起伏地形下四川省太阳直接辐射时空分布特征

袁淑杰，李钰春， 向　乐，张益炜

(1. 成都信息工程大学，四川　成都　610225；2. 河南省新乡市气象局，河南　新乡　453000)



起伏地形下四川省太阳直接辐射时空分布特征

袁淑杰1，李钰春1， 向乐1，张益炜2

(1. 成都信息工程大学，四川成都610225；2. 河南省新乡市气象局，河南新乡453000)

摘要：利用四川省159个地面常规气象观测站及周边9个太阳辐射站观测资料，基于数字高程模型(DEM)数据，考虑坡度、坡向和地形遮蔽作用的影响，研制起伏地形下太阳直接辐射分布式模型。结合四川省90 m×90 m分辨率的DEM数据，分析起伏地形下四川省太阳直接辐射空间分布特征和时间变化趋势。结果表明：(1)四川省太阳直接辐射纬向分布不明显，受海拔高度、日照百分率、局地地形影响较大；(2)四川省太阳直接辐射年总量东部盆地较低，<1 300.0 MJ·m(-2)，川西高原及攀西地区较大，在1 900.0~3 486.9 MJ·m(-2)之间；(3)四川省太阳直接辐射时间变化明显，川东盆地太阳直接辐射<1 000.0 MJ·m(-2)的地区有增加趋势，川西地区>2 800.0 MJ·m(-2)的区域在减小，四川省宜宾、都江堰、南充、马尔康太阳直接辐射年总量、1月、7月气候倾向率均<0。

关键词：四川省；起伏地形；太阳直接辐射；分布式模型

引言

太阳直接辐射是太阳总辐射的重要组成部分，在能量平衡中起着重要作用。由于我国太阳辐射测站稀少，且分布不均匀，在实际应用中，太阳直接辐射值一般采用半经验半理论的方法计算。1960年代，翁笃鸣[1]根据我国日射资料提出了计算水平面太阳直接辐射的经验公式；1980年代，祝昌汉[2]、翁笃鸣[3]确定了我国水平面太阳直接辐射气候学计算方法并计算了其空间分布特征；赵东[4]、马金玉[5]等研究了我国近50 a水平面太阳直接辐射。由于实际地形复杂，坡度、坡向等对太阳直接辐射影响很大，水平面太阳直接辐射满足不了实际应用需求，傅抱璞[6]、李占清[7]、缪启龙[8]、翁笃鸣[9]等研究了山地太阳辐射，提出了相关的计算模型。随着地理信息系统等现代空间信息技术的发展，众多学者开始研究基于数字高程模型(DEM)的起伏地形下太阳辐射模型，谢阳生[10]、何洪林[11]等分别基于GIS建立了太阳直接辐射模型；李军等[12]基于DEM数据，建立了山区实际太阳直接辐射的高空间分辨率分布模型，分析了山区各月太阳直接辐射的空间分布特征。目前，太阳辐射的分布式模型广泛应用于起伏地形的太阳辐射计算中，袁淑杰等[13]利用100 m×100 m分辨率的DEM资料，应用太阳直接辐射分布式模型对起伏地形下贵州省太阳直接辐射的时空分布特征进行研究，发现坡度、坡向、地形遮蔽对起伏地形下太阳直接辐射的影响较大，局地地形对太阳直接辐射的影响是不容忽视的；还有一些学者也进行了太阳辐射和日照时数的相关研究[14-18]。太阳直接辐射分布式模型物理意义明确，考虑了局地地形因子的影响，对太阳直接辐射有较好的模拟能力。

四川省地形复杂，具有山地、高原、丘陵和平原4种地貌，分别占全省面积的74.2%、7.3%、10.3%、8.2%，复杂的地形导致四川省气候要素垂直变化大、气候类型多，有利于农、林、牧综合发展，坡度坡向及地形遮蔽等局地地形因子对起伏地形下四川省太阳直接辐射影响显著，本文应用起伏地形下太阳直接辐射分布式模型，考虑坡度坡向及地形遮蔽对起伏地形下四川省太阳直接辐射的影响，研究起伏地形下四川省太阳直接辐射的时空分布特征，这对充分利用该省太阳能资源、农业生产及种植区划有重要的指导作用。

1资料及方法

1.1资料

太阳辐射资料来自国家气象信息中心，包括1961~2013年四川省及周边共9个气象站(格尔木、兰州、拉萨、成都、昆明、郑州、万县、武汉、遵义)太阳直接辐射观测资料；四川省159个地面常规气象观测站资料来自四川省气象局，所有要素的时间均为日。所有数据均进行了严格的质量控制，剔除了无效数据。

