起伏地形下潛在輻射資源空間分異研究

何志明，張秀美，李月臣

（1.重慶市地理信息中心，重慶 400020；2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 400047）

太陽輻射是是生態(tài)模型[1]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃[2,3]和太陽能源利用研究[4]中的必要參數(shù)，其中晴天太陽輻射可以理解為天空晴朗無云時到達地表的太陽總輻射，即潛在的太陽總輻射。晴天太陽輻射的獲取對山區(qū)實際太陽輻射的模擬具有重要意義[4-6]。小尺度下晴天太陽輻射空間分布代表了區(qū)域潛在太陽輻射，對山地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)具有重要意義。

起伏地形下的太陽輻射空間分布較平地有很大差異，很多研究中以水平面為假定前提[7]，無法反映太陽輻射實際空間分布細節(jié)[8]。曾燕、王麗[9,10]提出了一種計算起伏地形下晴天太陽輻射的方法，但是計算過程復(fù)雜。本研究以山城重慶為例，利用參數(shù)設(shè)置簡單、應(yīng)用較為方便的Solar Analyst模型，選擇100 m×100 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，計算了重慶市各月理想狀態(tài)下坡地和平地潛在太陽總輻射，并分析地形因子對輻射分布的影響。

1 研究方法

Solar Analyst工具根據(jù)半球視域算法來計算研究區(qū)日照時長，進而結(jié)合大氣參數(shù)設(shè)置推導(dǎo)出太陽總輻射量。該方法將地面太陽總輻射視為由直接輻射和散射輻射2個分量組成。具體計算原理見參考文獻 [11]、[12]。

為了揭示地形對太陽輻射空間分布的影響規(guī)律，排除云、霧等干擾，研究中將大氣透射率和散射比例參數(shù)分別設(shè)定為0.7和0.2，求算晴天狀態(tài)下太陽輻射。其中坡地晴天太陽輻射計算過程中考慮了坡度、坡向等地形因子，平地晴天太陽輻射計算時則假設(shè)地面水平。坡地與平地晴天太陽輻射的比值R可以反映地形因子的影響程度，R越大則影響程度越大。

2 實驗分析

2.1 年晴天太陽輻射的空間分布

重慶市起伏的地形條件下全年晴天太陽輻射最大值為9 558 MJ/m2，最小值為1 061 MJ/m2，平均約7 427 MJ/m2。晴天太陽輻射高值區(qū)主要分布于渝東北大巴山弧形褶皺山系和渝東南巫山、七曜山山區(qū)的向陽坡，低值區(qū)則集中分布于相應(yīng)區(qū)域的背陰坡。重慶市年晴天太陽輻射與區(qū)域微地形特征相關(guān)性較強，渝東北區(qū)域北西向的大巴山弧形褶皺山系呈現(xiàn)明顯的高值區(qū)與低值區(qū)平行交替分布的局地特征；渝東南喀斯特山區(qū)則呈現(xiàn)明顯的簇狀分布局地特征；渝中西區(qū)域太陽輻射主要受平行嶺谷地貌影響。

2.2 不同季節(jié)晴天太陽輻射的空間分布

晴天太陽輻射存在明顯的時空差異（圖1、表1）。全市4個季節(jié)晴天太陽輻射均值排序為：夏季﹥春季﹥秋季﹥冬季。標(biāo)準差是反映數(shù)據(jù)離散程度的重要統(tǒng)計量，通過晴天太陽輻射標(biāo)準差的比較可以反映出各季節(jié)晴天太陽輻射空間差異程度。4個季節(jié)晴天太陽輻射標(biāo)準差排序為：冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季，與平均值排序恰好相反。這是由于冬季太陽高度角偏低，起伏地形條件下，晴天太陽輻射受坡度、坡向影響明顯；而夏季太陽高度角高，背陰坡也能接收較多的太陽輻射，所以晴天太陽輻射受坡度、坡向影響不明顯；春季和秋季坡度、坡向影響居中。

表1 重慶市四季晴天太陽輻射統(tǒng)計表/MJ/m2

圖1 不同季節(jié)晴天太陽輻射的空間分布

2.3 各月晴天太陽輻射的空間分布

對重慶市全年晴天太陽輻射進一步分析（圖2）。考慮到各月天數(shù)的不一致，為便于比較，將各月輻射處理成月均日值。重慶市晴天太陽輻射月均日值趨勢明顯呈以6月份為頂點的單峰狀；6月份最高為28.697 MJ/ m2，12月份最低為10.58 MJ/ m2。輻射日值的月際差異反映了太陽高度角是決定年內(nèi)各月晴天太陽輻射量的主導(dǎo)因素。反映各月起伏地形影響下晴天太陽輻射空間差異的標(biāo)準差趨勢與均值趨勢走向?qū)ΨQ，表現(xiàn)為6月份標(biāo)準差最低，1月份最高。標(biāo)準差的月際變化趨勢反映了隨各月太陽高度角的變化，坡度、坡向等地形因子等對晴天太陽輻射的影響程度。為了進一步揭示地形因子的影響，有必要更深入地進行分析。

