中国地表太阳总辐射空间化模拟及其时空特征分析

(6)
式 中 ：7；为 大 气 顶 层 太 阳 辐 射 通 过 大 气 层 的 透
射 率 ，A 、B 、C 均 为 经 验 系 数 ，A T 为 平 均 最 高 气 温 与
平 均 最 低 气 温 之 差 。各 参 数 均 有 一 定 的 物 理 意 义 ， A
表 示 晴 朗 无 云 条 件 下 的 大 气 透 明 度 系 数 ，B 和 C 决
摘 要 ：以丨960— 2 0 1 9 年 全 闺 9 9 个 气 象 台 站 太 阳 辐 射 观 测 数 据 和 8 3 9 个 气 象 台 站 的 气 温 日 较 差 为 基 础 数 据 ，利
用 Bristow- Campbell太 阳 总 辐 射 估 算 模 型 ，对 中 国 地 表 太 阳 总 辐 射 进 行 空 间 化 模 拟 ，分 析 了 太 阳 总 辐 射 的 时 空 变 化
其中〇>。为 日 出 时 角 ；
( — )2 =1.00011 +0.03422\cos6 +0.00\2SsinG + P
0.000719cos (26) +0.000011sin (2 0 )
(3)
6=27r (N-\)/365
(4)
其 中 N 为一年中的日序；
ct = (0.006918 -0.3999l 2cos9 +0.010257sin9 -
1.2.2天文太阳总辐射模型
天 文 太 阳 总 辐 射 [12]
Qd= T*I0*((〇0*sin(p*sina+coscr*siruo0)/(TT*p2) (1)
其 中 太 阳 常 数 /n=1367W *m-2, 小 时 累 计 值 为
表示纬度。
co〇=arccos (-tanatamp)
(2)
(9) ( 10)
图 1 七大区域划分及各区域分布情况
式 中 ：从 为 一 定 高 度 下 的 大 气 量 为 海 平 面
的 大 气 量 ，R/ P。为 大 气 压 修 正 系 数 ，H 为 太 阳 高 度
角 （rad) ，h 为 海 拔 高 度 (m)。
地 表 水 平 面 的 太 阳 总 辐 射 （Q)可 以 通 过 下 面 的
地 表 太 阳 辐 射 与 温 度 、日 照 时 间 、湿度等气象因 子 有 着 密 切 的 关 系 ，很 多 学 者 早 在 2 0 世纪 初就 开始 利用气象因子构建太阳辐射的函数及模型。 Angstrom简 单 的利 用了日 月耐数 因子 ，发现日照时数 与 太 阳 辐 射 存 在 线 性 关 系 ，同 时他 指 出 其 它 因 子 ，诸 如 降 水 量 、云 量 也 与 太 阳 辐 射 有 某 种 联 系 ，给后续学 者 提 供 了 思 考 61A inke在 1 92 4 年提出太阳辐射与大 气 浑 浊 度 、大 气 湿 度 相 关 联 ，并 分 析 了 相 关 因 子 [71。 Kimbd1 着 重 分 析 了 大 气 透 射 率 与 太 阳 辐 射 之 间 的 关 系 ，建 立 了 大 气 透 射 率 的 相 关 函 数 模 型 [81。 Black 在 Kimball的 基 础 上 继 续 发 展 ，利 用 部 分 台 站 的 太 *
公 式 表 达 [|51:
Q= T,*Q0
(11)
1.2.4模 拟 精 度 检 验 系 数
Bristow- Campbell模 型 的 模 拟 精 度 采 用 Nash-
Sutcliffe系 数 （Ens)来 检 验 ，其 计 算 公 式 为 ：
26
气象研究与应用
42卷
I,=i (S,-S,.rr)2) 式 中 ：S, 为 实 测 值 ;5.,,„,为模拟值;又„为实测平 均 值 ；II为 实 测 数 据 个 数 当 S,=S.,„,时 ， 1 ; 若 ^ 为 负 值 ，说明模 型模 拟平均值比直接使用实测平 均 值的可信度更低％。
0 . 00675Scos2d + 0 .〇〇〇9〇75m20 - 0 . 002697cos3d +
〇.〇〇148.sm30)*( 180/tt)
(5)
其 中 〇■为太阳赤纬。
