论文部分内容阅读
太阳辐射是地表能量、水、碳循环的重要驱动因子。地表获得太阳辐射在时间、空间上的异质性极大地决定了农业、生态、水文过程的动态变化。随着生态学模型和太阳辐射工程技术朝向高分辨率方向的发展，日尺度或者空间分辨率较低的辐射数据已经不能满足研究需求，高时空分辨率太阳辐射数据十分必要。本文利用降尺度方法，利用常见的日太阳总辐射数据估算小时尺度的直接辐射与散射辐射，通过对比现有的日散射辐射模型和太阳辐射降尺度方法，构建适合中国的小时尺度直接辐射和散射辐射模拟方法，为模拟复杂地形下太阳辐射能量时空再分配提供方法支持。进一步以黄土高原六道沟小流域为例，分析黄土高原破碎地表太阳辐射时空再分配特征和由太阳辐射能量再分配而导致的对地表潜在蒸散时空异质性的影响。主要研究结果包括:
(1)四种不同的估算日散射辐射的经验模型在模拟中国不同区域日散射辐射时，不同模型在不同区域表现各有不同，但总体表现差异不明显。在人类活动影响导致大气污染严重的区域（以乌鲁木齐为代表），以及在热带地区，上述四种模型模拟表现欠佳，需要考虑改进模拟方法。另外，在干旱区模拟效果较其他区域略差，也可以尝试考虑其他因素改进估算模型。在全国范围内，建议不同气候区拟合不同的经验参数构建经验模型代替单一的散射辐射经验模型。
(2)Wang提出的基于日太阳总辐射模拟小时直接辐射和散射辐射的降尺度方法明显改善了模拟效果，特别是在正午左右。因此建议小时直接辐射的模拟应采用Wang提出的方法。降尺度方法可以较好地模拟晴天太阳辐射小时过程，但在阴天和多云情况下，尤其是多云情况下，小时太阳辐射存在无规律的上下波动，降尺度方法无法反映这一过程，但总体而言，观测值在模拟的小时太阳辐射上下波动，模拟结果基本能反映小时太阳变化趋势。
(3)不同坡向（坡度=10°）总辐射逐时变化差异显著。总体来讲，南坡接收到的太阳总辐射量最多，北坡最小，最大辐射差额为1.01MJ·m-2·day-1。。东坡和西坡接收到的总辐射与水平地面十分相近。采用各向匀质计算方法，散射辐射与水平地面接收的散射辐射几乎相等(8.89MJ·m-2·day-1)，随坡向变化不明显。以晴天天气，典型位置点直接辐射逐时变化为例。东坡，早上太阳辐射增加最快，小时直接辐射峰值出现时间最早。西坡，早上太阳辐射增加速率最慢，小时直接辐射峰值出现时间最晚。北坡和南坡早上直接辐射增加速率介于东、西坡之间，辐射峰值时间约在正午左右。
(4)基于构建的小时尺度直接辐射和散射辐射方法估算了黄土高原六道沟流域2015年30m×30m分辨率太阳辐射的时空变化特征。以年总辐射为例，对六道沟流域进行空间变化分析。六道沟流域年总辐射南坡接收辐射较多(5210.72MJ/m2)，北坡接收辐射较少(4856.78MJ/m2)，在坡顶接收到的总辐射平均比沟底高43.97MJ/m2。南北向的主要山沟区域无明显的低值区，而东西向的小山沟附近则出现明显的低值区和高值区。这与传统意义上的山沟接收太阳辐射少相悖。六道沟流域全年接收的直接辐射是水平地表面接收的0.7-1.12倍，流域内最大值和最小值相差为1225.3MJ/m2。此外，散射辐射受地形因素影响不大，在六道沟流域散射辐射最大减少量为水平散射的5％。
(5)潜在蒸散量的空间异质性。在六道沟小流域坡顶、沟底、南坡和北坡的地表全年潜在蒸散量差异也十分显著。总体而言，南坡潜在蒸散最大，为1433.81mm，北坡最小，为1390.18mm，坡顶和沟底位于二者中间，蒸散量分别为1420.31mm和1414.92mm。此外，坡顶和沟底位置地表年潜在蒸散量相差较小，为5.39mm，南坡和北坡相差较大，为43.63mm。南坡地表潜在蒸散平均约为平坦地势的1.02倍，北坡约为0.95倍。
(1)四种不同的估算日散射辐射的经验模型在模拟中国不同区域日散射辐射时，不同模型在不同区域表现各有不同，但总体表现差异不明显。在人类活动影响导致大气污染严重的区域（以乌鲁木齐为代表），以及在热带地区，上述四种模型模拟表现欠佳，需要考虑改进模拟方法。另外，在干旱区模拟效果较其他区域略差，也可以尝试考虑其他因素改进估算模型。在全国范围内，建议不同气候区拟合不同的经验参数构建经验模型代替单一的散射辐射经验模型。
(2)Wang提出的基于日太阳总辐射模拟小时直接辐射和散射辐射的降尺度方法明显改善了模拟效果，特别是在正午左右。因此建议小时直接辐射的模拟应采用Wang提出的方法。降尺度方法可以较好地模拟晴天太阳辐射小时过程，但在阴天和多云情况下，尤其是多云情况下，小时太阳辐射存在无规律的上下波动，降尺度方法无法反映这一过程，但总体而言，观测值在模拟的小时太阳辐射上下波动，模拟结果基本能反映小时太阳变化趋势。
(3)不同坡向（坡度=10°）总辐射逐时变化差异显著。总体来讲，南坡接收到的太阳总辐射量最多，北坡最小，最大辐射差额为1.01MJ·m-2·day-1。。东坡和西坡接收到的总辐射与水平地面十分相近。采用各向匀质计算方法，散射辐射与水平地面接收的散射辐射几乎相等(8.89MJ·m-2·day-1)，随坡向变化不明显。以晴天天气，典型位置点直接辐射逐时变化为例。东坡，早上太阳辐射增加最快，小时直接辐射峰值出现时间最早。西坡，早上太阳辐射增加速率最慢，小时直接辐射峰值出现时间最晚。北坡和南坡早上直接辐射增加速率介于东、西坡之间，辐射峰值时间约在正午左右。
(4)基于构建的小时尺度直接辐射和散射辐射方法估算了黄土高原六道沟流域2015年30m×30m分辨率太阳辐射的时空变化特征。以年总辐射为例，对六道沟流域进行空间变化分析。六道沟流域年总辐射南坡接收辐射较多(5210.72MJ/m2)，北坡接收辐射较少(4856.78MJ/m2)，在坡顶接收到的总辐射平均比沟底高43.97MJ/m2。南北向的主要山沟区域无明显的低值区，而东西向的小山沟附近则出现明显的低值区和高值区。这与传统意义上的山沟接收太阳辐射少相悖。六道沟流域全年接收的直接辐射是水平地表面接收的0.7-1.12倍，流域内最大值和最小值相差为1225.3MJ/m2。此外，散射辐射受地形因素影响不大，在六道沟流域散射辐射最大减少量为水平散射的5％。
(5)潜在蒸散量的空间异质性。在六道沟小流域坡顶、沟底、南坡和北坡的地表全年潜在蒸散量差异也十分显著。总体而言，南坡潜在蒸散最大，为1433.81mm，北坡最小，为1390.18mm，坡顶和沟底位于二者中间，蒸散量分别为1420.31mm和1414.92mm。此外，坡顶和沟底位置地表年潜在蒸散量相差较小，为5.39mm，南坡和北坡相差较大，为43.63mm。南坡地表潜在蒸散平均约为平坦地势的1.02倍，北坡约为0.95倍。