基于Arc GIS的中温带不同天气类型点太阳辐射分析——以佳木斯市辖区为例

梅晓丹，毛学刚，范文义，王 强，刘丹丹，张为成

（1．黑龙江工程学院 测绘工程学院，黑龙江 哈尔滨150050；2．东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨150040）

入射太阳辐射是地球上生物和物理过程驱动的主要能源来源。在景观尺度上，地形是一个决定空间差异性日照的主要因素，这种差异性也随着每天时间和每年时间而变化。太阳辐射强度取决于诸多因素，主要包括：大气条件，地球相对于太阳的位置、日照时间、海拔高度、地形、地貌及障碍物影响等。Arc GIS太阳辐射分析工具，可以分析在特定时间周期的特定位置或地理区域所受太阳的影响，其适用空间尺度为点或景观，时间尺度为日、月和年，并广泛应用于复杂地形的太阳辐射研究。目前，在国内外的研究中，许多太阳辐射模型仅能适用晴空或阴天条件下复杂地形的太阳辐射，但对于实际天气情况下的太阳辐射关注较少。因此，如何考虑天气状况，将日照时间、天气类型和辐射参数相关，进行不同天气类型入射太阳辐射分析是本文探究的问题。

1 研究区概况及数据准备

1．1 研究区概况

佳木斯位于黑龙江省东北部，北纬45°56′～48°28′，东经129°29′～135°5′，面积3．27万k m2。佳木斯市属中温带大陆性季风气候，雨热同期。地貌自西南向东北形成山地—丘陵—平原的过渡形式。这里以佳木斯市辖区为例，进行中温带不同天气类型的Arc GIS点太阳辐射分析。

1．2 数据准备

1）辐射数据和日照时数数据：佳木斯辐射台站的日值数据集和地面气候台站的日值数据集都来源于中国气象科学数据共享服务网（http：／／cdc．c ma．gov．cn／ho me．do）。从研 究 区 的辐射日值数据集中，提取模拟验证所需的2007年佳木斯辐射台站太阳辐射数据，日总辐射曝辐量（0．01 MJ／m2）。 佳 木 斯 辐 射 台 站，纬 度 为46°49′，经度130°17′。Arc GIS太阳辐射 分析的模拟日总辐射曝辐量（WH／m2），并需要两者单位之间的转换；另外，依据佳木斯辐射台站的经纬度值，采用Arc GIS生成点状矢量要素，坐标系统为 WGS－84，投影类型为UT M Zone 52 N；从研究区的中国地面气候资料日值数据集，提取模拟验证所需的2007年佳木斯辐射台站每日的日照时数数据（h）。

2）地形数据：佳木斯市辖区GDEM DEM 30 m分辨率数字高程数据产品来源于地理空间数据云网（http：／／www．gscloud．cn）。投影类型：UT M／WGS84，空间分辨率30 m，数据格式为I mageFile栅格数据（＊．i mg）。运用佳木斯市辖区的矢量边界，使用Arc GIS10．1的掩模提取工具，获取佳木斯市辖区的GDEM DEM 30 m数据。

2 研究方法

2．1 Arc GIS的太阳辐射模型和计算方法

到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。入射太阳辐射穿过大气层到达地面，会受到大气、地形和表面要素的影响。太阳的直接辐射就是通过直线路径从太阳射来的光线；散射辐射则是经过大气分子、水蒸气、灰尘等质点的影响，改变了方向的太阳辐射；反射辐射则是经过表面要素的反射太阳辐射。直射、散射和反射辐射的总和称为太阳辐射总量。由于反射辐射所占太阳辐射总量较小，因此Arc GIS10．1的空间分析中的太阳辐射工具，忽略反射辐射，太阳辐射总量为直接辐射和散射辐射的总和。利用太阳辐射分析工具计算入射太阳辐射的景观或特定位置的方法，其是由Rich et al．依据半球形视域算法所开发的，并由Fu and Rich进一步发展。总辐射量（Globaltot）是整个太阳图和星空图的直接辐射（Dirtot）和散射辐射（Diftot）之和，而且两者是分别计算的。给定位置的总直接辐射（Dirtot）是计算所有太阳图扇区的直接辐射（Dirθ，α）之和。给定位置的总散射辐射（Diftot）是计算所有星空图扇区的散射辐射（Dif）之和。在Arc GIS的散射计算中，包括2种散射模型：均匀扩散模型和标准阴天模型。前者，所有天空方向的入射散射辐射均相同，而后者，入射散射辐射通量随天顶角而变化。虽然两者计算给定的天空扇区散射辐射相对全部天空的比例（Weightθ，α）的方法不同，但都与天空部分天顶角的上下限和星空图方位角的切分数相关。

