区域太阳能资源评估是采用统计、数值模拟、卫星遥感等方法对某区域范围内太阳能资源等相关数据进行参数计算分析，用图表、文字等信息描述该区域的太阳能资源状况，定量分析该区域的太阳能资源开发潜力和利用价值。通过对某区域范围内的太阳能资源进行分析，可认识、了解该地区太阳能资源时空分布特征及可能的变化趋势，掌握影响该地区太阳能资源相关气象因素数据。目前，以卫星遥感、地理信息以及数值模拟等高新技术为手段的评估工作正逐步成为主流。

开展区域太阳能资源评估工作流程如下：1)接受委托任务，制定实施计划(方案)；2)准备计算所需要的基础数据，选取或设计技术方法；3)计算地面太阳辐射各参数；4)开展太阳能资源评估，分析太阳能利用高影响气象因素，分析区域内太阳能资源的时空变化，计算其储量，估算其可能的开发潜力，给出区域的开发建议等；5)编制区域太阳能资源评估报告。

图11.1 区域太阳能资源评估工作流程图

太阳能资源评估是太阳能资源开发利用的基础和关键。它是指通过对某一区域的太阳能资源数据的观测时间序列进行分析，采用合适的方法(经验统计方法、统计与GIS相结合的方法、卫星遥感监测方法)分析区域的太阳能资源时空变化情况，估算出该区域的太阳能资源储量，对其太阳能资源多寡、质量和分布状况作出判断、区划和灾害影响评估。

区域的太阳能资源评估的主要参数通常有总辐射、直接辐射、反射辐射、日照时数、日照百分率、日照时数大于6小时的天数。鉴于项目任务需求也可计算倾斜面总辐射等。

区域的太阳能资源评估主要分析以下内容：

(1)根据逐年及逐月太阳辐射和日照资料，结合区域气候条件，分析太阳辐射和日照的年际、年(季节)和日变化规律。应分析以下内容：

①制作各辐射观测站至少30年太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和日照时数的年际、年、日变化曲线图；

②选择合适的方法计算区域内其他气象站至少30年太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和日照时数的曲线图；

③分析区域的太阳辐射、日照随时间变化规律。

(2)结合上述各气象站计算结果及区域太阳辐射变化周期，利用GIS、数值模拟、卫星遥感等技术制作区域太阳辐射、日照时数等的空间分布细网格图图谱，分析区域太阳能资源的空间分布特征。

(3)长年代太阳能资源评估。利用各气象站多年均值太阳辐射和日照时数资料，结合区域气候条件，分析太阳辐射和日照的时空变化规律，应分析以下内容：

①区域各气象站总辐射(直接辐射、反射辐射)、日照时数和日照百分率月际变化曲线图；分析各要素的年变化。

②区域各气象站总辐射(直接辐射)日内变化曲线图，分析日内不同时刻的变化。

③制作区域太阳辐射、日照时数等的空间分布细网格图图谱，分析区域太阳能资源的空间分布特征。

(4)区域太阳能资源区划。结合区域太阳辐射、日照时数等的空间分布细网格图图谱，选取太阳辐射量、稳定度、直射比等作为区划指标，制作区域太阳能资源区划图，分别描述、说明各子区域太阳能资源状况。

(5)气象灾害影响评估。根据区域气候特点，结合区域的地理位置、地形特征，分析主要气象灾害的影响。

(6)综合评估。结合区域的地域特征、气候条件、太阳能资源分布特征分析其储量，潜在的开发量，提出开发建议。

上述过程中，较复杂的是区域太阳辐射的计算，方法很多，关键在于选取何种方法能够更贴切地反映区域的太阳辐射状况。

11.1.2.1 经验统计方法

总体说来，计算太阳辐射的统计公式很多，常用的有经验公式法、多因子综合法和 Prescoff公式法，三方法各有利弊。经验公式法计算误差较小，但系数不易计算；多因子综合法易于计算，可以用于了解太阳总辐射大致分布，但误差相对较大；Prescoff公式法在某些地区计算结果误差很大，适用性较差。下面主要介绍的是广泛使用的经验公式法。广泛使用的太阳总辐射气候学计算一般表达式为：

