基于DEM的山西省可照时数空间分布

安 贵 阳

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)



·水利工程·

基于DEM的山西省可照时数空间分布

安 贵 阳

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

以山西省高空间分辨率DEM数据为主要数据来源，考虑地形因素的作用，对山西省可照时数的空间分布进行了分析。结果表明地形因素对可照时数空间分布影响显著，研究成果对于山西省农业、林业以及建筑设计等方面研究具有重要意义。

可照时数，数字高程模型，空间分布

可照时数是广泛用于气象、水文、遥感和建筑研究领域的重要参考量[1]，其计算受到坡度、坡向和地形遮蔽的较大影响，特别是山区以及丘陵地区，地形的复杂使得区域可照时数的计算较为困难。自20世纪80年代以来，傅抱璞[2]提出了确定坡面日出日没时角的计算方法。李占清、翁笃鸣[3]提出一种计算山地可照时数的计算机模式，为计算和分析坡面可照时数提供了基础。近年来，随着地理信息系统以及数字高程模型(DEM)的快速发展，起伏地形下可照时数的计算也取得了进展，Dozier等[4]、李新等[5]、曾燕等[6]先后利用DEM对起伏地形影响下的太阳辐射及可照时数的计算方法进行了研究和改进，为计算山地可照时数提供了新思路。

DEM数据是一种地表形态的数字描述方式，可以综合反映具有一定分辨率的局部地形的基本特征，是提取区域流域地形特征的主要数据[7，8]，本研究在上述研究的基础上，以STRM1公里分辨率DEM为地形基础，结合起伏地形影响下可照时数的理论计算模型，计算得出山西省年及各月可照时数空间分布，并从统计的角度量化分析了坡向对可照时间的影响。

1 材料及方法

1.1 研究区数据

研究利用山西省STRM1公里分辨率DEM为地形基础。

1.2 计算方法

1)地形遮蔽度的GI算法[6]。地形遮蔽度GI算法主要利用分布式数学模型完成，模型将1 d的可照时间离散为若干个微分时段，在每个微分时段中，地形遮蔽的计算采用光线追踪算法，在微分时段开始结束时刻，太阳高度角和方位角确定的情况下，对入射路径上的所有格点进行搜索，若入射路径上任一格点与计算格点之间的高度角大于太阳高度角，则计算格点被遮蔽，记di=0；否则di=1。地形遮蔽系数gi的取值依据以下法则：

(1)

式(1)表示在(ωi-1,ωi)时段内，研究点的日照状况完全取决于两端点时刻的日照状况。即若两端点时刻可照(遮蔽)，则整段可照(遮蔽)；若一时刻可照，另一时刻遮蔽，则整段有1/2时间可照(遮蔽)。具体计算过程参见文献[6]。

2)可照时数计算。根据以上计算所得的1 d中各时刻的遮蔽情况可以计算得到实际起伏地形中任一点P在任一天的可照时间T(h)可表示为：

(2)

其中，mod()为求余函数，取两数相除后的余数，用来表示1 d时间(-ωs～ωs)除以时间步长后得到的余数值。

2 结果分析

基于1月～12月的月可照时数计算得出山西省年可照时数的空间分布(见图1)。并以1月、7月为冬、夏季典型代表月，计算和分析1月、7月山西省可照时数的空间分布(见图2)。并且通过对空间数据的统计分析，量化分析了坡向对山西省年可照时数的影响(见图3)。

图1为起伏地形下山西省年可照时数空间分布，山西省年可照时数为485 h～4 393 h，全省平均为2 254 h。所得可照时数空间分布特点可以看出山西省可照时数的纬向变化，即日照时数空间分布呈现南高北低，但由于纬度变化较小，趋势并不显著。同时，受坡度、坡向、地形遮蔽等的影响，山区可照时数的空间差异显著。

