贵州高原起伏地形下日照时间的时空分布.pdf

贵州高原起伏地形下日照时间的时空分布 袁淑杰1 2 3 缪启龙1 邱新法1 谷小平3 1 南京信息工程大学 江苏省气象灾害重点实验室 南京 210044 2 河北农业大学植物保护学院 保定 071001 3 贵州省山地气候与资源重点实验室 贵阳 550002 摘 要 由于坡度 坡向和地形之间相互遮蔽等局地地形因子的影响 实际起伏地形下的日照时间与水平面上的日照 时间有一定差异 该文建立了一种基于数字高程模型 DEM 的起伏地形下日照时间的模拟方法 计算了起伏地形 下贵州高原 100 m 100 m 分辨率日照时间的时空分布 结果表明 坡度 坡向 地形遮蔽对日照时间的影响较大 实际起伏地形下日照时间的空间分布具有明显地域特征 1 月太阳高度角较低 坡度 坡向的作用非常明显 地形 遮蔽面积较大 日照时间的空间差异较多 日照时间为 16 142 h 最大值约为最小值 9 倍 7 月太阳高度角较高 地 形遮蔽面积相对较小 日照时间的空间差异相对较少 日照时间为 133 210 h 最大值为最小值 1 6 倍 但由于 7 月日照时间相对较多 局地地形对日照时间影响仍明显 4 月 10 月日照时间及其变化幅度介于 1 月和 7 月之间 关键词 贵州高原 数字高程模型 起伏地形 日照时间 引 言 日照时间表示一个地区接受太阳光照射时间的 长短 是重要的气候资源 也是影响山区各种植物种 类分布的原因之一 山地复杂地形条件下日照条件 的时空变异是形成山地地形气候的主要因素之一 然而 由于受坡度 坡向等地理因子以及周围地形相 互遮蔽的影响 确定实际起伏地形下日照时间比较 困难 在地形复杂 高差悬殊的山区 单纯依靠现有 气象站网的观测数据远不足以反映该地区山地复杂 的日照时间的空间分布 1 傅抱璞 2 3 首次提出了 非水平面日出日没时角计算公式 并提出了确定坡 面日出日没时角的一般原则和方法 翁笃鸣等 4 5 用图解法来确定坡面的日出日没时角 孙汉群等 6 提出用判别式方法来确定坡面的日出日没时角 Klein 7 Iqbal 8 也提出了非水平面日出日没时角的 计算公式 朱志辉 9 推求了一组非水平面日出日没 时角的计算公式 为计算和分析坡面日照时间和太 阳辐射总量提供了基础 地理信息系统技术在生态 环境评价及气候专题区划中得到广泛应用 10 11 Granier 等 12 Williams 等 13 Dozier 等 14 15 Boc quet 16 李新等 17 曾燕等 18 先后利用数字高程模 型 DEM 计算山地可照时间的理论研究和区域试 验 为计算起伏地形下日照时间提供了新思路 本 文在前人研究基础上 以 100 m 100 m 分辨率的 DEM 数据作为地形的综合反映 以地理信息系统为 数据处理平台 实现贵州高原起伏地形下日照时间 的模拟 为利用开发山区气候资源提供科学依据 数字高程模型 Digital Elevation Model 简称 DEM 是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的 一种实体地面模型 是数字地形模型 Digital Terrain Model 简称 DTM 的一个分支 DEM 是零阶单纯 的单项数字地貌模型 坡度 坡向及坡度变化率等地 貌特性可在 DEM 的基础上派生 在 DTM 中 网格 的点只表示点的属性 点与点之间的属性可以通过 内插计算获得 由于 DEM 描述的是地面高程信 息 它在测绘 水文 气象 地貌 地质 土壤 工程建 设 通讯 气象 军事等国民经济和国防建设以及人 文和自然科学领域有着广泛的应用 第 19卷 2 期 2008 年 4 月 应 用 气 象 学 报 JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGICAL SCIENCE Vol 19 No 2 April 2008 贵州省自然科学基金项目 2005J2086 