1.2起伏地形下太阳直接辐射分布式模型

起伏地形下太阳直接辐射分布式模型可以表示为[13]：

(1)

式中：Sαβ为起伏地形下太阳直接辐射；Q0为水平面天文辐射，采用理论公式计算[19]；Q0αβ为起伏地形下天文辐射，由天文辐射分布式模型计算[20]；S为水平面太阳直接辐射，由水平面太阳直接辐射模型计算。

水平面太阳直接辐射有多种模拟模型，本研究应用1961~2013年四川省及周边共9个气象站太阳直接辐射和日照百分率资料进行验证，同时考虑其物理意义，最后选取以下水平面太阳直接辐射模型[3]：

(2)

式中，S为水平面太阳直接辐射，Q0为水平面天文辐射，s为日照百分率，a、b为经验系数。该式表明：当日照百分率s=0，太阳直接辐射S=0，更符合太阳直接辐射定义。

1.3模型误差分析

模型(2)中，经验系数a、b随地区、季节不同而变化，由实际观测资料确定。为了得到各地更精确的经验系数a、b，文中对a、b重新进行了模拟。但因太阳直接辐射的观测站点较少，有些站点资料年代较短，影响模拟效果，四川省只有成都、万县2个站的太阳直接辐射观测资料符合要求，用这2个站点资料模拟的a、b系数难以代表四川省各站点的值，故选取四川省及周边距离最近的具有太阳直接辐射观测资料的9个气象站1961~2013年、及月值资料，应用模型(2)进行拟合，得到9个气象站的经验系数a、b，然后用TPS(Thin Plate Spline)插值法内插，得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每个网格点上的a、b值。以兰州为例，应用模型(2)和兰州站1961~2013年S、Q0及s月值实测资料，模拟得出兰州站的经验系数a、b、相关系数R2、均方根误差(RMSE)及相对误差(RE)(表1)。其他各站模拟结果略，其相关系数均较高，并通过了α=0.001的显著性水平检验，误差总体相对较小，可以用来模拟四川省水平面太阳直接辐射。

表1　兰州水平面太阳直接辐射经验系数及相关系数

2起伏地形下四川省太阳直接辐射时空分布特征

利用上面9个气象站太阳直接辐射、日照百分率资料拟合得到的经验系数a、b及159个气象站1961~2013年平均的1~12月日照百分率，用TPS(Thin Plate Spline)插值法内插，得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每个网格点上的a、b及1~12月日照百分率，应用公式(2)，计算每个网格点上水平面太阳直接辐射。应用文献[14-15]的方法，计算得到每个网格点上水平面及起伏地形下天文辐射，代入公式(1)，即可得到四川省90 m×90 m分辨率DEM每个网格点上起伏地形下太阳直接辐射。

2.1直接辐射空间分布特征

按照气候学一般规律，用1月代表冬季，7月代表夏季。图1分别给出起伏地形下四川省90 m×90 m分辨率DEM每个网格点上1961~2013年53 a平均年总量、1月、7月太阳直接辐射模拟结果。

2.1.1太阳直接辐射年总量空间分布

图1a表明，起伏地形下四川省太阳直接辐射年总量空间差异显著，受海拔高度、日照百分率、局地地形影响较大，纬向分布不明显。东部盆地云量多，日照百分率较小，海拔高度相对较低，局地地形相对平坦，太阳直接辐射年总量较低，局地差异相对较小，大部分区域太阳直接辐射<1 300.0 MJ·m-2；川西高原及攀西地区云量少，日照百分率较大，海拔高度相对较高，地形相对复杂，局地地形影响明显，太阳直接辐射年总量较大，局地差异相对较大，攀枝花、甘孜州东北部及西南部太阳直接辐射年总量最大，介于2 800.0~3 486.9 MJ·m-2；四川西部其他地区太阳直接辐射年总量从东向西逐渐增大，介于1 000.0~2 800.0 MJ·m-2。西部地区地形相对复杂，局地地形影响相对较大，太阳直接辐射年总量局地差异相对明显，体现了坡向、坡度及地形遮蔽作用等局地地形因子对起伏地形下太阳直接辐射的显著影响。

