基于ArcGIS的复杂地形下太阳辐射分析计算

金鑫 杨礼箫

摘要分析了ArcGIS空间分析技术计算太阳辐射的过程，并利用ArcGIS空间分析技术和黑河上游山区DEM数据以及靠近黑河上游山区葫芦沟小流域的野牛沟气象站的日照时数资料确定的透射率和散射比率两个天气因子，计算了黑河上游山区太阳辐射分布。最后，用位于葫芦沟小流域的3个气象站的实测太阳辐射数据进行了分析验证，结果证明方法可行。

关键词太阳辐射；ArcGIS；数字高程模型；大气效应

中图分类号S181.3；P422.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）23-07952-04

基金项目国家自然科学基金重点项目“黑河上游土壤水文异质性观测试验及其对山区水文过程的影响”（D010102-91125010）；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金（lzujbky2014258）。

作者简介金鑫（1988- ），女，青海西宁人，博士研究生，研究方向：水文模型。

鸣谢感谢国家自然科学基金重点项目“黑河上游土壤水文异质性观测试验及其对山区水文过程的影响”（D010102-91125010）资助。同时，感谢中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文实验研究站以及陈仁升教授提供的实验数据和指导帮助。

收稿日期20140707太阳辐射在大气和地表的能量交换过程中有重要意义[1-2]。地球上99.8% 的能量来自太阳[3]。太阳辐射是地球上化学、物理、生物等过程的主要能源，也是水文模拟模型、生物物理模型研究中的重要参数。到达地表的太阳辐射量主要受到3个方面的影响：①太阳几何因素；②地形因素；③大气效应[4]。在景观尺度上，地形是决定太阳辐射分布的最重要的因素。随着一些学科研究尺度的扩展，太阳辐射的空间分布特征日趋重要[5-8]。不同位置在高程、方向（坡度和坡向）及地形要素投射的阴影等方面存在的差别，会对接收到的日照量产生影响[9-14]。这种差异还将随太阳几何因素或一天和一年中时间的不同而发生变化，从而导致小气候的不同，其中包括空气和土壤温度状况、蒸发量、积雪融化模式、土壤湿度以及可用于光合作用的光等因素[15-16]。太阳辐射的观测由于其设备复杂、成本高，其观测密度往往小于温度、降水等气象因素的观测密度。在缺乏太阳辐射观测站点的地区，太阳辐射值的计算往往是通过空间内插进行的，地形因子也往往被忽略或简化[17-20]。但是在一些地形复杂的区域，简单的空间内插就有了很大的局限性[4-8]。

太阳辐射还受到大气因素的影响，如云、气溶胶等。但是大气因素对太阳辐射影响的定量研究有一定的复杂性。模拟大气因素对太阳辐射的影响有一定的挑战性。国外，Dozier等率先利用DEM（数字高程模型）计算了复杂地形条件下的太阳辐射值，使得太阳辐射的计算有了更好的精度和更强的空间性等[21-22]。Agostino等[23]、Beyer等[24]利用遥感资料计算太阳辐射，这种方法虽然精度不高，但是体现了太阳辐射在空间上的变化特征。随后，GIS（地理信息系统）技术的发展为太阳辐射的分析计算提供了数据基础和计算平台，基于GIS的太阳辐射计算模型应运而生[25-27]。这些模型往往只能计算晴空条件下的太阳辐射值，对于实际天气情况下的太阳辐射计算所用的方法、资料都趋于复杂。在国内，李新等[5]、傅抱璞[28-30]等学者均研究了太阳辐射计算模型。国内目前对于实际地形条件下太阳辐射值的计算是基于DEM进行的，对于实际天气情况下的太阳辐射计算，所运用的方法和资料也往往趋于复杂[7，16]。

该研究运用ArcGIS强大的空间分析功能，在计算太阳辐射时从黑河上游山区30 m分辨率DEM数据获取地形因子（坡度、坡向、地形遮挡），计算地形对太阳辐射的影响。并运用研究区域中靠近太阳辐射实测站点的野牛沟气象站的日照时数资料计算透射率和散射比率两个因子，从而较简便地计算出大气效应对太阳辐射的影响[31-32]。通过使用上述方法，可以获得研究区域实际地形、天气条件下的太阳辐射值。

