提孜那甫河流域地表太阳辐射估算及其影响因素分析

地表太阳辐射是地球表层主要能量来源,对地表能量平衡、能量交换以及生态水文过程等具有决定性意义。山区地形复杂,其地表太阳辐射时空差异较大且较难估算。采用适用于山区的地表太阳辐射模型对西北昆仑山提孜那甫河流域地表太阳辐射时空分布进行了估算,分析了该流域季节太阳辐射空间分布规律并探讨了地形和云2个重要因素对太阳辐射空间分布的影响。结果表明:（1） 地形因子中周围地形阻挡即地形开阔度（Sky view factor,SVF）与年总太阳辐射的关系最为显著,太阳辐射随SVF增加而增加。（2） 年总太阳辐射随着高程增加首先减少,再而随之增加。探究SVF随高程的变化,发现其与太阳辐射随高程的变化趋势较为一致,因此在山区复杂地形下地表太阳辐射估算中仅利用高程对其校正存在明显不足,需综合考虑地形效应。（3） 研究计算了季节云出现频率空间分布与太阳辐射空间分布的相关系数,结果表明夏季太阳辐射受云影响较其他季节显著。定量分析了地形因子以及云对地表太阳辐射空间分布影响的贡献率,周围地形阻挡SVF对地表太阳辐射空间分布的影响最大,高程和云次之。因此综合考虑地形和云对太阳辐射的影响在山区太阳辐射模拟中是非常必要的,研究可为山区地表太阳辐射模拟提供理论依据,并为山区生态水文过程研究提供方法支撑。     

利用LM-BP神经网络估算西北地区太阳辐射

气候、生态、水文等模型的应用需要空间连续分布的太阳辐射数据,由于地形等条件的制约,气象站点的分布有限,无法利用稀少的站点获得空间连续分布的辐射数据,而BP(Back-propagation)神经网络模型对太阳辐射具有很好的预测性,但以往的研究都是基于单个站点估算太阳辐射,而且BP神经网络模型存在收敛速度慢、学习时间长等问题,为解决BP算法存在的不足,采用LM(Levenberg-Marquardt)算法优化后的BP神经网络(简称LM-BP神经网络)结合DEM(Digital Elevation Model)数据估算西北地区128个气象站点2011年的太阳总辐射月均值,通过乌鲁木齐和银川两台站的实测数据进行验证,两台站的平均百分比误差分别为2.89%和3.24%,平均偏离误差分别为0.27 MJ·m-2和0.61 MJ·m-2,且拟合优度均0.90。该模型各项误差指标较小,估算精度较高。最后将模型模拟出的辐射值,结合已有的24个辐射站点的实测值进行空间插值,得到西北地区2011年逐月太阳辐射精细化空间分布图。     

沙尘天气下黑河流域大气长波辐射遥感估算

由于沙尘气溶胶散射和吸收机制的复杂性,目前还没有成熟的可应用于沙尘天气的大气长波辐射反演算法。通过对比分析常见的沙尘、城市、乡村、海洋气溶胶对大气长波辐射强迫和MODIS通道辐亮度影响的基础上,提出利用气溶胶光学参数对线性模型进行修正,构建了适用于沙尘气溶胶条件下的大气长波辐射估算模型,并利用黑河流域4个观测站点(花寨子荒漠站、混合林站、黑河遥感站和张掖湿地站)实测数据对模型的应用能力进行检验。结果表明：4个站点遥感反演的大气长波辐射均方误差为17.1～20.4 W·m^-2,偏差为-12.3～-1.8 W·m^-2。由于考虑了沙尘气溶胶的光学厚度变化和辐射强迫效应,修正后的模型可显著提高沙尘气溶胶影响下大气下行辐射的反演精度,减少长波辐射应用中的不确定性,对干旱区地表能量收支研究提供了重要参考。     

基于DEM的山地总辐射模型及实现

总辐射状况是决定山地气候的主导性因子。山区地形条件复杂,总辐射分布差异显著,为了便于研究山区总辐射的地域分布规律,该文建立了一种基于DEM模拟山区总辐射的方法,通过提取数字坡度模型、数字高度模型以及地形遮蔽度模型等信息,并采用多层面复合分析的方法,建立了山区直接辐射、散射辐射以及总辐射的数字模型。实验证明,太阳总辐射及其分量在山区中有很强的地域分布规律。该方法采用的DEM精度高,能够精细地反映太阳辐射的地区分布差异,为山地气候资源调查与利用、生态环境建设乃至精细农业的实施提供重要依据。     