1.2.3 Bristow-Campbell 模型
每曰太阳总辐射与日最大气温和日最小气温
AT存在如下关系™:
T,=A [i -exp(-B A T )]
势 ，为-0.0074MJ.m-V -1
关 键 词 ：太 阳 辐 射 ；Bristow- Camphfll模 型 ；时空分布
中 图 分 类 号 ：P422.1
文 献 标 识 码 ：A
doi：10.19849/45-1356/P.2021.2.05
引言
地球上的能量来 源 于 太 阳 辐 射 ，太阳辐射对地 球 生 态 系 统 至 关 重 要 ，对 大 气 系 统 的 形 成 与 变 化 起 着 决 定 性 作 用 1]。 太 阳 辐 射 是 地 球 生 态 系 统 中 生 物 和 非 生 物 很 多 重 要 过 程 中 的 动 力 ，不 可 或 缺 的 因 子 W。 地 表 太 阳 辐 射 的 不 同 分 布 会 影 响 云 层 分 布 、大气环 流 特 征 、湿 度 、降 水 ，还 会 对 生 态 系 统 模 型 ，全球大气 环 流 模 型 的 参 数 产 生 影 响 等 > 5]。
J .Journal of Meteorological Research and Application ,2021 ,42(2) ：24-28.
中国地表太阳总辐射空间化模拟及其时空特征分析
曹 敏 \ 朱晓晨y
( 1 中 海 油 气 象 台 ，广 东 湛 江 524000; 2 南 京 信 息 工 程 大 学 ，南 京 210044)
相关气象因子数据及太阳辐射数据来源于中国 气 象 数 据 共 享 网 国 家 气 象 科 学 数 据 中 心 （http:// /201 lqxfw/201 lqsjgx/ ) ，包括 1960— 2019年 839个 气 象 站 点 的 日 平 均 气 温 、 日最高气 温 、日 最 低 气 温 数 据 ，及 全 国 9 9 个 站 点 的 日 太 阳 总 辐 射 数 据 。数 字 高 程 数 据 （DEM)的海拔高度空间分 辨率为由中国科学院资源环境科学数据 中心提供。 1 . 2 研究方法 1.2.丨站点分区
特 征 ，结 果 表 明 ，中 国 地 表 太 阳 总 辐 射 南 多 北 少 ，西 多 东 少 ，受 地 形 海 拔 因 素 影 响 很 大 ；青 藏 高 原 一 带 的 地 表 太 阳 总 辐
射 最 大 . 四 川 盆 地 及 新 疆 部 分 盆 地 区 域 的 太 阳 总 辐 射 最 小 ；对 研 究 区 整 体 而 言 ，分 析 期 的 地 表 太 阳 总 辐 射 呈 减 小 趋
定气温日较差对太阳辐射的影响程度。
在计算晴朗无云条件下的大气透明度系数的过
程 中 ，Kreith和 Kreidei•提出一个经验方程，其拟合
的 误 差 范 围 在 3 % 以 内 ，计算公式为1|41
-0.56iM, -0 .0 9 5 ^
<4=0.56 (e +e
)
(7)
Mh= M备
( 8)
M〇=[\229+(6\4sinH )2] 2 - 6 l4sinH Ph _ / 1 0.0065 L \5.256
第 42卷 第 2 期 2021年 6 月
气象研究与应用 JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATION
Vol.42 No.2 Jun. 2021
曹 敏 ，朱 晓晨 . 中同 地 表 太 阳 总 辐 射 空 间 化 模 拟 及 其 时 空 特 征 分 析 : J ].气 象 研 究 与 应 用 ，2 0 2 1 ，42(2):24-28. Cao Min, Zhu Xiaochen. Spatial simulation and spatiotemporal changes analysis of total solar radiation on the earth's surface in China
