太陽輻射是地球上一切活動的主要能量來源,也是地球氣候形成的最重要的因子,對地表輻射平衡、能量交換以及天氣氣候的形成具有決定性的意義.但是我國陸地范圍太陽輻射觀測站太少,遠遠不能滿足實際需要.通過考慮地理、氣象因子影響,利用站點所觀測的太陽輻射資料,建立基于物理模型的太陽輻射空間模型,對太陽輻射進行空間格局模擬研究具有重要的實際應用價值.國外在20世紀70年代,已有很多學者進行了輻射模型數學方法研究.

隨著GIS和RS技術的發展,對太陽輻射的研究轉向太陽輻射模型與GIS的結合.青海省平均海拔3 000m以上,如果把國內研究中得到的經驗系數應用于高原區域太陽輻射計算,難免會產生較大的誤差,并且青海省因其重要的生態地位,可根據太陽輻射對該區域的草地生產力進行研究.同時,太陽輻射還是太陽能光伏發電站地址選擇的重要決策依據.研究通過構建青海省月、年平均太陽總輻射模型,最終模擬了青海高原30年月、年平均太陽總輻射空間格局差異,以彌補太陽輻射觀測站少而無法得到太陽輻射資源的詳細情況.

1、研究區概況及數據來源

青海省位于青藏高原東北部,其地勢西高東低,地形復雜多樣,形成了獨具特色的高原大陸性氣候,日照時間長,空氣稀薄,平均海拔在3 000m以上,境內山脈高聳,河流縱橫,湖泊星羅棋布.由于地域遼闊,地形復雜,境內太陽總輻射的空間格局復雜多變.我們收集了青海省玉樹市、格爾木市、西寧市3個太陽輻射觀測站1961年1月—2007年12月的逐日太陽總輻射和逐日日照百分率資料,以保證所用資料驗證模擬結果的準確性.

1.1太陽輻射模型的構建及計算

到達地球上界的太陽輻射主要取決于地球與太陽的相互空間位置及它們的運動規律,而到達地面的太陽輻射又隨著季節、緯度、時刻、海拔、大氣透明度等不同而發生變化.太陽總輻射的空間分布模型的建立分為地外水平面太陽總輻射的計算和太陽總輻射的氣候學推算兩部分.

對于某一給定日期垂直于太陽光線的表面,從太陽獲得的輻照度的計算公式為

其中:φ為該地緯度;H為該時刻太陽高度角;δ為該日太陽赤緯;τ為時角;θ為日角.具體數值參見參考文獻.

其中:Q為太陽總輻射;Q′為潛在總輻射理想、大氣總輻射或天文總輻射;n、N分別為實際日照時數和可能日照時數\\(即日照百分率\\);a、b為待定系數.

1.2太陽總輻射模型

基于晴天總輻射的太陽總輻射模擬公式為

其中:Q為太陽總輻射;Q′為1—12月各月的最大晴天總輻射,月總量\\(MJ/m\\);Φ為地理緯度\\(°\\);H為海拔\\(m\\);e為月平均水汽壓\\(hPa\\);i=1,2,3,…,12\\(月\\);C0i、C1i、C2i、C3ie是方程的待定系數\\(具體數值見文獻\\),實際觀測太陽總輻射值、日照百分率、潛在太陽總輻射值,經統計回歸獲得1—12月各月的a、b系數\\(見表1\\),參見參考文獻,Si為各月日照百分率.

2、結果分析

2.1模型驗證

將格爾木、西寧、玉樹三站1980—1983年的資料作為 模型效果驗證使用.圖1為 三 站1980年1—12月模擬值和實測值對比分析結果.三站模擬效果均較理想,模型能完全模擬三站月輻射變化趨勢.玉樹站最小絕對誤差值0.23 MJ/m2\\(12月\\),最大絕對誤差值82.75MJ/m2\\(6月\\).格爾木站最小絕對誤差值0.14MJ/m2\\(10月\\),最大絕對誤差值48.97MJ/m2\\(4月\\).兩站各月誤差值有正有負,屬于模型隨機誤差.

西寧站最小絕對誤差值20.14MJ/m2\\(12月\\),最大絕對誤差值65.78MJ/m2\\(6月\\).模擬值整體高于實測值,這可能是因為大氣透射率的計算誤差引起的.西寧市為青海省人口聚集區和工業區,其大氣透明系數要小于理想大氣的透明系數.至于二者的定量關系,還需要進一步研究.

