巴馬實照時數

巴馬實照時數指巴馬地區太陽能夠照射到百葉箱內的日照記錄帶上的小時數時間。

基本介紹

• 中文名：巴馬實照時數

地貌現象

在喀斯特地區，特別是地形起伏較大的峰林、峰叢地貌區，地形互相遮擋明顯，導致光照資源分布不均，嚴重影響農業發展。可以說，喀斯特地貌加重了農業對氣候的依賴性，尤其對光能資源的依賴性。

日照時數

日照時數指一天內太陽直射光線照射地面的時間。

日照時數的多少受天文因子、天氣狀況和地形遮蔽等的影響，因此地面“日照時數”可分為可照時數和實照時數，前者是指考慮地形遮蔽的影響而不考慮大氣影響的可能日照時數，後者是指同時考慮大氣影響和地形遮蔽的最大可能日照時數。

數字模型

數字高程模型（Digital Elevation Mode，DEM） 作為氣象學與地理信息科學融合發展的紐帶和橋樑，為進行區域氣候因子的模擬提供了可能，其精度更高、空間性更強。

在國外，Dozier 等最早提出了利用DEM模擬太陽輻射的方法，並提出了相關地形參數的快速算法。Hetrick 等和Civco等為代表的學者在利用GIS 手段研究地形對太陽輻射影響的同時，也對山地日照時數進行了研究，先後探討了任意地形條件下日照時數的模擬。在國內，傅抱璞、翁篤鳴、李占清等氣象專家在20 世紀80年代做了大量的開創性工作，提出了相關理論推算模型。其中傅抱璞提出，根據山地日出日落臨界時角和可照時段的判定方法計算山地可照時數，並為周圍無地形遮蔽情形時，計算坡地可照時數提供了理論方法。翁篤鳴等和李占清等則提出了山地日照時數計算機模型，但是由於當時研究條件所限，這些理論方法都只能藉助於地形圖在有限的實驗區內進行分析。曾燕等利用1km×1km解析度的DEM數據對中國起伏地形下的可照時數進行分析，並計算出中國各月的可照時數空間分布。李軍等以浙江省仙居縣為例，利用1:10000的數位化地形圖分別對可照時數和實照時數進行分析。陳華等用1:10000的地形圖提取出柵格大小為100m×100m的DEM數據，對北京市門頭溝區進行日照時數的模擬。潘永地利用DEM數據對起伏地形的日照時數進行了研究，對計算模型進行修正，並對誤差進行了比較和分析。

然而在現有的研究中，存在以下問題：

1、研究所採用的數據大多空間解析度較低，無法反映小範圍內山地氣候的空間分布情況；

2、空間分析過程中地形影響因子只考慮坡度、坡向等常規地形因子，未能考慮反映地形複雜程度的地形起伏度和地表粗糙度，而地形越複雜，日照時數受地形遮蔽作用的影響越明顯；

3、研究區域地形類別較少，同時針對典型喀斯特地區實照時數的研究幾乎為零。喀斯特地區為中國的較不發達地區，農業在喀斯特地區國民經濟中的比重大，影響深。喀斯特地區土地多受地形影響，平整的土地面積稀少，集中分布在溶蝕盆地和窪地中，坡耕地多。近些年來，由於水土流失加劇，喀斯特地區石漠化現象十分嚴重，使得耕地資源進一步減少，人地關係更為緊張。

研究意義

以廣西巴馬瑤族自治縣為例，利用山地實照時數計算模型，深入研究喀斯特山區複雜地形下實照時數的分布，對於了解喀斯特地區山地氣候規律、開發利用山地氣候資源、合理最佳化種植業空間布局、緩解緊張的人地關係等都有著重要的意義。

