魏勝龍， 陳志彪， 陳志強， 王秋云， 馬秀麗， 鄢新余

(1.福建師范大學地理科學學院，福州 350007； 2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007； 3.福建師范大學地理研究所，福州 350007)

微地形上太陽輻射模擬及與地表溫度關(guān)系研究

魏勝龍1，2， 陳志彪1，3， 陳志強1，3， 王秋云1，2， 馬秀麗1，2， 鄢新余1，2

(1.福建師范大學地理科學學院，福州 350007； 2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007； 3.福建師范大學地理研究所，福州 350007)

在微地形上進行太陽輻射模擬對于探討起伏地表微氣候因素分布具有重要意義，為分析微地形對太陽輻射的影響及對地表溫度的影響，利用實時動態(tài)差分儀(real-time kinematic, RTK)實地測量實驗樣區(qū)的微地形，生成分辨率為0.1 m×0.1 m的分米級高精度數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)，模擬微地形下太陽總輻射的時空分布; 同時結(jié)合地面溫度實測數(shù)據(jù)，建立地表溫度與太陽輻射的關(guān)系。結(jié)果表明： 微地形下太陽輻射具有明顯的空間分布特征，表現(xiàn)為溝脊大，溝底?。?陽坡大，陰坡??； 坡度越大接受的太陽輻射量越少； 實驗樣區(qū)接受太陽輻射量大小依次為夏季>春季>秋季>冬季； 地形遮蔽效應(yīng)對太陽輻射影響程度依次為冬季>秋季>春季>夏季； 地表溫度與太陽輻射呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.622。

太陽輻射； 地表溫度； 微地形； 微氣候

0 引言

太陽輻射是地球上最主要的熱量來源，對氣候形成及植被生長發(fā)育具有重要影響。起伏的地表支配著太陽輻射的重新分配，與平地相比，起伏地形下太陽輻射計算較為復雜，也更有意義。關(guān)于復雜地形下太陽輻射的分布問題，國內(nèi)外學者做了大量卓有成效的研究[1,2]。Dozier率先提出了利用數(shù)字高程模型模擬太陽輻射的方法[3]。傅抱璞[4]、翁篤鳴[5]、李占清[6]、朱志輝[7]等相繼提出和改進了太陽輻射模型算法，并將其引入山區(qū)太陽輻射的計算中。Ruiz-arias[8]采用20 m×20 m和100 m×100 m分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)數(shù)據(jù)進行山地潛在太陽輻射模擬實驗，結(jié)果表明DEM分辨率越高模擬效果越好。湯國安[9]提出DEM地形描述誤差隨DEM分辨率的提高而減小，理論上DEM分辨率越高，太陽輻射模擬精度越高。楊昕[10]基于25 m×25 m的DEM對秦嶺山區(qū)的太陽輻射進行研究，并針對DEM尺度效應(yīng)對太陽輻射模擬產(chǎn)生的影響進行了分析。然而迄今基于分米級分辨率DEM上太陽輻射的模擬還未見報道。

在地表起伏的微地形上，由于微地形因子的影響，加上地表粗糙度、覆蓋方式等的不同，地表對太陽輻射的接受、能量的吸收、水熱遷移轉(zhuǎn)化過程有較大影響[11-15]。相應(yīng)地，地表溫度、濕度及近地面風速、風向等都有可能隨微地形起伏發(fā)生改變，形成微地形下“凸出”或“凹下”小氣候，進而對植物的生長發(fā)育、凋落物的儲存分解、微生物種群活性、土壤動物群落繁衍、種子萌發(fā)等諸多細微過程產(chǎn)生重要影響[16-17]。因此，研究微地形下太陽輻射分布規(guī)律能直接反映影響植物生活的近地表熱量特征，對揭示微地形下微氣候的形成具有重要意義。鑒于極高分辨率DEM的太陽輻射模擬未見報道，本文以3 300個實測的三維坐標點生成分辨率為分米級(0.1 m×0.1 m)的DEM，模擬微地形下太陽輻射量的分布，并與實測的地表溫度分布情況進行對比分析。