2.2青海省年、月太陽總輻射空間格局

青海省近30年\\(1971—2000年\\)太陽總輻射年平均值為6 771.95MJ/m2,空間格局呈現從西北到東南逐步減少的趨勢\\(見圖2\\).三個最高值分別位于可可西里、柴達木盆地南部山區和大柴旦西部,最低值位于東部的河湟谷地,祁連山區和青南南部是次低值區.圖3是估算的青海省近30年\\(1971—2000年\\)1—12月太陽總輻射結果.圖3中所示4—8月是太陽輻射量到達地面最集中和最多的時段.

因此,全省1—5月太陽總輻射均值逐漸增加,5月達到最高值717.24MJ/m2,6月降低為695.48 MJ/m2,7月又上升到次高值701.96 MJ/m2,從8月開始持續減少,12月份達到最低值352.63MJ/m2.全省各月總輻射的空間分布特征不盡一致,冬春季節柴達木盆地、河湟谷地、青南南部是低值區,而從4月份開始,柴達木盆地成為輻射的高值區.

另外,可可西里、海西州的都蘭也是兩個高值區,這種特征一直持續到8月份,4—8月太陽總輻射量約占全年總輻射的60%以上,從而也決定了上述區域年太陽總輻射為全省的高值區.

3、結論

研究應用DEM高程模型及青海省日照百分率資料,構建了青海高原的月、年太陽總輻射模型,總體模擬結果良好.模擬結果表明:青海省近30年\\(1971—2000年\\)太陽總輻射年平均值為6 771.95MJ/m2,空間格局不均勻,呈西北到東南逐步減少的趨勢.三個最高值區分別位于可可西里地區、柴達木盆地南部山區、大柴旦西部地區,而東部河湟谷地為最低值地區.近30年\\(1971—2000年\\)月太陽總輻射呈現明顯的季節性變化,且空間格局和年太陽總輻射基本一致.

從1月份開始太陽總輻射增加,到5月份達到最高值,6月份降低,7月份又達到次高值,從8月份開始持續減少,直至12月份達到最低值.研究在估算太陽輻射時,日照百分率格點值通過插值獲取.另外,大氣透射率的計算也應用了經驗公式,這可能對估算精度帶來一定的影響.如果這兩個參數用遙感資料來反演,將會在很大程度上提高估算的精度.

參考文獻:
[1] 翁篤鳴.中國輻射氣候[M].北京:氣象出版社,1997.
[2] 張運林,秦伯強,陳偉民,等.太湖無錫地區太陽總輻射的氣候學計算及其特征分析[J].應用氣象學報,2003,14\\(3\\):329-330.
[3] 劉新安,范遼生,王艷華,等.遼寧省太陽輻射的計算方法及其分布特征[J].資源科學,2002,24\\(1\\):82-87.
[4] 林文鵬,陳金華,王長耀.福建沿海地區太陽輻射時空變化分析[J].華僑大學學報:自然科學版,2004,25\\(4\\):430-434.
[5] 周秉榮,李鳳霞,顏亮東,等.青海省太陽總輻射估算模型研究[J].中國農業氣象,2011,32\\(4\\):495-499.
[6] 鐘強,金娥.利用Nimbus-7行星反照率估算青藏高原地區的總輻射[J]．氣象學報,1989,30\\(2\\):165-172.
[7] 繆啟龍,周鎖銓,吳息,等.西部山區總輻射氣候學計算及分布[J].南京氣象學院學報,1994,17\\(2\\):177-182.
[8] 盧端,袁士孔.甘肅省平均太陽輻射量的確定方法[J].甘肅科學學報,1990,2\\(3\\):55-57.
[9] 李云艷,孫治安,曾憲寧,等.晴天地表太陽輻射的參數化[J].南京氣象學院學報,2007,30\\(4\\):512-518.
[10]杜堯東,毛慧琴,劉愛軍,等.廣東省太陽總輻射的計算及其分布特征[J].資源科學,2011,32\\(4\\):66-70.
[11]林正云.福建省太陽總輻射和地面輻射平衡的分布[J].太陽能學報,1994,15\\(3\\):248-256.