起伏地形下潜在辐射资源空间分异研究

何志明，张秀美，李月臣

（1.重庆市地理信息中心，重庆 400020；2.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047）

太阳辐射是是生态模型[1]、农业生产规划[2,3]和太阳能源利用研究[4]中的必要参数，其中晴天太阳辐射可以理解为天空晴朗无云时到达地表的太阳总辐射，即潜在的太阳总辐射。晴天太阳辐射的获取对山区实际太阳辐射的模拟具有重要意义[4-6]。小尺度下晴天太阳辐射空间分布代表了区域潜在太阳辐射，对山地资源可持续利用和生态环境恢复建设具有重要意义。

起伏地形下的太阳辐射空间分布较平地有很大差异，很多研究中以水平面为假定前提[7]，无法反映太阳辐射实际空间分布细节[8]。曾燕、王丽[9,10]提出了一种计算起伏地形下晴天太阳辐射的方法，但是计算过程复杂。本研究以山城重庆为例，利用参数设置简单、应用较为方便的Solar Analyst模型，选择100 m×100 m分辨率的DEM数据，计算了重庆市各月理想状态下坡地和平地潜在太阳总辐射，并分析地形因子对辐射分布的影响。

1 研究方法

Solar Analyst工具根据半球视域算法来计算研究区日照时长，进而结合大气参数设置推导出太阳总辐射量。该方法将地面太阳总辐射视为由直接辐射和散射辐射2个分量组成。具体计算原理见参考文献 [11]、[12]。

为了揭示地形对太阳辐射空间分布的影响规律，排除云、雾等干扰，研究中将大气透射率和散射比例参数分别设定为0.7和0.2，求算晴天状态下太阳辐射。其中坡地晴天太阳辐射计算过程中考虑了坡度、坡向等地形因子，平地晴天太阳辐射计算时则假设地面水平。坡地与平地晴天太阳辐射的比值R可以反映地形因子的影响程度，R越大则影响程度越大。

2 实验分析

2.1 年晴天太阳辐射的空间分布

重庆市起伏的地形条件下全年晴天太阳辐射最大值为9 558 MJ/m2，最小值为1 061 MJ/m2，平均约7 427 MJ/m2。晴天太阳辐射高值区主要分布于渝东北大巴山弧形褶皱山系和渝东南巫山、七曜山山区的向阳坡，低值区则集中分布于相应区域的背阴坡。重庆市年晴天太阳辐射与区域微地形特征相关性较强，渝东北区域北西向的大巴山弧形褶皱山系呈现明显的高值区与低值区平行交替分布的局地特征；渝东南喀斯特山区则呈现明显的簇状分布局地特征；渝中西区域太阳辐射主要受平行岭谷地貌影响。

2.2 不同季节晴天太阳辐射的空间分布

晴天太阳辐射存在明显的时空差异（图1、表1）。全市4个季节晴天太阳辐射均值排序为：夏季﹥春季﹥秋季﹥冬季。标准差是反映数据离散程度的重要统计量，通过晴天太阳辐射标准差的比较可以反映出各季节晴天太阳辐射空间差异程度。4个季节晴天太阳辐射标准差排序为：冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季，与平均值排序恰好相反。这是由于冬季太阳高度角偏低，起伏地形条件下，晴天太阳辐射受坡度、坡向影响明显；而夏季太阳高度角高，背阴坡也能接收较多的太阳辐射，所以晴天太阳辐射受坡度、坡向影响不明显；春季和秋季坡度、坡向影响居中。

表1 重庆市四季晴天太阳辐射统计表/MJ/m2

图1 不同季节晴天太阳辐射的空间分布

2.3 各月晴天太阳辐射的空间分布

对重庆市全年晴天太阳辐射进一步分析（图2）。考虑到各月天数的不一致，为便于比较，将各月辐射处理成月均日值。重庆市晴天太阳辐射月均日值趋势明显呈以6月份为顶点的单峰状；6月份最高为28.697 MJ/ m2，12月份最低为10.58 MJ/ m2。辐射日值的月际差异反映了太阳高度角是决定年内各月晴天太阳辐射量的主导因素。反映各月起伏地形影响下晴天太阳辐射空间差异的标准差趋势与均值趋势走向对称，表现为6月份标准差最低，1月份最高。标准差的月际变化趋势反映了随各月太阳高度角的变化，坡度、坡向等地形因子等对晴天太阳辐射的影响程度。为了进一步揭示地形因子的影响，有必要更深入地进行分析。

