基于Arc GIS的中溫帶不同天氣類型點太陽輻射分析——以佳木斯市轄區為例

梅曉丹，毛學剛，范文義，王 強，劉丹丹，張為成

（1．黑龍江工程學院 測繪工程學院，黑龍江 哈爾濱150050；2．東北林業大學 林學院，黑龍江 哈爾濱150040）

入射太陽輻射是地球上生物和物理過程驅動的主要能源來源。在景觀尺度上，地形是一個決定空間差異性日照的主要因素，這種差異性也隨著每天時間和每年時間而變化。太陽輻射強度取決于諸多因素，主要包括：大氣條件，地球相對于太陽的位置、日照時間、海拔高度、地形、地貌及障礙物影響等。Arc GIS太陽輻射分析工具，可以分析在特定時間周期的特定位置或地理區域所受太陽的影響，其適用空間尺度為點或景觀，時間尺度為日、月和年，并廣泛應用于復雜地形的太陽輻射研究。目前，在國內外的研究中，許多太陽輻射模型僅能適用晴空或陰天條件下復雜地形的太陽輻射，但對于實際天氣情況下的太陽輻射關注較少。因此，如何考慮天氣狀況，將日照時間、天氣類型和輻射參數相關，進行不同天氣類型入射太陽輻射分析是本文探究的問題。

1 研究區概況及數據準備

1．1 研究區概況

佳木斯位于黑龍江省東北部，北緯45°56′～48°28′，東經129°29′～135°5′，面積3．27萬k m2。佳木斯市屬中溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期。地貌自西南向東北形成山地—丘陵—平原的過渡形式。這里以佳木斯市轄區為例，進行中溫帶不同天氣類型的Arc GIS點太陽輻射分析。

1．2 數據準備

1）輻射數據和日照時數數據：佳木斯輻射臺站的日值數據集和地面氣候臺站的日值數據集都來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：／／cdc．c ma．gov．cn／ho me．do）。從研 究 區 的輻射日值數據集中，提取模擬驗證所需的2007年佳木斯輻射臺站太陽輻射數據，日總輻射曝輻量（0．01 MJ／m2）。 佳 木 斯 輻 射 臺 站，緯 度 為46°49′，經度130°17′。Arc GIS太陽輻射 分析的模擬日總輻射曝輻量（WH／m2），并需要兩者單位之間的轉換；另外，依據佳木斯輻射臺站的經緯度值，采用Arc GIS生成點狀矢量要素，坐標系統為 WGS－84，投影類型為UT M Zone 52 N；從研究區的中國地面氣候資料日值數據集，提取模擬驗證所需的2007年佳木斯輻射臺站每日的日照時數數據（h）。

2）地形數據：佳木斯市轄區GDEM DEM 30 m分辨率數字高程數據產品來源于地理空間數據云網（http：／／www．gscloud．cn）。投影類型：UT M／WGS84，空間分辨率30 m，數據格式為I mageFile柵格數據（＊．i mg）。運用佳木斯市轄區的矢量邊界，使用Arc GIS10．1的掩模提取工具，獲取佳木斯市轄區的GDEM DEM 30 m數據。

2 研究方法

2．1 Arc GIS的太陽輻射模型和計算方法

到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。入射太陽輻射穿過大氣層到達地面，會受到大氣、地形和表面要素的影響。太陽的直接輻射就是通過直線路徑從太陽射來的光線；散射輻射則是經過大氣分子、水蒸氣、灰塵等質點的影響，改變了方向的太陽輻射；反射輻射則是經過表面要素的反射太陽輻射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽輻射總量。由于反射輻射所占太陽輻射總量較小，因此Arc GIS10．1的空間分析中的太陽輻射工具，忽略反射輻射，太陽輻射總量為直接輻射和散射輻射的總和。利用太陽輻射分析工具計算入射太陽輻射的景觀或特定位置的方法，其是由Rich et al．依據半球形視域算法所開發的，并由Fu and Rich進一步發展。總輻射量（Globaltot）是整個太陽圖和星空圖的直接輻射（Dirtot）和散射輻射（Diftot）之和，而且兩者是分別計算的。給定位置的總直接輻射（Dirtot）是計算所有太陽圖扇區的直接輻射（Dirθ，α）之和。給定位置的總散射輻射（Diftot）是計算所有星空圖扇區的散射輻射（Dif）之和。在Arc GIS的散射計算中，包括2種散射模型：均勻擴散模型和標準陰天模型。前者，所有天空方向的入射散射輻射均相同，而后者，入射散射輻射通量隨天頂角而變化。雖然兩者計算給定的天空扇區散射輻射相對全部天空的比例（Weightθ，α）的方法不同，但都與天空部分天頂角的上下限和星空圖方位角的切分數相關。