      (11.1)

式中 为晴天总辐射量， 为表征天空遮蔽程度的函数，其中 为日照百分率，n 为平均云量。

总辐射气候学计算公式中的起始数据 一般有四种：天文辐射、理想大气总辐射、纬度平均可能总辐射和可能总辐射，后两者的区别是：前者是纬度平均值，后者是考虑了大气混浊条件的半经验半理论公式得到的值。可能总辐射能较好地考虑大气中的水汽、气溶胶因子的实际影响，计算中拟合效果较好，天文辐射计算方便，无误差，实用价值较好；纬度平均可能总辐射平滑了东西方向的差异，理想大气总辐射不考虑大气中的水汽、气溶胶因子的影响，拟合效果略差。因此，常用天文辐射和可能总辐射作为起始数据。(参考翁笃鸣的《中国辐射气候》)是日照和云量的关系式，对云量均匀分布的天空来说，日照百分率是天空未被遮挡的百分率，与云量互补，理论上可以相互替代。实际上由于各种云状的透光性差异等，两者是不可互相替代的。

总辐射与日照百分率及云量的不同表达式，常用的有21种计算公式，在这21种计算公式中，许多是总辐射与日照百分率与云量综合式的关系式，在实际计算中，有些是以采用日照百分率效果好，有些是以采用日照百分率与云量综合式效果好。

目前，另一种使用较多的太阳总辐射气候学计算方程主要是基于天文总辐射和日照百分率的一元线性回归方程，表达式为：

      (11.2)

其中Q为太阳总辐射，为天文总辐射，为日照百分率，a、b为回归系数。利用上述计算公式计算得到的太阳辐射计算值与实测值的相对误差较小，精确度较高.

也有许多国内外学者仅利用太阳总辐射和日照百分率建立了一系列适合当地条件的太阳总辐射计算方程，这些方程主要包括二次多项式、三次多项式、对数方程、指数、幂指数回归方程等。通过分析这些方程复相关系数的大小，选取拟合效果较好的逐月太阳总辐射回归方程作为当地该月的太阳总辐射拟合方程。其回归方程如下：

      (11.3)

上述各回归方程中Q为太阳总辐射； 为天文总辐射；为日照百分率； a、b为回归系数。

另外，许多研究人员利用气温、降水、相对湿度、云量以及纬度、当地海拔高度等气象和地理要素参数建立了各种太阳总辐射计算方程。一些学者利用各种气象、地理要素构建了不同的人工神经网络模型分析当地的太阳总辐射特征。

11.1.2.2 基于日照百分率的计算方法

1919年，Kimball Herbert提出了太阳总辐射与日照百分率之间可能存在较好的相关关系，1922年，Angstrom A.，最早给出了太阳总辐射气候学计算公式，其形式为：

      (11.4)

上式中 Q为太阳总辐射， 为晴天太阳总辐射，为日照百分率，a、b为回归系数. 此后，PreSCott，利用天文总辐射代替上述方程中的晴天太阳总辐射，简化了太阳总辐射的计算。

左大康等在1963年将该公式引入我国，他根据我国26个辐射站1957年7月至1960年底的实测总辐射和日照百分率的月平均值、晴天状况下月总辐射资料，得到适合我国的太阳总辐射计算方程，并绘制了具有气候学意义的我国年、月太阳总辐射分布图，讨论了其分布规律，推动了我国辐射气候学研究工作的飞速发展。

      (11.5)

翁笃鸣在分析总结了前期太阳总辐射计算方法的基础上，认为Penman，H.L.公式较为合理，采用天文总辐射与日照百分率计算实际太阳总辐射较好，并利用全国50个辐射站1958-1960年辐射资料，给出了我国分区的太阳总辐射计算方程：

      (11.6)

为天文总辐射，为日照百分率。华北：(0.105+0.708)，西北：(0.344+0.390)