巴馬概況

巴馬瑤族自治縣位於廣西壯族自治區西北部，介於東經106°51′~107°23′、北緯23°51′~24°23′之間，東西最大跨度70 km，南北相距42 km，總面積1 971 km2。巴馬縣地處亞熱帶，氣溫較高，雨量充沛，霜期短，適宜發展種植業，但是境內多屬石土山區，耕地面積少，土地貧瘠。其中石山占30%，丘陵坡地占69%，水面占1%。巴馬境內岩溶地形與丘陵交錯，西北高，東南低，略呈傾斜狀，主要分為岩溶地貌、丘陵地貌、中低山地貌。北部奇峰疊嶂，溝壑縱橫，洞府神奇，窪地遍布，是典型的岩溶地貌；西部山地高峰聳立，中部、南部土坡連綿。石山、丘陵多，耕地面積少，且零星分散，耕作指數低。全縣岩溶地貌面積占全縣土地總面積的33.63%，比中國劃分岩溶地區縣域規定標準超過6.63%，是典型的岩溶地區縣。

巴馬區點陣圖和數字高程模型（DEM） 圖1a

廣西巴馬

數據結果

以巴馬瑤族自治縣為例，採用ASTER GDEM空間解析度為1弧秒×1弧秒（約30m×30m）的數字高程模型數據，利用ArcGIS10.0提供的空間分析工具，提取相應的緯度及坡向、坡度等地形參數。研究區域共2472行、2 242列、2252062個有效柵格（圖1b）。

巴馬區點陣圖和數字高程模型（DEM） 圖1b

結果分析

根據1960—1990年30年氣象統計資料整理得出巴馬縣各月日照時數的實測值數據（表1），

表1：巴馬縣各月實照時數模擬值和實測值統計
	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月	R的; 平方
模擬值	70.1	60.4	77.5	96.3	131.1	142.0	180.6	186.4	185.1	138.0	104.5	92.8	0.996
實測值	76.5	66.0	84.1	103.8	139.3	145.6	191.1	195.7	188.5	139.3	111.8	94.8
日照百分率%	23	21	23	27	34	36	46	48	52	41	35	31

與利用實照時數計算模型所得模擬值進行相關分析，R²達到0.996 （圖2），即存在顯著相關性。從分析結果可以看出，實測值與模擬值之間有較好的一致性，模擬結果可以較為準確地反映巴馬縣實照時數的變化規律。但是由於氣象觀測站大多建在地勢平坦的地點，其觀測值未能考慮地形遮蔽因素的影響。

圖2 巴馬縣實照時數實測值和模擬值

分布特徵

實照時數時間分布特徵

利用山地實照時數計算模型，可以模擬出巴馬縣任意日期的可照時數和實照時數。此處選取1月15日和7月15日實照時數作為研究對象進行分析，探究巴馬縣冬夏兩季日平均實照時數的變化規律。此處將1、7月日太陽照射時長分時段進行對比，分析夏冬兩季相同時間段內實照時數的變化規律。從圖3不難看出，1、7月日實照時數均呈現出早晚低中午高的規律；變化幅度值則剛好相反，早晚實照時數變幅較大。不同的是，7月日實照時數明顯大於1月日實照時數，實照時數變化幅度較大。因為巴馬縣地處低緯度地區，夏季太陽高度角較高，實照時數受地形遮蔽作用較小，冬季反之。同時，早晚太陽高度角在0—30°之間變動，巴馬縣多數地區坡度在0—30°範圍內，地形遮蔽作用在此範圍內對實照時數的影響較大，導致實照時數變化幅度增大。由圖4不難看出， 在一年中，7—9月巴馬縣實照時數最長，1—3月實照時數較短，其中2月實照時數最短，不同月份之間實照時數的差異十分明顯。該區域日照百分率的變化規律與實照時數基本一致。但是從可照時數的變化情況來看，可照時數較長的月份為5—8月，較短的月份為1—2月和11—12月，與實照時數的變化規律略有不同。說明了研究區域天文因子和天氣狀況對日照時數有較大影響，巴馬縣地處亞熱帶，夏季雨量充沛，且降雨多集中在5、6月，日照時數受雲霧遮擋影響較大。