2．2 基于Arc GIS的太陽輻射模擬方法

這里以佳木斯市轄區為研究區，使用Arc GIS的點太陽輻射分析工具（Points Solar Radiation），對單點佳木斯輻射臺站進行2007年入射日太陽輻射分析。主要采用兩種模擬思路，見圖1所示：一是默認情況的點太陽輻射模擬，輻射參數使用默認值，即散射模型為均勻擴散模型，散射比例（Diff use proportion）為0．3，透射率（Trans mittivity）為0．5；二是依據2007年每日的日照時數（h），對當前年的365 d進行天氣狀況分析和天氣類型劃分，散射模型采用均勻擴散模型和標準陰天天空模型相結合的方式，散射比例和透射率則依據4種天氣類型分別進行取值，進行4種天氣類型的點太陽輻射模擬。其它參數設置，均采用默認值。由于Arc GIS的太陽輻射分析是按照景觀尺度和當地尺度設計，緯度值采用佳木斯輻射臺站所在的佳木斯市轄區DEM自動計算平均緯度值，其值約為46．69°N

圖1 基于Arc GIS的佳木斯點太陽輻射分析

2．2．1 日照時數和天氣類型的關系分析

2007年佳木斯氣象臺站的每日日照時數和統計值，見圖2、圖3所示。日照時數和天氣類型的關系分析，主要從3個方面進行：①根據天文四季的劃分方法，將2007年佳木斯地面氣候臺站的日照時數數據，按天文四季的劃分方法，分別計算4個季節的日照時數平均值：春季約為7．7 h，夏季約為8．3 h，秋季約6．5 h，冬季約為5．3 h。其中，春分日約為9．6 h，夏至日約為13．5 h，秋分日約為6．5 h，冬至日約為3 h；②佳木斯市轄區符合北半球中緯度四季晝夜長短變化規律；③在Arc GIS的太陽分析中，默認一日中小時間隔為0．5 h。根據已有研究成果［16－17］，將研究區域的當年365 d劃分為4種天氣類型：非常晴朗、一般晴朗、一般多云和非常多云。經過以上日照時數和天氣類型的關系分析，則將天氣類型和日照時數的關系劃分為2類：一類是春季和夏季，另一類是秋季和冬季，這兩類分別選擇不同的每日日照時數臨界點：秋季和冬季，晝短夜長，3 h，6 h，8．5 h；春季和夏季，晝長夜短，5 h，8 h，10 h 依據日照時數和天氣類型的關系，將2007年佳木斯天氣類型劃分：非常晴朗為106 d，占整年天數比例29%；一般晴朗為109 d，占整年天數比例30%；一般多云為69 d，占整年天數比例19%；非常多云為81 d，占整年天數比例22%。

圖2 佳木斯氣象臺站的每日日照時數

圖3 佳木斯氣象臺站的每日日照時數統計值

2．2．2 天氣類型劃分和確定輻射參數

根據已有研究，確定這幾種情況下散射比例與透射率的值。在Arc GIS軟件中，系統默認：①散射比例，通常非常純凈的天空約為0．2，非常多云的天空約為0．7；②大氣透射率的理論值范圍從0（無傳輸）到1（全部傳輸）。通常觀察值是0．6或0．7為非常晴朗的天空條件，而0．5指一般晴朗的天空，透射率與散射比例參數成反比關系。依據日照時數和天氣類型的關系分析，以及散射比例與透射率的關系，從而確定天氣類型、每日日照時數和輻射參數的關系，見表1所示。

表1 天氣類型、每日日照時數和輻射參數的關系

3 結果與分析

由于模擬佳木斯輻射臺站2007年的日太陽輻射值，共365 d，而且每日所對應的天氣類型和輻射參數有所不同。因此，這里通過Excel創建4種天氣類型的批處理表，并按天氣類型將對應的輻射參數值設定每日日太陽輻射模擬參數，然后采用Arc－GIS10．1軟件的點太陽輻射分析批處理工具進行模擬，獲得研究區域內佳木斯輻射臺站點上的日太陽輻射模擬值。將兩種方法的日太陽輻射模擬值和輻射臺站日太陽輻射實測值進行比較，并對模擬值和實測值進行相關性分析，結果見圖4～圖6。

圖4 兩種日太陽輻射模擬值和輻射臺站實測值比較

圖5 日太陽輻射模擬值（默認）和輻射臺站實測值的相關性

圖6 日太陽輻射模擬值（天氣）和輻射臺站實測值的相關性

由圖4所見，在整年365 d時間段內，佳木斯輻射臺站點處，兩種方法日太陽輻射模擬值和輻射臺站實測值變化趨勢基本符合正弦曲線形狀，峰值都基本出現在第165～174 d，即夏季6月中下旬，且模擬日太陽輻射值都低于輻射臺站實測值。由圖5和圖6所見，在軟件默認輻射參數模擬情況下，日太陽輻射模擬值和輻射臺站實測值的相關性R2僅為0．573 4，而按天氣類型劃分和設定輻射參數，日太陽輻射模擬值和輻射臺站實測值的相關性R2達到0．899 5，模擬精度和效果更好。主要原因分析：①前者，全年每日都假設為一般晴天情況，采用同一種散射模型、散射比例和透過率，其表現為1條正弦曲線變化。而后者，全年分為4種天氣類型，采用對應的散射模型、散射比例和透過率，其表現為4條正弦曲線變化。但實際輻射臺站天氣情況較為復雜，除了考慮的4種天氣類型外，還有其表現為1條不規則正弦曲線變化；②天氣類型除了與日照時數相關外，其還與溫度、降水、風力、濕度、空氣質量等有關；③在Arc GIS太陽輻射分析計算中，僅考慮直接輻射和散射輻射，忽略反射輻射部分；④點太陽輻射分析時，緯度值是依據研究區的DEM范圍和模擬點太陽輻射的位置，自動計算的平均值，導致模擬日太陽輻射值低于輻射臺站實測值。

