基于ArcGIS的復雜地形下太陽輻射分析計算

金鑫 楊禮簫

摘要分析了ArcGIS空間分析技術計算太陽輻射的過程，并利用ArcGIS空間分析技術和黑河上游山區DEM數據以及靠近黑河上游山區葫蘆溝小流域的野牛溝氣象站的日照時數資料確定的透射率和散射比率兩個天氣因子，計算了黑河上游山區太陽輻射分布。最后，用位于葫蘆溝小流域的3個氣象站的實測太陽輻射數據進行了分析驗證，結果證明方法可行。

關鍵詞太陽輻射；ArcGIS；數字高程模型；大氣效應

中圖分類號S181.3；P422.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）23-07952-04

基金項目國家自然科學基金重點項目“黑河上游土壤水文異質性觀測試驗及其對山區水文過程的影響”（D010102-91125010）；蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金（lzujbky2014258）。

作者簡介金鑫（1988- ），女，青海西寧人，博士研究生，研究方向：水文模型。

鳴謝感謝國家自然科學基金重點項目“黑河上游土壤水文異質性觀測試驗及其對山區水文過程的影響”（D010102-91125010）資助。同時，感謝中國科學院寒區旱區環境與工程研究所黑河上游生態-水文實驗研究站以及陳仁升教授提供的實驗數據和指導幫助。

收稿日期20140707太陽輻射在大氣和地表的能量交換過程中有重要意義[1-2]。地球上99.8% 的能量來自太陽[3]。太陽輻射是地球上化學、物理、生物等過程的主要能源，也是水文模擬模型、生物物理模型研究中的重要參數。到達地表的太陽輻射量主要受到3個方面的影響：①太陽幾何因素；②地形因素；③大氣效應[4]。在景觀尺度上，地形是決定太陽輻射分布的最重要的因素。隨著一些學科研究尺度的擴展，太陽輻射的空間分布特征日趨重要[5-8]。不同位置在高程、方向（坡度和坡向）及地形要素投射的陰影等方面存在的差別，會對接收到的日照量產生影響[9-14]。這種差異還將隨太陽幾何因素或一天和一年中時間的不同而發生變化，從而導致小氣候的不同，其中包括空氣和土壤溫度狀況、蒸發量、積雪融化模式、土壤濕度以及可用于光合作用的光等因素[15-16]。太陽輻射的觀測由于其設備復雜、成本高，其觀測密度往往小于溫度、降水等氣象因素的觀測密度。在缺乏太陽輻射觀測站點的地區，太陽輻射值的計算往往是通過空間內插進行的，地形因子也往往被忽略或簡化[17-20]。但是在一些地形復雜的區域，簡單的空間內插就有了很大的局限性[4-8]。

太陽輻射還受到大氣因素的影響，如云、氣溶膠等。但是大氣因素對太陽輻射影響的定量研究有一定的復雜性。模擬大氣因素對太陽輻射的影響有一定的挑戰性。國外，Dozier等率先利用DEM（數字高程模型）計算了復雜地形條件下的太陽輻射值，使得太陽輻射的計算有了更好的精度和更強的空間性等[21-22]。Agostino等[23]、Beyer等[24]利用遙感資料計算太陽輻射，這種方法雖然精度不高，但是體現了太陽輻射在空間上的變化特征。隨后，GIS（地理信息系統）技術的發展為太陽輻射的分析計算提供了數據基礎和計算平臺，基于GIS的太陽輻射計算模型應運而生[25-27]。這些模型往往只能計算晴空條件下的太陽輻射值，對于實際天氣情況下的太陽輻射計算所用的方法、資料都趨于復雜。在國內，李新等[5]、傅抱璞[28-30]等學者均研究了太陽輻射計算模型。國內目前對于實際地形條件下太陽輻射值的計算是基于DEM進行的，對于實際天氣情況下的太陽輻射計算，所運用的方法和資料也往往趨于復雜[7，16]。