王炳忠等利用全国40个辐射站截止到1970年的实测辐射资料，采用理想大气条件下的太阳总辐射与日照百分率以及平均绝对湿度，拟合出我国西北干早地区、青藏高原和其它地区的太阳总辐射计算公式，同时也给出了各站点的总辐射计算公式。

青藏高原和同纬度地区的太阳总辐射公式为：

      (11.7)

西北干早地区的太阳总辐射公式为：

      (11.8)

上式中 为理想大气中的月总辐射量，En为年平均绝对湿度。

1982年，祝昌汉进一步对太阳总辐射气候学计算的一些基本问题做了较全面、深入细致的分析，讨论了a、b系数的可能影响因子，论证了以天文总辐射和日照百分率为基础的线性回归方程计算太阳总辐射的合理性。

晴天总辐射包含了实际大气中水汽和气溶胶对辐射消弱的影响，对于站点相对较密的平原地区效果较好，但对我国广大的西部地区，由于辐射站比较稀疏，海拔高度的差异也十分悬殊，对晴天总辐射的影响很大，另外，晴天总辐射的确定方法也有一定困难。天文总辐射能够直接准确地利用公式计算得到，它反应了太阳辐射在地球大气上界的辐射强度，它与晴天总辐射的变化是较一致的，祝昌汉等认为使用天文总辐射计算太阳总辐射较合适。

1992年，孙治安等选用四种起始辐射和日照百分率拟合了线性估算方程，这些起始辐射包括天文辐射、理想大气总辐射、纬度平均晴天总辐射和可能晴天总辐射。他们的研究结果表明，各种起始数据所得结果均比较满意，其中可能晴天总辐射的拟合效果最好，其次是天文总辐射和纬度平均晴天总辐射，拟合效果最差的是理想大气总辐射。从这些起始数据与实际总辐射的近似程度看，可能晴天总辐射与实际总辐射最接近，其次是理想大气总辐射，再次是天文总辐射，但结合各起始数据计算难度和精度来看，天文总辐射计算简单且没有计算误差，理想大气总辐射次之，可能总辐射的计算精度总要受各种气象等因素的影响而误差较大。综合看来，以天文总辐射为起始数据拟合当地的太阳总辐射计算方程的方法最简单，误差也在可接受的范围内。

近些年来，随着世界各国太阳总辐射观测资料的大量积累，越来越多的学者利用当地天文总辐射和日照百分率建立了诸多的太阳总辐射气候学计算方程，这些方程主要包括线性和非线性等回归模型，利用这些模型，他们对当地的太阳总辐射分布特征进行了研究，并拟合了适合当地气候条件的太阳总辐射气候学计算公式。

白建辉等在研究中指出，“不论是晴天条件下还是实际天气条件下，影响到达地面的太阳总辐射的因子依其主次作用都是cosZ (太阳天顶角的余弦)、气溶胶项、水汽。影响到达地面太阳总辐射的因子可分为4大类：1天文因子(日地距离、太阳赤纬)；2地理因子(测站的纬度、海拔高度)；3大气物理因子(纯大气消光、大气中水汽含量、大气混浊度)；4气象因子(天空总云量、日照时数或日照百分率)”。

为了减小太阳总辐射估算误差，国内外许多研究人员对太阳总辐射估算模型进行了大量不同形式的改进，包括在太阳总辐射估算模型中加入各种气象要素和地理要素等，气象要素包括云量、气温、降水相对湿度等参数，地理要素包括纬度和海拔高度等参数。许多学者应用这些估算模型的估算值与实测值进行了误差分析，分析了这些估算模型估算当地太阳总辐射的优劣性。

总之，在无测站地区，运用经验统计法(或叫作气候学计算方法)不失为一种可行的方法，且在国内外都经过较长时间的研究。该方法计算简单，精度较高；但是该方法缺乏对地形的考虑，因为日射站通常是建在比较平坦的地方，不存在地形遮蔽的问题。该方法中经验系数的确定依赖于地面台站的辐射观测值，在日射站点稀疏而地形又比较复杂或者云和大气状况的时空变化较大的地区，采用内插方法得到的经验系数可能会给计算结果带来较大误差。经验统计方法的特点是资料覆盖范围大、资料多，但由于太阳辐射都是统计估算的，所以精度差，不适合小范围高精度的评估。

