太阳辐射是地球上一切活动的主要能量来源,也是地球气候形成的最重要的因子,对地表辐射平衡、能量交换以及天气气候的形成具有决定性的意义.但是我国陆地范围太阳辐射观测站太少,远远不能满足实际需要.通过考虑地理、气象因子影响,利用站点所观测的太阳辐射资料,建立基于物理模型的太阳辐射空间模型,对太阳辐射进行空间格局模拟研究具有重要的实际应用价值.国外在20世纪70年代,已有很多学者进行了辐射模型数学方法研究.
随着GIS和RS技术的发展,对太阳辐射的研究转向太阳辐射模型与GIS的结合.青海省平均海拔3 000m以上,如果把国内研究中得到的经验系数应用于高原区域太阳辐射计算,难免会产生较大的误差,并且青海省因其重要的生态地位,可根据太阳辐射对该区域的草地生产力进行研究.同时,太阳辐射还是太阳能光伏发电站地址选择的重要决策依据.研究通过构建青海省月、年平均太阳总辐射模型,最终模拟了青海高原30年月、年平均太阳总辐射空间格局差异,以弥补太阳辐射观测站少而无法得到太阳辐射资源的详细情况.
1、研究区概况及数据来源
青海省位于青藏高原东北部,其地势西高东低,地形复杂多样,形成了独具特色的高原大陆性气候,日照时间长,空气稀薄,平均海拔在3 000m以上,境内山脉高耸,河流纵横,湖泊星罗棋布.由于地域辽阔,地形复杂,境内太阳总辐射的空间格局复杂多变.我们收集了青海省玉树市、格尔木市、西宁市3个太阳辐射观测站1961年1月—2007年12月的逐日太阳总辐射和逐日日照百分率资料,以保证所用资料验证模拟结果的准确性.
1.1太阳辐射模型的构建及计算
到达地球上界的太阳辐射主要取决于地球与太阳的相互空间位置及它们的运动规律,而到达地面的太阳辐射又随着季节、纬度、时刻、海拔、大气透明度等不同而发生变化.太阳总辐射的空间分布模型的建立分为地外水平面太阳总辐射的计算和太阳总辐射的气候学推算两部分.
对于某一给定日期垂直于太阳光线的表面,从太阳获得的辐照度的计算公式为
其中:φ为该地纬度;H为该时刻太阳高度角;δ为该日太阳赤纬;τ为时角;θ为日角.具体数值参见参考文献.
其中:Q为太阳总辐射;Q′为潜在总辐射理想、大气总辐射或天文总辐射;n、N分别为实际日照时数和可能日照时数(即日照百分率);a、b为待定系数.
1.2太阳总辐射模型
基于晴天总辐射的太阳总辐射模拟公式为
其中:Q为太阳总辐射;Q′为1—12月各月的最大晴天总辐射,月总量(MJ/m);Φ为地理纬度(°);H为海拔(m);e为月平均水汽压(hPa);i=1,2,3,…,12(月);C0i、C1i、C2i、C3ie是方程的待定系数(具体数值见文献),实际观测太阳总辐射值、日照百分率、潜在太阳总辐射值,经统计回归获得1—12月各月的a、b系数(见表1),参见参考文献,Si为各月日照百分率.
2、结果分析
2.1模型验证
将格尔木、西宁、玉树三站1980—1983年的资料作为 模型效果验证使用.图1为 三 站1980年1—12月模拟值和实测值对比分析结果.三站模拟效果均较理想,模型能完全模拟三站月辐射变化趋势.玉树站最小绝对误差值0.23 MJ/m2(12月),最大绝对误差值82.75MJ/m2(6月).格尔木站最小绝对误差值0.14MJ/m2(10月),最大绝对误差值48.97MJ/m2(4月).两站各月误差值有正有负,属于模型随机误差.
西宁站最小绝对误差值20.14MJ/m2(12月),最大绝对误差值65.78MJ/m2(6月).模拟值整体高于实测值,这可能是因为大气透射率的计算误差引起的.西宁市为青海省人口聚集区和工业区,其大气透明系数要小于理想大气的透明系数.至于二者的定量关系,还需要进一步研究.
2.2青海省年、月太阳总辐射空间格局
青海省近30年(1971—2000年)太阳总辐射年平均值为6 771.95MJ/m2,空间格局呈现从西北到东南逐步减少的趋势(见图2).三个最高值分别位于可可西里、柴达木盆地南部山区和大柴旦西部,最低值位于东部的河湟谷地,祁连山区和青南南部是次低值区.图3是估算的青海省近30年(1971—2000年)1—12月太阳总辐射结果.图3中所示4—8月是太阳辐射量到达地面最集中和最多的时段.
因此,全省1—5月太阳总辐射均值逐渐增加,5月达到最高值717.24MJ/m2,6月降低为695.48 MJ/m2,7月又上升到次高值701.96 MJ/m2,从8月开始持续减少,12月份达到最低值352.63MJ/m2.全省各月总辐射的空间分布特征不尽一致,冬春季节柴达木盆地、河湟谷地、青南南部是低值区,而从4月份开始,柴达木盆地成为辐射的高值区.
另外,可可西里、海西州的都兰也是两个高值区,这种特征一直持续到8月份,4—8月太阳总辐射量约占全年总辐射的60%以上,从而也决定了上述区域年太阳总辐射为全省的高值区.
3、结论
研究应用DEM高程模型及青海省日照百分率资料,构建了青海高原的月、年太阳总辐射模型,总体模拟结果良好.模拟结果表明:青海省近30年(1971—2000年)太阳总辐射年平均值为6 771.95MJ/m2,空间格局不均匀,呈西北到东南逐步减少的趋势.三个最高值区分别位于可可西里地区、柴达木盆地南部山区、大柴旦西部地区,而东部河湟谷地为最低值地区.近30年(1971—2000年)月太阳总辐射呈现明显的季节性变化,且空间格局和年太阳总辐射基本一致.
从1月份开始太阳总辐射增加,到5月份达到最高值,6月份降低,7月份又达到次高值,从8月份开始持续减少,直至12月份达到最低值.研究在估算太阳辐射时,日照百分率格点值通过插值获取.另外,大气透射率的计算也应用了经验公式,这可能对估算精度带来一定的影响.如果这两个参数用遥感资料来反演,将会在很大程度上提高估算的精度.
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