基于DEM的新疆區(qū)域可照時間的分布式模擬

陳鵬翔，彭冬梅，張 旭

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆政府投資項目評審中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

太陽輻射是地球上最主要的熱量來源[1]。可照時間作為模擬太陽輻射的重要參數(shù)，決定著地表接受太陽輻射能量的多少，進而影響其他氣象要素和地表通量的空間分布，是局地氣候形成的主要因素[2]。因此對可照時間的研究廣泛應用于農(nóng)林、氣象、水文、遙感、建筑、太陽能工程等領域[3]。“可照時間”定義有兩種，即天文可照時間和地理可照時間，前者是指不考慮大氣影響和地形遮蔽的最大可能日照時間，后者是指考慮地形遮蔽而不考慮大氣影響的可能日照時間，本文計算的“可照時間”就是指“地理可照時間”[4]。

關于復雜地形下可照時間的研究，國內(nèi)外的相關學者已取得了一定的進展。以地理信息系統(tǒng)（GIS）作為新技術應用為界，大概分為兩個研究階段，前一階段以傅抱璞[5，6]、李占清、翁篤鳴[7-9],朱志輝[10]等為代表的學者相繼提出的理論推算模型為主，但是限于當時的技術條件，這些理論方法處理的數(shù)據(jù)量有限、過程繁瑣、計算時間長。后一階段是以地理信息系統(tǒng)（GIS）技術的發(fā)展，特別是數(shù)字高程模型（DEM）的引入為標志，Dozier等[11，12]、Dubayah等[13]、Bocquet[14]、Roberto[15]等、李新等[3]先后利用數(shù)字高程模型（DEM）計算山地輻射的理論研究和區(qū)域試驗,為計算起伏地形下的可照時間提供了新的研究思路。曾燕、邱新法[2,16,17]在考慮地形遮蔽的前提下建立了實際起伏地形下我國可照時間分布式計算模型，計算了我國1 km×1 km空間尺度的可照時間的分布。同時陳華[18]、李軍[19]、孫嫻[20]、周明昆[21]等也對我國不同區(qū)域的日照進行了模擬。上述研究工作主要針對作者所關注的某一地區(qū)或區(qū)域，對新疆可照時間的模擬和分析未見報道，同時，對全國可照時間的模擬分辨率為1 km×1 km，精細化程度較低，作為輻射的重要參數(shù)，難以適應現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展對輻射量的精細化空間需求。本文在前人研究的基礎上，使用分布式模型，采用更為精細分辨率的DEM數(shù)據(jù)（500 m×500 m）作為地形的綜合反映，對新疆區(qū)域的可照時間進行模擬，計算了新疆區(qū)域全年每日可照時間空間數(shù)據(jù)集，分析了可照時間的時空分布特征，探討了地形因子對可照時間的影響，從而為區(qū)域氣候資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境建設提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)[22]。

1 研究區(qū)概況

新疆地處亞歐大陸腹地，位于我國西北部，面積約占我國陸地面積的六分之一[23]。新疆四面被高山環(huán)繞，南有青藏高原、阿爾金山，東有祁連山，西南有喀喇昆侖山，北面有阿爾泰山，中部有天山橫亙，將新疆分為南北兩半，天山北面形成了準噶爾盆地與古爾班通古特沙漠，南面形成了塔里木盆地與塔克拉瑪干沙漠，從而形成了新疆“三山夾兩盆”的特殊地貌格局[24]。由于新疆遠離海洋，使得濕潤的海洋氣流難以進入，形成了極端干燥的大陸性氣候，是世界典型干旱區(qū)之一。新疆年太陽能輻射量僅次于西藏，具有豐富的太陽能光熱資源[25]。但下墊面條件多樣，整體氣候具有多樣性和復雜性。因此，對于了解區(qū)域內(nèi)輻射空間分布特征，合理開發(fā)利用區(qū)域太陽能資源而言，可照時間的計算是一項必要的基礎性工作。

