基于ArcGIS的復(fù)雜地形下太陽(yáng)輻射分析計(jì)算

金鑫 楊禮簫

摘要分析了ArcGIS空間分析技術(shù)計(jì)算太陽(yáng)輻射的過(guò)程，并利用ArcGIS空間分析技術(shù)和黑河上游山區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及靠近黑河上游山區(qū)葫蘆溝小流域的野牛溝氣象站的日照時(shí)數(shù)資料確定的透射率和散射比率兩個(gè)天氣因子，計(jì)算了黑河上游山區(qū)太陽(yáng)輻射分布。最后，用位于葫蘆溝小流域的3個(gè)氣象站的實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)果證明方法可行。

關(guān)鍵詞太陽(yáng)輻射；ArcGIS；數(shù)字高程模型；大氣效應(yīng)

中圖分類號(hào)S181.3；P422.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）23-07952-04

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黑河上游土壤水文異質(zhì)性觀測(cè)試驗(yàn)及其對(duì)山區(qū)水文過(guò)程的影響”（D010102-91125010）；蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（lzujbky2014258）。

作者簡(jiǎn)介金鑫（1988- ），女，青海西寧人，博士研究生，研究方向：水文模型。

鳴謝感謝國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黑河上游土壤水文異質(zhì)性觀測(cè)試驗(yàn)及其對(duì)山區(qū)水文過(guò)程的影響”（D010102-91125010）資助。同時(shí)，感謝中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所黑河上游生態(tài)-水文實(shí)驗(yàn)研究站以及陳仁升教授提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)幫助。

收稿日期20140707太陽(yáng)輻射在大氣和地表的能量交換過(guò)程中有重要意義[1-2]。地球上99.8% 的能量來(lái)自太陽(yáng)[3]。太陽(yáng)輻射是地球上化學(xué)、物理、生物等過(guò)程的主要能源，也是水文模擬模型、生物物理模型研究中的重要參數(shù)。到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射量主要受到3個(gè)方面的影響：①太陽(yáng)幾何因素；②地形因素；③大氣效應(yīng)[4]。在景觀尺度上，地形是決定太陽(yáng)輻射分布的最重要的因素。隨著一些學(xué)科研究尺度的擴(kuò)展，太陽(yáng)輻射的空間分布特征日趨重要[5-8]。不同位置在高程、方向（坡度和坡向）及地形要素投射的陰影等方面存在的差別，會(huì)對(duì)接收到的日照量產(chǎn)生影響[9-14]。這種差異還將隨太陽(yáng)幾何因素或一天和一年中時(shí)間的不同而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致小氣候的不同，其中包括空氣和土壤溫度狀況、蒸發(fā)量、積雪融化模式、土壤濕度以及可用于光合作用的光等因素[15-16]。太陽(yáng)輻射的觀測(cè)由于其設(shè)備復(fù)雜、成本高，其觀測(cè)密度往往小于溫度、降水等氣象因素的觀測(cè)密度。在缺乏太陽(yáng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)的地區(qū)，太陽(yáng)輻射值的計(jì)算往往是通過(guò)空間內(nèi)插進(jìn)行的，地形因子也往往被忽略或簡(jiǎn)化[17-20]。但是在一些地形復(fù)雜的區(qū)域，簡(jiǎn)單的空間內(nèi)插就有了很大的局限性[4-8]。

太陽(yáng)輻射還受到大氣因素的影響，如云、氣溶膠等。但是大氣因素對(duì)太陽(yáng)輻射影響的定量研究有一定的復(fù)雜性。模擬大氣因素對(duì)太陽(yáng)輻射的影響有一定的挑戰(zhàn)性。國(guó)外，Dozier等率先利用DEM（數(shù)字高程模型）計(jì)算了復(fù)雜地形條件下的太陽(yáng)輻射值，使得太陽(yáng)輻射的計(jì)算有了更好的精度和更強(qiáng)的空間性等[21-22]。Agostino等[23]、Beyer等[24]利用遙感資料計(jì)算太陽(yáng)輻射，這種方法雖然精度不高，但是體現(xiàn)了太陽(yáng)輻射在空間上的變化特征。隨后，GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展為太陽(yáng)輻射的分析計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和計(jì)算平臺(tái)，基于GIS的太陽(yáng)輻射計(jì)算模型應(yīng)運(yùn)而生[25-27]。這些模型往往只能計(jì)算晴空條件下的太陽(yáng)輻射值，對(duì)于實(shí)際天氣情況下的太陽(yáng)輻射計(jì)算所用的方法、資料都趨于復(fù)雜。在國(guó)內(nèi)，李新等[5]、傅抱璞[28-30]等學(xué)者均研究了太陽(yáng)輻射計(jì)算模型。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于實(shí)際地形條件下太陽(yáng)輻射值的計(jì)算是基于DEM進(jìn)行的，對(duì)于實(shí)際天氣情況下的太陽(yáng)輻射計(jì)算，所運(yùn)用的方法和資料也往往趨于復(fù)雜[7，16]。