1数据来源与研究方法

1.1数据与研究区域概况该研究选择了葫芦沟流域及临近的黑河上游山区为研究区域。该地区地形起伏大（2 640～4 880 m），地形遮蔽明显。气候类型属于高原山地气候，气温随高度增高而降低，气候垂直变化显著，在一定高度内，湿度大、多云雾、降水多。迎风坡降水多，雪线低；背风坡降水少，雪线高。夏季多降水，冬季较干燥。冬季降水形式为降雪。

研究采用了中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文实验研究站位于葫芦沟流域的3个气象站（、）2011年日太阳辐射观测值与ArcGIS输出结果作比较。研究区域基础数据采用中国西部环境与生态科学数据中心提供的30m*30m的数字高程数据。

太阳辐射观测站点及气象站分布1.2研究方法

1.2.1ArcGIS太阳辐射建模。入射太阳辐射源自太陽，穿过大气层时会发生改变，然后由于地形和表面要素进一步发生改变，最后在地球表面被分别截取成直射部分、散射部分和反射部分。截取的直接辐射是源自阳光的畅通无阻的直光线。散射辐射则是由于被大气中的云和尘埃等成分分散。反射辐射则是经过表面要素的反射。直射、散射和反射辐射的总和称为太阳辐射总量或整体日辐射量（）。

入射太阳辐射被截取成直射部分、散射部分和反射部分通常，直射辐射是辐射总量中最多的部分，而散射辐射则排在第二位。反射辐射通常仅构成辐射总量中很小的一部分。通常散射辐射和反射辐射部分的和仅占太阳总辐射量的10%～20%[33]。ArcGIS中的太阳辐射工具在计算辐射总量时将反射辐射排除在外。因此，辐射总量将计算为直接辐射和散射辐射的总和。太阳辐射工具可对某些点位置执行计算。包括以下4个步骤：①根据地形计算仰视半球视域；②在直射太阳图上叠加视域以便判断直射辐射；③在散射星空图上叠加视域以便判断散射辐射；④对每个感兴趣的位置都重复上述过程便可生成日照图。由于辐射会受到地形和表面要素的极大影响，因此需要在数字高程模型（DEM） 中为每个位置生成一个仰视半球视域（），这是该计算算法的一个重要组成部分。可见天空的大小在决定某位置的日照方面起重要作用[34-38]。

半球（鱼眼镜头）相片[32]视域可与太阳位置和天空方向信息（分别用太阳图和星空图表示）结合使用，从而计算出每个位置的直射、散射和辐射总量（直射 + 散射）并生成准确的日照图。计算日照时，在视域栅格中叠加太阳图栅格和星空图栅格可以计算出从每个天空方向接收到的散射辐射和直接辐射。计算每个扇区中可见天空区域比例的方法为，用每个扇区中未遮挡像元的数量除以像元的总数。可以考虑部分遮挡的天空扇区。和说明了在太阳图和星空图上分别叠加视域的情况。灰色表示受遮挡的天空方向。计算太阳辐射的方法为，将源自未受遮挡天空方向的直接日照和散射日照相加[33-37]。

视域与太阳图叠加的示例[32]视域与星空图叠加的示例[32]1.2.2参数确定。ArcGIS计算点太阳辐射时需要点的位置信息（纬度、高程）、地形因子、大气因子（散射比例、透射率）。高程信息从输入的DEM数据中读取。地形因子主要是点所在位置的坡度、坡向信息。可以根据DEM数据利用ArcGIS本身的空间分析功能进行计算，也可以手动输入实际测量值。此处选择ArcGIS本身的空间分析功能进行计算。该研究在确定两个大气因子时，运用了位于葫芦沟流域附近的野牛沟气象站的日照时数资料。