2．2 基于Arc GIS的太阳辐射模拟方法

这里以佳木斯市辖区为研究区，使用Arc GIS的点太阳辐射分析工具（Points Solar Radiation），对单点佳木斯辐射台站进行2007年入射日太阳辐射分析。主要采用两种模拟思路，见图1所示：一是默认情况的点太阳辐射模拟，辐射参数使用默认值，即散射模型为均匀扩散模型，散射比例（Diff use proportion）为0．3，透射率（Trans mittivity）为0．5；二是依据2007年每日的日照时数（h），对当前年的365 d进行天气状况分析和天气类型划分，散射模型采用均匀扩散模型和标准阴天天空模型相结合的方式，散射比例和透射率则依据4种天气类型分别进行取值，进行4种天气类型的点太阳辐射模拟。其它参数设置，均采用默认值。由于Arc GIS的太阳辐射分析是按照景观尺度和当地尺度设计，纬度值采用佳木斯辐射台站所在的佳木斯市辖区DEM自动计算平均纬度值，其值约为46．69°N

图1 基于Arc GIS的佳木斯点太阳辐射分析

2．2．1 日照时数和天气类型的关系分析

2007年佳木斯气象台站的每日日照时数和统计值，见图2、图3所示。日照时数和天气类型的关系分析，主要从3个方面进行：①根据天文四季的划分方法，将2007年佳木斯地面气候台站的日照时数数据，按天文四季的划分方法，分别计算4个季节的日照时数平均值：春季约为7．7 h，夏季约为8．3 h，秋季约6．5 h，冬季约为5．3 h。其中，春分日约为9．6 h，夏至日约为13．5 h，秋分日约为6．5 h，冬至日约为3 h；②佳木斯市辖区符合北半球中纬度四季昼夜长短变化规律；③在Arc GIS的太阳分析中，默认一日中小时间隔为0．5 h。根据已有研究成果［16－17］，将研究区域的当年365 d划分为4种天气类型：非常晴朗、一般晴朗、一般多云和非常多云。经过以上日照时数和天气类型的关系分析，则将天气类型和日照时数的关系划分为2类：一类是春季和夏季，另一类是秋季和冬季，这两类分别选择不同的每日日照时数临界点：秋季和冬季，昼短夜长，3 h，6 h，8．5 h；春季和夏季，昼长夜短，5 h，8 h，10 h 依据日照时数和天气类型的关系，将2007年佳木斯天气类型划分：非常晴朗为106 d，占整年天数比例29%；一般晴朗为109 d，占整年天数比例30%；一般多云为69 d，占整年天数比例19%；非常多云为81 d，占整年天数比例22%。

图2 佳木斯气象台站的每日日照时数

图3 佳木斯气象台站的每日日照时数统计值

2．2．2 天气类型划分和确定辐射参数

根据已有研究，确定这几种情况下散射比例与透射率的值。在Arc GIS软件中，系统默认：①散射比例，通常非常纯净的天空约为0．2，非常多云的天空约为0．7；②大气透射率的理论值范围从0（无传输）到1（全部传输）。通常观察值是0．6或0．7为非常晴朗的天空条件，而0．5指一般晴朗的天空，透射率与散射比例参数成反比关系。依据日照时数和天气类型的关系分析，以及散射比例与透射率的关系，从而确定天气类型、每日日照时数和辐射参数的关系，见表1所示。

表1 天气类型、每日日照时数和辐射参数的关系

3 结果与分析

由于模拟佳木斯辐射台站2007年的日太阳辐射值，共365 d，而且每日所对应的天气类型和辐射参数有所不同。因此，这里通过Excel创建4种天气类型的批处理表，并按天气类型将对应的辐射参数值设定每日日太阳辐射模拟参数，然后采用Arc－GIS10．1软件的点太阳辐射分析批处理工具进行模拟，获得研究区域内佳木斯辐射台站点上的日太阳辐射模拟值。将两种方法的日太阳辐射模拟值和辐射台站日太阳辐射实测值进行比较，并对模拟值和实测值进行相关性分析，结果见图4～图6。

