连城县日照时数空间分布模拟及分析

曹镇鸿 林金勇 张佳晖 吴 健

连城县日照时数空间分布模拟及分析

曹镇鸿1林金勇1张佳晖2吴 健1

1.连城县气象局 2.武夷山市气象局

在GIS技术的支持下，以连城县为例，构建地形起伏下的日照时数模型，计算出连城县范围内月、季、年日照时数空间分布，并综合分析坡向、坡度等地形因子对日照时数的影响。结果表明，研究区域内的日照时数模拟值与气象站实测值之间具有良好的一致性；四季的日照分布不平衡，其中夏季最多，春季最少；全年日照分布呈现地形地貌分布规律，具有非地带性特征；日照时数随着坡度的增加而减少，坡度每增加5°，日照时数平均减少10.7h；坡度的影响在夏季，北坡日照充足，多于南坡，而在冬季，则为南坡日照多于北坡。

GIS DEM 日照时数 地形因子 连城县

日照时数是反映太阳辐射时间长短的气候指标，是决定地区农业生产力的重要因素。一个地区的日照时数一般有3种含义：①天文日照时数，是指不考虑大气影响和地形遮蔽的最大可能日照时间；②地理日照时数，是指考虑地形遮蔽而不考虑大气影响的可能日照时间；③实际日照时数，是指同时考虑地形遮蔽和大气影响的日照时数[1]。本文计算的“日照时数”就是指“实际的日照时数”的模拟。

传统的日照时数推算方法主要有三种：经验方程法、解析法和图解法。其中，经验方程法易于理解，操作方便，但是对于海拔差异悬殊、地形复杂的山地，往往不能够反映出地形的影响；解析法由傅抱璞首次提出，为非水平面日出日没时角计算公式，并提出了确定坡面日出日没时角的一般原则和方法，但只能解决一些理想化地形的日照时数计算问题；而图解法则将测点遮蔽图配上太阳运动迹线来确定遮蔽地点的日出、日落时间和可照时数，此方法考虑了地形的影响,但在实际操作上，用经纬仪测绘各点的遮蔽图，工作量大，效率较低。

随着“3S”技术发展，起伏地形下可照时间的计算也有了全新的思路，在国外，Dozier等首次提出利用DEM数据模拟太阳辐射的方法；Hetrick等利用GIS技术，分析地形对日照时数的影响。在国内，傅抱璞、翁笃鸣、李占清等气象专家也提出了相关理论推算模型[2]。本文在前人研究的基础上，以DEM为数据基础，结合气象站日照百分率数据，模拟出连城县近30a年日照实数空间分布，并对模拟数据做进一步分析。

1 研究区域概况及数据资料

1.1 研究区域概况

连城县位于福建省武夷山南段东侧，境内中部偏西是一片自北向南的串珠状河谷盆地，东及东南部为玳瑁山脉的梅花山中山区，约占全境面积的2/3左右，地势较高，岗岭重叠，群山起伏，峰壑纵横，涧流密布，西部为武夷山支脉的松毛岭次中山区，峰峦耸峙，形势险要，成为处于长廊盆地中的县城西北部屏障，全县范围内地形起伏达368m，为典型的山地丘陵地带。

将连城县范围内坡向分成8个方位及无坡向的平面；坡度则分为12个角度，则连城县地形坡向及坡度百分比如图1所示。

图1 连城县地形坡向、坡度百分比

连城县东坡及西坡所占最多，而平面所占比例最少，西南坡次之；而坡度主要集中在0°～25°之间，大于25°的坡度仅占5%的比例。八个方位的坡向范围如表1所示。

表1 坡向范围表

1.2 数据资料

以1:25万的连城县数字高程模型（DEM）为基础数据，相应提取同等分辨率的坡向、坡度等栅格图层。

日照时数实测值及日照百分率数据取自连城县气象局1981～2010年平均值。

2 基于DEM地形起伏下的日照时数计算模型

实际日照时数是在地理日照时数的基础上考虑大气变化对日照的影响，由于日照百分率在总体上能反映该地区的云量分布情况，所以在本文中以日照百分率来表示大气变化的情况，将地理日照时数与相应时段内的日照百分率相乘，即得出该时段内地形起伏下的日照时数，其公式为：

T=T×（1）

式中，T为实际日照时数，T为地理日照时数，为日照百分率。

而地理日照时数（T）的计算重点在于地形的遮蔽分析，为了便于计算机的实现，将一天的地理日照时数离散化，做分布积分处理，再分别计算出任意时段内的地形遮蔽因子，判断该点是否可照，最后累加求和，所得为一天的地理日照时数。