該研究運(yùn)用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能，在計(jì)算太陽(yáng)輻射時(shí)從黑河上游山區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)獲取地形因子（坡度、坡向、地形遮擋），計(jì)算地形對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。并運(yùn)用研究區(qū)域中靠近太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)站點(diǎn)的野牛溝氣象站的日照時(shí)數(shù)資料計(jì)算透射率和散射比率兩個(gè)因子，從而較簡(jiǎn)便地計(jì)算出大氣效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)輻射的影響[31-32]。通過(guò)使用上述方法，可以獲得研究區(qū)域?qū)嶋H地形、天氣條件下的太陽(yáng)輻射值。

1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)與研究區(qū)域概況該研究選擇了葫蘆溝流域及臨近的黑河上游山區(qū)為研究區(qū)域。該地區(qū)地形起伏大（2 640～4 880 m），地形遮蔽明顯。氣候類型屬于高原山地氣候，氣溫隨高度增高而降低，氣候垂直變化顯著，在一定高度內(nèi)，濕度大、多云霧、降水多。迎風(fēng)坡降水多，雪線低；背風(fēng)坡降水少，雪線高。夏季多降水，冬季較干燥。冬季降水形式為降雪。

研究采用了中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所黑河上游生態(tài)-水文實(shí)驗(yàn)研究站位于葫蘆溝流域的3個(gè)氣象站（、）2011年日太陽(yáng)輻射觀測(cè)值與ArcGIS輸出結(jié)果作比較。研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的30m*30m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

太陽(yáng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)及氣象站分布1.2研究方法

1.2.1ArcGIS太陽(yáng)輻射建模。入射太陽(yáng)輻射源自太陽(yáng)，穿過(guò)大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生改變，然后由于地形和表面要素進(jìn)一步發(fā)生改變，最后在地球表面被分別截取成直射部分、散射部分和反射部分。截取的直接輻射是源自陽(yáng)光的暢通無(wú)阻的直光線。散射輻射則是由于被大氣中的云和塵埃等成分分散。反射輻射則是經(jīng)過(guò)表面要素的反射。直射、散射和反射輻射的總和稱為太陽(yáng)輻射總量或整體日輻射量（）。

入射太陽(yáng)輻射被截取成直射部分、散射部分和反射部分通常，直射輻射是輻射總量中最多的部分，而散射輻射則排在第二位。反射輻射通常僅構(gòu)成輻射總量中很小的一部分。通常散射輻射和反射輻射部分的和僅占太陽(yáng)總輻射量的10%～20%[33]。ArcGIS中的太陽(yáng)輻射工具在計(jì)算輻射總量時(shí)將反射輻射排除在外。因此，輻射總量將計(jì)算為直接輻射和散射輻射的總和。太陽(yáng)輻射工具可對(duì)某些點(diǎn)位置執(zhí)行計(jì)算。包括以下4個(gè)步驟：①根據(jù)地形計(jì)算仰視半球視域；②在直射太陽(yáng)圖上疊加視域以便判斷直射輻射；③在散射星空?qǐng)D上疊加視域以便判斷散射輻射；④對(duì)每個(gè)感興趣的位置都重復(fù)上述過(guò)程便可生成日照?qǐng)D。由于輻射會(huì)受到地形和表面要素的極大影響，因此需要在數(shù)字高程模型（DEM） 中為每個(gè)位置生成一個(gè)仰視半球視域（），這是該計(jì)算算法的一個(gè)重要組成部分。可見(jiàn)天空的大小在決定某位置的日照方面起重要作用[34-38]。

