基于DEM的喀斯特地區可照時間空間分布

張 超，吳良林，楊 妮

（1．廣西師范學院 資源與環境科學學院，廣西 南寧 530001）

基于DEM的喀斯特地區可照時間空間分布

張 超1，吳良林1，楊 妮1

（1．廣西師范學院 資源與環境科學學院，廣西 南寧 530001）

采用基于DEM的起伏地形下可照時間計算模型，以廣西巴馬縣為例，探討了喀斯特地區可照時間的空間分布特點，分析坡度、坡向等地形因子對可照時間的影響。結果表明，可照時間受地形遮蔽影響較大，日照時間陽坡多、陰坡少，平地多、山地少，并且冬季更為明顯。坡度對可照時間的影響表現為坡度越大，可照時間越少，且集中分布于坡度小于35°的地區。該方法可為喀斯特地區提供重要的氣候基礎數據，對喀斯特地區小氣候的研究有重要意義。

喀斯特；數字高程模型；可照時間；空間分布

山區復雜的地形條件使得太陽輻射狀況有很大差異，從而引起溫度、濕度、風狀況等的不同，形成獨特的山地小氣候。太陽輻射是山區地表能源的主要來源，也是決定山地小氣候的主導因素。地面可照時間的長短直接決定了地表接受太陽輻射能的多少。因此，地面可照時間是影響太陽輻射計算過程的重要參數。地面“可照時間”一般具有2種含義，即天文可照時間和地理可照時間，前者指在不考慮大氣影響和地形遮蔽的最大可能日照時間，后者指考慮地形遮蔽的影響而不考慮大氣影響的可能日照時間。本文所計算的是地理可照時間[1]。

關于起伏地形下日照時間的研究，國內外的相關學者已經取得了一定的進展。Dozier[2]最早提出了利用DEM模擬太陽輻射的方法，并提出了相關地形參數的快速算法。Hetrick[3]， Civco[4]等為代表的學者在利用GIS手段研究地形對太陽輻射影響的同時，也對山地可照時間進行了研究，先后探討了任意地形條件下日照時數的模擬。在國內，傅抱璞[5,6]、翁篤鳴[7]、李占清[8]等氣象專家做了大量的開創性工作，提出了相關理論推算模型。近些年，曾燕[9]、李軍[10]、陳華[11]、潘永地[12]等人利用DEM數據對起伏地形的可照時間進行了研究，并對計算模型進行修正。但以上研究采用的DEM數據空間分辨率一般較低，不能很好地反映可照時間在山地小氣候內的空間分布情況，且對于典型喀斯特地區的可照時間研究幾乎為零。

喀斯特地區為我國的較不發達地區，農業在喀斯特地區國民經濟中的比重大，影響深。喀斯特地區土地多受地形影響，平整的土地面積稀少，集中分布在溶蝕盆地和洼地中，坡耕地多。由于水土流失加劇，喀斯特地區石漠化現象十分嚴重，使得耕地資源進一步減少，人地關系更為緊張。深入研究喀斯特山區復雜地形下可照時間的分布，對于了解喀斯特地區山地氣候規律、開發利用山地氣候資源、合理優化種植業空間布局、緩解緊張的人地關系等都有重要的意義。

1 基于DEM的山地可照時間計算模型

利用基于DEM的山地可照時間計算模型，可對1 a內任意日期的日照時數進行計算和模擬，具體步驟如下：

1）利用DEM數據，提取所在區域每個網格的實際緯度值φ。

2）計算太陽赤緯，可從每年發布的天文年歷中查出，或用傅里埃級數計算得到[13]：

6）計算不同時刻的遮蔽因子di，并判斷不同時刻的遮蔽情況，得出遮蔽因子gi。該步驟直接利用ArcGIS10提供的Hillshade工具，輸入不同時刻的太陽高度角和太陽方位角，得出遮蔽因子di。判斷每個微分時段是否可照，根據以下法則求出遮蔽因子gi：

一般情況下，利用每個月的代表日作為該月的平均可照時數，基于氣候學的計算，選取每個月的15日作為代表日，將每月代表日可照時間乘以該月天數，可得該月可照時間。將每月可照時間進行累加，可得全年可照時間[14]。