基于LM-BP神经网络的西北地区太阳辐射时空变化研究

定量模拟太阳辐射对认识西北地区气候变化至关重要,但西北地区辐射站点稀少,而气象站点较多,利用众多的气象站点观测值模拟太阳辐射是获得太阳辐射数据很好的方法之一。利用LM (Levenberg-Marquardt) 算法对普通的BP神经网络进行优化（优化后的BP神经网络简称LM-BP神经网络）模拟太阳辐射,通过与传统气候模型模拟的太阳辐射结果对比发现,LM-BP神经网络模型的模拟精度最高,模拟值与实测值的拟合程度明显优于H-S模型和A-P模型。由此利用西北地区159个气象站点的气象数据和LM-BP神经网络模型模拟了1990~2012年这些气象站点的太阳总辐射月总量,将LM-BP神经网络模拟的气象站点的太阳辐射和25个辐射观测站的实测太阳辐射数据相结合,通过空间插值得到了西北地区太阳总辐射的空间分布,并分析了其时空分布及变化特征。研究结果发现西北地区1990~2012年的年均总辐射月总量变化为262~643 βMJ/m²,呈现“中间高,两端低”的空间分布特征。LM-BP神经网络模型的模拟精度高,是一种很有发展前景的辐射模拟方法,可将其应用在无辐射观测地区的太阳辐射模拟中。     

黑河流域NPP遥感估算及其时空变化特征

植被的净初级生产力(NPP)是研究陆地各种生态过程的关键参数,对区域NPP的研究有利于人类对自然资源的管理和有效利用.本研究使用气象和遥感等数据,应用修正的CASA模型及其他数理统计方法对黑河流域1999—2010年的NPP进行估算,并对其时空变化特征进行了分析.结果显示:在1999—2010年,黑河流域的年NPP总量以3×10¹¹ g·a^-1的趋势增加;该流域NPP空间分布总体上为南多北少、河流两旁及绿洲地区多于其他地区;各类型中,草地生态系统累计的NPP最多;黑河上游NPP量与太阳辐射和降水量呈正相关关系,与年均气温呈负相关关系,上游地区水分和太阳总辐射量因子共同制约着流域的NPP量;中游地区年平均NPP与年平均气温呈负相关,与年总降水量呈正相关,与年总太阳辐射量呈微弱负相关,水分因子制约着植被NPP的生产;黑河流域下游地区植被NPP的年均累积生产量与年平均气温呈正相关,与年总降水量呈负相关,而与年总太阳辐射量无明显相关性,气温是下游植被NPP生产的制约因素.     

复杂地形区太阳短波辐射空间变异分析

太阳短波辐射是地表辐射收支平衡的重要参量,水汽、气溶胶等大气环境与坡度、坡向等地形效应导致其空间分布变异特性。该文利用复杂地形区太阳短波辐射遥感估算模型已有成果,采用ArcGIS和GeoDa空间分析及地统计建模方法,分析了黑河流域上游大野口子流域太阳短波辐射的空间变异特性与规律。研究表明,各分量中,太阳短波直接辐射空间变异系数最大,各向同性散射辐射空间变异系数最小。在研究区任意选择2 115个点进一步分析发现,MODIS过境时刻太阳直接辐射空间变异性规律受地形起伏度、坡度和坡向影响,各向异性散射辐射分量表现特征与太阳短波直接辐射类似,而各向同性散射辐射地形效应不明显。Moran′s I分析表明,太阳短波辐射各分量具有显著的空间正相关关系,南坡自相关性最强,西坡次之,北坡空间自相关性较弱,而东坡空间自相关性最弱。Moran散点图表明,地形起伏度对散射辐射,尤其是对各向同性散射辐射空间分布影响较大,而对周围地形反射辐射影响较小。     

黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区北大核心CSCD

黑河流域是中国西北地区生态安全重要屏障,厘清该地区生态系统服务的梯度效应对制定差异化生态保护政策具有重要意义。基于InVEST模型和CASA模型等方法,利用多源遥感数据量化2018年黑河流域典型生态系统服务,结合海拔、坡度、地形起伏度和地形位指数因子分析各生态系统服务的梯度效应,根据地形分布指数划分生态分区。结果表明:(1)黑河流域产水、土壤保持、植被固碳和食物供给服务空间分布差异明显,高值区在上游祁连山区,低值区在下游荒漠区。(2)各生态系统服务在各地形梯度上存在明显层级分布,总体上随地形梯度等级的提升而呈先增加后下降的趋势。(3)流域多重生态系统服务重要区空间分布差异明显,生态系统服务重要性随着地形梯度等级的提升而提升。(4)基于地形分异规律,黑河流域可划分为核心生态保护区、山地生态提升区、可持续发展区和生态防护治理区。     