2 研究方法

2.1 分布式模型計算方法

本文的分布式模型計算方法采用曾燕、邱新法[2]等描述的計算模型，其基本思想是實際地形中，任意一點P在一天中的任意時刻是否可照，主要由該時刻太陽光線投射方向上的地形對P點有無造成遮蔽而決定。當太陽高度角大于地形對P點造成的遮蔽角時，P點可得到日照；反之，則被遮蔽，沒有日照。計算過程主要包括以下幾個步驟：

（1）首先根據(jù)天文和地理因子計算一年中任意一天P點的日出日沒時角，使用］來表示，給定時間步ΔT（min），計算相應的太陽時角步長Δω=將日出至日沒時間劃分為n+1個時刻，利用太陽視軌道方程確定各個時刻的太陽時角ωi、太陽高度角hi和太陽方位角φi（其中i表示時刻）：

式中φ為緯度，δ為太陽赤緯，根據(jù)1986年中國天文年歷中的列表值計算得出，單位均為弧度。

（2）判斷各時刻對應的太陽方位φi上的遮蔽狀況Si，以P點為起點，沿φi方位作直線L，根據(jù)太陽高度角hi和直線Li方向上各點的高程即可確定該時刻周圍地形對P點的遮蔽狀況Si，當直線Li方向上各點的高程均對P點不造成遮蔽時，記Si=1，表示P點可照；反之,只要有一點高程使P點不可照，記Si=0，表示P點受地形遮蔽。實際計算中，地形用數(shù)字高程模型DEM來表示，由于DEM是由有固定長和寬的格網(wǎng)組成，在計算機模型中，自P點開始沿直線L按照距離步長ΔL依次判斷相應格網(wǎng)點對P點的遮蔽狀況（圖1）。

（3）計算遮蔽系數(shù)，以上述n+1個時刻的每相鄰兩時刻作為一個時間段,則共有n個時段,設gi為每個時段的遮蔽系數(shù)，取

（4）計算可照時間,實際起伏地形中任一點P在任一天的可照時間T（h）是每個時段可照時間的總和，表示為：

式中mod（）為求余函數(shù)，用來表示一天時間（從-ω0到ω0時段）除以時間步長Δω后的余數(shù)值（單位為弧度）。

2.2 參數(shù)設定

圖1 模型參數(shù)示意圖

分布式模型避免了圖解法中因獲取遮蔽圖而要進行的大量野外測量工作，克服了經(jīng)驗方程依賴站點數(shù)目的多少以及解析法對地形欠考慮的缺陷[22]。經(jīng)大數(shù)據(jù)量的計算和檢驗，該方法能較準確和定量地反映不同比例的復雜地形下地理可照時間的空間分布。有研究證明[25]，對于地形起伏較大的地區(qū)，DEM數(shù)據(jù)的精度對地形開闊度的空間尺度感應較強，進而影響可照時數(shù)的模擬。在本次研究中，選取了500m×500 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，柵格數(shù)為4845×3786個，對占有全國1/6國土面積的新疆使用此分辨率來計算，無疑要耗費大量的機時，經(jīng)過多次試驗，在計算過程中對數(shù)據(jù)源進行了調(diào)整，提升了計算效率（前期直接對柵格數(shù)據(jù)進行操作，調(diào)整后改為針對二進制數(shù)據(jù)計算，最后轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)顯示）。在分布式模型基礎參數(shù)的設定中，地形遮蔽半徑取20 km，時間步長為10 min。計算了新疆區(qū)域全年每日可照時間，根據(jù)每日可照時間進行累加，得到月、季和全年可照時間，進行分析討論。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 新疆區(qū)域可照時間時空分布特點

表1給出了考慮地形遮蔽的新疆區(qū)域1—12月可照時間的統(tǒng)計。就平均值而言，在全年中7月最大，為441 h，12月份最小，為266 h，其中5、6、7、8月的平均日照時數(shù)在全年較多，均超過了410 h；對于最小值，9月—次年3月都為0 h，在這7個月當中，均有地方?jīng)]有接收到日照，說明在太陽高度角較小的月份，地形遮蔽對日照時數(shù)的影響明顯；最大值中，7月的日照時數(shù)最多，為482 h，12月最少，為302 h。12個月的標準差在24～39 h之間，與我國一些西部省份相比（陜西、廣西、貴州等）明顯偏大，同時可以看出標準差最大的月份為11月、12月和1月，均超過了32 h，說明太陽高度角越小，區(qū)域內(nèi)可照時數(shù)差異越大，這可能與新疆區(qū)域較大的地形差異有關。

