张 超，吴良林，杨 妮

（1．广西师范学院 资源与环境科学学院，广西 南宁 530001）

基于DEM的喀斯特地区可照时间空间分布

张 超1，吴良林1，杨 妮1

（1．广西师范学院 资源与环境科学学院，广西 南宁 530001）

采用基于DEM的起伏地形下可照时间计算模型，以广西巴马县为例，探讨了喀斯特地区可照时间的空间分布特点，分析坡度、坡向等地形因子对可照时间的影响。结果表明，可照时间受地形遮蔽影响较大，日照时间阳坡多、阴坡少，平地多、山地少，并且冬季更为明显。坡度对可照时间的影响表现为坡度越大，可照时间越少，且集中分布于坡度小于35°的地区。该方法可为喀斯特地区提供重要的气候基础数据，对喀斯特地区小气候的研究有重要意义。

喀斯特；数字高程模型；可照时间；空间分布

山区复杂的地形条件使得太阳辐射状况有很大差异，从而引起温度、湿度、风状况等的不同，形成独特的山地小气候。太阳辐射是山区地表能源的主要来源，也是决定山地小气候的主导因素。地面可照时间的长短直接决定了地表接受太阳辐射能的多少。因此，地面可照时间是影响太阳辐射计算过程的重要参数。地面“可照时间”一般具有2种含义，即天文可照时间和地理可照时间，前者指在不考虑大气影响和地形遮蔽的最大可能日照时间，后者指考虑地形遮蔽的影响而不考虑大气影响的可能日照时间。本文所计算的是地理可照时间[1]。

关于起伏地形下日照时间的研究，国内外的相关学者已经取得了一定的进展。Dozier[2]最早提出了利用DEM模拟太阳辐射的方法，并提出了相关地形参数的快速算法。Hetrick[3]， Civco[4]等为代表的学者在利用GIS手段研究地形对太阳辐射影响的同时，也对山地可照时间进行了研究，先后探讨了任意地形条件下日照时数的模拟。在国内，傅抱璞[5,6]、翁笃鸣[7]、李占清[8]等气象专家做了大量的开创性工作，提出了相关理论推算模型。近些年，曾燕[9]、李军[10]、陈华[11]、潘永地[12]等人利用DEM数据对起伏地形的可照时间进行了研究，并对计算模型进行修正。但以上研究采用的DEM数据空间分辨率一般较低，不能很好地反映可照时间在山地小气候内的空间分布情况，且对于典型喀斯特地区的可照时间研究几乎为零。

喀斯特地区为我国的较不发达地区，农业在喀斯特地区国民经济中的比重大，影响深。喀斯特地区土地多受地形影响，平整的土地面积稀少，集中分布在溶蚀盆地和洼地中，坡耕地多。由于水土流失加剧，喀斯特地区石漠化现象十分严重，使得耕地资源进一步减少，人地关系更为紧张。深入研究喀斯特山区复杂地形下可照时间的分布，对于了解喀斯特地区山地气候规律、开发利用山地气候资源、合理优化种植业空间布局、缓解紧张的人地关系等都有重要的意义。

1 基于DEM的山地可照时间计算模型

利用基于DEM的山地可照时间计算模型，可对1 a内任意日期的日照时数进行计算和模拟，具体步骤如下：

1）利用DEM数据，提取所在区域每个网格的实际纬度值φ。

2）计算太阳赤纬，可从每年发布的天文年历中查出，或用傅里埃级数计算得到[13]：

6）计算不同时刻的遮蔽因子di，并判断不同时刻的遮蔽情况，得出遮蔽因子gi。该步骤直接利用ArcGIS10提供的Hillshade工具，输入不同时刻的太阳高度角和太阳方位角，得出遮蔽因子di。判断每个微分时段是否可照，根据以下法则求出遮蔽因子gi：

一般情况下，利用每个月的代表日作为该月的平均可照时数，基于气候学的计算，选取每个月的15日作为代表日，将每月代表日可照时间乘以该月天数，可得该月可照时间。将每月可照时间进行累加，可得全年可照时间[14]。

