連城縣日照時數空間分布模擬及分析

曹鎮鴻 林金勇 張佳暉 吳 健

連城縣日照時數空間分布模擬及分析

曹鎮鴻1林金勇1張佳暉2吳 健1

1.連城縣氣象局 2.武夷山市氣象局

在GIS技術的支持下，以連城縣為例，構建地形起伏下的日照時數模型，計算出連城縣范圍內月、季、年日照時數空間分布，并綜合分析坡向、坡度等地形因子對日照時數的影響。結果表明，研究區域內的日照時數模擬值與氣象站實測值之間具有良好的一致性；四季的日照分布不平衡，其中夏季最多，春季最少；全年日照分布呈現地形地貌分布規律，具有非地帶性特征；日照時數隨著坡度的增加而減少，坡度每增加5°，日照時數平均減少10.7h；坡度的影響在夏季，北坡日照充足，多于南坡，而在冬季，則為南坡日照多于北坡。

GIS DEM 日照時數 地形因子 連城縣

日照時數是反映太陽輻射時間長短的氣候指標，是決定地區農業生產力的重要因素。一個地區的日照時數一般有3種含義：①天文日照時數，是指不考慮大氣影響和地形遮蔽的最大可能日照時間；②地理日照時數，是指考慮地形遮蔽而不考慮大氣影響的可能日照時間；③實際日照時數，是指同時考慮地形遮蔽和大氣影響的日照時數[1]。本文計算的“日照時數”就是指“實際的日照時數”的模擬。

傳統的日照時數推算方法主要有三種：經驗方程法、解析法和圖解法。其中，經驗方程法易于理解，操作方便，但是對于海拔差異懸殊、地形復雜的山地，往往不能夠反映出地形的影響；解析法由傅抱璞首次提出，為非水平面日出日沒時角計算公式，并提出了確定坡面日出日沒時角的一般原則和方法，但只能解決一些理想化地形的日照時數計算問題；而圖解法則將測點遮蔽圖配上太陽運動跡線來確定遮蔽地點的日出、日落時間和可照時數，此方法考慮了地形的影響,但在實際操作上，用經緯儀測繪各點的遮蔽圖，工作量大，效率較低。

隨著“3S”技術發展，起伏地形下可照時間的計算也有了全新的思路，在國外，Dozier等首次提出利用DEM數據模擬太陽輻射的方法；Hetrick等利用GIS技術，分析地形對日照時數的影響。在國內，傅抱璞、翁篤鳴、李占清等氣象專家也提出了相關理論推算模型[2]。本文在前人研究的基礎上，以DEM為數據基礎，結合氣象站日照百分率數據，模擬出連城縣近30a年日照實數空間分布，并對模擬數據做進一步分析。

1 研究區域概況及數據資料

1.1 研究區域概況

連城縣位于福建省武夷山南段東側，境內中部偏西是一片自北向南的串珠狀河谷盆地，東及東南部為玳瑁山脈的梅花山中山區，約占全境面積的2/3左右，地勢較高，崗嶺重疊，群山起伏，峰壑縱橫，澗流密布，西部為武夷山支脈的松毛嶺次中山區，峰巒聳峙，形勢險要，成為處于長廊盆地中的縣城西北部屏障，全縣范圍內地形起伏達368m，為典型的山地丘陵地帶。

將連城縣范圍內坡向分成8個方位及無坡向的平面；坡度則分為12個角度，則連城縣地形坡向及坡度百分比如圖1所示。

圖1 連城縣地形坡向、坡度百分比

連城縣東坡及西坡所占最多，而平面所占比例最少，西南坡次之；而坡度主要集中在0°～25°之間，大于25°的坡度僅占5%的比例。八個方位的坡向范圍如表1所示。

表1 坡向范圍表

1.2 數據資料

以1:25萬的連城縣數字高程模型（DEM）為基礎數據，相應提取同等分辨率的坡向、坡度等柵格圖層。

日照時數實測值及日照百分率數據取自連城縣氣象局1981～2010年平均值。

2 基于DEM地形起伏下的日照時數計算模型

實際日照時數是在地理日照時數的基礎上考慮大氣變化對日照的影響，由于日照百分率在總體上能反映該地區的云量分布情況，所以在本文中以日照百分率來表示大氣變化的情況，將地理日照時數與相應時段內的日照百分率相乘，即得出該時段內地形起伏下的日照時數，其公式為：

T=T×（1）

式中，T為實際日照時數，T為地理日照時數，為日照百分率。

而地理日照時數（T）的計算重點在于地形的遮蔽分析，為了便于計算機的實現，將一天的地理日照時數離散化，做分布積分處理，再分別計算出任意時段內的地形遮蔽因子，判斷該點是否可照，最后累加求和，所得為一天的地理日照時數。