阳 辐 射 及 云 量 数 据 集 ，构 建 了 全球 太阳 辐 射的 估 算 模 型并 分析 了 全球 的 太 阳 辐 射 分 布 状 况 〜 。此 后 ，太 阳辐射能源的开发利用使得众多学者投入到太阳辐 射 估 算 的 研 究 中 。Bristow和 Campbell建立了精度局 达 7 0 % ~ 9 0 % 的 太 阳 辐 射 估 算 模 型 ，他 们 利用 台 站观 测 到 的 气 温 日 较 差 数 据 及 太 阳 辐 射 数 据 ，建立 以地 温 日 较 差 、大 气 透 射 率 为 输 入 因 子 的 太 阳 辐 射 关 系 函 数 ，并 得 到 很 好 的 验 证 |w]。 刘 玉 洁 和 潘 韬 基 于 1981 — 2 0 1 0 年 全 国 1 2 2 个 气 象 站 的 太 阳 辐 射 和 气 温 日 较 差 观 测 数 据 ，将 其 输 人 校 验 后 的 BristowCampbell模 型 ，实 现 太 为 ：我 国 地 表 太 阳 净 辐 射 高 值 区 位 于 青 藏 高 原 ， 低 值 区 位 于 川 黔 地 区 111]。
基 于 1960— 2 0 1 9 年 较 长 时 间 周 期 的 太 阳 辐 射 观 测 数 据 及 气 温 日 较 差 数 据 ，将 在 Bristow-Campbell 模 型 的 基 础 上 ，充分考虑 气温 对地表 太阳 总辐射 变 化 的 影 响 ，将 数 字 高 程 模 型 （ DEM)和 地 理 信 息 系 统 运 用 到 中 国 不 同 区 域 的 太 阳 辐 射 计 算 中 ，实现全国 太 阳 总 辐 射 的 空 间 化 模 拟 ，分 析 其 时 空 特 征 ，从而得 到太阳总辐射较为稳定的区域分布及长时间周期下
收 稿 日 期 ：2021-03-15 作 者 简 介 ：曹 敏（1997— ) 男 ，江 西 九 江 人 ，学 士 ，助 理 工 程 师 ，从 事天气预报工作 E- mail:caomin2 @ * 通 讯 作 者 ：朱 晓 晨 （1984— ），男 ，江 苏 盐 城 人 ，博 士 ，讲 师 ，主 要 从 事 GIS在 气 象 中 应 用 研 究 E- mail:xiaochen.zhu@
根 据 中 国 区 域 的 地 形 地 势 因 素 和 气 候 因 素 ，将 全 国 划 分 为 7 大 区 域 。气温较低的东北三省划为丨司 一 区 域 ，纬 度 较 高 ，地 形 平 坦 ，为 东 北 区 ；将 河 南 、河 北 及 山 东 等 中 纬 度 省 划 为 同 一 区 域 ，气 候 半 湿 润 ， 降 水 较 少 ，为 中 原 区 ；将 东 南 沿 海 省 市 区 域 及 江 西 、 湖 南 等 省 划 为 同 一 区 域 ，长江 流域 珠江 流域 降 水丰 富 ，温 度 较 高 ，为 人 口 密 集 区 ，为 华 南 区 ；将内蒙古横 向 狭 长 地 域 划 为 同 一 区 域 ，牧 场 较 多 ，气 候 偏 干 旱 ， 为 内 蒙 区 ；将 新 疆 、甘 肃 等 省 划 为 同 一 地 区 ，气候最 为 干 旱 ，昼 夜 温 差 大 ，为 西 北 区 ；将 青 藏 高 原 地 区 划 为 同 一 地 区 ，海 拔 较 高 ，温 度 气 压 低 ，为 青 藏 区 ；将四 川 盆 地 、云 南 、贵 州 3 省 划 为 同 一 地 区 ，为西南区。如 图 1 所示：
2期
曹 敏 . 等 ：中国地表太阳总辐射空间化模拟及其时空特征分析
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的 年 际 变 化 规 律 ，为 太 阳 能 开 发 利 用 提 供 基 础 理 论 依据。
1 数据与方法
1.1研究区与数据来源 研 究 区 地 理 位 置 及 辐 射 台 站 、气象台站分布较
不 均 匀 ，中 国 东 部 地 区 台 站 较 为 密 集 ，暂没有收录台 湾 气 象 及 辐 射 数 据 ，西 部 地 区 由 于 地 形 因 素 ，人口较 少 ，气 候 恶 劣 ，布 置 的气象台站及辐射观测站点较少。