圖3 巴馬縣1 月、7 月日實照時數變化

圖4可照時數、實照時數和日照百分率統計

巴馬境內四季長短不一，冬短夏長，春秋二季時間相等，具有秋冬乾燥、夏季溫和濕潤的氣候特徵。按照不同季節對實照時數進行分析，根據表2可以看出，在4個季節中實照時數平均分別為：

表2：巴馬各季節實照實數模擬值和實測值統計表
季節	平均起止日期	平均持續天數/d	日照百分率/%	實照時數/h	標準差/h
春季	02-15至04-30	76	24	183.63	18.24
夏季	05-01至10-06	159	43	744.38	79.16
秋季	10-07至12-21	76	36	299.55	44.23
冬季	12-22至02-14	54	23	89.78	14.35

春季183.63h， 夏季744.38h，秋季299.55 h，冬季89.78 h，四個季節實照時數的大小依次為夏季、秋季、春季、冬季，四季實照時數差別較大，表現出季節分布的不平衡性。夏季歷時最長，太陽輻射強度最大，日照百分率也較高，因此實照時數最大，冬季則剛好相反。春秋兩季持續時間相等，但巴馬地區春季冷暖空氣活動較為頻繁，日照百分率偏低；秋季蒸發量是雨量的2倍，濕度小，日照充足，因此秋季實照時數大於春季實照時數。同時由於巴馬地區各季節長短年際變化大，導致各季節實照時數變化幅度也相應偏大。

實照時數空間分布特徵

根據巴馬縣全年實照時數空間分布情況，運用GIS 空間分析工具，從坡度、坡向、地表粗糙度和地形起伏度等方面對研究區域實照時數進行量化分析，探究其空間分布規律的成因。由圖5不難看出，巴馬縣實照時數在空間上有較大的差異性，年實照時數緯向分布特徵不明顯，實照時數受地形因子的影響非常明顯， 呈現非地帶性特徵。比較突出的是在縣城北部和西南部的喀斯特地區，實照時數明顯少於同緯度的其他地區，並呈現破碎狀，部分地區甚至實照時數為零。喀斯特山區地勢險要，山體表面裸露岩石多，大多為穿山洞、天生橋、落水井、漏斗、峰叢窪地、峰林谷地等喀斯特地貌，地形複雜且破碎度高，遮蔽情況嚴重。實照時數最長的區域位於全縣中部，該區域地勢平坦，是巴馬縣城所在地。縣城東南部丘陵地區和西部高低山地區年實照時數空間分布較為均勻。

圖5 巴馬縣全年實照時數空間分布

根據巴馬縣全年實照時數分布情況，分析不同坡度下實照時數的變化規律。研究區域坡度的實際值在0~80°範圍內，按照每5°一類，共分16類。由圖6 可以看出，巴馬縣全年實照時數隨坡度呈現逐步下降趨勢，在0°~25°之間，實照時數並沒有明顯減少，其變化幅度隨坡度的增大逐漸減小，在20°~25°之間，實照時數的變化幅度是最小的。在25°~70°之間，實照時數隨坡度的增大逐漸減少，其變化幅度則逐漸增大，在65°~70°之間，實照時數的變化幅度達到最大值。在70°~80°之間，實照時數的值最少，約為地勢平坦地區日照時長的一半。坡向按照8個方位進行分析。由圖6可以看出，巴馬縣年實照時數隨坡向的變化呈現出一定的特殊規律。除了平地以外，南坡的實照時數平均值最大，達到約1360h，且變化幅度最小。其次為西南坡、東南坡、東北坡和北坡，其中東南坡和西南坡的實照時數變化範圍較小，北坡變化範圍較大，數值波動較大。東坡、西坡和西北坡的實照時數最小，其中西北坡的實照時數變化範圍在各個坡向中達到最大值，實照時數約為1280h。