2.1 計算天文日照時數對應的日出和日沒時角

地球上的任一點的日出日沒時角ω、ω，其公式[3]為：

ω=arccos（- tan×tan） （2）

ω= -ω（3）

式中，ω為日沒時角，ω為日出時角，為太陽赤緯，為測點地理緯度。

太陽赤緯可由左大康[4]等根據1986年中國天文年歷中的列表值對進行了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，為日角，以弧度表示，其中D為1月1日的1到12月31日的365（假定2月為28d）。

2.2地理日照時數（Te）離散化及計算

任意一天的地理日照時數在[ω,ω]區間內，假設其離散數目為，時角的間隔為△，即得相應的時間長度△：

若離散數目取值越大，計算結果精度越高，但計算時間較長，根據李占清[5]的研究，將時間步長設為20min，即離散數目=36時，相對誤差小，同時滿足計算精度的要求。

所以，將任意一天的天文日照時數[ω,ω]劃分為36個微分時段，通過公式（7）計算對應的△，并代入公式（8）～（10）計算每一時角ω所對應的太陽高度角H和太陽方位角A：

ω= -ω+△（=1,2,…,36） （8）

H= arc sin（sinsin+coscoscosω） （9）

將計算得出的太陽高度角H和太陽方位角A代入ArcGIS提供的Hillshade模型中進行運算，可得出該時角ω研究區域的陰影值，將陰影值重分類用Z表示（Z=0為遮蔽，Z=1為可照），通過Z值判斷ω-1到ω這一微分時段內的遮蔽情況，所依據的法則如下：

2.3實際日照時數（Tr）的計算

將地理日照時數值T代入公式（1），所得結果為該日的實際日照時數T，依此模型，計算得出每日的實際日照時數，疊加求和即可得相對應的月、年實際日照時數總值。基于氣候學的統計規律，可取每月的15日作為代表日，通過每月代表日的實際日照時數乘以該月天數，即為月實際日照時數；再將各月實際日照時數疊加，可得出全年的實際日照時數。

3 連城縣日照時數分布變化分析

以1:25萬的連城縣數字高程模型（DEM）為基礎數據，依據上述DEM地形起伏下的日照時數計算模型步驟，獲取月、季、年日照時數的空間分布數據；由于分析區域緯度變化幅度不大，為了計算方便，取平均緯度0.446832 rad代入模型計算，計算所得模擬值與近30年實測平均值的偏差如表2所示，各月的日照時數模擬值都比近30年均值偏小，其原因在于，高海拔區域提早出現的日出時角未曾計算在內，以及本模型未曾考慮光線的反射和散射對日照時數的增量問題。

但是，除9月偏少9%以外，其余偏差均在3%～4%之間。對模擬值與實際日照數進行相關性分析，得出R2=0.9956，表明模擬值與實測值具有很強的相關性，也說明模擬結果的正確性。

表2 日照時數模擬值偏差表

3.1 日照時數的空間分布特征

3.1.1逐月日照時數空間分布特征

如表3所示，連城縣全年當中，7月份日照時數最長，為207.8h；最短日照時數出現在3月份，為76.1h，月日照時數變化在整體上呈現近似軸對稱分布。臨近冬季，太陽高度角趨于減小，使得受地形遮蔽更加明顯，其中11月、12月和1月的最小日照時數均為0 h，出現在以北坡方向，且坡度較陡的區域內居多。

表3 連城縣各月日照時數空間分布特征 單位：h

3.1.2季節日照時數空間分布特征

從四季日照時數空間分布圖（圖2）可以看出，夏季日照最多，平均日照時數519.0h，秋季次之，平均日照時數為437.0h，冬季平均日照時數314.5h，而日照最少出現在春季，平均日照時數僅為283.8h，表現出四季分布的不平衡特征。

從圖中色澤多樣性及變化幅度來看，秋冬季的顏色種類較春夏季更多，色澤變化幅度也更大，其中，以冬季日照時數差異為最大，在43.3～338.4h之間，而春季最小，僅在210.7～300.1h之間變化。這是由于秋冬季太陽直射點逐漸南移，該區域內對應的太陽高度角逐漸減小，到了冬季為最小，地形遮蔽對日照的影響更加顯著；而到了春夏季，太陽高度角逐漸增大，相應的地形遮蔽影響較為不明顯。

圖2 連城縣四季日照時數空間分布圖

3.1.3年日照時數空間分布特征

圖3為年日照時數空間分布圖，是與地形疊加所顯示，連城縣年日照時數為1142.2～1652.1h，地域差異性明顯，結合連城縣地形地貌變化特征可以看出，年日照時數呈現明顯的地形地貌分布規律，與四季日照時數空間分布特征相一致，在同一緯度的不同地貌類型區域，年日照時數差異較大，表現為明顯的非地帶性分布特征。