图2 各月晴天太阳辐射统计图

2.4 地形因子对晴天太阳辐射空间分布的影响

进一步引入R指数，通过控制坡度、坡向、纬度、月份4个因子中的3个来反映第4个因子在起伏地形下对晴天太阳辐射的影响规律。

1）同月份、同纬度、不同坡度，起伏地形下晴天太阳辐射随坡向的变化规律。典型月选择为1月份，纬度为31°N，坡度分别为5°、10°、15°、20°、25°。从图3a可以看出，各坡度上受坡向影响都是以180°（正南）附近为对称，180°附近R值都是最高的，0°和360°附近（正北）R值为最低；90°（正东）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。以上趋势说明5°～25°坡度范围内，坡度越高晴天太阳辐射受坡向影响程度就越大，二者之间的变化关系具体表现为南坡及偏南坡为正相关，北坡及偏北坡为负相关。

2）同月份、同纬度、不同坡向，晴天太阳辐射随坡度（0°～35°）的变化规律。典型月选择为1月份，纬度为31°N，坡向分别为北（0°～22.5°、337.5°～360°）、东北（22.5°～67.5°）、东（67.5°～112.5°）、东 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个方位。从图3b可以看出，0°～35°范围内，随着坡度增加，8个坡向的R值趋于两极分化，南、西南、东南坡R值不断增大，北、西北、东北坡R值不断减小，东坡和西坡R值变化幅度小，一直接近于1。以上趋势说明在0°～35°坡度范围内，南、西南、东南坡3个坡向晴天太阳辐射要大于平地晴天太阳辐射，且坡度越大，坡地晴天太阳辐射越高；北、西北、东北坡晴天太阳辐射要小于平地晴天太阳辐射，且坡度越大，坡地晴天太阳辐射越小；东坡和西坡晴天太阳辐射受坡度影响程度较小。

3）同月份、同坡度、不同纬度，起伏地形下晴天太阳辐射随坡向的变化规律。典型月选择为1月份，坡度为10°，纬度分别为重庆市范围内的29°N、30°N、31°N。从图3c可以看出，重庆市3个纬度上R值随坡向的变化差异不大，由于重庆市南北跨幅较小，地形对太阳辐射的影响受纬度控制较小，也证明了小尺度下纬度并不是决定晴天太阳辐射的主要因素。

4）同纬度、同坡度、不同月份，起伏地形下晴天太阳辐射随坡向的变化规律。纬度为31°N，坡度为10°，月份选择为1月、4月、7月、10月，一定程度上可以代表春、夏、秋、冬四季。从图3d可以看出，各月R值变化起伏度表现为：1月﹥10月﹥4月﹥7 月，这说明坡向对晴天太阳辐射的影响受到太阳高度角控制。冬半年太阳高度角低，晴天太阳辐射受坡向影响最为明显，尤其是1月；而夏半年太阳高度角较高，晴天太阳辐射受坡向影响程度较低，7月份各个坡向上太阳辐射都与平地太阳辐射差异不大，表现为R值近乎平直。90°和270°坡向附近R值最接近于1，说明东坡和西坡太阳辐射受太阳高度角的影响较小。

图3 R值受地形因子影响变化规律曲线

3 结 语

重庆市年晴天太阳辐射受区域微地形特征影响明显，在渝东北大巴山褶皱山系、渝东南喀斯特地貌区、渝中西平行岭谷区呈现明显的局部空间分布差异。起伏地形下重庆市各季节晴天太阳辐射量表现为：夏季 ﹥春季﹥秋季﹥冬季；晴天太阳辐射空间分布标准差为：冬季﹥秋季﹥春季﹥夏季。分月晴天太阳辐射表现出与分季节相似的特征，7月份辐射量最高，12 月份最低。反映月晴天太阳辐射空间差异的标准差7月份最低，1月份最高。

由于市域范围较小，纬度因素对晴天太阳辐射空间分布影响较小。随着太阳高度角变化，地形因子对晴天太阳辐射空间分布的影响表现为：1月>10月>4 月>7月；坡度影响表现为：随着坡度增加，除东坡和西坡受影响较小外，其他各个坡向受影响程度都不断增大；坡向影响表现为：各坡度上都是以正南坡太阳辐射高于平地太阳辐射的幅度最大，正北坡太阳辐射低于平地太阳辐射的幅度最大，R值趋势线以正南坡为轴，呈对称分布。

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