1 實驗樣區(qū)及實驗數(shù)據(jù)

1.1 實驗樣區(qū)

朱溪小流域是南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失治理的典型單元，位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)東部。屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，光熱比較豐富，夏季盛行偏南風，冬季盛行偏北風，干濕兩季分明，災(zāi)害性天氣較多。該區(qū)域?qū)儆诨◢弾r丘陵區(qū)，風化殼深厚，結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性弱，歷史上受人為因素影響，水土流失嚴重。本研究選取退化嚴重的典型侵蝕坡面為實驗樣區(qū)，試圖研究本地草本植物在該惡劣環(huán)境下的生長、分布跟微地形、微氣候、土壤等環(huán)境因素之間的關(guān)系，而微氣候是研究的重要基礎(chǔ)。

1.2 實驗數(shù)據(jù)

1)DEM數(shù)據(jù)。本研究于2012年8月利用實時動態(tài)差分儀獲取微地形數(shù)據(jù)。實時動態(tài)差分儀是基于載波相位測量與數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的定位技術(shù)，能夠?qū)崟r地獲取測量點的三維坐標，達到分米級精度。測量過程中，起伏較大區(qū)域布點較密集，點與點距離約20 cm，較平緩區(qū)域點與點間距離約40 cm，共測3 300多個三維坐標點，利用ArcGIS10.1軟件獲取分辨率為0.1 m×0.1 m的DEM。實測地形面積820 m2，高程范圍為345～363 m，坡度范圍為0～65°。

2)地表溫度數(shù)據(jù)。地表溫度采用地面0 cm玻璃溫度表，結(jié)合RR-7125-8土壤溫濕度自動檢測儀來測量。儀器分別埋置于侵蝕溝上部、中部、下部的溝脊和溝底位置。嚴格按照地面氣象觀測規(guī)范要求進行埋置和觀測。觀測時間為2013年7月中旬，15 d左右，每日8:00—18:00之間觀測，記錄時間間隔為2 h。

2 模擬方法

2.1 太陽輻射模擬

研究表明[18-20]，起伏地面下太陽總輻射可以表示為

S=Sd+Ss+Sr,

(1)

式中：S為太陽總輻射；Sd為太陽直接輻射；Ss為太陽散射輻射；Sr為太陽反射輻射。

2.2 太陽直接輻射

地形起伏區(qū)域太陽輻射的計算比較復雜，坡度、坡向通過改變太陽入射角進而影響直接輻射量在不同部位的分布。在考慮地形遮蔽因子和大氣衰減情況下，起伏地表的太陽直接輻射可以表示為[20]

Sd=SncosInGiCi,

(2)

其中，

Sn=S0TrMh,

(3)

Mh=M0Ki。

(4)

式中：In為太陽光線和坡面法線的夾角；Gi為地形遮蔽度因子；Ci為云量系數(shù)，值取1；Sn為大氣上界垂直入射的太陽輻射強度；S0為到達外層大氣的太陽輻射量；Tr為大氣透射率，大氣投射率主要取決于大氣的水分含量，結(jié)合標準大氣模式和我國典型地區(qū)大氣模式，本文取值0.6[21]；Mh為高度h處透明氣團的相對路徑長度；M0為海平面上透明氣團的相對路徑長度；Ki為大氣壓修正系數(shù)。S0，M0和Ki的計算公式分別為

S0=I0[1+0.034 4cos(360N/365)],

(5)

(6)

Ki=[(288-0.006 5Map)/288]5.256。

(7)

式中：I0為太陽輻射常數(shù)，取值1 367 J·m-2·s-1；N為積日；Map為數(shù)字高程模型;H為太陽高度。其計算公式為

H=arcsin(sinγsinε+cosγcosεcosωi) ,

(8)

式中：ε為地理緯度;γ為赤緯;ωi為太陽時角,描述太陽24小時的運行情況。即

ω=15(T-12),

(9)

太陽赤緯計算公式為

γ=0.006 894-0.399 512cosθ+0.072 075sinθ-0.006 799cos 2θ+0.000 89sin 2θ。

(10)