11.1.2.3 基于GIS的计算法

气象站一般都建在开阔的平地上，其观测资料代表了水平面的观测结果，难以反映实际起伏地形中太阳辐射的空间分布。在实际起伏地形下，到达地表的太阳辐射除受坡度、坡向影响外，还受周围地形起伏造成的地形遮蔽的影响。我国学者缪启龙、邱新法、袁淑杰、谷晓平等利用数字高程( DEM) 结合 GIS 技术模拟太阳辐射，计算方法主要通过转换因子将水平面上的太阳辐射值转换到倾斜面上。这种计算方法充分考虑了地形的影响，能比较准确地计算地形起伏较大地区的太阳总辐射。但是计算复杂，工作量较大。

11.1.2.4 卫星遥感监测方法

对于太阳辐射的观测 ，在设有地面气象观测站或地面辐射观测台站的地方才可以获得日照时数观测 ，全球大部分地区(包括我国)的地面辐射观测台站数量较少且分布不均，太阳辐射受云、地形等的影响 ，随空间、时间变化很大 ，现有的辐射观测资料很难反映太阳辐射的时空分布。各地太阳辐射状况通常根据本地气象站观测的日照时数等常规观测资料，利用经验公式进行推算。利用日照百分率等气象参数得到的太阳总辐射估算方程能较好地解决气象站网较密集的平原地区的总辐射气候计算问题。而对于远离气象站点的区域 ，太阳辐射状况仍然不能了解。如对于站点稀少的广阔高原、荒漠和海洋地区，应用上述气候学计算方法的局限性就较大，从而限制了人们对这些地区辐射气候状况的了解。因此，21世纪下半叶以来，随着卫星遥感观测技术的逐渐成熟，其观测资料在时空连续性方面的优势愈加明显，越来越多的研究者开始将其应用于对地面和大气的观测与反演；同时，随着辐射传输理论的发展，有关地面太阳辐射量的计算中也开始越来越多地使用卫星遥感资料。

卫星遥感资料的应用是提高太阳能资源评估时空分辨率的有效手段。从60年代起国外学者就开始研究利用卫星资料反演地表辐射场。研究的途径主要有统计反演法和物理反演法两大类。我国从20世纪80年代中后期开始将卫星遥感资料应用于太阳能资源(地面太阳总辐射、直接辐射和散射辐射)的计算和评估中，至今已取得较大的进展。主要表现在两个方面：①卫星遥感资料的直接利用(统计反演法)；②卫星遥感资料的间接利用(物理反演法)。卫星遥感资料在太阳能资源评估应用中的优点是提供了一种自上而下的、时空分辨率较高的观测资料，可以弥补当前地面气象观测站的不足，而难点则主要在于对云和气溶胶的处理还不够完善。下面将对我国常采用的两种卫星资料，卫星遥感资料的直接利用以及卫星遥感资料与辐射传输理论三个方面进行介绍。

(1)我国常用的两种卫星遥感资料

我国 FY2x及日本 GMS2～5 静止气象卫星每隔1小时(加密观测半小时) 对地连续扫描 ，提供了反映地表、云分布等信息的较高空间分辨率(星下点红外通道5km ，可见光通道1.25km) 的多通道卫星观测资料 ，为估算到达地面的太阳辐射提供了有力工具。

FY-2C静止气象卫星。我国自主研制的第1颗业务静止气象卫星FY-2C于2004年10月19日发射成功，为估算太阳辐射提供了稳定的资料源。 FY-2C卫星获取的资料广泛应用于气象，农业，林业，水利，海洋，军事等部门，在天气监测与预报，环境监测等方面发挥了重要作用。 FY-2C卫星主要有效载荷为红外和可见光自旋扫描辐射计VISSR，有4个红外观测波段和1个可见光观测波段(表1)，比试验卫星FY-2B卫星增加了2个波段(红外2和红外4)。 FY-2C卫星每小时(汛期加密观测半小时)观测一次，资料是数字化的，可见光编码计数为6比特(64等级)，红外编码计数为10比特(1024等级)。太阳辐射与卫星测值和太阳高度角等因子有关，用卫星资料反演太阳辐射是完全可行的。