2.1 计算天文日照时数对应的日出和日没时角

地球上的任一点的日出日没时角ω、ω，其公式[3]为：

ω=arccos（- tan×tan） （2）

ω= -ω（3）

式中，ω为日没时角，ω为日出时角，为太阳赤纬，为测点地理纬度。

太阳赤纬可由左大康[4]等根据1986年中国天文年历中的列表值对进行了Fouirer分析所得公式求取：

=（0.006894-0.399512 cos0.072075 sin-

0.006799 cos 20.000896 sin 2- （4）

= 2π（D-1）/365 （5）

式中，为日角，以弧度表示，其中D为1月1日的1到12月31日的365（假定2月为28d）。

2.2地理日照时数（Te）离散化及计算

任意一天的地理日照时数在[ω,ω]区间内，假设其离散数目为，时角的间隔为△，即得相应的时间长度△：

若离散数目取值越大，计算结果精度越高，但计算时间较长，根据李占清[5]的研究，将时间步长设为20min，即离散数目=36时，相对误差小，同时满足计算精度的要求。

所以，将任意一天的天文日照时数[ω,ω]划分为36个微分时段，通过公式（7）计算对应的△，并代入公式（8）～（10）计算每一时角ω所对应的太阳高度角H和太阳方位角A：

ω= -ω+△（=1,2,…,36） （8）

H= arc sin（sinsin+coscoscosω） （9）

将计算得出的太阳高度角H和太阳方位角A代入ArcGIS提供的Hillshade模型中进行运算，可得出该时角ω研究区域的阴影值，将阴影值重分类用Z表示（Z=0为遮蔽，Z=1为可照），通过Z值判断ω-1到ω这一微分时段内的遮蔽情况，所依据的法则如下：

2.3实际日照时数（Tr）的计算

将地理日照时数值T代入公式（1），所得结果为该日的实际日照时数T，依此模型，计算得出每日的实际日照时数，叠加求和即可得相对应的月、年实际日照时数总值。基于气候学的统计规律，可取每月的15日作为代表日，通过每月代表日的实际日照时数乘以该月天数，即为月实际日照时数；再将各月实际日照时数叠加，可得出全年的实际日照时数。

3 连城县日照时数分布变化分析

以1:25万的连城县数字高程模型（DEM）为基础数据，依据上述DEM地形起伏下的日照时数计算模型步骤，获取月、季、年日照时数的空间分布数据；由于分析区域纬度变化幅度不大，为了计算方便，取平均纬度0.446832 rad代入模型计算，计算所得模拟值与近30年实测平均值的偏差如表2所示，各月的日照时数模拟值都比近30年均值偏小，其原因在于，高海拔区域提早出现的日出时角未曾计算在内，以及本模型未曾考虑光线的反射和散射对日照时数的增量问题。

但是，除9月偏少9%以外，其余偏差均在3%～4%之间。对模拟值与实际日照数进行相关性分析，得出R2=0.9956，表明模拟值与实测值具有很强的相关性，也说明模拟结果的正确性。

表2 日照时数模拟值偏差表

3.1 日照时数的空间分布特征

3.1.1逐月日照时数空间分布特征

如表3所示，连城县全年当中，7月份日照时数最长，为207.8h；最短日照时数出现在3月份，为76.1h，月日照时数变化在整体上呈现近似轴对称分布。临近冬季，太阳高度角趋于减小，使得受地形遮蔽更加明显，其中11月、12月和1月的最小日照时数均为0 h，出现在以北坡方向，且坡度较陡的区域内居多。

表3 连城县各月日照时数空间分布特征 单位：h

3.1.2季节日照时数空间分布特征

从四季日照时数空间分布图（图2）可以看出，夏季日照最多，平均日照时数519.0h，秋季次之，平均日照时数为437.0h，冬季平均日照时数314.5h，而日照最少出现在春季，平均日照时数仅为283.8h，表现出四季分布的不平衡特征。

从图中色泽多样性及变化幅度来看，秋冬季的颜色种类较春夏季更多，色泽变化幅度也更大，其中，以冬季日照时数差异为最大，在43.3～338.4h之间，而春季最小，仅在210.7～300.1h之间变化。这是由于秋冬季太阳直射点逐渐南移，该区域内对应的太阳高度角逐渐减小，到了冬季为最小，地形遮蔽对日照的影响更加显著；而到了春夏季，太阳高度角逐渐增大，相应的地形遮蔽影响较为不明显。

图2 连城县四季日照时数空间分布图

3.1.3年日照时数空间分布特征

图3为年日照时数空间分布图，是与地形叠加所显示，连城县年日照时数为1142.2～1652.1h，地域差异性明显，结合连城县地形地貌变化特征可以看出，年日照时数呈现明显的地形地貌分布规律，与四季日照时数空间分布特征相一致，在同一纬度的不同地貌类型区域，年日照时数差异较大，表现为明显的非地带性分布特征。