對于起伏不平的地表，太陽入射角In可由坡度、坡向、緯度和時角等計算得到，即

cosI=sinγ(sinεcosα-cosεsinαcosβ)+cosγcosωi(sinεsinαcosβ+cosεcosα)+sinαsinβcosγsinωi,

(11)

式中:α為坡向角；β為坡上角。地球修正因子計算公式為

E0=1.000 109+0.033 494cosθ+0.001 472sinθ+0.000 768cos 2θ+0.000 079sin 2θ，

(12)

式中θ為日角，按一定時角間隔，計算后積分即可得出日輻射量。日出日落時角計算公式為

?s=arccos(-tanγtanε)?r=-ωs,

(13)

式中:ωs為日落時角;ωr為日出時角，時角以正南方向為0，順時針為正，逆時針為負。

2.3 太陽散射輻射

在晴朗無云的條件下，起伏不平的地表太陽散射輻射[22-23]為

Ss=S0(0.271-0.294TrMh)cos2(α/2)sinH。

(14)

2.4 太陽反射輻射

太陽反射輻射計算公式為

Sr=rS0(0.271+0.706TrMh)sin2(α/2)sinH,

(15)

式中r為地表反射率。目前地表反射率主要采用高光譜遙感影像反射率反演得到，就是將傳感器獲得的輻射亮度DN值轉(zhuǎn)換為反射率值，本研究取值為0.2[24]。

2.5 地形遮蔽因子計算

采用光線追蹤算法計算地形遮蔽因子，搜索入射路徑上所有的網(wǎng)格點，若某網(wǎng)格點高程與計算網(wǎng)格點高程之間的高度角大于該入射路徑的高度角，則看作為一條可遮蔽路徑，記Zi=0，否則記Zi=1。利用ArcGIS10.1軟件提供的光照模擬工具，輸入相應(yīng)的太陽高度角和太陽方位角可得到每個柵格象元瞬時的遮蔽狀況Zi，分別計算不同時刻的Zi值，根據(jù)每一微分時段開始時刻和結(jié)束時刻的遮蔽狀況，按照公式Gi=(Zi-1+Zi)/2計算每一微分時段的遮蔽系數(shù)Gi，即若微分時段開始和結(jié)束均可照，則Gi=1，否則Gi=0，若兩時刻遮蔽情況相反，則Gi=0.5。

2.6 太陽總輻射計算

山地太陽輻射分布狀況在山地氣候形成中起著主導和決定性的作用。太陽輻射量的分布具有很強的規(guī)律性，一般以溝脊為分界線，從溝脊向溝底呈連續(xù)變化的趨勢。采用微積分法模擬微地形下太陽輻射量。將每日的可照時角離散為36段，模擬每一微分時段內(nèi)的太陽輻射量，最后累加得到某一天的太陽輻射量，以此類推，可求出各月、年的太陽輻射量。

3 結(jié)果與分析

3.1 年太陽輻射量空間分布

經(jīng)過計算可知，實驗樣區(qū)年太陽輻射量范圍為2 441.40～7 690.07 MJ/m2，最大值約為最小值的3倍(圖1)。輻射量較大值主要分布于溝脊及平地部位，輻射量較小值主要分布于溝底等幽閉地形部位，說明實驗樣區(qū)微地形因子尤其地形遮蔽因子對太陽輻射量的空間分布影響較大。

圖1 實驗樣區(qū)年太陽輻射量分布

3.2 季節(jié)太陽輻射量空間分布

為了更好地對不同時期太陽輻射空間分布的比較，分別統(tǒng)計實驗樣區(qū)4個季節(jié)的太陽輻射量。如圖2所示，以3—5月代表春季，6—8月代表夏季，9—11月代表秋季，12月—次年2月為冬季。

