复杂地形区太阳辐射估算研究

Solar radiation is the main source of earth surface energy and is the key component of its energy balance. Solar radiation has significant spatial heterogeneity in mountaineous terrain where ground observations are usually lack. Solar radiation modeling is especially important in those regions. Terrain shading and cloud attenuation are the two major factors in modeling solar radiation in the mountains. In this research, we will use GIS and remote sensing data to develop an all-sky solar radiation model for mountaineous terrain. Specifically, we will: 1) improve the skyshed method which can be used to calculate terrain shading for direct and diffuse solar radiation and propose a more accurate and efficient clear-sky solar radition model based on the improved method; 2) By using cloud property data derived from various remote sensing platforms, we will develop a new all-sky solar radiation model which not only considers terrain shading effect but also the anisotrpic cloud attenuation. This new all-sky solar radiation would benefit the research on climate and ecohydrology in mountainous areas.

太阳辐射是地表主要能量来源和地表能量平衡的关键要素。复杂地形区太阳辐射空间分布差异大而且观测数据稀缺，因此对复杂地形区太阳辐射的准确模拟具有重要意义。本项目基于地理信息系统(GIS)和遥感(RS)观测等手段，针对复杂地形区太阳辐射模拟中两个重要的因素：地形阻挡和云对辐射的衰减作用拟开展以下两个方面的研究：(1)对适用于直接辐射和散射辐射地形阻挡计算的半球视域（skyshed）算法进行改进，形成一个更加准确和高效的晴空下复杂地形区太阳辐射模型；(2)利用多个极轨卫星云属性观测数据，将云对太阳辐射的衰减作用加入所提出的晴空太阳辐射模型，建立一个既考虑地形阻挡又考虑云衰减作用的实际天气条件下复杂地形区太阳辐射模型，以期为山地系统气候、生态水文等研究提供方法和数据支持。

太阳辐射是地表主要能量来源和地表能量平衡的关键要素。复杂地形区太阳辐射空间分布差异大且观测数据稀缺，因此对复杂地形区太阳辐射的准确模拟具有重要意义。本项目基于地理信息系统(GIS)和遥感(RS)观测等手段，针对复杂地形区太阳辐射模拟中两个重要的因素：地形阻挡和云对辐射的衰减作用开展了以下两个方面的研究：（1）提出独立于观测数据的方法评价目前已有的地形阻挡算法并提出新地形阻挡算法。本项目设计了四个起伏不同的高斯曲面，计算其上当太阳在某些特定方向的地形阻挡的解析解，并用于评价Hillshade和Skyshed所模拟地形阻挡的误差并对两个算法做参数敏感性分析。研究发现Hillshade只能用于有限范围区域而Skyshed更适用于散射辐射计算，基于评价结果及敏感性分析结果提出新的地形阻挡算法，精度有所提高。（2）构建考虑地形阻挡和云对辐射衰减过程的太阳辐射模型。研究提出Sky cloud map的概念图用于表达云在半球天空的非均质分布，Sky cloud map是用MODIS云顶高度数据将MODIS云光学厚度等光学物理参数从半球天空投影到二维平面，形成与二维可见天空Skyshed相同结构的图。将Sky cloud map与Skyshed叠加使得模型可模拟地形阻挡作用也可模拟云在半球天空的非均质分布，进而可模拟散射辐射半球天空非均质分布。模型也可模拟太阳、云和地面间几何关系对辐射各分量的影响。所构建瞬时模型在昆仑山提孜那甫河流域验证精度为平均相对偏差-0.2%。基于Terra和Aqua两个过境时刻模拟值构建日太阳辐射，模拟精度也相对较高，平均相对偏差为1.43%。本研究所构建复杂地形区太阳辐射模型可用于模拟高山区且资料稀缺地区地表太阳辐射时空分布，为山地系统气候、生态水文等研究提供方法和数据支持。