中国三种太阳辐射起始数据分布式模拟

天文辐射、干洁大气总辐射和湿洁大气总辐射是太阳辐射模拟的3种重要起始数据。依托Iqbal Model C和起伏地形下干/湿洁大气总辐射模型,实现了水平面和起伏地形下干/湿洁大气总辐射分布式模拟。以DEM数据作为地形的综合反映,结合常规气象资料,计算了水平面和起伏地形下中国1 km×1 km分辨率日天文辐射量、干洁大气总辐射量、湿洁大气总辐射量的空间分布,并对3种太阳辐射起始数据的时空分布特征做了对比分析。结果表明：3种辐射量均遵循随纬向变化的宏观分布规律;水平面干/湿洁大气总辐射量的分布体现了海拔的影响,水平面湿洁大气总辐射量的分布还体现了水汽分布的影响;起伏地形下的3种辐射量能很好的体现坡度、坡向和地形之间相互遮蔽等局部地形特征对辐射量的影响;以干/湿洁大气总辐射作为起始数据,将有助于提高太阳总辐射的模拟精度。     

中国三种太阳辐射起始数据分布式模拟

天文辐射、干洁大气总辐射和湿洁大气总辐射是太阳辐射模拟的3种重要起始数据。依托Iqbal Model C和起伏地形下干/湿洁大气总辐射模型,实现了水平面和起伏地形下干/湿洁大气总辐射分布式模拟。以DEM数据作为地形的综合反映,结合常规气象资料,计算了水平面和起伏地形下中国1 km×1 km分辨率日天文辐射量、干洁大气总辐射量、湿洁大气总辐射量的空间分布,并对3种太阳辐射起始数据的时空分布特征做了对比分析。结果表明:3种辐射量均遵循随纬向变化的宏观分布规律;水平面干/湿洁大气总辐射量的分布体现了海拔的影响,水平面湿洁大气总辐射量的分布还体现了水汽分布的影响;起伏地形下的3种辐射量能很好的体现坡度、坡向和地形之间相互遮蔽等局部地形特征对辐射量的影响;以干/湿洁大气总辐射作为起始数据,将有助于提高太阳总辐射的模拟精度。     

复杂地形下长江流域太阳总辐射的分布式模拟

利用长江流域气象站1960-2005年的观测资料(包括常规气象站点资料和辐射站点资料)、NOAA-AVHRR遥感数据(反演地表反照率),以1km×1km的数字高程模型(DEM)反映地形状况的主要数据,通过基于DEM数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,分别建立了长江流域太阳直接辐射、散射辐射和地形反射辐射分布式模型,实现了长江流域太阳总辐射模拟,并对总辐射模拟结果进行了时空分布规律分析和对其受季节、纬度、地形因子(高度、坡度和坡向等)影响的局部规律分析,以及模拟结果的误差分析和站点验证分析。结果显示:太阳总辐射在季节上受影响的程度依次是春季>冬季>夏季>秋季;随着高度、坡度、纬度的增加,太阳总辐射受坡向影响的程度呈增强趋势,从坡向上看,向阳山坡(偏南坡)对太阳总辐射量明显高于背阴坡(偏北坡)。模拟的平均绝对误差为13.04177MJm^-2,相对误差平均值3.655%,用站点验证方法显示:模拟绝对误差为22.667MJm^-2,相对误差为4.867%。     

基于DEM的山区气温地形修正模型——以陕西省耀县为例

In mountainous area, spatial interpolation is the traditional method to calculate air temperature by use of observed temperature data. Due to lack of sufficient observation data in mountainous areas many precise interpolation methods could give only coarse result which could not meet the demand of precision agriculture and local climate exploration. Based on DEMs of 25 m resolution, a reversed model is constructed, with which temperature is simulated to the corresponding slope unit from the solar radiation. Taking Yaoxian county as a test area, and mean monthly temperature data as basic information sources, which are collected from 15 weather stations around Yaoxian county in Shaanxi province from the year of 1970 to 2000, a simulation for the solar radiation cell by cell is completed. By simulating solar radiation at each slope and flat cell unit, the terrain revised temperature model could be realized. A comparison between the simulated temperature and the radiation temperature from TM6 thermal infrared image shows that the terrain improved model gets a finer temperature distribution at local level. The accuracy of simulated temperature in mountainous area is higher than it is in flat area.     