(a) 春季 (b) 夏季 (c) 秋季 (d) 冬季

圖2 實驗樣區(qū)不同季節(jié)太陽輻射量分布

Fig.2 Spatial distribution of seasonal total solar radiation in the test area

從圖中可以看出，太陽輻射具有明顯的季節(jié)變化，四季太陽輻射量的大小依次為夏季>春季>秋季>冬季； 不同地形部位季節(jié)輻量差異亦明顯； 夏季太陽輻射量分布標準差最小(176.66 MJ/m2)。分析認為，這主要是由于夏季太陽高度角較大，微地形對太陽輻射的影響相對較?。?冬季則相反，標準差最大(280.37 MJ/m2)，說明由于冬季太陽高度角較小，地形遮蔽效應(yīng)強，所以太陽輻射量空間分布差異較大； 春(196.18 MJ/m2)、秋(264.93 MJ/m2)季的太陽平均輻射量介于夏、冬季之間。

3.3 月太陽輻射量空間分布

實驗樣區(qū)1—12月太陽輻射數(shù)據(jù)統(tǒng)計(圖3)表明，6月和7月太陽輻射量最大，達815～820 MJ/m2，太陽輻射量最大值的低點在12月，為528 MJ/m2左右； 各月份太陽輻射量的最小值也有相同的變化趨勢，未出現(xiàn)零值區(qū)； 6月份月輻射平均值最高，為737 MJ/m2，12月份最低，為337 MJ/m2； 月太陽輻射量最大值、最小值和平均值的走勢相同，從3者的相對大小可以看出，各月太陽輻射的分布向最大值集中，尤其5—7月這3個月，大部分在最大值附近，各月份太陽輻射量標準差反映地形遮蔽效應(yīng)對太陽輻射量的影響受太陽高度角大小的制約。

圖3 實驗樣區(qū)月度太陽輻射量統(tǒng)計特征

3.4 不同坡向太陽輻射量分布

實驗樣區(qū)不同坡向條件下太陽輻射量變化情況如圖4所示，由于實驗樣區(qū)坡面整體朝南，加上樣區(qū)范圍較小，陰坡面積非常小，因此未計入統(tǒng)計。就總量而言，不同坡向太陽輻射量分布呈現(xiàn)： 半陰坡<半陽坡<陽坡，各坡向接受的輻射量相差并不大。從圖中亦可以看出，冬季時各坡向輻射量差異較大，夏季時各坡向輻射量差異較小，這主要是由冬季地形遮蔽效應(yīng)較強，夏季地形遮蔽效應(yīng)較弱所致。

圖4 實驗樣區(qū)不同坡向太陽輻射量月變化圖

3.5 不同坡度太陽輻射量分布

實驗區(qū)年太陽輻射總量隨坡度的增大而減小,如圖5所示。坡度在0°～5°時，不同坡向的太陽輻射總量基本不變； 坡度在5°～30°之間時，太陽輻射總量隨坡度的增大而緩慢減少； 在坡度大于30°時，太陽輻射總量隨坡度增大而減小的趨勢明顯增強。與坡向相比，坡度對太陽輻射量的分布有巨大影響。分析認為，這與所選區(qū)域有關(guān)，本文實驗樣區(qū)為坡面整體朝南的區(qū)域，因此坡度的影響要大于坡向的影響，研究結(jié)果與楊昕[25]等的有區(qū)別，不能同等比較。

圖5 實驗樣區(qū)年太陽輻射量隨坡度的變化圖

3.6 地表溫度與太陽輻射量的關(guān)系

為提高分析精度，處理數(shù)據(jù)過程中，只選取晴天時，且觀測時刻無任何遮蔽的地面溫度參與關(guān)系的探討分析，7月份統(tǒng)計數(shù)共198個。

表1 地表溫度與太陽輻射量相關(guān)關(guān)系表

①： **表示在0.01水平上達到顯著

結(jié)果表明，地表溫度與太陽輻射呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.622(P<0.01)。由此可以看出，即便是瞬時太陽輻射與地表溫度也呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)值較低的原因在于，瞬時地表溫度受地表物質(zhì)組成及小氣候環(huán)境尤其是土壤濕度的影響較大。雖然實驗樣地范圍較小，地表物質(zhì)差別不大，但相對其他部位，溝脊地表砂礫較多也會造成一定影響。

