴山坡的天文辐射差异非常大，向阳坡天文辐射以高值区的 红色为主，而背阴坡则以低值区的蓝色调为主；在7 月份向阳坡和背阴坡虽然也有差异但 是效果不明显。 为了进一步比较地形对辐射的影响程度，将分布式模型计算的山西省起伏地形下1 月、 7 月的山地天文辐射( 该结果全面考虑了地形因子的影响) 与对应月份的水平面天文辐射 1 1 圈2 4 山西省四牢无文辐射量窀州分粕罔( 单位m j m 2 ) ( 该结粜未考虑地形因子的影响) 之比恳生成空间分布图( 图25 ) 。由阁25 可以看出， 1 月份肥最大值2 3 4 ，即山地最大大文辐射为平地的23 4 倍，可见在冬季太阳高度角较低， 地形对天文辐射的影响强烈，其影响是不容忽略的；而7 月份，腕最大值仅为l0 0 1 ，即山 1 2 地最人天文辐射与平面天文辐射相当，因此在夏季，地形对天文辐射影响不明显 围25 山西省实际地形f 1 月、7 月天文辐射量分靠幽( 单位m j m2 ) l ! 兰 掣，_ 9 圈26 山f q 省实际地形下1 月、7 月凡分舶罔 2 4 3 年天文辐射空间分布 围27 山两省宴断地形下年天文j i i 射量分御罔( 啦位m j m - 2 ) 根据图2 7 得出山西省境内年最高天文辐射量为1 3 0 1 2 m j m 。2 ，年最低年天文辐射量为 4 8 m j m ，年平均天文辐射量为1 0 5 4 9 m j m 。从图中可以看出，年天文辐射具有明显的南 北分布差异，辐射量随着纬度的增加由南向北减少；由于受坡向、坡度和地形遮蔽等实际 地形的影响，山区表现出明显的地带性分布特征。山西省境内南部的中条山，北部的恒山、 五台山等地由于受地形影响向阳坡和背阴坡天文辐射存在明显的差异。 2 5 结论 本章得出的主要结论为： ( 1 ) 山西省l 1 2 月逐月平均天文辐射量的最大值为7 月1 2 4 9 m j m 之m o n t h 一；最小 值为1 2 月4 6 6 m j m 五m o n t h 一； ( 2 ) 山西省一年四季中天文辐射量的大小依次为夏季 春季 秋季 冬季，表现出 四季分布的不对称性； ( 3 ) 山西省年天文辐射量，从南向北随着纬度的升高呈递减趋势，年平均天文辐射 量为1 0 5 4 9m j m 。 ( 4 ) 冬季太阳高度角比较低，坡度、坡向、遮蔽度等地形因子对山西省天文辐射的 影响比较大，背阴坡和阳坡的差异很大；夏季太阳高度角较高，天文辐射空间差异较小。 四季中地形和地理因子对辐射影响大小依次为冬季 秋季 春季 夏季。 1 5 第三章实际地形下山西省直接辐射分布式模拟 直接辐射是地表接收太阳辐射的重要分量，是辐射研究中所探讨的重要内容之一。影 响到达实际起伏地形中太阳直接辐射量的因素包括天文地理因子、局地地形因子、大气物 理因子和气象因子等【4 8 1 。水平面直接辐射研究已经形成了较为成熟、可靠的计算方法，但 投射到坡面的太阳直接辐射除了受到天文地理因子、大气状况等的影响外，还受到坡地的 坡向、坡度、地形起伏所造成的相互遮蔽以及下垫面的非均匀性的影响，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在不断的响应变化之中，这使得起伏地形下 太阳直接辐射场变得非常复杂，但也更有意义【3 6 】。本章在前人研究的基础上，应用常规气 象观测站点的日照百分率数据、辐射观测站点的辐射数据和1 ：2 5 万数字高程模型( d e m ) 数 据，基于曾燕、邱新法等 3 0 ，3 7 1 建立的起伏地形下直接辐射分布式模型，考虑了地形因子( 坡 向、坡度、地形遮蔽) 对太阳直接辐射空间分布的影响，拟合出适用于山西省的经验系数， 计算了实际复杂地形下山西省太阳直接辐射的空间分布，并完成1 0 0 m x l 0 0 m 分辨率的山西 省直接辐射空间分布制图。 