表11.1 FY-2C可见光和红处扫描辐射计VISSR观测波段与应用

FY-2C卫星估算太阳辐射的误差主要是由卫星与地面观测的时间和空间范围差别造成的。在阴雨和多云的天气条件下，由于天空状况的不确定性，神经网络模型和统计模型估算值与实测值的一致性要比晴天条件下差。

GMS2～5 静止气象卫星。到达地面的 GMS2～5 可见光通道波长范围的太阳光能量与整波段的太阳总辐射具有很高的相关性。卫星可见光通道正是利用该波段的太阳短波辐射能量对云、地表等下垫面的反射率进行观测的 ，所以卫星可见光通道探测数据是云、地表对太阳辐射反射及大气散射的综合反映。而到达地面的太阳总辐射也主要受云、地表、大气浑浊度、太阳高度等因素影响。因此 ，GMS2～5观测的可见光反照率资料也反映了到达地面太阳辐射能量的信息 ，可以用来估计太阳辐射状况。

在白天，GMS2～5 卫星可以提供1小时1次的可见光反照率资料 ，逐时太阳辐照总量可由日射观测站实测资料获得。根据这些资料 ，可以确定卫星可见光反照率与小时辐照总量的关系，继而利用卫星观测资料对小时辐照总量进行估算。逐时估计的太阳辐照总量进行日、旬累计 ，即可得出日或旬太阳总辐射的分布。

但由于可见光的双向反射特性 ，卫星可见光通道的观测值随太阳高度角的变化而变化。太阳高度越低 ，卫星观测计数值也越小 ，而此时太阳辐射却较弱 ，使卫星观测计数值与太阳辐射的关系变得较为复杂。这是由于卫星观测计数值不能代表真实反照率的缘故。

由于早晨及傍晚的太阳高度角很低，卫星观测值与实际值差别较大 ，可见光资料订正也会有较大误差。此时到达地面的太阳辐射较弱 ，在日总量中占的比重也很小。为保证数据的可靠性 ，将太阳高度角h≥15°的卫星观测时次定为可见光有效观测时段，仅使用这些时次资料。

对太阳高度角小于 15°时的辐射量，由于其量值较小，可利用首、末次观测估计值对日出、日落时刻进行插补得到。

设某日卫星首、末次有效观测(h≥15°)时数为 、，以时为单位的日出、日落时间为、， 日辐射量Q (单位为 MJ/m²) 由下式估算：

      (11.9)

式中：Hi为卫星资料估计的该日观测时数为i时的辐照总量 ， Hk1， Hk2为卫星资料估计的该日观测时数为k1(首次)、k2(末次)时的辐照总量 ，卫星资料缺测时次可由最近两时次进行插补获得。

(2)遥感资料的直接应用

关于卫星遥感资料在地面太阳辐射计算中的直接应用，其方法的基本原理来源于传统的气候学方法。所谓地面太阳辐射的气候学计算方法指的是通过气候学原理，利用与太阳辐射有关的其他地面气象台站观测的气候要素间接计算到达地面太阳辐射的方法。该方法的一般表达式为：

      (11.10)

其中R 是所要计算的到达地面的太阳辐射量，这里指总辐射、直接辐射或散射辐射；是计算每个辐射量时所用的初始值，如天文辐射、理想大气总辐射或晴天总辐射；是地面观测的气候学要素，可以为一个，也可以为多个，其函数形式可以为线性，也可以为非线性，视不同的方法而定，我国目前多采用的是日照百分率或云量。此外，与所选取要素的个数以及函数的次数相对应，式中还会有若干个计算系数，可通过有地面太阳辐射观测的值回归得到。

根据上述思路，由卫星遥感资料直接或间接得到的与地面太阳辐射相关的物理量也可以用于计算到达地面的太阳辐射。

1)云量反演法

云量反演法的基本思路是首先利用卫星遥感资料反演得到云对太阳辐射的影响因子(可以是云量，也可以是由云量派生出的其他因子)，然后利用传统的气候学方法计算到达地面的太阳辐射。