圖2 各月晴天太陽輻射統(tǒng)計圖

2.4 地形因子對晴天太陽輻射空間分布的影響

進一步引入R指數(shù)，通過控制坡度、坡向、緯度、月份4個因子中的3個來反映第4個因子在起伏地形下對晴天太陽輻射的影響規(guī)律。

1）同月份、同緯度、不同坡度，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，緯度為31°N，坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°。從圖3a可以看出，各坡度上受坡向影響都是以180°（正南）附近為對稱，180°附近R值都是最高的，0°和360°附近（正北）R值為最低；90°（正東）和270°（正西）左右R值接近于1；0°～90°、270°～360°坡向附近R值都小于1，且坡度越大R值越小；90°～270°附近R值都大于1，且坡度越大R值越大。以上趨勢說明5°～25°坡度范圍內(nèi)，坡度越高晴天太陽輻射受坡向影響程度就越大，二者之間的變化關(guān)系具體表現(xiàn)為南坡及偏南坡為正相關(guān)，北坡及偏北坡為負相關(guān)。

2）同月份、同緯度、不同坡向，晴天太陽輻射隨坡度（0°～35°）的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，緯度為31°N，坡向分別為北（0°～22.5°、337.5°～360°）、東北（22.5°～67.5°）、東（67.5°～112.5°）、東 南（112.5°～157.5°）、南（157.5°～202.5°）、西南（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、西 北（292.5°～337.5°）8個方位。從圖3b可以看出，0°～35°范圍內(nèi)，隨著坡度增加，8個坡向的R值趨于兩極分化，南、西南、東南坡R值不斷增大，北、西北、東北坡R值不斷減小，東坡和西坡R值變化幅度小，一直接近于1。以上趨勢說明在0°～35°坡度范圍內(nèi)，南、西南、東南坡3個坡向晴天太陽輻射要大于平地晴天太陽輻射，且坡度越大，坡地晴天太陽輻射越高；北、西北、東北坡晴天太陽輻射要小于平地晴天太陽輻射，且坡度越大，坡地晴天太陽輻射越??；東坡和西坡晴天太陽輻射受坡度影響程度較小。

3）同月份、同坡度、不同緯度，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。典型月選擇為1月份，坡度為10°，緯度分別為重慶市范圍內(nèi)的29°N、30°N、31°N。從圖3c可以看出，重慶市3個緯度上R值隨坡向的變化差異不大，由于重慶市南北跨幅較小，地形對太陽輻射的影響受緯度控制較小，也證明了小尺度下緯度并不是決定晴天太陽輻射的主要因素。

4）同緯度、同坡度、不同月份，起伏地形下晴天太陽輻射隨坡向的變化規(guī)律。緯度為31°N，坡度為10°，月份選擇為1月、4月、7月、10月，一定程度上可以代表春、夏、秋、冬四季。從圖3d可以看出，各月R值變化起伏度表現(xiàn)為：1月﹥10月﹥4月﹥7 月，這說明坡向?qū)η缣焯栞椛涞挠绊懯艿教柛叨冉强刂?。冬半年太陽高度角低，晴天太陽輻射受坡向影響最為明顯，尤其是1月；而夏半年太陽高度角較高，晴天太陽輻射受坡向影響程度較低，7月份各個坡向上太陽輻射都與平地太陽輻射差異不大，表現(xiàn)為R值近乎平直。90°和270°坡向附近R值最接近于1，說明東坡和西坡太陽輻射受太陽高度角的影響較小。

圖3 R值受地形因子影響變化規(guī)律曲線

3 結(jié) 語

重慶市年晴天太陽輻射受區(qū)域微地形特征影響明顯，在渝東北大巴山褶皺山系、渝東南喀斯特地貌區(qū)、渝中西平行嶺谷區(qū)呈現(xiàn)明顯的局部空間分布差異。起伏地形下重慶市各季節(jié)晴天太陽輻射量表現(xiàn)為：夏季 ﹥春季﹥秋季﹥冬季；晴天太陽輻射空間分布標(biāo)準差為：冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季。分月晴天太陽輻射表現(xiàn)出與分季節(jié)相似的特征，7月份輻射量最高，12 月份最低。反映月晴天太陽輻射空間差異的標(biāo)準差7月份最低，1月份最高。

由于市域范圍較小，緯度因素對晴天太陽輻射空間分布影響較小。隨著太陽高度角變化，地形因子對晴天太陽輻射空間分布的影響表現(xiàn)為：1月>10月>4 月>7月；坡度影響表現(xiàn)為：隨著坡度增加，除東坡和西坡受影響較小外，其他各個坡向受影響程度都不斷增大；坡向影響表現(xiàn)為：各坡度上都是以正南坡太陽輻射高于平地太陽輻射的幅度最大，正北坡太陽輻射低于平地太陽輻射的幅度最大，R值趨勢線以正南坡為軸，呈對稱分布。

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