3 1 计算方法 我国的气象站点是按照行政区域来布局的，这些气象站基本都建立在开阔的平地上， 其辐射观测资料仅代表了水平面的观测结果，而且数量有限，这些有限站点的平面辐射数 据难以反映实际起伏地形中太阳辐射的空间分布。本文以分布式模型为核心，以地理信息 系统为数据处理平台，以山西省及周边6 省的2 1 个辐射观测站和1 0 9 个气象观测站建站以 来的观测数据作为原始数据，充分考虑了地表起伏等非均匀性因素对太阳辐射空间分布的 影响，建立起伏地形下太阳直接辐射分布式计算模型。 3 1 1 原理 根据坡地太阳直接辐射的计算方法，起伏地形下太阳直接辐射9 叩的计算式为例： q a p = q o 叩莹= q 叩吃= q = q o 叩鲁虽= q o 叩五色 ( 3 1 ) 1 6 式中：9 筇为起伏地形下天文辐射量( 指无大气存在时地面能够接收到的太阳辐射量， 计算模型详见文献) ；9 妒为起伏地形下太阳直接辐射量：q 0 为水平面天文辐射量；9 为水平面太阳直接辐射量；q 为水平面太阳总辐射量； = 警为直接透射率，表示大气对太阳直接辐射的消减程度r2 鲁称转换因 子，为起伏地形下天文辐射与水平面天文辐射之比，表示地形对太阳直接辐射的影响； = 譬为直接分量，是水平面直接辐射与水平面总辐射之比；毛2 芸为晴空指数， 是水平面总辐射量与水平面天文辐射之比。 根据( 3 1 ) 式，已知9 叩，q o ，9 ，即可算出起伏地形下的直接辐射9 筇，起伏地形下天 文辐射q o 叩、水平面天文辐射q o 采用第二章的计算结果，水平面直接辐射q 6 则根据气象站 观测资料建立经验模型的方法计算获得。 所有资料由中国气象中心和山西省气象信息中心提供( 所用资料都经过了初步的质量 控制) ，主要有：山西省1 0 9 个气象站从建站- - - 2 0 0 6 年月平均常规气象要素观测资料和山西 省及其周边6 省总计2 1 个辐射站点的辐射资料( 包括总辐射和直接辐射) ，具有直接辐射 观测资料的为1 0 个，在资料应用之前，对所有资料进行了严格的质量检测和筛选。 3 1 2 山西省水平面太阳直接辐射拟合模型 直接辐射是入射到地球表面的太阳总辐射的重要分量，二者有高度的相关性【3 7 l 。因此 构造如下函数模拟水平面直接辐射【3 6 】。 q = q 磊= q ( ，一口) 一p 竿 式中：石定义为直接分量，反映直接辐射占总辐射的比例；s 为日照百分率； ( 3 2 ) 珥b ，c 为经 ( 3 2 ) 式有明确的物理意义，即在全阴天，当s = 0 时，无直接辐射，即q 6 = o ；在全晴天， 当s 趋于l 时，入射到地表的太阳总辐射主要由直接辐射组成，q 6 趋于q ( 1 一。【) 。 采用山两省及其周边省份1 0 个直接辐射观测站实测资料，利用统计软件s p s s 拟合( 3 2 ) 式中经验系数口、b 、c ，为了分析经验系数的时间和空间变化特征又分别采用了以下模式来 建立模型。 1 7 ( 1 ) 统一模式：将所有日射站所有月份的太阳直接辐射观测数据集群作为一个样 本，建立综合统一的太阳直接辐射估算模式。( 模型数量：1 ) ( 2 )分月模式：将所有日射站同月份太阳直接辐射观测数据集群作为一个样本，分 月建立太阳直接辐射估算模式。 ( 模型数量：1 2 ) ( 3 ) 分站模式：将单个日射站全年所有月份太阳总辐射数据集群作为一个样本，分 别建立各站年太阳辐射估算模式。