和贵州省省长专项基金 2005Z92 共同资助 2007 02 09 收到 2007 07 23 收到再改稿 1 资料与研究方法 1 1 研究区概况 贵州省地处云贵高原 位于 24 37 29 13 N 103 36 109 35 E 之间 境内地势西高东低 平均海 拔在1100 m 左右 全省地貌可分为高原山地 丘陵 和盆地 3种基本类型 其中 92 5 的面积为山地和丘 陵 自然条件具有明显垂直变化 地貌复杂多样 1 2 计算模型 研究表明 实际起伏地形中任一点 P 在任一天 的日照时间 Tr可表示为 Tr Tk s 1 式 1 中 Tk为可照时间 这里的可照时间是指考虑 地形遮蔽而不考虑大气影响的可能日照时间 19 s 为日照百分率 日照百分率用气象站的观测资料 各网格点日照百分率由实测资料使用 IDW Inverse Distance Weight 插值法内插得到 坡面日出日没时间不早于水平面上的日出日没 时间 对于起伏地形中的任一点 P 根据从DEM 数 据中读取的纬度值 可利用式 2 计算与该点同纬度 水平面上一年中任一天的日出日没时角 0 arccos tan tan 2 式 2 中 0为太阳时角 为纬度 为太阳赤纬 由式 2 可确定水平面上的可照时间为 2 0 它 没有考虑大气和周围地形对 P 点造成的日照遮蔽 影响 实际地形中 一天中任意时刻 P 点可照与 否 主要由该时刻的太阳高度角和方位角以及太阳 方位角方向上的地形对 P 点造成的遮蔽角 仰角 决定 当太阳高度角大于地形对 P 点造成的遮蔽 角时 P 点得到日照 反之 则被遮蔽 没有日照 基 于此思想 实际地形中任一天 P 点的可照时间可按 如下方案确定 19 给定时间步长 T 计算相应 的太阳时角步长 2 24 60 T 单位 rad 在 0 0 区间内 以 为步长 将水平面上的 日出至日没时间划分为 n 1 个时刻 确定各时 刻的太阳高度角 hi和太阳方位角 i sinhi sin sin cos cos cos i i 0 1 2 n 3 cos i sinhisin sin coshicos i 0 1 2 n 4 确定各时刻对应的太阳方位 i上的遮蔽状况 Si 以 P 点为起点 沿 i方位作直线Li 根据太阳高 度角 hi和直线 Li方向上各点的高程即可确定该时 刻周围地形对P 点的遮蔽状况Si 当直线 Li方向上 各点的高程均对 P 点不造成遮蔽时 记 Si 1 表示 P 点可照 反之 只要有一点高程使 P 点不可照 记 Si 0 表示 P 点受地形遮蔽 以上述 n 1 个时刻 的每相邻两时刻作为一个时间段 则共有 n 个时 段 设 gi为每个时段的遮蔽系数 取 gi 1 2 Si 1 Si 计算可照时间 实际起伏地形中任一点 P 在 任一天的可照时间 Tk可表示为 Tk 24 2 n 1 i 1 gi gnmod 2 0 5 式 5 中 mod 为求余函数 所用资料 主要包括贵州省及其周边 102 个气 象站 1960 2000 年常规气象要素观测资料和贵州 省 DEM 资料 由贵州省气象局提供 并对所用资料 进行了严格的质量检测和筛选 2 计算结果及分析 按照上述方法 计算了贵州高原的日照时间 表 1 给出了道真 毕节 铜仁 贵阳 荔波和全省平均 1 4 7 10 月及年平均的相对误差 从结果来看 除少数大 于6 1 月误差比较大之外 相对误差基本小于 5 计算结果符合误差要求 可以用来进行计算 表 1 贵州高原起伏地形日照时间误差分析 单位 Table 1 The error analysis of insolation duration over rugged terrains in the Guizhou Plateau unit 时段道真毕节铜仁贵阳荔波全省平均 1 月10 68 15 56 16 47 1 4 月1 81 71 86 23 33 2 7 月2 14 91 86 03 54 2 10 月4 52 24 03 73 