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如何计算太阳辐射量并分析太阳辐射?

从太阳接收到的入射太阳辐射(日照)是推动地球上各种物理过程和生物过程的主要能量来源。了解它对景观尺度的重要性是理解各种自然过程和人类活动的关键。在景观尺度上,地形是决定日照的空间变化性的一个重要因素。不同位置在高程、方向(坡度和坡向)及地形要素投射的阴影等方面存在的差别,会对接收到的日照量产生影响。这种差异还将随一天和一年中时间的不同而发生变化,从而导致小气候的不同,其中包括空气和土壤温度状况、蒸发量、积雪融化模式、土壤湿度以及可用于光合作用的光等因素。通过 ArcGIS Spatial Analyst 扩展模块中的太阳辐射分析工具可以针对特定时间段太阳对某地理区域的影响进行制图和分析。这将考虑大气效应、地点的纬度和高程、陡度(坡度)和罗盘方向(方位)、太阳角度的日变化和季节性变化以及周围地形投射的阴影所带来的影响。生成的输出结果可以轻松地与其他 GIS 数据集成,从而有助于为物理过程和生物过程建模(因为它们受太阳的影响)。
工具/原料
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arcgis软件

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电脑

如何计算太阳辐射
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太阳辐射分析工具根据 Rich 等人(Rich 1990,Rich 等人 1994)创立并进一步由 Fu 和 Rich(2000,2002)发展的半球视域算法中的方法,计算某研究区域范围内或特定位置的日照。为特定位置或面积计算的辐射总量将以总辐射量形式给出。对每个要素位置或每个地形面中的位置重复计算直射日照量、散射日照量、总日照量,以便生成整个地理区域的日照地图。

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太阳辐射公式总辐射量的计算总辐射量 (Globaltot) 的计算方法是,直接分别将所有太阳图和星空图扇区的直接辐射量 (Dirtot) 和散射辐射量 (Diftot) 相加。Globaltot = Dirtot + Diftot

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直接太阳辐射量给定位置的总直接日照量 (Dirtot) 是所有太阳图扇区中直接日照量 (Dirθ,α) 的总和:Dirtot = Σ Dirθ,α    (1)太阳图扇区 (Dirθ,α)(其质心位于天顶角 (θ) 和方位角 (α) 处)中的直接日照量将使用下列公式计算:Dirθ,α = SConst * βm(θ) * SunDurθ,α * SunGapθ,α * cos(AngInθ,α)    (2)

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其中:SConst - 地球与太阳平均距离处大气层外的太阳通量,称为太阳常数。分析中使用的太阳常数是 1367 W/m2。这与世界辐射中心 (WRC) 太阳常数保持一致。β - 最短路径(朝向天顶的方向)的大气层透射率(所有波长的平均值)。m(θ) - 相对的光路径长度,以相对于天顶路径长度的比例形式测量(请参见下列公式 3)。SunDurθ,α - 以天空扇区表示的持续时间。对于大多数扇区,它等于日间隔(例如一个月)乘以小时间隔(例如半小时)。对于部分扇区(接近地平线),将使用球面几何计算持续时间。SunGapθ,α - 太阳图扇区的孔隙度。AngInθ,α - 天空扇区的质心与表面的法线轴之间的入射角(请参见下列公式 4)。相对光学长度 m(θ) 由太阳天顶角和海拔高程决定。对于小于 80°的天顶角,可以使用下列公式进行计算:m(θ) = EXP(-0.000118 * Elev - 1.638*10-9 * Elev2) / cos(θ)    (3)

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其中:θ - 表示太阳天顶角。Elev - 表示海拔高程,以米为单位。通过乘以入射角的余弦,可以将表面方向的影响考虑在内。截留表面与给定天空扇区(其质心位于天顶角 θ 和方位角 α)之间的入射角 (AngInSkyθ,α) 将使用下列公式进行计算:AngInθ,α = acos( Cos(θ) * Cos(Gz) + Sin(θ) * Sin(Gz) * Cos(α-Ga) )    (4)其中:Gz - 表示表面天顶角。请注意,对于大于 80°的天顶角,需要重点考虑折射。Ga - 表示表面方位角。

太阳辐射分析的应用示例
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入射太阳辐射(日照)是地球的物理和生物系统的源动力。了解特定地理位置的日照量对各种领域中的应用(如农业、资源管理、气象,土木工程和生态研究)都很有帮助。例如,了解某一区域在某一时间段内接受的日照量有助于新滑雪场选址,还有助于为需要特殊小气候条件以达到最佳生长状态的特种作物选择最佳种植位置。此外,经证实,日照地图对于预测森林火灾的动向并确定最佳灭火方法具有非常重要的作用。而对于土木工程和城市规划而言,日照可作为用于选址的适宜性模型的重要输入。在下图中,共沿山坡选择了四个位置(带编号的红色点),以表示可设立葡萄园的地点。要使产量最大化,必须确定哪个位置可在作物生长期(四月 - 十月)内接受最大量的日照。

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执行区域太阳辐射分析计算了整个研究区域的总日照(直射+散射,WH/m2),并显示了能够在夏季的几个月中接受最高日照量的位置(红色表示高日照;蓝色表示低日照)。

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属性表中显示了针对各个位置计算的总日照量。图示表明,位置 3(高亮显示为蓝色)的日照量最高,就这一点而言,可将该位置视为最适宜种植葡萄的位置。还可针对最佳日照范围或最佳日照状态执行更精确的分析,以确定一天中接受日照的时间段以及可在直接太阳辐射和散射辐射之间取得平衡的位置点。由此生成的结果可直接概化为更为复杂的模型的一部分,从而确定在某一地理区域内种植葡萄的最佳位置。

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