( 模型数量：1 0 ) ( 4 ) 单站分月模式：将单个日射站同月份总辐射数据集群作为一个样本，分别建立 各日射站各月太阳总辐射估算模式。( 模型数量：1 0 1 2 = 1 2 0 ) 统一模式既没考虑模式中经验系数的时间变化也没考虑模式中经验系数的空间变化； 分月模式只考虑了模式中经验系数的时间变化；分站模式只考虑了模式中经验系数的空间 变化：单站分月模式考虑了模式中经验系数的空间和时间变化。 由表3 1 可以看 l j ：统一模式误差最大，精确度最低；分站模式相关系数最低；单站分 月模式较分月模式的误差小；分月模式相关系数较单站分月模式大。综合考虑稳定性和精 确度等因素，本文选用了分月模式，表3 2 给出了分月模式的经验系数值及系数标准差值。 表3 1 水平面直接辐射估算模式统计分析表 表3 2 分月模型经验系数 对于具有水平面总辐射观测资料的气象站来说，结合日照百分率观测资料，用分月模 1 8 式就可获得较高精度的水平面直接辐射估算结果，但由于具有水平面太阳总辐射观测资料 的气象站数量有限，大多数气象站都只有日照百分率等常规观测资料，应用公式( 3 3 ) 来 拟合太阳直接辐射还需要获得水平面太阳总辐射。 3 1 3 水平面太阳总辐射估算模型 大量研究表明，太阳总辐射与日照百分率之间存在良好的相关关系，估算模式如下【1 l ： q = q o ( 口g + 6 g s ) ( 3 3 ) 式中a g , b g 是经验系数。 由( 3 - 3 ) 式得 毛= 虽= + 6 g j ( 3 4 ) 其中i t , 为晴空指数( 即水平面总辐射与水平面天文辐射之比) 。 ( 3 3 ) 式的物理意义为：在全阴天，当严0 时，互趋于q 0 口g ，入射到地表的哒到最小； 在全晴天，当s 趋于1 时，q 趋于q o ( a 6 4 - b g ) ，入射到地表的q 达到最大。a o ，b g 是与地形无直 接关系的大气参数，主要与各地的气候特征和大气透明度等因素有关。 经分析山西省及其周边共2 1 个日射站实测资料表明，水平面太阳总辐射和日照百分率 存在良好的线性关系，利用统计软件s p s s 拟和( 3 4 ) 式中经验系数口o 、b 。，分别采用四种数 据集群方案进行建模。 表3 3 给四种数据集成方案的统计结果：单站分月模式在统计上估算精度最高，与统一 模式相比其相关系数最小；统一模式相对误差最大；分月模式相关系数比分站模式大，但 精确度比分站模型小；综合考虑模型统计指标、样本数量、以及各数据集成方案在反映气 候要素时空变化特征等方面的因素，本文选用了分站模式。 水平面总辐射拟合经验系数见表3 4 。 表3 3 水平面总辐射估算模式统计分析表 1 9 表3 4 水平面总辐射拟合经验系数 在山西省范围内利用地理信息系统a r c g i s ，采用逆距加权插值法( i d w ) ，将单站全年 模型获得的山西省及其周边省份2 1 个站点的水平面总辐射估算的经验系数g g ，b a 进行空间 内插，生成山西省境内水平面总辐射估算经验系数a o ，b e 的空间分布图；进一步获得山西省 内1 0 9 个常规气象观测站的水平面总辐射估算经验系数。 由( 3 2 ) 式和( 3 3 ) 式，得到： f ，一b s 。、 q = o o ( a o + s b a ) ( 1 一口) i1 - e 1 。5 l = 缆 ( 3 5 ) l 应用( 3 5 ) 式，根据确定的经验系数，结合常规气象站的日照百分率观测资料；就可以 得到所有站点的水平面太阳总辐射9 ，之后采用内插的方法获得山西省1 0 0 m 1 0 0 m 分辨率 9 的空间分布。 