4 討論

模擬太陽輻射分布時，DEM分辨率對其有重要影響。一般低分辨率DEM對地形有一定平滑作用，對起伏地形表達較差，降低了地形在太陽入射輻射估算中的作用。Ruiz-Arias[8]等在山區(qū)分析了DEM分辨率對太陽輻射模擬精度的影響，認為高分辨率的DEM能夠提高復雜地形下太陽輻射模擬精度。本文采用的0.1 m×0.1 m分辨率的DEM能夠較好地反映地形對太陽輻射的影響，尤其是地形遮蔽因子對太陽輻射的影響。此前的大部分研究，對地形遮蔽因子的影響要么由于研究尺度大、精度低而忽略，要么只考慮某點地形對太陽起始時角和終止時角的影響。本文利用高精度DEM，考慮坡度、坡向以及地形遮蔽對太陽輻射分布的影響，實現(xiàn)真正意義上的山區(qū)微地形太陽輻射模擬。

在進行地表太陽輻射模擬過程中，地表某一點日照時間的長短直接決定了該點接受太陽輻射量的多少，所以可照時間是影響太陽輻射計算的重要參數(shù)。地理可照時間考慮地形遮蔽的影響而不考慮大氣的影響，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地表太陽輻射的模擬研究。在此基礎(chǔ)上，本文充分考慮了地球曲率對地面日照時間的影響，提高了模擬精度的計算。海拔、坡度、坡向等地形因子的不同均會造成地形遮蔽效應(yīng)的不同，必然影響地表太陽輻射量的差異。文中夏季各坡向太陽輻射差異小、冬季各坡向太陽輻射差異較大，是因為冬季太陽高度角小地形遮蔽效應(yīng)強烈造成的； 同一時間太陽輻射陽坡大于半陽坡，又大于半陰坡，是坡向引起的； 隨著坡度的增大地表太陽輻射呈下降趨勢，則是由于坡度引起的。

本文的研究區(qū)為南方紅壤侵蝕區(qū)，土壤侵蝕在均勻坡面上形成細溝、淺溝、切溝等不同規(guī)模的侵蝕溝，以及其他大小不等、形狀各異的微地形。對于地表起伏波動的裸地，隨著太陽入射角的不同，溝脊、溝壁、溝底所接受的光熱資源也不相同。地表溫度存在季節(jié)性和晝夜性的大幅變化，在微地形尺度上，地表溫度除了受地面結(jié)構(gòu)的影響，地表粗糙度、土壤水分、近地面溫濕度的不同也會影響對熱輻射的吸收。本文研究發(fā)現(xiàn)，微地形上太陽輻射量的分布主要表現(xiàn)為溝脊大于溝底。高志強等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，陸地表面過程模式模擬的地表溫度同實測地表溫度在大的格局上吻合度非常好，但是因地貌類型及地表覆蓋的影響，在微地形上模擬溫度精度不夠高，而且需要眾多參數(shù)輸入。反演地表溫度方法適合有植被覆蓋的地表溫度的計算，在裸露區(qū)域反演的地表溫度誤差較大。因此，本文選擇實測的地表溫度，分析微地形下模擬太陽輻射量與實際地表溫度的關(guān)系。結(jié)果顯示，微地形上太陽輻射與地表溫度顯著相關(guān)。

陳慧[27]、文明章[28]等基于福建省100 m×100 m分辨率的數(shù)字高程模型模擬的福建省長汀縣年太陽輻射量在4 000～5 000 MJ/m2，相比而言，本研究所選實驗樣區(qū)的太陽輻射量模擬值具有更高的精度(2 441.4～7 690.07 MJ/m2)。太陽輻射是地球表層生物、地球、化學循環(huán)的主要能源，它的多寡直接決定著生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量和信息的流動[29]。微地形上太陽輻射的巨大差異會引起地表水熱條件的差異，進而形成許多不同的地表微生境，影響植被的分布及生長發(fā)育。因此，有學者認為微地形創(chuàng)造出的地表微生境和局地小氣候會對生物群落的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大影響[30-31]?？梢?，在生態(tài)脆弱區(qū)(比如因水土流失造成地表裸露地區(qū))進行太陽輻射模擬及相關(guān)分析，有助于該地區(qū)植被的恢復以及退化生態(tài)系統(tǒng)重建的研究。因此，下一步可以通過研究微地形上太陽輻射和溫度的差異與植物生長條件之間的關(guān)系，為最佳恢復植物物種的選擇提供決策參考。