半球（魚(yú)眼鏡頭）相片[32]視域可與太陽(yáng)位置和天空方向信息（分別用太陽(yáng)圖和星空?qǐng)D表示）結(jié)合使用，從而計(jì)算出每個(gè)位置的直射、散射和輻射總量（直射 + 散射）并生成準(zhǔn)確的日照?qǐng)D。計(jì)算日照時(shí)，在視域柵格中疊加太陽(yáng)圖柵格和星空?qǐng)D柵格可以計(jì)算出從每個(gè)天空方向接收到的散射輻射和直接輻射。計(jì)算每個(gè)扇區(qū)中可見(jiàn)天空區(qū)域比例的方法為，用每個(gè)扇區(qū)中未遮擋像元的數(shù)量除以像元的總數(shù)。可以考慮部分遮擋的天空扇區(qū)。和說(shuō)明了在太陽(yáng)圖和星空?qǐng)D上分別疊加視域的情況。灰色表示受遮擋的天空方向。計(jì)算太陽(yáng)輻射的方法為，將源自未受遮擋天空方向的直接日照和散射日照相加[33-37]。

視域與太陽(yáng)圖疊加的示例[32]視域與星空?qǐng)D疊加的示例[32]1.2.2參數(shù)確定。ArcGIS計(jì)算點(diǎn)太陽(yáng)輻射時(shí)需要點(diǎn)的位置信息（緯度、高程）、地形因子、大氣因子（散射比例、透射率）。高程信息從輸入的DEM數(shù)據(jù)中讀取。地形因子主要是點(diǎn)所在位置的坡度、坡向信息。可以根據(jù)DEM數(shù)據(jù)利用ArcGIS本身的空間分析功能進(jìn)行計(jì)算，也可以手動(dòng)輸入實(shí)際測(cè)量值。此處選擇ArcGIS本身的空間分析功能進(jìn)行計(jì)算。該研究在確定兩個(gè)大氣因子時(shí)，運(yùn)用了位于葫蘆溝流域附近的野牛溝氣象站的日照時(shí)數(shù)資料。

根據(jù)已有研究成果[31-32]，將研究區(qū)域的天氣情況分為以下幾種類型：①非常晴朗；②普通晴朗；③非常多云；④普通多云。并且根據(jù)已有研究，確定這幾種情況下散射比例與透射率的值（散射比例與透射率成反比例關(guān)系），如所示。

根據(jù)野牛溝氣象站提供的2011年每日日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，該研究作出了如下劃分：①1月1日至3月21日（春分日），日照時(shí)數(shù)大于8.5 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時(shí)數(shù)小于8.5 h，大于6 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時(shí)數(shù)大于3 h，小于6 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時(shí)數(shù)小于3 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。②3月21日到9月23日（秋分日），日照時(shí)數(shù)大于10 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時(shí)數(shù)小于10 h，大于8 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時(shí)數(shù)大于5 h，小于8 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時(shí)數(shù)小于5 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。③9月23日至12月31日，日照時(shí)數(shù)大于8.5 h，則認(rèn)為這一日天氣非常晴朗，即中的天氣情況1；日照時(shí)數(shù)小于8.5 h，大于6 h，則認(rèn)為這一天為普通晴朗，即中的天氣情況2；日照時(shí)數(shù)大于3 h，小于6 h，則認(rèn)為這一天普通多云，即中的天氣情況4；日照時(shí)數(shù)小于3 h，則認(rèn)為這一天非常多云，即中的天氣情況3。

野牛溝氣象站每日日照時(shí)數(shù)安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年2結(jié)果與分析

將確定好的所有參數(shù)輸入ArcGIS軟件太陽(yáng)輻射分析工具界面，得到研究區(qū)域內(nèi)3個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站點(diǎn)上的模擬日太陽(yáng)輻射值。在每個(gè)站點(diǎn)上，對(duì)于模擬的太陽(yáng)輻射值和太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較（、8、9），并在每個(gè)站點(diǎn)上對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)0、11、12。

1號(hào)站點(diǎn)模擬的2011年日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值比較2號(hào)站點(diǎn)模擬的2011年日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值比較 3號(hào)站點(diǎn)模擬的2011年日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值比較01號(hào)站點(diǎn)處模擬的日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值相關(guān)性 12號(hào)站點(diǎn)處模擬的日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值相關(guān)性23號(hào)站點(diǎn)處的日太陽(yáng)輻射值和實(shí)測(cè)的日太陽(yáng)輻射值相關(guān)性由0與2可以發(fā)現(xiàn)在站點(diǎn)1處，ArcGIS的日太陽(yáng)輻射模擬結(jié)果最好；站點(diǎn)3處的模擬結(jié)果并不理想。經(jīng)過(guò)分析，原因可能有以下幾點(diǎn)：①站點(diǎn)1距離野牛溝氣象站最近，且站點(diǎn)1處于中山地帶，天氣狀況相對(duì)穩(wěn)定。但是站點(diǎn)3處于高山地帶，氣候受海拔高度影響較大。尤其是在夏季，天氣多變。該研究所使用的野牛溝氣象站氣象數(shù)據(jù)無(wú)法很好地反映3號(hào)實(shí)測(cè)站點(diǎn)當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r；②研究在計(jì)算ArcGIS中兩個(gè)大氣因子時(shí)，根據(jù)已有研究對(duì)其進(jìn)行了概化。實(shí)際上，不同的日照時(shí)數(shù)可能對(duì)應(yīng)不同的大氣因子；③在3個(gè)站點(diǎn)處，模擬值都小于實(shí)測(cè)值。因?yàn)锳rcGIS計(jì)算太陽(yáng)總輻射值時(shí)，忽略反射輻射部分。