根据已有研究成果[31-32]，将研究区域的天气情况分为以下几种类型：①非常晴朗；②普通晴朗；③非常多云；④普通多云。并且根据已有研究，确定这几种情况下散射比例与透射率的值（散射比例与透射率成反比例关系），如所示。

根据野牛沟气象站提供的2011年每日日照时数数据，该研究作出了如下划分：①1月1日至3月21日（春分日），日照时数大于8.5 h，则认为这一日天气非常晴朗，即中的天气情况1；日照时数小于8.5 h，大于6 h，则认为这一天为普通晴朗，即中的天气情况2；日照时数大于3 h，小于6 h，则认为这一天普通多云，即中的天气情况4；日照时数小于3 h，则认为这一天非常多云，即中的天气情况3。②3月21日到9月23日（秋分日），日照时数大于10 h，则认为这一日天气非常晴朗，即中的天气情况1；日照时数小于10 h，大于8 h，则认为这一天为普通晴朗，即中的天气情况2；日照时数大于5 h，小于8 h，则认为这一天普通多云，即中的天气情况4；日照时数小于5 h，则认为这一天非常多云，即中的天气情况3。③9月23日至12月31日，日照时数大于8.5 h，则认为这一日天气非常晴朗，即中的天气情况1；日照时数小于8.5 h，大于6 h，则认为这一天为普通晴朗，即中的天气情况2；日照时数大于3 h，小于6 h，则认为这一天普通多云，即中的天气情况4；日照时数小于3 h，则认为这一天非常多云，即中的天气情况3。

野牛沟气象站每日日照时数安徽农业科学2014年2结果与分析

将确定好的所有参数输入ArcGIS软件太阳辐射分析工具界面，得到研究区域内3个太阳辐射观测站点上的模拟日太阳辐射值。在每个站点上，对于模拟的太阳辐射值和太阳辐射实测值进行比较（、8、9），并在每个站点上对模拟值和实测值进行相关性分析，结果见0、11、12。

1号站点模拟的2011年日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值比较2号站点模拟的2011年日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值比较 3号站点模拟的2011年日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值比较01号站点处模拟的日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值相关性 12号站点处模拟的日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值相关性23号站点处的日太阳辐射值和实测的日太阳辐射值相关性由0与2可以发现在站点1处，ArcGIS的日太阳辐射模拟结果最好；站点3处的模拟结果并不理想。经过分析，原因可能有以下几点：①站点1距离野牛沟气象站最近，且站点1处于中山地带，天气状况相对稳定。但是站点3处于高山地带，气候受海拔高度影响较大。尤其是在夏季，天气多变。该研究所使用的野牛沟气象站气象数据无法很好地反映3号实测站点当地的气象情况；②研究在计算ArcGIS中两个大气因子时，根据已有研究对其进行了概化。实际上，不同的日照时数可能对应不同的大气因子；③在3个站点处，模拟值都小于实测值。因为ArcGIS计算太阳总辐射值时，忽略反射辐射部分。

3结论与展望

ArcGIS强大的空间分析功能可以在计算太阳辐射时从DEM数据中获取地形因子，计算地形对太阳辐射的影响。并通过透射率和散射比率两个因子计算出大气效应对太阳辐射的影响。该研究在计算参数时，运用黑河上游山区30 m分辨率DEM数据获取了地形因子（坡度、坡向、地形遮挡）。并运用研究区域中靠近太阳辐射实测站点的野牛沟气象站的日照时数资料确定了透射率和散射比率两个大气因子。计算结果表明ArcGIS能够较好地模擬点上的太阳辐射值，关键在于获取准确的地形因子以及透射率和散射比率两个大气因子。

因该研究中，确定透射率和散射比率两个大气因子时，都用了概化的值。所以并不能很好地模拟天气因素对太阳辐射值的影响。在今后的研究中，可以利用多个站点的实测日照时数、实测太阳辐射值计算出不同的季节里，不同的日照时数对应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区使用ArcGIS计算太阳辐射时，可以加入反射辐射的值，使结果更加贴近实测值。

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