Terrain revised model for air temperature in mountainous area based on DEMs： A case study in Yaoxian county

In mountainous area, spatial interpolation is the traditional method to calculate air temperature by use of observed temperature data. Due to lack of sufficient observation data in mountainous areas many precise interpolation methods could give only coarse result which could not meet the demand of precision agriculture and local climate exploration. Based on DEMs of 25 m resolution, a reversed model is constructed, with which temperature is simulated to the corresponding slope unit from the solar radiation. Taking Yaoxian county as a test area, and mean monthly temperature data as basic information sources, which are collected from 15 weather stations around Yaoxian county in Shaanxi province from the year of 1970 to 2000, a simulation for the solar radiation cell by cell is completed. By simulating solar radiation at each slope and flat cell unit, the terrain revised temperature model could be realized. A comparison between the simulated temperature and the radiation temperature from TM6 thermal infrared image shows that the terrain improved model gets a finer temperature distribution at local level. The accuracy of simulated temperature in mountainous area is higher than it is in flat area.     

Influence of complex topography on global solar radiation in the Yangtze River Basin

Global solar radiation（GSR） is the most direct source and form of global energy, and calculation of its quantity is highly complex due to influences of local topography and terrain inter-shielding. Digital elevation model（DEM） data as a representation of the complex terrain and multiplicity condition produces a series of topographic factors（e.g. slope, aspect, etc.）. Based on 1 km resolution DEM data, meteorological observations and NOAA-AVHRR remote sensing data, a distributed model for the calculation of GSR over rugged terrain within the Yangtze River Basin has been developed. The overarching model permits calculation of astronomical solar radiation for rugged topography and comprises a distributed direct solar radiation model, a distributed diffuse radiation model and a distributed terrain reflectance radiation model. Using the developed model, a quantitative simulation of the GSR space distribution and visualization has been undertaken, with results subsequently analyzed with respect to locality and terrain. Analyses suggest that GSR magnitude is seasonally affected, while the degree of influence was found to increase in concurrence with increasing altitude. Moreover, GSR magnitude exhibited clear spatial variation with respect to the dominant local aspect; GSR values associated with the sunny southern slopes were significantly greater than those associated with shaded slopes. Error analysis indicates a mean absolute error of 12.983 MJm-2 and a mean relative error of 3.608%, while the results based on a site authentication procedure display an absolute error of 22.621 MJm-2 and a relative error of 4.626%.     

复杂地形对长江流域太阳总辐射的影响(英文)

Global solar radiation(GSR) is the most direct source and form of global energy, and calculation of its quantity is highly complex due to influences of local topography and terrain inter-shielding. Digital elevation model(DEM) data as a representation of the complex terrain and multiplicity condition produces a series of topographic factors(e.g. slope, aspect, etc.). Based on 1 km resolution DEM data, meteorological observations and NOAA-AVHRR remote sensing data, a distributed model for the calculation of GSR over rugged terrain within the Yangtze River Basin has been developed. The overarching model permits calculation of astronomical solar radiation for rugged topography and comprises a distributed direct solar radiation model, a distributed diffuse radiation model and a distributed terrain reflectance radiation model. Using the developed model, a quantitative simulation of the GSR space distribution and visualization has been undertaken, with results subsequently analyzed with respect to locality and terrain. Analyses suggest that GSR magnitude is seasonally affected, while the degree of influence was found to increase in concurrence with increasing altitude. Moreover, GSR magnitude exhibited clear spatial variation with respect to the dominant local aspect; GSR values associated with the sunny southern slopes were significantly greater than those associated with shaded slopes. Error analysis indicates a mean absolute error of 12.983 MJm-2 and a mean relative error of 3.608%, while the results based on a site authentication procedure display an absolute error of 22.621 MJm-2 and a relative error of 4.626%.     