4 結 論

1）本研究結果說明在Arc GIS點太陽輻射分析中，依據日照時數與天氣類型的關系，劃分為4種常用天氣類型，并確定了其所對應的輻射參數值，從而更好地模擬大氣效應對太陽輻射的影響。此外，借助批量處理模式，有效地提高點太陽輻射模擬的效率。

2）對已有前人對復雜地形條件下的太陽輻射計算，以及散射比例與透射率的關系進行檢驗，年太陽輻射變化趨勢與本研究結果一致。另外，本研究考慮天氣類型，采用散射模型、均勻擴散模型和標準陰天天空模型相結合的方式，并將散射比例和透射率與天氣類型相對應，與通常僅假設一種天氣情況比較，其模擬結果更接近實際太陽輻射日值；

3）由于Arc GIS太陽輻射分析適用于景觀尺度，因此研究區范圍的大小受到一定限制。本研究僅模擬4種常用天氣情況下，佳木斯輻射臺站的1年內365 d太陽輻射的日值變化，但實際天氣類型較為復雜，除了晴天和多云外，雨、雪等天氣也占較大比重。在今后的研究中，將進一步考慮天氣類型所對應輻射參數的通用性，與Arc GIS區域太陽輻射分析相結合，以及進行輻射臺站年際連續變化的太陽輻射分析，以獲得研究區的太陽輻射時空變化規律。此外，考慮不同下墊面對入射太陽輻射的影響，尤其，在冬季當有積雪覆蓋時，應考慮降水量，加入反射輻射，使模擬結果更加接近實測值。

［1］ 田輝，文軍，馬耀明，等．復雜地形下黑河流域的太陽輻射計算［J］．高原氣象，2007，26（4）：666－676．

［2］ 何洪林，于貴瑞，牛棟．復雜地形條件下的太陽資源輻射計算方法研究［J］．資源科學，2003，25（1）：78－85．

3 王瀟宇．復雜地形下我國太陽總輻射的分布式模擬［d］．南京：南京信息工程大學，2005：9－18．

［4］ 金鑫，楊禮簫．基于Arc GIS的復雜地形下太陽輻射分析計算［J］．安徽農業科學，2014，42（23）：7952－7955．

［5］ 申彥波，趙宗慈，石廣玉．地面太陽輻射的變化、影響因子及其可能的氣候效應最新研究進展［J］．地球科學進展，2008，23（9）：915－923．

［6］ 孫建國，趙軍，甄計國，等．基于DT M的黃土丘陵溝壑區太陽輻射值計算模型及應用研究［J］．測繪工程，2003，12（1）：28－30．

［7］ 肖鋒．佳木斯市40年太陽輻射變化規律及分析［J］．黑龍江氣象，2005（1）：24－25．

［8］ 李新，程國棟，陳賢章，等．任意地形條件下太陽輻射模型的改進［J］．科學通報，1999，44（9）：993－998．

［9］ 陳斌，張耀存，丁裕國．地形起伏時模式地表長波輻射計算的影響［J］．高原氣象，2006，25（3）：406－412．

［10］谷曉平，袁淑杰，史嵐，等．基于DEM的復雜地形下太陽散射輻射分布式模擬－以貴州高原為例［J］．高原氣象，2009，28（1）：143－150

［11］RICH P M，DUBAYAH R，HETRICK W A，et al．Using Viewshed Models to Calculate Intercepted Solar Radiation：Applications in Ecology［J］．American Society for Photogrammetr y and Remote Sensing Technical Papers，1994，524－529．

［12］RICH P M，FU P．Topocli matic Habitat Models［C］．Proceedings of the Fourth International Conference on Integrating GIS and Environ mental Modeling，2000．

［13］FU P．A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Landscape Ecology［D］．Ph．D．Thesis，Depart ment of Geography，University of Kansas，Lawrence，Kansas，USA，2000．

［14］FU P，RICH P M．The Solar Analyst 1．0 Manual［Z］．Helios Environmental Modeling Institute （HEMI），USA，2000．

［15］FU P，RICH P M．A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Agriculture and Forestr y［J］．Co mputers and Electronics in Agriculture，2002，37：25－35．

［16］FU P M．Design and Implementation of the Solar Analyst：an Arc View Extension f or Modeling Solar Radiation at Landscape Scales［C］．Proceedings of the Nineteenth Annual ESRI User Conference．San Diego，Usa，1999．

［17］TOVAR P J，POZO D V，RUIZE J A，et al．On t he use of the digital elevation model to esti mate the solar radiation in areas of co mplex topography［J］．Meteorol．Appl．，2006，13：279－287．