5 結(jié)論

1)在充分考慮地形遮蔽因子影響后，模擬碧空條件下侵蝕微地形上太陽輻射量的分布。分布主要表現(xiàn)為： 溝脊多，溝底少； 陽坡多，陰坡少； 隨坡度的增大輻射量逐漸減小。相比而言，高精度DEM模擬的地表太陽輻射具有更高的精度。

2)地形因子對太陽輻射量的影響隨太陽高度角大小而變化，太陽高度角越大地形因子的影響越弱。就實驗樣區(qū)而言，地形遮蔽效應(yīng)對太陽輻射量的影響程度依次為冬季>秋季>春季>夏季。

3)地表溫度除了受太陽輻射的影響，還與地表粗糙度、土壤水分及近地面溫濕度等因子有關(guān)，本研究顯示地表溫度與太陽輻射量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.622，說明太陽輻射是影響地表溫度的主要因素。

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(責任編輯： 李瑜)

Simulation of the total solar radiation over micro-landform and correlation between the solar radiation and the land surface temperature

WEI Shenglong1，2, CHEN Zhibiao1，3, CHEN Zhiqiang1，3, WANG Qiuyun1，2, MA Xiuli1，2, YAN Xinyu1，2

(1.CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China; 2.KeyLaboratoryforSubtropicalMountainEcology,MinistryofScienceandTechnologyandFujianProvinceFunded,FujianNormalUniversity，F(xiàn)uzhou350007,China；3.Instituteofgeography,FujianNormalUniversity，F(xiàn)uzhou350007,China)

Solar radiation is the most important energy source in the Earth. The Yangxin’s research shows that the effect of DEM scale causes great uncertainty to the simulation of solar radiation, and the impacts of DEM resolution on the simulation of the solar radiation are much greater in hilly area than in the mountainous area. To estimate the solar radiation model (SRAD), the authors measured the micro terrains with the help of real-time kinematic (RTK) and achieved the 0.1 m×0.1 m high-resolution DEM by TGO and ArcGIS10.0 software. Then the authors analyzed the correlation between the solar radiation and the land surface temperature. It is found that the solar radiation is differently distributed on the micro-landform. Groove ridge, sunny and gentle slopes accept more solar radiation than groove bottom, shady and steep slopes. The radiation is in descending order of summer(2 149.96 MJ/m2), spring(1 903.97 MJ/m2), autumn(1 461.86 MJ/m2) and winter(1 093.11 MJ/m2), and solar radiation is reduced gradually with the increase of the grade of slope. The results show that the land surface temperature is significantly correlated to solar radiation (0.622).

solar radiation; land surface temperature; micro-landform; microclimate

10.6046/gtzyyg.2017.01.20

魏勝龍，陳志彪，陳志強,等.微地形上太陽輻射模擬及與地表溫度關(guān)系研究[J].國土資源遙感,2017,29(1):129-135.(Wei S L,Chen Z B,Chen Z Q,et al.Simulation of the total solar radiation over micro-landform and correlation between the solar radiation and the land surface temperature[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1):129-135.)

2015-09-21；

2015-11-20

國家自然科學基金項目“南方紅壤侵蝕區(qū)芒萁散布的地學分析及其時空模擬”(編號： 41171232)和“基于尺度理論的典型紅壤侵蝕區(qū)生態(tài)恢復與重建機理研究”(編號： 40871141)共同資助。

魏勝龍(1990- )，男，碩士研究生，主要從事自然資源與環(huán)境及GIS應(yīng)用研究。Email： shenglong423@163.com。

陳志彪(1962-)，男，教授，主要從事資源與環(huán)境、應(yīng)用氣象及水土保持等方面研究。Email: chenzhib408@vip.163.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)01-0129-07