国际卫星云气候学计划(InternationalSatellite Cloud Project，ISCCP)从1984年开始提供全球的总云量卫星遥感资料，该资料可以直接用于气候学方法中对地面总辐射的计算。翁笃鸣等通过经验拟合并根据边界条件对经验函数作调整，得到地面总辐射与ISCCP总云量的如下关系：

      (11.11)

式中Q是地面总辐射，是晴天总辐射；c 是计算系数，n 是总云量；并据此反演了青藏高原的地面总辐射场。由于ISCCP的总云量资料空间分辨率较低(2.5°×2.5°)，同时该方法中函数关系和经验系数的确定还有赖于地面观测资料，这都在很大程度上影响了计算结果的空间分辨率和精度。

利用卫星遥感资料还可以得到行星反射率，由于一定时间、空间尺度平均的行星反射率决定于平均云量(一定时间、空间尺度的地表和大气反射率均可以看作是不变的)，所以行星反射率的观测值可用来确定相应的云量因子，该因子即反映了云对于太阳辐射的遮蔽程度，因而也可采用它根据气候学方法计算地面太阳辐射。采用这种方法，钟强等建立了地面总辐射与行星反射率的相关关系：

      (11.12)

式中，K是计算系数，是全天有云时的总辐射与晴天总辐射的比值；为行星反射率，和分别是最小和最大行星反射率；并利用Nimbus-7的行星反射率观测资料估算了青藏高原地区月平均总辐射的分布。该方法的误差主要取决于行星反射率观测值的时空分辨率以及和的确定。

由于我国在青藏高原地区的地面气象观测站非常稀少，即便利用云量或日照百分率间接计算到达地面的太阳辐射，也无法完全满足气象/气候学方面研究的需要。因此，上述 2 种直接或间接利用卫星遥感的云量资料计算地面辐射的方法，其研究的地域范围主要在青藏高原地区，而对于中东部地区目前还涉及较少；此外，由于青藏高原地区很少有接辐射或散射辐射的观测，因此，上述方法只是针对总辐射的计算，而对于直接辐射和散射辐射则并不适用。

2)统计反演法

上述云量反演法，从本质上而言也属于应用卫星遥感资料进行地面太阳辐射量计算的统计反演法，而这里所说的则是狭义的，其基本思路是建立卫星测值与所要计算地面辐射量之间的回归关系，然后根据地面辐射量的观测值确定回归系数。采用这种方法的前提是要从理论上确定卫星测值与所要计算的地面辐射量之间存在着物理上的联系，只有这样，才能保证所建立的回归关系具有充分的物理根据。气象卫星携带的辐射仪以多个波段测量地球反射的太阳辐射和发射的红外辐射。极轨气象卫星提供的资料可以用于计算全球大部分地区地面太阳辐射的季节变化，而静止气象卫星的观测资料则具有较高的时间分辨率，可用来估算某一固定区域比较连续的地面太阳辐射日变化。陈渭民等推导了静止卫星测量的可见光和红外辐射与到达地面太阳总辐射之间的物理关系，并据此选择统计因子，建立多个卫星资料估计地面总辐射的统计模式，经比较分析得到一个最佳的估计模式：

      (11.13)

式中 和分别是卫星在可见光和红外光通道的编码计数值，是太阳天顶角的余弦，是经验系数，根据地面辐射观测资料确定；通过多个地面站点的观测数据给出经验系数的分布图，对无站点处采用内差的方法确定，进而利用 GMS(Geostationary Meteorological Satellite)卫星资料根据上式给出某一区域地面总辐射的空间分布。对于直接辐射和散射辐射，同样可以采用上述方法建立与卫星测值之间的统计关系：

      (11.14)

式中是所要计算的直接辐射或散射辐射，相比于总辐射的计算，这里增加了能见度项，即VV。此外，由于我国地面直接辐射和散射辐射观测资料的缺乏，在建立上述统计关系时，研究者是根据光的多次散射理论的离散纵标法，利用地面探空站的观测资料，计算出不同高度上的太阳直接辐射和向上、向下的散射辐射，因此，上式可用于确定不同的辐射.