2.1.21月太阳直接辐射空间分布

由图1b可以看出，起伏地形下四川省1月太阳直接辐射空间分布局地差异依然明显，没有明显的纬向分布特征。1月，太阳高度角较低，坡度、坡向及地形遮蔽等局地地形因子对起伏地形下太阳直接辐射影响较大，起伏地形下四川省1月太阳直接辐射数值较小。东部盆地日照百分率低，海拔高度较低，地势相对平坦，太阳直接辐射较少，局地差异相对较小，大部分区域太阳直接辐射<50.0 MJ·m-2，其中成都、眉山、宜宾及川东北地区更少，<25.0 MJ·m-2；乐山西部较高为100.0~150.0 MJ·m-2。西部高原由于日照百分率较高，海拔高度较高，太阳直接辐射较同一纬度盆地地区大，由于其地形相对复杂，局地地形因子对太阳直接辐射影响相对较大，太阳直接辐射局地差异较大，攀枝花附近地区太阳直接辐射>250.0 MJ·m-2，阿坝州介于50.0~100.0 MJ·m-2，甘孜州为75.0~310.3 MJ·m-2，凉山州为50.0~310.3 MJ·m-2。

图1　1961~2013年起伏地形下四川省平均年(a)、1月(b)

2.1.37月太阳直接辐射空间分布特征

图1c表明，起伏地形下四川省7月太阳直接辐射空间分布局地地形特征依然明显，纬向分布特征较弱。7月，太阳位于北回归线附近，太阳高度角较高，坡度、坡向及地形遮蔽等局地地形因子影响减弱，但由于太阳直接辐射总量增大，起伏地形下太阳直接辐射局地差异仍然较大。盆地及成都平原地区地势相对平坦，局地差异相对较小，大部分地区太阳直接辐射为150.0~250.0 MJ·m-2，盆地西部太阳直接辐射最低，为28.8~150.0 MJ·m-2，资阳东南部及内江东北部太阳直接辐射也较少(28.8~150.0 MJ·m-2)；川西高原地形复杂，局地差异较大，太阳直接辐射介于125.0~344.2 MJ·m-2；攀西地区太阳直接辐射较大，为200.0~250.0 MJ·m-2，凉山州太阳直接辐射在125.0~200.0 MJ·m-2之间。

2.2起伏地形下四川省太阳直接辐射时间变化

2.2.1太阳直接辐射年总量的年代际空间分布

图2为起伏地形下四川省每10a平均的太阳直接辐射年总量空间分布，用来表征太阳直接辐射的时间变化。可以看出：(1)起伏地形下四川省太阳直接辐射年总量<1 000.0 MJ·m-2的区域，1960年代、1970年代较少， 1980年代、1990年代逐渐增加，与1990年代相比，2000年代稍有减小；(2)太阳直接辐射年总量>2 800.0 MJ·m-2的区域，1960年代较大，主要分布在甘孜州西部、凉山州南部及攀枝花地区，1970年代有少量增加，1980年代、1990年代、2000年代逐渐减小，但分布地区不变，只是分布范围减小；(3)太阳直接辐射年总量1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2000年代大部分地区介于1 000~2 500.0 MJ·m-2之间，但从整体看，川东盆地<1 000.0 MJ·m-2的地区有增加趋势，川西地区>2 800.0 MJ·m-2的区域在减小，起伏地形下四川省太阳直接辐射量有降低趋势。这些变化可能主要是日照百分率的变化引起的。

图2　起伏地形下四川省太阳直接辐射年总量年代平均空间分布(单位：MJ·m-2)

2.2.2主要城市太阳直接辐射年变化趋势

选取宜宾、都江堰、南充、马尔康4个地区分析1961~2013太阳直接辐射年变化趋势(图3)。可以看出，宜宾、都江堰、南充、马尔康太阳直接辐射气候倾向率均为负，表明起伏地形下太阳直接辐射有下降趋势，其中南充最大、马尔康最小。

图4为1961~2013年起伏地形下主要城市1月太阳直接辐射变化及趋势，可以看出宜宾、都江堰、南充、马尔康1月太阳直接辐射气候倾向率均为负，变化趋势与年总量相同，起伏地形下太阳直接辐射有下降趋势，其中都江堰最大、马尔康最小。

图5为1961~2013年起伏地形下主要城市7月太阳直接辐射变化及趋势。宜宾、都江堰、南充、马尔康7月太阳直接辐射气候倾向率均为负，其变化趋势与1月相同，但数值要比1月大，起伏地形下太阳直接辐射有下降趋势，其中南充最大、马尔康最小。