圖6 巴馬全年實照時數隨坡度或坡向變化情況

結合巴馬縣地形地貌對此現象進行分析：巴馬縣境內岩溶地形與丘陵交錯，西北高、東南低，略呈傾斜狀，因此西北坡的實照時數受地形影響較大，實照時長最小。另外，巴馬縣境內群山起伏，岡巒疊嶂，全縣有各種中低山989座，主要分布於縣城西部和西北部，山脈走向多為東西走向；西南部有青龍山山脈，由西向東南延伸。受山脈走向的影響，東坡、西坡和西北坡坡度變化較為劇烈，且實照時數較短，變化規律與山脈實際走向吻合，同時這三個坡面受地形遮蔽作用明顯，接受日光照射的面積減少。

綜上，分析巴馬縣不同坡向的實照時數隨坡度的變化規律。通過數據計算分析可得，研究區域坡度的主要範圍在0~75°內（由於75~80°之間數值很少，僅有6個柵格值，分布在東坡和西北坡，對研究結果影響不大，所以此處略去不做分析）。從圖7 可以看出，當坡度在0~15°範圍內時，各個坡向實照時數相差不大。當坡度繼續增大時，各個坡向上的實照時數整體呈下降趨勢，不同坡向則呈現出不同的變化規律：①南坡實照時數基本大於其他坡向，且下降趨勢較為平緩，當坡度大於40°時，南坡實照時數明顯大於其他坡向；②北坡實照時數變化趨勢最為劇烈，當坡度較小時，北坡實照時數數值較高，與南坡接近，當坡度大於35°時，北坡實照時數迅速下降，當坡度達到最大時，其實照時數明顯低於其他坡向；③東南坡和西南坡向實照時數變化規律與南坡相同，但實照時數略短；④東坡、西坡、東北坡和西北坡4 個坡向上實照時數隨坡度增大，數值下降較為明顯，整體低於東南坡和西南坡；⑤當坡度大於40°時，相同坡度的情況下，南坡、東南坡和西南坡的實照時數長於其他坡向的實照時數。地形起伏度和地表粗糙度均為反映地形起伏狀況的地形因子。

圖7巴馬全年實照時數隨坡向和坡度變化情況

時空分布

實照時數作為度量光能資源的氣候指標，具有獨特的時空分布規律，尤其是在地形較為複雜的喀斯特山區。以巴馬典型喀斯特地區為研究對象，著重從時間尺度和空間尺度對研究區域實照時數進行分析，著重闡釋不同時間尺度下巴馬實照時數的變化規律以及地形起伏程度較大地區實照時數的空間分布情況。通過研究得出：

1、巴馬縣實照時數的空間分布受地形遮蔽、大氣雲霧遮擋的影響非常明顯，並呈現出非緯度性和一定的獨特規律，喀斯特地區地形遮蔽對實照時數的影響尤為突出。初步驗證了基於DEM的實照時數計算模型在喀斯特山區套用的可行性，該方法適用於探究喀斯特地區山地小氣候規律和精細氣象等方面的研究。大尺度、小範圍的氣象資源研究有利於最佳化農業區劃、促進精細農業發展，改善該地區的農業生產條件和提高人民的生產生活水平。

2、巴馬縣日實照時數早晚波動大，數值低；中午實照時數數值高。四季實照時數差別明顯，分布不均，具有明顯的季節不平衡性，按季節實照時數的大小依次為夏季、秋季、春季、冬季。巴馬縣喀斯特地區地形起伏度和地表粗糙度較大，其實照時數明顯低於其他地區。研究區域內，當坡度大於40°時，不同坡向隨坡度增加的變化情況不同，南坡、東南坡和西南坡整體實照時數較長。

3、由於DEM數據的精度會對結果產生一定程度的影響，未能探究不同空間解析度的DEM數據對模擬結果的影響情況。

研究結果

採用基於DEM的起伏地形下實照時數計算模型，以廣西巴馬縣為例，在GIS技術的支持下對研究區域實照時數的時空分布進行模擬和結果驗證，結果表明，研究區域內實照時數模擬值和氣象站實測值之間具有較好的一致性，決定係數高達0.996。