基于ArcGIS Solar Radiation的重庆太阳辐射模拟及分布规律研究

论文总字数：15632字

目 录

1. 引言 3

1.1 研究意义与目的 3

1.2 国内外研究进展 3

2. 研究区域概况 4

3. 研究方法 6

3.1 技术路线 6

3.2 太阳辐射模型 7

3.2.1 视域计算 7

3.2.2 直接太阳辐射量的计算 7

3.2.3 散射辐射量的计算 9

3.2.4 总辐射量的计算 10

4. 结果与分析 10

4.1 太阳辐射随局地的变化规律 13

4.2 提取重庆市气象站点的值，和观测值比较。 16

5. 结论 17

参考文献 17

致 谢 19

基于ArcGIS Solar Radiation模块的太阳辐射模拟

及分布规律研究

童焱

,China

Abstract：In this paper, the DEM of Chongqing city is used as the data source, and the Solar Radiation module in ArcGIS is used as the calculation platform. The spatial distribution of the total solar radiation in Chongqing is simulated by the complex terrain. 100 m × 100 m, and analyzes the influence of spatial and temporal factors such as slope, slope, latitude, altitude and time on the spatial distribution of solar radiation. The solar Radiation module of ArcGIS is used to simulate the performance of total solar radiation under complex terrain. The results show that: (1) The average solar radiation in the undulating terrain of Chongqing is 2075.10-9435.42 MJ/㎡, the solar radiation in winter is the smallest, the average radiation is 10.53 MJ/㎡; the maximum solar radiation in summer, the average radiation The amount of 27.12 MJ/㎡. (2) The total solar radiation in the complex terrain of Chongqing has obvious changes in terrain factors such as slope and aspect, and has strong local characteristics in spatial distribution. (3) The use of Solar Radiation module to simulate the total solar radiation, in considering the atmospheric factor is still lacking.

Key words：Rugged terrain; Global Solar Radiation;DEM; Chongqing

引言

研究意义与目的

太阳辐射是地球表层的物理、化学和生物（如融雪、植物蒸腾、植物光合、作物生长）等过程能量的主要来源[1]，也是日常生活中必不可少的重要能源。在研究地表面水热状况、自然地理过程、太阳辐射能的转换以及其它发生在自然界的一些现象时，都必需首先了解太阳总辐射的状况，才能揭露其物理过程的本质。随着生态学和地球科学研究尺度的扩充，越来越多的人开始着手研究起伏地形下太阳辐射的空间分布规律。

太阳辐射经过大气层时，由于受到云，大气中的CO₂、O₂和O₃等气体以及水汽、烟尘等气溶胶粒子的反射、吸收和散射作用，从而使得大量的太阳辐射不能到达地表[2]。太阳高度角以及大气透明度共同决定着到达地表的直接辐射强度，然而，太阳高度角在相同时间段内，同一地区的是变化不大的，因而，决定直接辐射强度的因子主要是大气透明度；散射辐射的大小同样受到太阳高度角和大气透明度条件的影响，但是影响过程更为复杂^[3]。

实际起伏地形地表形态的基本特征是复杂多样的，而且起伏的尺度不同，绝对的平地是很少见的^[4]。除了时间、纬度等因子对起伏地形下的太阳辐射有影响外，地形因子——坡度、坡向和海拔对起伏地形下的太阳辐射也有影响[5]^-[6]。同一时间段内，坡度不同、坡向不同、海拔不同，所接收到的太阳辐射量也不同，这就导致了小气候特征的局部差异，造成了太阳辐射的复杂空间分布。

我国是一个多山地、多丘陵的国家，地理地形条件多样，而辐射观测站点十分稀少，且绝大部分位于开阔平地，山地辐射观测资料非常难得，再加上地理地形因子对辐射分布的影响十分复杂，所以，用常规的GIS插值的方法来进行空间内插或者外推[7]以计算实际地形地表太阳辐射的可能性很小。因此，在山区建立适宜的太阳辐射空间分布模型，对于合理利用太阳能资源、安排生产、开发山区气候资源等具有重要的理论和实践意义。