图3　1961~2013年起伏地形下主要城市太阳

图4　1961~2013年起伏地形下主要城市

图5　1961~2013年起伏地形下主要城市

综上所述，1961~2013年起伏地形下四川省太阳直接辐射年总量、1月、7月气候倾向率均为负值，均具有下降趋势，马尔康下降趋势最小，南充、都江堰相对较大，这与太阳日照百分率的下降有关。

3小结

(1)四川省地形复杂多样，起伏地形下四川省太阳直接辐射空间分布受海拔高度、日照百分率、局地地形影响较大，纬向分布不明显。阳坡、日照百分率较大、海拔较高地区太阳直接辐射较大，阴坡、日照百分率较小、海拔较低的地区太阳直接辐射较小。

(2)起伏地形下四川省太阳直接辐射呈东低西高的分布特征。年总量东部盆地较低，大部分区域太阳直接辐射年总量<1 300.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地区较大，大部分地区太阳直接辐射年总量介于1 900.0~3 486.9 MJ·m-2。1月，东部盆地太阳直接辐射为3.7~50.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地区大多介于100.0~310.3 MJ·m-2；7月，东部盆地太阳直接辐射大多为28.8~225.0 MJ·m-2，川西高原及攀西地区大多介于150.0~344.2 MJ·m-2。

(3)起伏地形下四川省太阳直接辐射时间变化明显，川东盆地<1 000.0 MJ·m-2地区有增加趋势，川西地区>2 800.0 MJ·m-2的区域在减小。总体上，起伏地形下四川省太阳直接辐射量有降低趋势。

(4)起伏地形下四川省宜宾、都江堰、南充、马尔康太阳直接辐射年总量、1月、7月气候倾向率均为负值，具有下降趋势。

起伏地形下的太阳直接辐射除上述讨论的因子外，还受到其他许多因子的影响，如大气污染状况、地面覆盖率等，四川省地形复杂、自然环境条件多样，进一步提高模拟精度还需进行更深入的研究。

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Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Direct Solar Radiation over Rugged Terrains in Sichuan Province

YUAN Shujie1, LI Yuchun1, XIANG Le1, ZHANG Yiwei2

(1.ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China;2.XinxiangMeteorologicalBureauofHe’nanProvince,Xinxiang453000,China)

Abstract:A distributed model based on DEM data for calculating solar direct radiation (DSR) over rugged terrains (RT) in Sichuan Province was established considering the influence of slope, aspect, and mutual shielding topography by using meteorological observation data at 159 weather stations of Sichuan Province and solar radiation data of 9 weather stations in Sichuan and surrounding areas firstly, and the spatial distribution and temporal variation tendency of DSR over RT were analyzed based on a DEM data with resolution of 90 m×90 m . The results are as follows:(1)The latitudinal distribution of DSR over RT was not obvious, and the influence of height above sea level, sunshine percentage, the slope, aspect and mutual shielding topography on DSR’s spatial distribution was great. (2)The total annual DSR was lower in the eastern basin with values less than 1 300.0 MJ·m(-2), it was higher in western plateau and Panxi area with values ranged from 1 900.0-3 486.9 MJ·m(-2). (3)The temporal change of DSR was obvious, the areas with DSR values less than 1 000.0 MJ·m(-2) had an increasing tendency in eastern Sichuan, and the areas with DSR values more than 2 800.0 MJ·m(-2) had a decreasing tendency in western Sichuan. The climate tendency rate of DSR of the total annual amount or in January and July over RT was less than zero in Yibin, Dujiangyan, Nanchong, Maerkang of Sichuan Province.

Key words:Sichuan Province; rugged terrains; DSR; distributed model

中图分类号：P422.1

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0020-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0020

作者简介：袁淑杰(1966- )，女，河北抚宁人，博士，教授，研究方向为气候资源利用、气象防灾减灾、应用气象学. E-mail:ysj@cuit.edu.cn

基金项目：四川省软科学研究(2013ZR0081)、成都信息工程大学科研基金(KYTZ201305)共同资助

收稿日期：2015-11-23；改回日期：2015-12-16

袁淑杰，李钰春，向乐，等.起伏地形下四川省太阳直接辐射时空分布特征[J].干旱气象，2016，34(1)：20-25, [YUAN Shujie, LI Yuchun, XIANG Le, et al. Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Direct Solar Radiation over Rugged Terrains in Sichuan Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):20-25], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0020