尽管以上两组统计关系均是在理论推导的基础上建立，具有比较可靠的物理依据，但其计算结果与地面观测资料相比仍然存在着一定误差，误差主要来源于：①云的影响，这两组关系均是在晴天条件下建立，没有考虑云对太阳辐射的削弱作用，因此，在天空有云时计算结果会有较大误差；②大气中的水汽和气溶胶的影响，尽管在式      (11.14)中引入了能见度项，但由于它只是表征地面附近的水平能见度，因此，气溶胶的影响也并没有被完全考虑；③卫星对地球的观测是在一个较大范围内进行的，而地面辐射的观测则是对单一的站点进行，由于地形的起伏，地表特性的不均匀，两者间会存在明显的差异。这些均使得该方法在推广使用中还存在着一定的局限性。

上述直接利用卫星遥感资料的两种方法在本质上与传统的气候学方法是一致的，区别只在于这里采用的是自上而下的卫星观测要素而不是自下而上的地面观测值，进而使得所用函数形式和回归系数的个数也有所不同。从计算的简便程度和精度来看，目前的这些计算方法并不优于气候学方法。但由于卫星遥感资料在空间连续性和分辨率方面通常都比地面观测资料优越，在我国太阳能资源丰富而地面观测台站稀疏的西部(尤其是青藏高原)地区，这些方法依然很值得进一步研究和利用。

(3)卫星遥感资料的间接应用

太阳辐射在经过大气层到达地面的过程中，会受到云、气溶胶、水汽和各种气体成分的散射、吸收、反射等作用而被削弱，这些因素的时空变化在不同程度上使到达地面的太阳辐射发生变化。上述统计方法直接建立卫星测值和地面辐射量的相关关系，很难考虑这些复杂的物理过程，而这也正是统计方法在进行外推应用时计算误差的主要来源。现代辐射传输理论的发展为详细考虑太阳辐射在大气中的传输、削弱过程提供了基础。由于地面气象台站的资料在观测项目和空间(垂直和水平)分布上均无法为辐射传输理论的应用提供足够的初始资料，而卫星遥感的观测资料恰恰具有这两方面的优势，因此，研究者在应用辐射传输理论时往往需要利用卫星资料，这种根据辐射传输理论利用卫星遥感资料计算地面太阳辐射量的方法被称作物理反演法。

结合我国的研究者近几年在综合应用辐射传输理论和卫星遥感资料进行地面太阳辐射量(总辐射、直接辐射和散射辐射)计算的研究成果，这里将其分为两个方面进行论述。

1)参数化方法

该方法是将各种因子对太阳辐射的影响程度，如大气分子的吸收和散射、水汽的吸收、气溶胶的散射和吸收等均通过国内外已有的参数化方法分别进行计算，然后将各计算结果与大气顶的太阳辐射相乘，即可近似得到晴天条件下的地面总辐射。例如，陈仁升等根据 Bird的研究，对晴空水平面直接辐射采用如下计算模型：

      (11.15)

式中为晴天太阳直接辐射，单位是W/m², 为太阳常数，单位是 W/m² ，，θ为太阳天底角，为日地距离校正系数；为瑞利散射传输函数，为气溶胶衰减函数，为水汽吸收函数，为臭氧吸收函数，为混合气体吸收函数，其中气溶胶、水汽和臭氧等函数的计算均需利用卫感资料，和θ为太阳天文参数。对晴空水平面散射辐射(Rs)的计算分为两个部分：

      (11.16)

式中表示天空散射，主要考虑气溶胶对太阳辐射的散射；是地气之间的多次散射，通过卫星遥感的地表反照率和天空反射率等来考虑。据此，晴空水平面太阳总辐射即可以将直接辐射和散射辐射求和得到：

      (11.17)