2 研究區概況

巴馬瑤族自治縣位于廣西壯族自治區西北部，介于東經 106°51'~107°23'、北緯 23°51'~24°23'之間。東西最大跨度70 km，南北相距42 km，總面積1 971 km2。其中石山占30%，丘陵坡地占69%，水面占1%。巴馬境內巖溶地形與丘陵交錯，西北高，東南低，略呈傾斜狀，主要分為巖溶地貌、丘陵地貌、中低山地貌；北部奇峰疊嶂，溝壑縱橫，洞府神奇，洼地遍布，是典型的巖溶地貌；西部山地高峰聳立；中部、南部土坡連綿。全縣巖溶地貌面積為719.83 hm2，占全縣土地總面積的33.63%，超過國家劃分巖溶地區縣域規定標準6.63%，是典型的巖溶地區縣[14]。

3 數據處理和結果分析

以巴馬瑤族自治縣為例，采用空間分辨率為30 m的DEM數據，利用ArcGIS 10提供的工具，提取相應的緯度、坡向、坡度等地形參數。研究區域共2 472行，2 242列， 2 252 062個有效柵格，見圖1。

本文以1月、7月作為夏季和冬季的典型代表月份，計算并分析巴馬縣可照時間的空間分布（見圖2），并通過地理信息系統空間統計分析和疊加分析工具，分析地形因子對日照時間的影響，并對所得結果進行量化。

圖1 巴馬縣DEM圖

由圖2可知，研究區域夏季可照時間長，冬季可照時間較短，且夏季可照時間整體水平較高，變化差異比冬季平緩。由于冬季太陽高度角較小，部分地區地形遮蔽區域較大，導致全天無陽光、出現可照時數為0的情況。

圖2 巴馬縣1月、7月可照時間空間分布圖

由表1、圖2和圖3可以看出，地形地貌對可照時間的影響較為明顯。巖溶地貌和丘陵地貌為巴馬縣境內主要的地貌類型，其面積相差不大，但喀斯特地區可照時間明顯低于丘陵地區，說明喀斯特地區可照時間受地形影響較大。中低山地貌地區，由于山體切割深，山勢陡峭，其可照時間低于其他地區。從圖3來看，冬季的可照時間受地形影響比夏季明顯。在空間分布上，夏季和冬季的可照時間都是在平地多、山地少，陽坡多、陰坡少，山脊多、山谷少。

表1 巴馬縣地貌類型統計表

圖3 巴馬縣不同地貌類型1月、7月可照時間統計圖

起伏地形下的可照時間主要受海拔高度和地形遮蔽的影響。其中根據傅抱璞的研究，由于巴馬縣地區最高海拔高度不超過3 000 m，不考慮海拔高度對可照時間的影響，本文主要探討坡度和坡向對可照時間空間分布的影響。由圖4可知，夏季和冬季的可照時間隨坡度呈現相同的規律性。從總量上來看，可照時間集中分布于地形坡度小于35°的地區，且在坡度為10°~20°的地區達到最大值。說明在坡度較小的區域，受地形遮蔽影響較小，可照時間長；坡度較大的區域，受地形遮蔽影響較大，可照時間變短。從可照時間平均值變化情況來看，夏季和冬季的可照時間都隨坡度呈下降趨勢，且冬季下降趨勢更為明顯。說明可照時間隨坡度增大而減少，冬季受坡度影響更加明顯。

圖4 巴馬縣1月、7月可照時間隨坡度的變化圖

圖5 巴馬縣1月、7月日照時間隨坡向的變化圖

由圖5可以看出，冬季和夏季的山地可照時間受坡向影響差異較大。冬季可照時間隨坡向變化明顯，南坡、東南坡和西南坡的可照時間較長，東坡和西坡次之，東北坡、西北坡和北坡的可照時間最短；夏季的可照時間隨坡向變化不大，各方位坡地的可照時間差異較小，主要是因為夏季太陽高度角高，坡向對可照時間的影響不明顯。