2 研究区概况

巴马瑶族自治县位于广西壮族自治区西北部，介于东经 106°51'~107°23'、北纬 23°51'~24°23'之间。东西最大跨度70 km，南北相距42 km，总面积1 971 km2。其中石山占30%，丘陵坡地占69%，水面占1%。巴马境内岩溶地形与丘陵交错，西北高，东南低，略呈倾斜状，主要分为岩溶地貌、丘陵地貌、中低山地貌；北部奇峰叠嶂，沟壑纵横，洞府神奇，洼地遍布，是典型的岩溶地貌；西部山地高峰耸立；中部、南部土坡连绵。全县岩溶地貌面积为719.83 hm2，占全县土地总面积的33.63%，超过国家划分岩溶地区县域规定标准6.63%，是典型的岩溶地区县[14]。

3 数据处理和结果分析

以巴马瑶族自治县为例，采用空间分辨率为30 m的DEM数据，利用ArcGIS 10提供的工具，提取相应的纬度、坡向、坡度等地形参数。研究区域共2 472行，2 242列， 2 252 062个有效栅格，见图1。

本文以1月、7月作为夏季和冬季的典型代表月份，计算并分析巴马县可照时间的空间分布（见图2），并通过地理信息系统空间统计分析和叠加分析工具，分析地形因子对日照时间的影响，并对所得结果进行量化。

图1 巴马县DEM图

由图2可知，研究区域夏季可照时间长，冬季可照时间较短，且夏季可照时间整体水平较高，变化差异比冬季平缓。由于冬季太阳高度角较小，部分地区地形遮蔽区域较大，导致全天无阳光、出现可照时数为0的情况。

图2 巴马县1月、7月可照时间空间分布图

由表1、图2和图3可以看出，地形地貌对可照时间的影响较为明显。岩溶地貌和丘陵地貌为巴马县境内主要的地貌类型，其面积相差不大，但喀斯特地区可照时间明显低于丘陵地区，说明喀斯特地区可照时间受地形影响较大。中低山地貌地区，由于山体切割深，山势陡峭，其可照时间低于其他地区。从图3来看，冬季的可照时间受地形影响比夏季明显。在空间分布上，夏季和冬季的可照时间都是在平地多、山地少，阳坡多、阴坡少，山脊多、山谷少。

表1 巴马县地貌类型统计表

图3 巴马县不同地貌类型1月、7月可照时间统计图

起伏地形下的可照时间主要受海拔高度和地形遮蔽的影响。其中根据傅抱璞的研究，由于巴马县地区最高海拔高度不超过3 000 m，不考虑海拔高度对可照时间的影响，本文主要探讨坡度和坡向对可照时间空间分布的影响。由图4可知，夏季和冬季的可照时间随坡度呈现相同的规律性。从总量上来看，可照时间集中分布于地形坡度小于35°的地区，且在坡度为10°~20°的地区达到最大值。说明在坡度较小的区域，受地形遮蔽影响较小，可照时间长；坡度较大的区域，受地形遮蔽影响较大，可照时间变短。从可照时间平均值变化情况来看，夏季和冬季的可照时间都随坡度呈下降趋势，且冬季下降趋势更为明显。说明可照时间随坡度增大而减少，冬季受坡度影响更加明显。

图4 巴马县1月、7月可照时间随坡度的变化图

图5 巴马县1月、7月日照时间随坡向的变化图

由图5可以看出，冬季和夏季的山地可照时间受坡向影响差异较大。冬季可照时间随坡向变化明显，南坡、东南坡和西南坡的可照时间较长，东坡和西坡次之，东北坡、西北坡和北坡的可照时间最短；夏季的可照时间随坡向变化不大，各方位坡地的可照时间差异较小，主要是因为夏季太阳高度角高，坡向对可照时间的影响不明显。