該研究運用ArcGIS強大的空間分析功能，在計算太陽輻射時從黑河上游山區30 m分辨率DEM數據獲取地形因子（坡度、坡向、地形遮擋），計算地形對太陽輻射的影響。并運用研究區域中靠近太陽輻射實測站點的野牛溝氣象站的日照時數資料計算透射率和散射比率兩個因子，從而較簡便地計算出大氣效應對太陽輻射的影響[31-32]。通過使用上述方法，可以獲得研究區域實際地形、天氣條件下的太陽輻射值。

1數據來源與研究方法

1.1數據與研究區域概況該研究選擇了葫蘆溝流域及臨近的黑河上游山區為研究區域。該地區地形起伏大（2 640～4 880 m），地形遮蔽明顯。氣候類型屬于高原山地氣候，氣溫隨高度增高而降低，氣候垂直變化顯著，在一定高度內，濕度大、多云霧、降水多。迎風坡降水多，雪線低；背風坡降水少，雪線高。夏季多降水，冬季較干燥。冬季降水形式為降雪。

研究采用了中國科學院寒區旱區環境與工程研究所黑河上游生態-水文實驗研究站位于葫蘆溝流域的3個氣象站（、）2011年日太陽輻射觀測值與ArcGIS輸出結果作比較。研究區域基礎數據采用中國西部環境與生態科學數據中心提供的30m*30m的數字高程數據。

太陽輻射觀測站點及氣象站分布1.2研究方法

1.2.1ArcGIS太陽輻射建模。入射太陽輻射源自太陽，穿過大氣層時會發生改變，然后由于地形和表面要素進一步發生改變，最后在地球表面被分別截取成直射部分、散射部分和反射部分。截取的直接輻射是源自陽光的暢通無阻的直光線。散射輻射則是由于被大氣中的云和塵埃等成分分散。反射輻射則是經過表面要素的反射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽輻射總量或整體日輻射量（）。

入射太陽輻射被截取成直射部分、散射部分和反射部分通常，直射輻射是輻射總量中最多的部分，而散射輻射則排在第二位。反射輻射通常僅構成輻射總量中很小的一部分。通常散射輻射和反射輻射部分的和僅占太陽總輻射量的10%～20%[33]。ArcGIS中的太陽輻射工具在計算輻射總量時將反射輻射排除在外。因此，輻射總量將計算為直接輻射和散射輻射的總和。太陽輻射工具可對某些點位置執行計算。包括以下4個步驟：①根據地形計算仰視半球視域；②在直射太陽圖上疊加視域以便判斷直射輻射；③在散射星空圖上疊加視域以便判斷散射輻射；④對每個感興趣的位置都重復上述過程便可生成日照圖。由于輻射會受到地形和表面要素的極大影響，因此需要在數字高程模型（DEM） 中為每個位置生成一個仰視半球視域（），這是該計算算法的一個重要組成部分。可見天空的大小在決定某位置的日照方面起重要作用[34-38]。

半球（魚眼鏡頭）相片[32]視域可與太陽位置和天空方向信息（分別用太陽圖和星空圖表示）結合使用，從而計算出每個位置的直射、散射和輻射總量（直射 + 散射）并生成準確的日照圖。計算日照時，在視域柵格中疊加太陽圖柵格和星空圖柵格可以計算出從每個天空方向接收到的散射輻射和直接輻射。計算每個扇區中可見天空區域比例的方法為，用每個扇區中未遮擋像元的數量除以像元的總數。可以考慮部分遮擋的天空扇區。和說明了在太陽圖和星空圖上分別疊加視域的情況。灰色表示受遮擋的天空方向。計算太陽輻射的方法為，將源自未受遮擋天空方向的直接日照和散射日照相加[33-37]。

視域與太陽圖疊加的示例[32]視域與星空圖疊加的示例[32]1.2.2參數確定。ArcGIS計算點太陽輻射時需要點的位置信息（緯度、高程）、地形因子、大氣因子（散射比例、透射率）。高程信息從輸入的DEM數據中讀取。地形因子主要是點所在位置的坡度、坡向信息。可以根據DEM數據利用ArcGIS本身的空間分析功能進行計算，也可以手動輸入實際測量值。此處選擇ArcGIS本身的空間分析功能進行計算。該研究在確定兩個大氣因子時，運用了位于葫蘆溝流域附近的野牛溝氣象站的日照時數資料。