3 1 4 起伏地形下山西省太阳直接辐射分布模拟 运用公式( 3 1 ) ，结合计算的山西省1 0 0 m x1 0 0 m 分辨率起伏地形下天文辐射时空分布、 水平面天文辐射时空分布和水平面太阳直接辐射时空分布，即可获得山西省1 0 0 m 1 0 0 m 分辨率起伏地形下太阳直接辐射的时空分布。 2 0 3 2 结果分析 3 2 1 四季直接辐射的分布 按照3 5 月代表春季，6 8 月代表夏季，9 1 1 月代表秋季，1 2 月、1 月和2 月代表冬季，合 成山西省实际地形下直接辐射季节分布图并对其特征进行统计分析，表3 5 ，表3 6 和表3 7 分别给出了山西省实际地形下太阳直接辐射的辐射量、透射率和转化因子的统计量。由于 太阳常数变化极小，所以太阳直接辐射的大小主要是由太阳高度角和大气透明度所决定的， 从表3 5 1 - 以看出，四季中直接辐射量最大值出现在夏季，最小值出现在冬季，原因主要来 自于太阳高度角，由于夏季太阳高度角较高因此接收到的直接辐射量最大，冬季太阳位于 南半球，高度角最小因此接收到的直接辐射量最小；表3 7 给出的是逐月的转换因子，转化 因子是水平面直接辐射( 未考虑地形因素) 与起伏地形下直接辐射( 考虑地形因素) 的比 值，该因子反映了地形作用的大小，从转换因子的变化来看，1 月、1 1 月和1 2 月的最大值 和平均值均较大，5 月、6 月、7 月、8 月的值相对较小，从季节演变来看则是夏季最小，冬 季最大，而秋季又较春季略大，说明当太阳高度角逐渐增大的时候，地形作用的影响正逐 渐减弱。 表3 5 四季直接辐射量特征统计( 单位m j m 。2 ) 春季夏季秋季冬季 平均值8 1 49 1 06 2 74 3 8 标准差9 l8 7 1 1 2 1 0 6 表3 6l 、4 、7 、1 0 月直接透射率特征统计 表3 7 全年逐月转换因子特征统计 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月 平均值o 9 9 0 o 9 8 80 9 8 7 0 9 8 6 o 9 8 6o 9 8 60 9 8 60 9 8 6o 9 8 7 0 9 8 8 0 9 8 9 o 9 9 0 标准差0 2 3 5 0 1 6 60 1 0 4o 0 5 40 0 2 80 0 2 3o 0 2 4o 0 3 90 0 7 90 1 3 7 0 2 0 9 o 2 5 6 图3 1 给出了山西省四季直接辐射分布图，从图3 1 中可以看出： ( 1 ) 山西省春季直接辐射值随着纬度的升高而增大，呈现出北中南的分布，晋北大同 盆地和忻定盆地直接辐射值较高，南部临汾盆地和运城盆地太阳直接辐射值明显低于北部 2 l 图3 1 山两省实际地形下太刚直接辐射四学分布图( 单位m j m 2 ) 2 2 地区，中部太原盆地和南部上党盆地的直接辐射则位于南北部中间。 ( 2 ) 山西省夏季直接辐射的平均值为9 1 0m j m 一，空间分布特征同春季相似，总体上 表现为北高南低的分布特征，高值区主要分布在大同盆地，低值中心出现在晋中的部分地 区，由于夏季转换因子较小，地形因子的作用不明显，数据离散程度较小，直接辐射的空 间分布差异也最小；同时夏季太阳高度角较高，造成了夏季直接辐射总体偏大的特征：但 随着汛明的米临，云量、雨量都有所增加，降低了夏季的大气透明度，从而引起了夏季直 接辐射的分布差异。 ( 3 ) 山西省秋季直接辐射的平均值为6 2 7m j m ，高值区主要分布在大同盆地内和北 部山区的阳坡位置，低值区分布于山区的背阴坡和南部的临汾和运城盆地。