表1 新疆區(qū)域1—12月可照時間統(tǒng)計 h

為了證明新疆區(qū)域內(nèi)日照時數(shù)離散程度較大是由地形差異所致，按照海拔1500 m為中間界線，將新疆劃分為海拔1500 m以上的山區(qū)和1500 m以下的平原地區(qū)，分別討論其可照時間的變化情況，圖2是新疆區(qū)域內(nèi)海拔1500 m以上和以下每月可照時間格點數(shù)據(jù)的對比盒須圖，每月兩個數(shù)據(jù)的前者為高于海拔1500 m統(tǒng)計值，后者為低于海拔1500 m統(tǒng)計值。為了使繪圖數(shù)據(jù)便于比較，我們把盒須圖的下邊緣值統(tǒng)一定為第5個百分位數(shù)。從圖2可以看出，隨著時間的變化兩組數(shù)據(jù)整體均呈現(xiàn)出冬季低夏季高，春秋介于中間的一致變化。高于海拔1500m和低于海拔1500m區(qū)域的中位數(shù)（第50個百分位數(shù)）位置在每月的分布中較為接近，但是，從上下限和四分位數(shù)間距來看，高海拔地區(qū)明顯要大于低海拔地區(qū)，說明了無論全年當中的哪個月份，平原區(qū)的可照時間都相對山區(qū)更為穩(wěn)定。同時，從兩個區(qū)域標準差的貢獻率也說明了這一點，海拔1500 m以上的區(qū)域?qū)θ珔^(qū)標準差貢率獻為80.1%，這也解釋了山區(qū)是造成新疆區(qū)域整體可照時間差異較大的原因。

圖2 新疆區(qū)域海拔1500m以上/以下每月可照時間格點數(shù)據(jù)對比盒須圖

新疆大多數(shù)地區(qū)的可照時數(shù)在4100～4400 h之間，太陽可照資源非常豐富，但是盆地和山區(qū)之間的差異也非常明顯,全區(qū)年可照時間平均為4239 h（圖3）。全年可照時間的緯向分布特征不明顯，年可照時間的空間分布具有明顯的地域性分布特征，由地形遮蔽造成的影響在圖中很容易看出，尤其是在昆侖山、天山和阿爾泰三大山脈之中，由于坡度、坡向的作用，在階地、臺地、高山的陽坡與半陽坡可以獲得較長的日照，而在中山、河谷的陰坡可能獲得的日照時間較短。

圖3 新疆區(qū)域年可照時間空間分布

圖4 為新疆區(qū)域春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）及冬季（12月、1—2月）可照時間的空間分布。實際地形下新疆各季可照時間的空間分布差異明顯，具有明顯的季節(jié)變化特征。全區(qū)四季可照時間平均分別為：春季1165 h，夏季1286 h，秋季964 h，冬季823 h，可照時間以夏季最長，變化差異最平緩，春秋季次之，冬季最短，變化差異最大，表現(xiàn)出四季分布的不對稱性。從夏季和冬季的可照時間空間分布中可以看出有較為顯著緯向分布特征，夏季可照時間表現(xiàn)出自北向南的遞減，而冬季則表現(xiàn)出相反分布特點。無論哪一個季節(jié)，在三大山脈中由地形對可照時間造成的影響都非常明顯。

