基于MODIS和站点数据的天水市太阳辐射影响因素研究

张小龙 魏玉斐 黄彩铃

（1.甘肃工业职业技术学院测绘学院 甘肃天水 741025 2.甘肃省测绘工程技术研究中心 甘肃天水 741025）

在对天水市太阳辐射研究中，有研究者发现天水市总辐射和直接辐射在1960～2003年间发生变化，在1992年以前下降明显，在1992年以后，显著上升，这可能与气溶胶光学厚度波动下降有关[1]。发现在华北地区，地表辐射的发生变化可能是气溶胶与总云量共同作用的结果[2]。本文选用了2000～2017年的MODIS气溶胶、云量和可降水汽月产品和地面辐射站的太阳辐射以及气象站的气象数据，结合ENVI和ARCGIS软件，从MODIS数据集中提取出月的气溶胶光学厚度、可降水汽，分析了天水17年的太阳辐射的年的变化特征，研究了太阳辐射与影响太阳辐射因子之间的相关关系。

1 数据与方法

1.1 数据来源及处理

1.1.1 MODIS数据

本文选用了MODIS大气3级标准数据气溶胶、水汽产品，空间分辨率为1km×1km。MODIS气溶胶、水汽数据产品，于ENVI软件的插件MCTK对下载的数据集进行几何校正处理，获得气溶胶、可降水汽遥感影像图。利用ARCGIS平台将站点shape进行投影转换成和遥感影像相同的投影，接着空间分析中多值提取到点的工具提取出气溶胶、可降水汽的月平均值。

1.1.2 站点数据

所用站点数据为天水太阳辐射站2000～2004年月太阳辐射观测值数据和2005～2016年榆中太阳辐射观测站的月总辐射、散射辐射、水平面直接辐射数据资料和气压、气温站点数据，以上的数据都来自中国气象数据中心。

1.2 研究方法

1.2.1 相关系数

通过计算太阳辐射和其影响因子之间的简单相关系数来分析它们之间的关系，简单相关系数的计算公式为：

式（1）中rxy为要素x与y的相关系数，取值范围为-1和1之间。若r的值介于0和1之间，表示两变量成正相关关系，并且值越接近于1，变量x和变量y的正相关性越强；反之，若r的值介于-1和0之间，表示两变量成负相关关系，并且值越接近-1，变量x和y的负相关性越强。

1.2 .2变化趋势分析

为了定量研究地表太阳辐射的变化趋势，本文采用一元线性回归分析的方法，该方法可以模拟空间上每个像元的太阳辐射增减趋势，斜率用最小二乘法来计算，公式如式（2）

式（2）中n为累年基数，本文取值为17；Pi为第i年的地表太阳辐射月均值；Slope为一元回归方程的斜率，如果Slope＞0说明地表太阳辐射在17年间呈增加趋势，反之则是呈减少趋势。

2 太阳辐射及太阳辐射影响因素分析

2.1 太阳辐射变化特征

总辐射、散射辐射、直接辐射是随着时间的变化波动上升，趋势分析后的得数值分别为S1=0.008，S2=0.09，S3=0.05，说明了天水地区在2000～2016年间太阳辐射整体上升的趋势。从图中可以看出总辐射上升量最多、散射辐射最少，总辐射、直接辐射在2010年突然下降，在2010年之后波动上升。散射辐射、直接辐射在2013年发生突变，同时下降。在2013～2016年上升，直接辐射上升幅度大于散射辐射。

2.2 太阳辐射影响因素分析

本文选取了天水市气象站点的太阳辐射、气压、气温、MODIS的气溶胶、可降水汽年平均数据，用相关系数的方法来研究太阳辐射与太阳辐射影响因素之间的关系。可以推断出天水地区的太阳辐射受哪些因素影响较大。

2.2.1 气压

总辐射、散射辐射、直接辐射与气压的相关系数分别为r1=0.04，r2=0.26，r3=0.39。说明了太阳辐射与气压是线性正相关关系，随着辐射增加，气压也在增大。其中气压与直接辐射相关系数最大，说明直接辐射受气压的影响程度最大，散射辐射居中，总辐射最小。

2.2.2 气温

总辐射、散射辐射、直接辐射与气温的相关系数分别为r1=0.40，r2=-0.41，r3=0.38。表明总辐射和直接辐射与气温是正相关关系，随着太阳辐射的增加，气温也随着升高。散射辐射与气温是负相关，随着散射辐射的增加气温下降。总辐射、直接辐射、直接辐射与气温的相关系数的绝对值差别较小，说明了太阳辐射总体受气温影响较大。

2.2.3 气溶胶

气溶胶与总辐射、散射辐射、直接辐射的相关关系都为负相关，它们之间相关系数分别为r1=-0.40，r2=-0.01，r3=-0.27。总辐射受气溶胶的影响最大，其次是直接辐射，散射辐射最小。天水市近17年内随着太阳辐射为增加，气溶胶光学厚度在减少。说明了气溶胶是影响天水市近17年的太阳辐射发生变化的主要因素之一。

2.2.4 大气可降水汽

总辐射、散射辐射、直接辐射与水汽的相关系数分别为r1=-0.34，r2=0.27，r3=-0.17。水汽对总辐射的影响较强，其次是散射辐射，对直接辐射影响最小。水汽随着总辐射、直接辐射的增加而减少，随着散射辐射的增加而减少。总辐射与气压、气温，与气溶胶、水汽为负相关；散射辐射与气压、水汽为正相关，与气温、气溶胶为负相关；直接辐射与气压、气温是正相关，与气溶胶、水汽为负相关。

3 结论

利用地面辐射站点观测资料和MODIS提供的遥感资料，对天水地区太阳辐射的影响因素进行了分析，使用趋势分析和相关系数法来分析在2000～2016年的数据，研究了年变化趋势和各个影响太阳辐射的因素相关性得出以下的结论：

（1）天水市在2000～2016年太阳辐射整体是上升趋势，其中总辐射上升量最多、散射辐射最少。

（2）2000～2016天水市的总辐射与气压、气温、为正向关，与气溶胶、水汽为负相关；散射辐射与气压、水汽为正相关，与气温、气溶胶为负相关；直接辐射与气压、气温、云量是正相关，与气溶胶、水汽为负相关。

（3）在2000～2016年间天水市的总辐射受风速影响较大，散射辐射受气温和云量影响较大，直接辐射受风速、气压、气温影响较大。