图4 两种日太阳辐射模拟值和辐射台站实测值比较

图5 日太阳辐射模拟值（默认）和辐射台站实测值的相关性

图6 日太阳辐射模拟值（天气）和辐射台站实测值的相关性

由图4所见，在整年365 d时间段内，佳木斯辐射台站点处，两种方法日太阳辐射模拟值和辐射台站实测值变化趋势基本符合正弦曲线形状，峰值都基本出现在第165～174 d，即夏季6月中下旬，且模拟日太阳辐射值都低于辐射台站实测值。由图5和图6所见，在软件默认辐射参数模拟情况下，日太阳辐射模拟值和辐射台站实测值的相关性R2仅为0．573 4，而按天气类型划分和设定辐射参数，日太阳辐射模拟值和辐射台站实测值的相关性R2达到0．899 5，模拟精度和效果更好。主要原因分析：①前者，全年每日都假设为一般晴天情况，采用同一种散射模型、散射比例和透过率，其表现为1条正弦曲线变化。而后者，全年分为4种天气类型，采用对应的散射模型、散射比例和透过率，其表现为4条正弦曲线变化。但实际辐射台站天气情况较为复杂，除了考虑的4种天气类型外，还有其表现为1条不规则正弦曲线变化；②天气类型除了与日照时数相关外，其还与温度、降水、风力、湿度、空气质量等有关；③在Arc GIS太阳辐射分析计算中，仅考虑直接辐射和散射辐射，忽略反射辐射部分；④点太阳辐射分析时，纬度值是依据研究区的DEM范围和模拟点太阳辐射的位置，自动计算的平均值，导致模拟日太阳辐射值低于辐射台站实测值。

4 结 论

1）本研究结果说明在Arc GIS点太阳辐射分析中，依据日照时数与天气类型的关系，划分为4种常用天气类型，并确定了其所对应的辐射参数值，从而更好地模拟大气效应对太阳辐射的影响。此外，借助批量处理模式，有效地提高点太阳辐射模拟的效率。

2）对已有前人对复杂地形条件下的太阳辐射计算，以及散射比例与透射率的关系进行检验，年太阳辐射变化趋势与本研究结果一致。另外，本研究考虑天气类型，采用散射模型、均匀扩散模型和标准阴天天空模型相结合的方式，并将散射比例和透射率与天气类型相对应，与通常仅假设一种天气情况比较，其模拟结果更接近实际太阳辐射日值；

3）由于Arc GIS太阳辐射分析适用于景观尺度，因此研究区范围的大小受到一定限制。本研究仅模拟4种常用天气情况下，佳木斯辐射台站的1年内365 d太阳辐射的日值变化，但实际天气类型较为复杂，除了晴天和多云外，雨、雪等天气也占较大比重。在今后的研究中，将进一步考虑天气类型所对应辐射参数的通用性，与Arc GIS区域太阳辐射分析相结合，以及进行辐射台站年际连续变化的太阳辐射分析，以获得研究区的太阳辐射时空变化规律。此外，考虑不同下垫面对入射太阳辐射的影响，尤其，在冬季当有积雪覆盖时，应考虑降水量，加入反射辐射，使模拟结果更加接近实测值。

［1］ 田辉，文军，马耀明，等．复杂地形下黑河流域的太阳辐射计算［J］．高原气象，2007，26（4）：666－676．

［2］ 何洪林，于贵瑞，牛栋．复杂地形条件下的太阳资源辐射计算方法研究［J］．资源科学，2003，25（1）：78－85．

3 王潇宇．复杂地形下我国太阳总辐射的分布式模拟［d］．南京：南京信息工程大学，2005：9－18．

［4］ 金鑫，杨礼箫．基于Arc GIS的复杂地形下太阳辐射分析计算［J］．安徽农业科学，2014，42（23）：7952－7955．

［5］ 申彦波，赵宗慈，石广玉．地面太阳辐射的变化、影响因子及其可能的气候效应最新研究进展［J］．地球科学进展，2008，23（9）：915－923．

［6］ 孙建国，赵军，甄计国，等．基于DT M的黄土丘陵沟壑区太阳辐射值计算模型及应用研究［J］．测绘工程，2003，12（1）：28－30．

［7］ 肖锋．佳木斯市40年太阳辐射变化规律及分析［J］．黑龙江气象，2005（1）：24－25．

［8］ 李新，程国栋，陈贤章，等．任意地形条件下太阳辐射模型的改进［J］．科学通报，1999，44（9）：993－998．

［9］ 陈斌，张耀存，丁裕国．地形起伏时模式地表长波辐射计算的影响［J］．高原气象，2006，25（3）：406－412．

［10］谷晓平，袁淑杰，史岚，等．基于DEM的复杂地形下太阳散射辐射分布式模拟－以贵州高原为例［J］．高原气象，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．