秋季日照百分 率逐渐减小，直接辐射量的南北差异总体变小，随着大气的透明度的增加和太阳高度角的 降低，地形对辐射的影响作用又逐渐显现出来。 ( 4 ) 山西省冬季太阳直接辐射的值普遍比较低，平均值为4 3 8m j m ，不到夏季平均 值的一半，冬季标准差的值最大，数据的离散程度也最大。冬季太阳高度角较低，大气透 明度较好，局部地形对直接辐射的空间分布影响达到最大。 ( 5 ) 综合来看，四季的直接辐射量的大小依次为：夏季 春季 秋季 冬季，与天文辐 射的时间分布趋势一致。 3 2 2 年直接辐射分布 图3 2 给出了山西省起伏地形下年太阳直接辐射分布图。 山西省起伏地形下太阳直接辐射量的多年平均值为2 7 8 8 m j m 五；从山西省年太阳直接辐 射的分布图来看，直接辐射量呈现出北部高，南部低的空间分布特点；从太行山脉和吕梁 山脉太阳直接辐射量的空间分布可以看出受起伏地形和坡向、坡度等局地因子的影响，山 区太阳直接辐射量的空间差异比较明显，向阳山坡的年直接辐射量明显高于背阴山坡，横 亘在南部的中条山区尤为明显。 田3 2 山两肯起伏地形下年太阳直接辐射分靠圈( 单位m j m2 ) 3 3 结论 ( 1 ) 山西省直接辐射量的时间分布：夏季 春季 秋季 冬季，与天文辐射一致； ( 2 ) 起伏地形下的山西省太阳直接辐射空间分布是天文、地形、大气等因子相互作 用的结果，山西省年太阳直接辐射量呈现出北部高，南部低的空间分布特点； ( 3 ) 山西省气候平均月直接透射率时间分布：秋季 冬季 春季 夏季； ( 4 ) 山西省直接辐射空间分布差异随时间的变化大小为：直接辐射年总量的空间差 异最大，然后依次是冬季、秋季、春季而夏季空间差异最小。局地地形对太阳 年直接辐射空间分布的影响非常大，尤其是太阳高度角较低的冬半年；局地地 形对太阳直接辐射的空间分布的影响是造成山区太阳辐射分布不均的主要原 因。 第四章实际地形下山西省散射辐射分布式模拟 散射辐射是地表太阳总辐射的另一重要分量，散射辐射的大小与太阳高度角、大气透 明度、云量及云状等有关。近年来，散射辐射的计算方法得到了很大的发展，已经不仅仅 局限于经验模式 1 , 4 0 】，利用成分分解模型研究散射辐射的成果众多4 1 4 2 1 。本章在前人研究的 基础上，应用复杂地形下太阳散射辐射的分布式估算模型，利用山两省及周边1 0 个散射辐 射观测站点资料迸行试验分析，确定符合山两省的经验系数，基于l ：2 5 万的数字高程模型 ( d e m ) 数据，全面考虑复杂地形中坡度、坡向、坡面自身遮蔽及地形间的相互遮蔽作用对 太阳散射辐射的影响，计算了复杂地形下山西省四季及年气候平均太阳散射辐射的空间分 布，完成1 0 0 m x l 0 0 m 分辨率的山西省散射辐射空间分布制图，并探讨了天文地理因子、大 气状况和地形因子等对太阳散射辐射的影响。 4 1 散射辐射计算模型 散射辐射复杂的产生机理，使得从理论上精确计算由天穹各散射点到达复杂地形下的 散射辐射量是比较困难的。现有的坡地散射辐射计算模式有两类，即各向同性模式m 3 和各向异性模式h 3 “1 。不同的学者曾对这两个模式做过试验和比较，各向异性模式能较好 的反应起伏地形下太阳散射辐射在空间上的分布差异。而各向同性模式假设各个方向的散 射均匀，因此坡向的作用和地形的相互遮蔽作用不能很好地表现出来。因此本文选用各向 异性模式。 4 1 1 各向异性模式 在散射辐射各向异性的前提下，复杂地形中散射辐射的计算式为【3 9 1 ： q 。叩= q 。 【( q qd ) q 。k 。+ vd 一【(