国内外研究进展

在国内，傅抱璞选取了E（东）、N（南）、W（西）、N（北）4个坡向和东西走向山谷（包含深山、河谷和峡谷等）以及近圆形的盆地和山谷，计算了各类地形下的各种辐射收支分 量，首次对坡面太阳辐射的估算做了深入的理论性研究[8]，但是，这项研究在实际应 用中还存在很多问题，比如实际地表的真实形态是高低起伏的，并不会这么规则，然而理论中的模型太过于理想化，模拟的是相对平地下的太阳辐射。随后，翁笃鸣、朱志辉、李占清等对这一方法做了改进，并在计算出坡面辐射时用这种方法来模拟太阳辐射的实际空间[9]。但是由于受当时计算机水平的限制，在模拟太阳辐射量时，不能准确模拟出地形对太阳辐射的影响程度。李新等人建立了一种几乎不受地形条件限制的模型来计算太阳辐射，这种模型利用的地形参数包括坡度、坡向、遮蔽度和全天各向同性可见因子^[9]，在模拟过程中，改进了与太阳辐射空间分布有关的几个重要参数的算法，使模拟结果取得了良好的效果。何洪林、王开存都对了起伏地形下的太阳辐射进行了估算，但是由于他们的算法都没有考虑地形对太阳辐射空间分布的影响，使得模拟效果不是很理想^[1]、[10]。邱新法、曾燕等人创建的复杂地形下的分布式天文辐射估算模型，充分考虑了地形对天文辐射空间分布的影响，并且研究了局部地形对天文辐射空间分布的影响程度[11]。

在国外，Proy在1989年通过估算地形对遥感数据的影响，计算了起伏地形下的太阳总辐射[12]。Dozier在1990年提出一种快速算法[13]，这种快速算法在模拟太阳辐射地形参数时利用DEM来实现，使模拟得到的太阳辐射有更高的模拟精度，更强的空间性。Dubayah在1995年计算了复杂地形下的基于地理信息系统的太阳辐射[14]。在研究中，应用数字高程模型数据和卫星数据计算地表短波净辐射以及反照率是计算地表入射太阳辐射的关键问题^[14]，特别是在使用高分辨率的卫星数据时（如MT、SPOT等）必须考虑地形的影响。Duguay为了计算山区的地表反照率利用Landsat-5 TM计算了太阳辐照度[15]。Dubayah利用Landsat MT和数字高程数据资料，计算了FIFE试验区的地表太阳净辐射[16]。Landsat-5 TM和数字高程数据资料在辐射研究中的意义重大，Gartton和Wang等人都利用了Landsat-5 TM和数字高程数据资料来对太阳辐射进行模拟。Gartton用Landsat-5 TM和数字高程数据资料来计算加拿大冰川地区的短波净辐射[17]。Wang等用Landsat-5 TM和数字高程数据对FIFE试验区的地表太阳净辐射进行了估算[18]。数字高程模型的出现，丰富了微观地域尺度辐射量的模拟条件。其独特的优势具体体现在计算坡度、坡向、地形遮蔽度以及模拟结果的可视化表达等方面。

近年来，基于应用地理信息系统计算坡地太阳辐射的空间分布问题，国内外做了大量的理论和技术上的研究，但是有些研究只考虑了坡度和坡向两个因素，有一些研究进一步考虑了地形之间的相互遮蔽作用对太阳辐射估算结果的影响。

本文利用ArcGIS中参数设置简单、应用较为方便的太阳辐射模拟工具Solar Radiation，计算了重庆市每个月15日的100米×100米分辨率的太阳总辐射量以及全年的太阳总辐射量，选取海拔为600米、1300米和2000米的南、北坡点，并提取出这六个点对应的太阳辐射量，分析太阳总辐射随坡度、坡向、时间、纬度、海拔高度等时空因子变化的规律特征。并提取重庆市气象站点所在网格的模拟值，将其与该站点实际观测的最大值、最小值以及平均值比较，评估ArcGIS的Solar Radiation模块对太阳辐射模拟的结果。

研究区域概况

研究区域位于重庆市，属于典型的亚热带季风性湿润气候，地跨东经105.18°— 110.18°、北纬28.17°— 32.22°之间，南北间的宽度为450公里，东西间的长度为470公里，总面积为8.2万平方公里，东与湖南、湖北接壤，西邻四川，南连贵州，北接陕西。该区平均海拔为400米，最大高差2667.5米，平均坡度为11.6°，地形起伏比较大，属于典型的起伏地形。

研究区域数据为1∶25万比例尺、100米×100米分辨率的重庆市DEM数据（图1），并在ArcGIS中提取各栅格点的经纬度、坡度、坡向和海拔高度。本文将选取海拔高度分别为600米、1300米和2000米的南、北坡点共六个点分析太阳辐射在不同海拔随时间的变化规律，表1和表2分别为选取的南坡点和北坡点的经纬度坐标以及坡度和海拔，并提取重庆气象站点的模拟值与实际观测的最大值、最小值以及平均值进行比较，重庆气象站点位置见图1。

表1.海拔为600米、1300米和2000米的南坡点经纬度坐标

表2.海拔为600米、1300米和2000米的北坡点经纬度坐标

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