贵州高原复杂地形下太阳总辐射精细空间分布

海拔、坡度、坡向以及周围地形遮蔽作用,造成山区各部位接受到的太阳辐射能有很大差异. 在前人研究的基础上,对以前的模型进行了一些改进,考虑了坡度、坡向和地形相互遮蔽作用对复杂地形下天文辐射的影响,基于数字高程模型(DEM)数据,研制了以复杂地形下天文辐射为起始数据的复杂地形下太阳总辐射的分布式模型,在模型中还考虑了散射辐射的各向异性及坡地反射辐射对复杂地形下太阳总辐射的影响.应用100 m×100 m分辨率的DEM数据及气象站常规观测气象资料,计算了贵州高原复杂地形下100 m×100 m分辨率的复杂地形下太阳总辐射.结果表明:(1) 局地地形因子如坡度、坡向、地形遮蔽等对太阳总辐射影响显著,地形对复杂地形下太阳总辐射的影响是不容忽视的.(2)在缺乏复杂地形下坡面考察资料的情况下,建立以常规气象站观测资料为主的物理经验统计模型是实现细网格辐射资源计算的可行途径.     

Terrain revised model for air temperature in mountainous area based on DEMs: A case study in Yaoxian county

In mountainous area, spatial interpolation is the traditional method to calculate air temperature by use of observed temperature data. Due to lack of sufficient observation data in mountainous areas many precise interpolation methods could give only coarse result which could not meet the demand of precision agriculture and local climate exploration. Based on DEMs of 25 m resolution, a reversed model is constructed, with which temperature is simu-lated to the corresponding slope unit from the solar radiation. Taking Yaoxian county as a test area, and mean monthly temperature data as basic information sources, which are collected from 15 weather stations around Yaoxian county in Shaanxi province from the year of 1970 to 2000, a simulation for the solar radiation cell by cell is completed. By simulating solar radia-tion at each slope and flat cell unit, the terrain revised temperature model could be realized. A comparison between the simulated temperature and the radiation temperature from TM6 thermal infrared image shows that the terrain improved model gets a finer temperature dis-tribution at local level. The accuracy of simulated temperature in mountainous area is higher than it is in flat area.     

黔桂喀斯特山区植被变化及其地形效应

为科学认识喀斯特山区植被变化及其地形效应,基于MODIS NDVI数据,采用统计学方法,系统分析2000-2016年喀斯特山区植被变化的时空特征及其与海拔、地形起伏度、坡度、坡向的关系。研究表明,黔桂喀斯特山区植被绿度中部高,西北及东南较低,年均NDVI随海拔和地形起伏度的增加呈单峰曲线变化,峰值位于400~600 m,NDVI随坡度和坡向的变化不明显;2000-2016年大部分地区NDVI呈增长趋势,其中超过20%的地区呈显著增长（P<0.05）,年均增长率约0.0018。西部和东南部绿化趋势最为显著,仅在东北和中东部,NDVI呈下降趋势;NDVI呈增长趋势的比例随海拔的增加而增加,说明该喀斯特山区近年来植被恢复向着良性化方向发展,高海拔植被恢复速率更快,低海拔缓坡处的植被生态建设需要进一步加强。     

福建省复杂地形下旬平均气温分布式模拟

为建立高时空分辨率的福建省复杂地形下气温栅格数据集，利用福建省及其周边33个常规气象站观测资料，基于数字高程模型（DEM）数据，综合考虑海拔、太阳总辐射、地表长波有效辐射对旬平均气温的影响，模拟了福建省复杂地形下旬均温的空间分布。结果表明：1）常规站验证结果显示：各旬气温绝对误差平均值（MAE）最小为0.46℃，最大为2.3℃，全年平均为0.87℃；加密站验证结果显示，MAE最大为2.3℃，最小0.5℃，全年平均为0.96℃。2）模拟结果能反映旬均温的宏观分布规律与局地细节特征。宏观范围内，旬均温受纬度影响较大，由北至南气温逐渐升高，沿海地区旬均温整体高于内陆，山区旬均温明显较低；局地范围内，各坡向上气温差异显著，海拔越高、坡度越大，差异越明显；地形因子对旬平均温的影响具有季节差异，具体表现为冬季时地形因子对旬均温的影响最大，秋季次之，春夏季节中地形因子对旬均温的影响最弱。     

起伏地形下黄河流域太阳直接辐射分布式模拟

1 Introduction Directsolarradiation (DSR)isthe key com ponentofthe globalradiation reaching the Earth.For the influence of terrain factors,calculation of DSR quantity of rugged terrain is considerably com plex (Oliphantetal.,2003). The solarradiation quan…