基于DEM的中国境内太阳辐射计算与分布规律研究

发布时间：2020-07-27 15:26

【摘要】：能源是经济发展的血液,驱动着社会的运转。资源短缺和气候问题的出现是传统能源过度消耗所带来的恶性循环。如何贯彻可持续发展能源战略,已经成为人类社会发展的共识。开发运用绿色清洁的太阳能资源是调整传统能源结构的有效途径,也是应对气候变化的需求。随着GIS和气象应用技术的不断进步,太阳辐射准确计算和精细化评估是太阳能资源大规模开发利用的前提和重要保障。太阳辐射的空间分布受到实际地形、气象、下垫面等多重因素的影响。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是对地表形态的数字化表达,其分辨率会影响地形渲染的细腻程度,因此使用较高分辨率的DEM是精细化计算太阳辐射时空分布的基础。本文研究内容包括并行计算和太阳天文辐射、直接辐射的时空分布。采用分辨率为30m的DEM数据作为实际地形的表达,基于MATLAB并行计算框架建立了起伏地形下太阳天文辐射和直接辐射的分布式计算模型。运用空间统计分析、地统计学半变异函数和多尺度数据对比等研究方法分析了DEM尺度效应、地形因子、地貌类型、空间变异性对实际地形下太阳可照时间、天文辐射和直接辐射时空分布的影响。研究表明,使用MATLAB并行计算框架进行太阳天文辐射和直接辐射的分布式计算可以很好地反映整体的宏观分布和局部差异性规律,可以提高整体的计算效率;海拔高度、局部地形影响太阳天文辐射和直接辐射的时空分布,其中局部地形的影响会随着时间、纬度、地形等因素而发生改变;太阳天文辐射和直接辐射随坡度增大而减小,存在南坡多北坡少的地域差异性;太阳天文辐射和直接辐射时空分布与地貌类型特征、气候环境相关,其中山地地貌的地形遮蔽度影响最为强烈。采用分辨率为30m的DEM数据计算太阳天文辐射和直接辐射,不仅有利于提高整体计算的精细化程度,而且有利于深入认识太阳辐射在局部地形下的空间分布状况。引入地统计学半变异函数对太阳天文辐射和直接辐射进行空间变异性分析是一种新的尝试,从新的角度揭示太阳辐射空间分布与天文要素、纬度、坡度、坡向之间的相关性。所生产的较高分辨率的太阳辐射时空分布数据对于深入细致开展太阳能资源的评估工作具有十分重要的理论意义,对于推进经济社会的可持续发展具有指导性价值,对于进一步提高资源的利用效率具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P422.1;P208;TK511
【图文】：

技术路线,太阳辐射

图１－１技术路线逡逑１．４论文特色逡逑本研究特色在于：计算中国太阳辐射使用较高分辨率的ＤＥＭ数据；对于高分辨逡逑率、海量化特征的ＤＥＭ数据计算太阳辐射时采用ＭＡＴＬＡＢ并行计算框架；提出使逡逑用地统计学半变异函数方法分析太阳辐射空间分布结构的思路。逡逑１．５章节安排逡逑根据论文研宄目标和研宄内容，基于ＭＡＴＬＡＢ并行计算框架设计了起伏地形下逡逑太阳辐射分布式计算模型，从多个角度分析太阳可照时间、天文辐射和直接辐射的时逡逑空分布规律。论文的章节安排及内容组织如下：逡逑第一章引言逡逑本章主要阐述研宄的背景及意义，总结了国内外关于太阳辐射计算的相关研宄，逡逑并且明确本论文的研究思路和研宄内容。逡逑

概况,预处理,数据,岛屿

本文以中国陆地与部分岛屿（南海诸多岛屿除外）为研宄区。中国位于亚洲东部、逡逑太平洋的西岸。中国幅员辽阔，陆地总面积约９６０万平方千米，南北纬跨度较大，地逡逑形复杂多样（如图２－１所示，采用ＡＳＴＥＲ邋ＧＤＥＭ邋Ｖ２数据，数据概况见２．２小节），逡逑地势西高东低，大致呈阶梯状分布，地貌类型齐备，山区面积广大，各式形态的地形逡逑与山脉交错分布，气候多种多样。逡逑Ａ邋Ａ，邋ｊｆｊ逡逑－１５４逦誉逦、？．丨逡逑０邋５００邋１，０００逦２，０００邋ｋｍ逡逑１逦Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦，逦逡逑图２－１研究样区逡逑２．２数据概况及预处理逡逑本文采用分辨率为３０ｍ的ＤＥＭ数据为ＡＳＴＥＲ邋ＧＤＥＭ邋Ｖ２数据，数据来源于逡逑ｈｔｔｐｓ：／／ｇｄｅｘ．ｃｒ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／ｇｄｅｘ／和地理空间数据云（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｓｃｌｏｕｄ＿ｃｎ／）。ＡＳＴＥＲ逡逑８逡逑

坡向,坡度

据量大小为２８Ｇ，地理坐标为地理经纬度，数据类型为ＴＩＦＦ格式，投影为ＷＧＳ８４／ＵＴＭ。逡逑对原始ＤＥＭ数据进行选取并进行预处理，包括空白值的填充和离群点检测，最终得逡逑到中国分辨率为３０ｍ的ＤＥＭ栅格数据（如图２－１所示）。逡逑２．３太阳天文辐射分布式计算模型逡逑２．３．１坡度和坡向逡逑坡度是指过该点的切平面和水平面的夹角，即法向量万与ｚ轴的夹角，它表示逡逑地表面在该点的倾斜程度ｆ％。坡向是地表面上一点的切平面的法线矢量Ｇ与水平面逡逑投影＆与过该点正北方向的夹角，它表示该点高程值变量的最大变化方向［８ｅ］（如图逡逑２－２所示，Ｘ轴指向正北方向，采用３ｘ３的ＤＥＭ栅格窗口微分分析法提取坡度坡向，逡逑如图２－３所示）。逡逑ｎ邋Ｚ逡逑八逦ｎ逦Ｚｉ－ｌｊ－１邋Ｚ１0－ｉ邋Ｚｉ＋ｉｊ－ｉ逡逑Ａ逦—逡逑＼邋ｉ邋７ｐ邋／＼邋Ｚ＊－ｌｊ邋Ｋ邋Ｚｉｊ邋Ｉ邋Ｚｉ＋ｌｊ逡逑逦＾剌邋逦ｌｉｌｌｌｌｌ逦逡逑／逦Ｚ邋卜邋ｉｊ＋ｉ逦Ｚｉｊ＋ｉ邋Ｚｉ＋ｉｊ＋ｉ逡逑ｗ逦邋＾邋ＩＩＩ逡逑图２－２坡度和坡向示的意图逦图２－３邋３ｘ３局部移动窗口逡逑假设局部地形曲面存在一个函数＾逦坡度可以认为是ＤＥＭ是少轴上逡逑高程变化率办的函数，而坡向是Ｘ轴上高程变化率办的函数，其中Ｚ代表高程，则逡逑坡度、坡向的计算公式为［８（）］：逡逑Ｓｌｏｐｅ邋＝邋ａｒｃｔａｎ邋－Ｊｆｘ２邋＋邋ｆｙ２邋ｘ逡逑？逦／邋、逦公式（２－１）逡逑，逦（ｆｙ）逦１８０逡逑Ａｓｐｅｃｔ邋＝邋ａｒｃｔａｎ邋—邋ｘ逦逡逑

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