圖3 連城縣年日照時數空間分布圖

如圖3所示，深紅色以上的區域為日照高值區，其中灰黑色主要分布在地勢平坦地帶及山脊上（坡度≤5°），而代表最高值的白色則主要分布在地勢平坦（坡度≤5°），且在西坡至北坡（坡向247.5°～22.5°）的區域內；而相對顏色較淺的低值區，則主要分布在東部、東南部的玳瑁山脈和西部的武夷山支脈的山谷里，同時，以東北坡至東坡方向上的區域內為主（坡向22.5°～112.5°）。

3.2 地形要素對日照時數的影響

依據圖1 的坡向、坡度分類方法，提取相應的坡向、坡度數據圖層，并選取夏季和冬季的日照時數數據作為研究對象，分析坡向、坡度對日照時數空間分布的影響。由于坡度在40°～58°范圍內所占比例不到1%，所以本文將該范圍內坡度歸一類坡度參與數據分析，記作≥40°。

3.2.1坡向的影響

如圖4所示，在相同坡度的情況下，除了平地及坡度≤5°范圍內，坡向影響較小以外，其余坡度日照時數受坡向的影響較為顯著，隨著坡度的增加，坡向對日照時數的影響力不斷增強；從夏、冬兩季的變化趨勢來看，有著截然相反的變化，其中，在夏季呈現字母“W”型的走勢，從北坡到東坡，日照時數逐級遞減，東坡到南坡，有所增加，而南坡到西坡再次減少，西坡至北坡，日照時數再次增多；而到了冬季呈現字符“Λ”型的變化，北坡到南坡，日照時數逐級增多，南坡至北坡，日照時數不斷減少。從兩季日照時數變化幅度來看，冬季坡向對日照時數的影響大于夏季，在冬季，南坡方向上的區域，日照較為充足，而夏季，則出現在北坡，其日照時數平均值甚至多于平地區域，這些特征主要是由于連城縣位于北回歸線附近，在夏、冬兩季，太陽直射點位置不同及太陽高度角高低所造成的。

圖4 連城縣不同坡度夏、冬日照時數隨坡向的變化規律

3.2.2坡度的影響

圖5為相同坡向下日照時數隨坡度的變化曲線，冬夏兩季總體變化趨勢一致，隨著坡度的增加，日照時數趨于減少，表現為坡度每增加5°，日照時數平均減少10.7h。

其中，坡度每增加5°，在夏季，東坡和西坡遞減幅度是最大的，平均減少15.6h和16.0h，北坡為最小，僅為0.5h；而在冬季，北坡平均減少28.4h為最大，南坡的變化最小，僅為0.3h。

圖5 連城縣不同坡向夏、冬日照時數隨坡度的變化規律

4 結論

日照時數是衡量光能資源的重要氣候指標，其具有獨特的時空分布規律，尤其在地形復雜的山區。本文以典型的山地丘陵地帶——連城縣作為研究對象，著重分析復雜地形下日照時數的空間分布特征，得出以下結論：

（1）基于DEM地形起伏下的日照時數模型所模擬出的效果良好，與實測值具有較高的相關性，適用于緯度變化不大區域的研究，計算所得的日照時數可作為一項基礎數據，用于其他相關研究，為精細化農業發展提供數據支持。

（2）連城縣日照時數呈現明顯的地形地貌分布規律，地域差異性明顯，呈現典型的非地帶性分布特征，年日照分布最多集中在地勢平坦、且在西坡至北坡的區域內，而最少區域主要在東部、東南部的玳瑁山脈和西部的武夷山支脈的山谷里，且以東北坡至東坡方向上的區域內為主；四季實照時數差別明顯，具有明顯的季節不平衡性，按季節實照時數的大小依次為夏季>秋季>冬季>春季；日照時數隨著坡度的增加而減少，坡度每增加5°，日照時數平均減少10.7h，其中，在夏季，東坡和西坡遞減幅度是最大的，平均減少15.6h和16.0h，北坡為最小，僅為0.5h；而在冬季，北坡平均減少28.4h為最大，南坡的變化最小，僅為0.3h；坡度的影響隨著季節更替則呈現不同變化規律，在冬季，南坡方向上的區域，日照較為充足，而夏季，則出現在北坡，其日照時數平均值甚至多于平地區域，從冬夏兩季日照時數變化幅度來看，冬季坡向對日照時數的影響大于夏季。

（3）由于本文采用的方法未考慮大氣對日照時數的影響，同時采用的日照百分率數據為記錄點的常年平均值，未能考慮地形遮蔽因素，且不能準確代表每個柵格點所在位置具體的日照百分率，這都會對結果造成一定的影響。

[1] 傅抱璞,羅哲賢.山區地形氣候[M].北京:氣象出版社,1983.

[2] 曹蕓.日照時數3S集成模型研究[D].南京:南京信息工程大學,2011.

[3] 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,2003,13(5):545-548.

[4] 左大康,周允華,項月琴,等,地球表層輻射研究[M].北京:科學出版社,1991.

[5] 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): 1333-1335.