4 結 語

1）巴馬縣可照時間的空間分布受地形遮蔽影響較大，冬季可照時間受地形遮蔽的影響更為明顯。喀斯特地區地形復雜，起伏度較大，可照時間明顯小于丘陵地區，中低山地區可照時間更短。從可照時間的空間分布來看，符合平地多、山地少，陽坡多、陰坡少，山脊多、山谷少的一般規律。

2）坡度對可照時間的影響在夏、冬2季規律相同，表現為坡度越大可照時間越少。從數值總量來看，在坡度小于35°的地區，日照時間總量大。坡向對可照時間的影響主要表現在冬季，大致為可照時間南坡多，北坡少。坡度坡向對可照時間的影響大小主要與太陽高度角有關，冬季太陽高度角小，地形對太陽光遮蔽作用明顯，夏季則相反。

3）由于本文計算的可照時間只考慮地形遮蔽的影響，未考慮云霧遮擋等大氣因素的影響，不能完全反映實際情況下日照時間的真實數值和分布規律。同時DEM數據本身和時間步長的取值都會造成細微的誤差。上述問題有待進一步深入探討和改進。

[1] 左大康.現代地理學詞典[M].北京:商務印書館, 1990

[2] Dozier J, Outcalt S I. A Approach Toward Energy Balance Simulation over Rugged Terrain[J]. Geog Anal, 1979,11:65-85

[3] Hetrick W A, Rich P M, Barnes F J. GIS-based Solar Radiation Flux Models[C].American Society for Photogrammetry and Remote Sensing Technical Papers,1993

[4] Civco D L. Topographic Normalization of Landsat the Matic Mapper Figital Imagery [J].Photogrammatric Engineering and Remote Sensing.

[5] 傅抱璞.山地氣候[M].北京:科學出版社,1983

[6] 傅抱璞,虞靜明,盧其堯.山地氣候資源與開發利用[M].南京:南京大學出版社,1996

[7] 翁篤鳴,羅哲賢.山區地形氣候[M].北京:氣象出版社, 1990

[8] 李占清,翁篤嗚.一個計算山地日照時間的計算機模式[J].科學通報，1987（17）：55-57

[9] 曾燕,邱新法,繆啟龍,等.起伏地形下我國可照時間的空間分布[J].自然科學進展,2003(5):99-102，116

[10] 李軍,黃敬峰.基于DEM的山地可照時間的空間分布[J].浙江大學學報：理學版,2007(5):346-350

[11] 陳華,孫丹峰,段增強,等.基于DEM的山地日照時數模擬時空特點及應用——以北京西山門頭溝區為例[J].山地學報,2002(5):559-563

[12] 潘永地.起伏地形下日照時間計算模型的修正[J].資源科學,2010(8):1 493-1 498

[13] 楊昕.基于DEM的地面光熱資源模擬與農業應用[D].西安：西北大學,2004

[14] 鄧杏杏.基于DEM的氣候因子空間模擬及棕櫚適宜性評價[D].昆明：昆明理工大學,2010

[15] 巴馬瑤族自治縣縣志編纂委員會. 巴馬瑤族自治縣縣志[M].南寧:廣西人民出版社, 2003

Spatial Distribution of Duration of Possible Sunshine Based on DEM in Karst Area

byZHANG Chao

Taking Guangxi Bama County for example, using the computational model of possible sunshine based on DEM in rugged terrains, this article discussed the characteristics of spatial distribution of duration of possible sunshine in karst area, and analyzed the infl uence of terrain factors such as slope and aspect etc. to duration of possible sunshine. The results show that terrain masking has a great effect on duration of possible sunshine, and there is more sunshine duration in sunny slope and fl at land, less in shade slope and mountain land, and this situation get even more obvious in winter. The eff ect of slope is that the duration of possible sunshine decrease with the increase of slope,and most of sunshine duration gather in the area where the slope less than 35 degree. This method could provide essential data of climate,what makes sense for the analysis of microclimate in karst area.

Karst,DEM,duration of possible sunshine,spatial distribution

P208

B

1672-4623（2014）02-0070-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.025

2013-06-14。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40961004）。

張超，碩士，研究方向為地理信息系統開發與應用。