3.2 地形對可照時間的影響

圖4 新疆區(qū)域四季可照時間空間分布

地形對可照時間的影響主要是坡度、坡向和地形遮蔽的影響。本文主要從統(tǒng)計上量化分析坡度、坡向和地形遮蔽對新疆可照時間的影響，利用ARCGIS對柵格數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能，將坡度和坡向柵格圖進行分類，對于新疆區(qū)域而言，坡度＞60°的柵格數(shù)很少，所以，將坡度＜60°的柵格，按每5°分類，從0°～60°共分12類。對于坡向，按照坡向8方位分為8類。對于地形遮蔽的影響，本文使用地形開闊度來分析，地形開闊度是指具有一定坡度、坡向的坡元受到周圍地形的遮蔽時,坡元只能見到全部天空的一部分,他可以反映坡元受周圍地形遮蔽影響的程度[26]，地形開闊度的詳細計算方法請參看文獻[26]，同樣在計算地形開闊度時設置的遮蔽半徑為20 km，方位角步長為10°。使用上述方法，分別統(tǒng)計1月（冬季代表月）和7月（夏季代表月）可照時間的分布情況。

圖5 新疆區(qū)域1月、7月可照時數(shù)隨坡度變化

由圖5可知，1月（夏季）和7月（冬季）的可照時間隨坡度呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。從總量上來看，可照時間大多數(shù)集中分布于地形坡度＜5°的地區(qū)，說明對于新疆而言，大面積的盆地和沙漠接收了全疆大多數(shù)可照時間。5°以后，隨著坡度的增加，可照時間逐步減少，35°～60°之間，日照總量很少，說明在坡度較小的區(qū)域，受地形遮蔽影響較小，可照時間長；坡度較大的區(qū)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。

由圖6可以看出，新疆區(qū)域冬季和夏季的可照時間受坡向影響差異較為顯著。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，主要是由于冬季的太陽高度角小，坡向?qū)烧諘r間的影響明顯。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?qū)烧諘r間的影響不明顯，這時主要是受地形遮蔽條件的影響。

圖6 新疆區(qū)域1月、7月可照時數(shù)隨坡向變化

圖7 新疆區(qū)域1月、7月平均可照時數(shù)隨地形開闊度變化

圖7 是新疆區(qū)域1月和7月平均可照時數(shù)隨地形開闊度的變化曲線。地形開闊度越大說明地勢越平坦，受地形遮蔽的影響越小。月平均可照時數(shù)受地形的開闊度影響較大，隨著地形開闊度的增加而逐漸增大。在地形開闊度<0.7時，可照時數(shù)的增加趨勢較為明顯，同時，地形開闊度對可照時數(shù)的影響也存在季節(jié)差異；1月的整體增加速率要高于7月，這說明，1月（冬季）太陽高度角較低，地形遮蔽對可照時間的影響較大，尤其是周圍地形遮蔽顯著時，可照時數(shù)變化速率相對7月更明顯。

4 結(jié)論與展望

使用分布式模型基于DEM數(shù)據(jù)計算了新疆區(qū)域的可照時數(shù)，分析了其時空變化特征，以及地形可能造成的影響，得到以下結(jié)論：

（1）利用高空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)研究復雜區(qū)域可照時間的空間分布，可以有效地反映起伏地形下可照時間的時空分布規(guī)律。對于新疆而言，可照時間7月最長，為441 h；12月最短，為266 h，區(qū)域內(nèi)可照時間的離散度較大，主要原因是地形差異所致，海拔高于1500 m的山區(qū)對全區(qū)標準差貢獻率達到了80.1%。冬夏兩季有較為顯著的緯向分布特征，三大山脈地區(qū)可照時間與同緯度平地相比差異明顯，表現(xiàn)出可照時間的地域性分布特征。

（2）地形對可照時間的影響非常明顯，坡度越大可照時間越少；坡向?qū)烧諘r間的影響主要表現(xiàn)在冬季，大致為可照時間南坡多，北坡少；隨著地形開闊度的增大，可照時間增加較為明顯。地形對可照時間的影響大小主要與太陽高度角有關，在冬季，太陽高度角較低，地形作用明顯；夏季地形對日照時間的影響相對較弱。

（3）由于本文中對于可照時間的模擬僅僅考慮了地形因子的影響，還不能完全反映實際的日照時間。除了地形因子的影響之外，日照時間還受云量多少等因素的影響，同時DEM數(shù)據(jù)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。

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