由图2可以看出，冬季的可照时数较少，夏季的可照时数较多。在冬季，地形对于可照时数空间分布的影响要显著强于夏季，这主要是由于冬季的太阳高度角显著的低于夏季。同时可以看出，在冬季，山西省的部分地区可照时数为0 h，而夏季最小可照时数为107 h，这主要是受到了地形遮蔽和太阳高度角的影响。从空间分布上看，冬季和夏季可照时间分布为平地和山脊多，山谷少，南坡多，北坡少。

表1给出了山西省月、年可照时数的均值统计，可以看出，山西省可照时数有显著的月际变化特征。一年中，以7月份可照时间最高，2月份最低。同时，在1月～3月,10月～12月这6个月，可照时数最小值为0，这主要受到了局部地形遮蔽的影响。这些月份中，太阳高度角相对较低，局部地区受到小地形因素的影响，接收不到日照。而在6月份,7月份，由于太阳高度角的升高，原本受地形因素影响不可照的区域也变得可照，其最小可照时数也达到了100 h左右。

表1 山西省可照时数均值月年统计 h

由图3可以看出，年可照时数受坡向的影响非常显著，南坡的可照时数最大，其他坡向分布依次为东南、西南、正东、正西、东北、西北，北坡最小。这其中平地的可照时数大于任意其他坡向，达到3 805 h，这主要是由于考虑了地形遮蔽后，山区各坡向均受到地形遮蔽的影响，因此，各坡向可照时数均小于平地值。

3 结语

研究基于数字高程模型(DEM)，利用地形影响下可照时数分布式计算模型得到山西省月、年可照时数空间分布，并得出以下3点结论：1)山西省可照时数具有显著的月际变化特征，月可照时数均值以7月份最高，2月份最低，全省年平均可照时数2 254 h。2)季节变化中，由于太阳高度角的差异，冬季可照时数受坡度、坡向、地形遮蔽的共同影响，空间分布上的差异要显著强于夏季，夏季太阳高度角较高，可照时数空间分布主要受地形遮蔽的影响。3)山西省可照时数的空间分布受到了地形的显著影响，由于山西省地形主要以山地、丘陵为主，考虑地形遮蔽后，平地的日照时数均值要显著大于其他坡向；各坡向中，南坡的可照时数最大，其他坡向依次为东南、西南、正东、正西、东北、西北和正北。

[1] 喻 桥,邱新法,李梦洁.基于GIS的重庆市可照时间的空间分布[J].贵州气象,2008,32(2):3-5.

[2] 傅抱璞.山地气候[M].北京：科学出版社,1983.

[3] 李占清,翁笃鸣.一个计算山地可照时间的计算机模式[J].科学通报,1987(17):1333-1335.[4] Dozier J,Frew J.Rapid calculation of terrain parameters for radiation modeling from digital elevation data[J].IEEE Transaction on Geosciences and Remote Sensing,1990,28(5):963-969.

[5] 李 新,程国栋,陈贤章,等.任意地形条件下太阳辐射模型的改进[J].科学通报,1999,44(9):993-998.

[6] 曾 燕,邱新法,繆启龙,等.起伏地形下我国可照时间的空间分布[J].自然科学进展,2003,13(5):545-549.

[7] 李志林,朱 庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社,2001:1-10.

[8] 解河海,郝振纯,冯 杰,等.基于DEM的流域地形地貌信息提取[J].水电能源科学,2008,26(3):63-65.

Spatial distribution of duration of possible sunshine based on DEM in Shanxi province

An Guiyang

(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancy&Hydro-ElectricPower,Hangzhou310002，China)

The spatial distribution of duration of possible sunshine in Shanxi province was analyzed by using DEM data with high spatial resolution. The results show that the duration of possible sunshine is significantly influenced by topographic factors. It has great significance for the research of agriculture, forestry and architecture design in Shanxi province.

duration of possible sunshine, DEM, spatial distribution

1009-6825(2016)18-0217-03

2016-04-13

安贵阳(1986- )，男，博士，工程师

TU113.3

A