图3 连城县年日照时数空间分布图

如图3所示，深红色以上的区域为日照高值区，其中灰黑色主要分布在地势平坦地带及山脊上（坡度≤5°），而代表最高值的白色则主要分布在地势平坦（坡度≤5°），且在西坡至北坡（坡向247.5°～22.5°）的区域内；而相对颜色较浅的低值区，则主要分布在东部、东南部的玳瑁山脉和西部的武夷山支脉的山谷里，同时，以东北坡至东坡方向上的区域内为主（坡向22.5°～112.5°）。

3.2 地形要素对日照时数的影响

依据图1 的坡向、坡度分类方法，提取相应的坡向、坡度数据图层，并选取夏季和冬季的日照时数数据作为研究对象，分析坡向、坡度对日照时数空间分布的影响。由于坡度在40°～58°范围内所占比例不到1%，所以本文将该范围内坡度归一类坡度参与数据分析，记作≥40°。

3.2.1坡向的影响

如图4所示，在相同坡度的情况下，除了平地及坡度≤5°范围内，坡向影响较小以外，其余坡度日照时数受坡向的影响较为显著，随着坡度的增加，坡向对日照时数的影响力不断增强；从夏、冬两季的变化趋势来看，有着截然相反的变化，其中，在夏季呈现字母“W”型的走势，从北坡到东坡，日照时数逐级递减，东坡到南坡，有所增加，而南坡到西坡再次减少，西坡至北坡，日照时数再次增多；而到了冬季呈现字符“Λ”型的变化，北坡到南坡，日照时数逐级增多，南坡至北坡，日照时数不断减少。从两季日照时数变化幅度来看，冬季坡向对日照时数的影响大于夏季，在冬季，南坡方向上的区域，日照较为充足，而夏季，则出现在北坡，其日照时数平均值甚至多于平地区域，这些特征主要是由于连城县位于北回归线附近，在夏、冬两季，太阳直射点位置不同及太阳高度角高低所造成的。

图4 连城县不同坡度夏、冬日照时数随坡向的变化规律

3.2.2坡度的影响

图5为相同坡向下日照时数随坡度的变化曲线，冬夏两季总体变化趋势一致，随着坡度的增加，日照时数趋于减少，表现为坡度每增加5°，日照时数平均减少10.7h。

其中，坡度每增加5°，在夏季，东坡和西坡递减幅度是最大的，平均减少15.6h和16.0h，北坡为最小，仅为0.5h；而在冬季，北坡平均减少28.4h为最大，南坡的变化最小，仅为0.3h。

图5 连城县不同坡向夏、冬日照时数随坡度的变化规律

4 结论

日照时数是衡量光能资源的重要气候指标，其具有独特的时空分布规律，尤其在地形复杂的山区。本文以典型的山地丘陵地带——连城县作为研究对象，着重分析复杂地形下日照时数的空间分布特征，得出以下结论：

（1）基于DEM地形起伏下的日照时数模型所模拟出的效果良好，与实测值具有较高的相关性，适用于纬度变化不大区域的研究，计算所得的日照时数可作为一项基础数据，用于其他相关研究，为精细化农业发展提供数据支持。

（2）连城县日照时数呈现明显的地形地貌分布规律，地域差异性明显，呈现典型的非地带性分布特征，年日照分布最多集中在地势平坦、且在西坡至北坡的区域内，而最少区域主要在东部、东南部的玳瑁山脉和西部的武夷山支脉的山谷里，且以东北坡至东坡方向上的区域内为主；四季实照时数差别明显，具有明显的季节不平衡性，按季节实照时数的大小依次为夏季>秋季>冬季>春季；日照时数随着坡度的增加而减少，坡度每增加5°，日照时数平均减少10.7h，其中，在夏季，东坡和西坡递减幅度是最大的，平均减少15.6h和16.0h，北坡为最小，仅为0.5h；而在冬季，北坡平均减少28.4h为最大，南坡的变化最小，仅为0.3h；坡度的影响随着季节更替则呈现不同变化规律，在冬季，南坡方向上的区域，日照较为充足，而夏季，则出现在北坡，其日照时数平均值甚至多于平地区域，从冬夏两季日照时数变化幅度来看，冬季坡向对日照时数的影响大于夏季。

（3）由于本文采用的方法未考虑大气对日照时数的影响，同时采用的日照百分率数据为记录点的常年平均值，未能考虑地形遮蔽因素，且不能准确代表每个栅格点所在位置具体的日照百分率，这都会对结果造成一定的影响。

[1] 傅抱璞,罗哲贤.山区地形气候[M].北京:气象出版社,1983.

[2] 曹芸.日照时数3S集成模型研究[D].南京:南京信息工程大学,2011.

[3] 曾燕,邱新法,缪启龙,等.起伏地形下我国可照时间的空间分布[J].自然科学进展,2003,13(5):545-548.

[4] 左大康,周允华,项月琴,等,地球表层辐射研究[M].北京:科学出版社,1991.

[5] 李占清,翁笃呜.一个计算山地日照时间的计算机模式[J].科学通报, 1987 (17): 1333-1335.