63 5 年平均5 03 12 43 93 33 2 2 1 起伏地形下日照时间的时间变化 本文使用的 DEM 数据网格点大小为 100 m 100 m 计算了贵州高原 1 12 月的日照时间 计算 过程中 遮蔽范围半径取 50 km 时间步长 T 取 10 min DEM 重采样方法为双线性插值法 图1 给出了道真 毕节 铜仁 贵阳 荔波实际起 伏地形下多年平均 1 12 月日照时间年变化图 贵 234 应 用 气 象 学 报 19 卷 州地区各站日照时数最大值均在 8 月 为 158 186 h 这是由于 8 月太阳位于北半球 太阳高度角 较高 最小值在 1 2 月 为 30 51 h 由于 1 月太阳 位于南半球 太阳高度角较低的缘故 从图 1 还可 以看出 6 月有一个极小值 这可能是 6 月云量较 多 降水量偏多 日照百分率偏小的缘故 从总体上 看 荔波日照时间年较差最小 道真最大 图 1 贵州高原起伏地形多年平均日照时间 Fig 1 Temporal variation of normals of insolation duration over rugged terrains in the Guizhou Plateau 2 2 起伏地形下日照时间的空间分布 图 2 给出了贵州高原起伏地形下日照时间多年 平均 1 月 7 月的空间分布 图中各网格点的数值代 表了该网格点所代表的 100 m 100 m 区域平均日 照时间 1 月太阳直射南半球 太阳高度角较低 日 照时间短 地形的遮蔽作用对日照时间的影响非常 明显 全区日照时间为 16 142 h 地域差异很大 最 大值约是最小值的 9 倍 最小值 16 35 h 在遵义 思南等北部山区 最大值 121 142 h 位于西北部的 威宁一带 在实际起伏地形下 日照时间除与地理 纬度 天气状况有关外 坡度 坡向 地形遮蔽的作用 是不可忽视的 7月日照时间的空间分布与 1 月日照时间的空 间分布有很大不同 7 月日照时间为 133 210 h 最大值是最小值的 1 6 倍 最小值 133 155 h 在 南部及中部的平寨 安顺 威宁等地 最大值 196 210 h 位于舞阳 思南南部 湄潭东部 遵义西北部等 地 因为 7 月太阳高度角较高 地形遮蔽面积相对 较小 但由于 7 月水平面上的日照时间相对较多 因 此起伏地形下日照时间的差异仍然较大 地形对日 照时间的影响仍然不可忽视 图 2 贵州高原起伏地形下日照时间多年平均的空间分布 单位 h a 1月 b 7 月 Fig 2 Spatial distribution of normals of insolation duration over rugged terrains in the Guizhou Plateau unit h a January b July 由贵州高原起伏地形下日照时间多年平均 4 月 和 10 月的空间分布图 图略 可以看出 4 月日照时 间为 60 203 h 最大值 178 203 h 分布于东北部 的威宁一带 最小值 60 87 h 主要分布于东北部的 都濡 思南北部 铜仁 古州东部和平寨南部 10 月 日照时间为 31 112 h 比 4 月日照时间小得多 最 大值 102 112 h 主要分布于南部的兴义 荔波 从 江一带 最小值 31 58 h 主要分布于习水一带 图 3 给出了贵州高原多年平均日照时间年总量 的空间分布 贵州高原起伏地形下日照时间年总量 为 768 1824 h 地域差异很大 最大值是最小值的 2 4倍 最小值 768 1050 h 在都濡 娄山关以北山 区 最大值 1601 1824 h 位于西北部的威宁一带 在东北部的遵义 思南 毕节 黔西 贵阳 罗甸以东 235 2 期 袁淑杰等 贵州高原起伏地形下日照时间的时空分布 的大部分地区日照时间年总量都偏低 西部日照时 间要高些 因此 坡度 坡向 地形遮蔽对日照时间 的影响较大 日照时间年总量的空间分布具有明显 的地。