4 结 语

1）巴马县可照时间的空间分布受地形遮蔽影响较大，冬季可照时间受地形遮蔽的影响更为明显。喀斯特地区地形复杂，起伏度较大，可照时间明显小于丘陵地区，中低山地区可照时间更短。从可照时间的空间分布来看，符合平地多、山地少，阳坡多、阴坡少，山脊多、山谷少的一般规律。

2）坡度对可照时间的影响在夏、冬2季规律相同，表现为坡度越大可照时间越少。从数值总量来看，在坡度小于35°的地区，日照时间总量大。坡向对可照时间的影响主要表现在冬季，大致为可照时间南坡多，北坡少。坡度坡向对可照时间的影响大小主要与太阳高度角有关，冬季太阳高度角小，地形对太阳光遮蔽作用明显，夏季则相反。

3）由于本文计算的可照时间只考虑地形遮蔽的影响，未考虑云雾遮挡等大气因素的影响，不能完全反映实际情况下日照时间的真实数值和分布规律。同时DEM数据本身和时间步长的取值都会造成细微的误差。上述问题有待进一步深入探讨和改进。

[1] 左大康.现代地理学词典[M].北京:商务印书馆, 1990

[2] Dozier J, Outcalt S I. A Approach Toward Energy Balance Simulation over Rugged Terrain[J]. Geog Anal, 1979,11:65-85

[3] Hetrick W A, Rich P M, Barnes F J. GIS-based Solar Radiation Flux Models[C].American Society for Photogrammetry and Remote Sensing Technical Papers,1993

[4] Civco D L. Topographic Normalization of Landsat the Matic Mapper Figital Imagery [J].Photogrammatric Engineering and Remote Sensing.

[5] 傅抱璞.山地气候[M].北京:科学出版社,1983

[6] 傅抱璞,虞静明,卢其尧.山地气候资源与开发利用[M].南京:南京大学出版社,1996

[7] 翁笃鸣,罗哲贤.山区地形气候[M].北京:气象出版社, 1990

[8] 李占清,翁笃呜.一个计算山地日照时间的计算机模式[J].科学通报，1987（17）：55-57

[9] 曾燕,邱新法,缪启龙,等.起伏地形下我国可照时间的空间分布[J].自然科学进展,2003(5):99-102，116

[10] 李军,黄敬峰.基于DEM的山地可照时间的空间分布[J].浙江大学学报：理学版,2007(5):346-350

[11] 陈华,孙丹峰,段增强,等.基于DEM的山地日照时数模拟时空特点及应用——以北京西山门头沟区为例[J].山地学报,2002(5):559-563

[12] 潘永地.起伏地形下日照时间计算模型的修正[J].资源科学,2010(8):1 493-1 498

[13] 杨昕.基于DEM的地面光热资源模拟与农业应用[D].西安：西北大学,2004

[14] 邓杏杏.基于DEM的气候因子空间模拟及棕榈适宜性评价[D].昆明：昆明理工大学,2010

[15] 巴马瑶族自治县县志编纂委员会. 巴马瑶族自治县县志[M].南宁:广西人民出版社, 2003

Spatial Distribution of Duration of Possible Sunshine Based on DEM in Karst Area

byZHANG Chao

Taking Guangxi Bama County for example, using the computational model of possible sunshine based on DEM in rugged terrains, this article discussed the characteristics of spatial distribution of duration of possible sunshine in karst area, and analyzed the infl uence of terrain factors such as slope and aspect etc. to duration of possible sunshine. The results show that terrain masking has a great effect on duration of possible sunshine, and there is more sunshine duration in sunny slope and fl at land, less in shade slope and mountain land, and this situation get even more obvious in winter. The eff ect of slope is that the duration of possible sunshine decrease with the increase of slope,and most of sunshine duration gather in the area where the slope less than 35 degree. This method could provide essential data of climate,what makes sense for the analysis of microclimate in karst area.

Karst,DEM,duration of possible sunshine,spatial distribution

P208

B

1672-4623（2014）02-0070-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.025

2013-06-14。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（40961004）。

张超，硕士，研究方向为地理信息系统开发与应用。