3結(jié)論與展望

ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能可以在計(jì)算太陽(yáng)輻射時(shí)從DEM數(shù)據(jù)中獲取地形因子，計(jì)算地形對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。并通過(guò)透射率和散射比率兩個(gè)因子計(jì)算出大氣效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。該研究在計(jì)算參數(shù)時(shí)，運(yùn)用黑河上游山區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)獲取了地形因子（坡度、坡向、地形遮擋）。并運(yùn)用研究區(qū)域中靠近太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)站點(diǎn)的野牛溝氣象站的日照時(shí)數(shù)資料確定了透射率和散射比率兩個(gè)大氣因子。計(jì)算結(jié)果表明ArcGIS能夠較好地模擬點(diǎn)上的太陽(yáng)輻射值，關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的地形因子以及透射率和散射比率兩個(gè)大氣因子。

因該研究中，確定透射率和散射比率兩個(gè)大氣因子時(shí)，都用了概化的值。所以并不能很好地模擬天氣因素對(duì)太陽(yáng)輻射值的影響。在今后的研究中，可以利用多個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)、實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射值計(jì)算出不同的季節(jié)里，不同的日照時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)的不同的透射率和散射比率值。另外，在一些地表反照度高的地區(qū)使用ArcGIS計(jì)算太陽(yáng)輻射時(shí)，可以加入反射輻射的值，使結(jié)果更加貼近實(shí)測(cè)值。

參考文獻(xiàn)

[1] JACOBSON M Z.Fundamentals of Atmospheric Modeling[M].Cambridge：Cambridge University Press，1999：241-297.

[2] OLIPHANT A J，SPRONKENSMITH R A，STURMAN A P，et al.Spatial variability of surface radiation fluxes in mountainous region [J].Appl Meteorol，2003，42：113-128.

[3] DICKINSON W C，CHEREMISINOFF P N.Solar Energy Technology Handbook[K].London：Butterworths，1980.

[4] 何洪林，于貴瑞，牛棟.復(fù)雜地形條件下的太陽(yáng)資源輻射計(jì)算方法研究[J].資源科學(xué)，2003，25（1）：78-85.

[5] 李新，程國(guó)棟，陳賢章，等.任意地形條件下太陽(yáng)輻射模型的改進(jìn)[J].科學(xué)通報(bào)，1999，44（9）：993-998.

[6] HETRICK W A，RICH P M，BARNES F J，et al.GISbased solar radiation flux models[C]// American Society for Photogrammetry and Remote Sensing Technical Papers，Vol3：GIS Photogrammetry and modeling[S.l.]：American Society for photogrammetry and Remote Sensing，1993：132-143.

[7] 劉俊峰，陳仁升，陽(yáng)勇，等.實(shí)際地形下30 min太陽(yáng)輻射模擬及誤差分析[J].高原氣象，2011，30（6）：1647-1652.

[8] 王瀟宇.復(fù)雜地形下我國(guó)太陽(yáng)總輻射的分布式模擬[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2005：9-18.

[9] 翁篤鳴，孫治安，史兵.中國(guó)坡度總輻射的計(jì)算和分析[J].氣象科學(xué)，1990，10（4）：348-357.

[10] 孫治安，史兵，翁篤鳴.中國(guó)坡度太陽(yáng)直接輻射分布特征[J].高原氣象，1990，9（4）：371-381.

[11] 陳斌，張耀存，丁裕國(guó).地形起伏時(shí)模式地表長(zhǎng)波輻射計(jì)算的影響[J].高原氣象，2006，25（3）：406-412.

[12] 鄒基玲，侯旭宏，季國(guó)良.黑河地區(qū)夏末太陽(yáng)輻射特征的初步分析[J].高原氣象，1992，11（4）：381-388.

[13] GARNIER B J，A OHMURA.A method of calculating the direct shortwave radiation income of slopes[J].J Appl Meteor，1968，7（5）：796-800.