根據已有研究成果[31-32]，將研究區域的天氣情況分為以下幾種類型：①非常晴朗；②普通晴朗；③非常多云；④普通多云。并且根據已有研究，確定這幾種情況下散射比例與透射率的值（散射比例與透射率成反比例關系），如所示。

根據野牛溝氣象站提供的2011年每日日照時數數據，該研究作出了如下劃分：①1月1日至3月21日（春分日），日照時數大于8.5 h，則認為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數小于8.5 h，大于6 h，則認為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數大于3 h，小于6 h，則認為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數小于3 h，則認為這一天非常多云，即中的天氣情況3。②3月21日到9月23日（秋分日），日照時數大于10 h，則認為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數小于10 h，大于8 h，則認為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數大于5 h，小于8 h，則認為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數小于5 h，則認為這一天非常多云，即中的天氣情況3。③9月23日至12月31日，日照時數大于8.5 h，則認為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時數小于8.5 h，大于6 h，則認為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時數大于3 h，小于6 h，則認為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時數小于3 h，則認為這一天非常多云，即中的天氣情況3。

野牛溝氣象站每日日照時數安徽農業科學2014年2結果與分析

將確定好的所有參數輸入ArcGIS軟件太陽輻射分析工具界面，得到研究區域內3個太陽輻射觀測站點上的模擬日太陽輻射值。在每個站點上，對于模擬的太陽輻射值和太陽輻射實測值進行比較（、8、9），并在每個站點上對模擬值和實測值進行相關性分析，結果見0、11、12。

1號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較2號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較 3號站點模擬的2011年日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值比較01號站點處模擬的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關性 12號站點處模擬的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關性23號站點處的日太陽輻射值和實測的日太陽輻射值相關性由0與2可以發現在站點1處，ArcGIS的日太陽輻射模擬結果最好；站點3處的模擬結果并不理想。經過分析，原因可能有以下幾點：①站點1距離野牛溝氣象站最近，且站點1處于中山地帶，天氣狀況相對穩定。但是站點3處于高山地帶，氣候受海拔高度影響較大。尤其是在夏季，天氣多變。該研究所使用的野牛溝氣象站氣象數據無法很好地反映3號實測站點當地的氣象情況；②研究在計算ArcGIS中兩個大氣因子時，根據已有研究對其進行了概化。實際上，不同的日照時數可能對應不同的大氣因子；③在3個站點處，模擬值都小于實測值。因為ArcGIS計算太陽總輻射值時，忽略反射輻射部分。

3結論與展望

ArcGIS強大的空間分析功能可以在計算太陽輻射時從DEM數據中獲取地形因子，計算地形對太陽輻射的影響。并通過透射率和散射比率兩個因子計算出大氣效應對太陽輻射的影響。該研究在計算參數時，運用黑河上游山區30 m分辨率DEM數據獲取了地形因子（坡度、坡向、地形遮擋）。并運用研究區域中靠近太陽輻射實測站點的野牛溝氣象站的日照時數資料確定了透射率和散射比率兩個大氣因子。計算結果表明ArcGIS能夠較好地模擬點上的太陽輻射值，關鍵在于獲取準確的地形因子以及透射率和散射比率兩個大氣因子。

因該研究中，確定透射率和散射比率兩個大氣因子時，都用了概化的值。所以并不能很好地模擬天氣因素對太陽輻射值的影響。在今后的研究中，可以利用多個站點的實測日照時數、實測太陽輻射值計算出不同的季節里，不同的日照時數對應的不同的透射率和散射比率值。另外，在一些地表反照度高的地區使用ArcGIS計算太陽輻射時，可以加入反射輻射的值，使結果更加貼近實測值。

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