以上只是采用参数化方法将卫星遥感资料和辐射传输理论综合应用于地面辐射计算的一个例子，事实上，辐射传输理论发展到今天，其中对于各种影响因子的参数化方案均不止一种，不同研究者会由于选取的具体方案不同而使计算结果有较大差异。此外，由于参数化计算中所需要的气溶胶、水汽、臭氧等卫星遥感资料目前还存在着时空分辨率和精度均不是很高的问题，因此而影响到计算结果的精度和计算方法的推广应用。

2)辐射传输模式的应用

现代辐射传输理论发展的一个重要方向就是建立辐射传输模式。利用国际上已有的辐射传输模式也可以进行地面太阳辐射量的计算，具体来说，就是将足够的大气信息(如温度、湿度、气压的探空资料等)作为初始值直接输入到模式中，运行之后即得到地面以及各高度层的太阳辐射量。

MODTRAN 中分辨率大气辐射传输模式近年来应用较为广泛，该模式基于 Stamnes等发展的离散纵标法，其中可以考虑云的影响，目前已经发展到第4版本。它利用无线电探空资料计算太阳和大气辐射，其精度已得到检验。由于我国探空资料比较有限且分布不均，研究者采用卫星资料来代替。NOAA系列卫星上装载的泰罗斯业务垂直探测仪(TOVS)可以反演得到从地面到高空10hPa的大气温度廓线和3个层次以上的水汽含量及臭氧含量，通过将这些资料输入到模式中，傅炳珊等计算了我国东南地区晴空和有云情况下5个层次直接辐射和散射辐射的时空分布，并与由实测探空资料得到的结果进行了比较，发现晴空状况下两者基本一致，而有云时则存在一定误差。

法国大气科学实验室开发的6S(The Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)模式在我国也有较多的应用，该模式主要用于模拟星载或机载遥测仪器在250nm到400nm光谱区间无云条件下传感器应该接收到的辐射值，它具有高达2.5nm的光谱分辨率，通过采用更为合理的近似和逐次迭代算法，在瑞利和大气气溶胶散射(包括多次散射)的计算方面有更高的精度。采用该模式，卢士庆等建立了晴空条件下４个时次的大气辐射参数背景底图，为反演陆地大气气溶胶光学厚度提供了基础；徐青山等计算了厦门海域大气层顶550mn大气散射辐射的空间分布和300～3000nm光谱区间的地面总辐射，所计算的地面总辐射与地面观测值具有较好的一致性。

此外，还有DISORT模式、Dedieu模式以及逐线积分模式等也都可以用于太阳和大气辐射的计算，而卫星遥感资料的选择和应用则是其中的关键。

上述两种方法本质上是一样的，只是前者需要研究者自行选择参数化方案并进行计算，而后者则是辐射传输模式已经设立好的。这些方法充分利用了卫星遥感资料在时空分布上的优点和辐射传输模式在物理依据上的充分性，计算结果可以弥补地面辐射观测站空间分布的不足，同时还可以实现地面辐射量的分光谱计算，这对于太阳能资源的实际应用也是有用的。但由于这些方法的计算精度还依赖于卫星遥感资料的分辨率和准确性以及辐射传输模式和参数化方案自身的性能，尤其是在当前对于云和气溶胶辐射效应的处理还存在不足的情况下，计算结果还存在较大误差。

总的来说，卫星遥感资料为地面太阳辐射量的计算提供了一种自上而下的、时空分辨率较高的观测资料，可以弥补当前地面气象观测站的不足。但由于目前资料本身的精度还不够高，对于云和气溶胶的处理方法也还不够完善，此外，上述各种方法还缺乏对地形遮蔽影响的考虑，因而导致目前对地面太阳辐射量计算结果的精度尚不够高，同时还使得上述各种方法不利于推广。尽管如此，卫星遥感资料的应用仍然是未来太阳能资源评估中的一个 重要研究方向，有待于进一步深入的研究和探讨。

11.1.2.5 太阳能资源参数的数值模拟

我国幅员辽阔、地形复杂。对于复杂的地形气象上一般用数字高程模型来模拟太阳能参数：散射、总辐射、直接辐射、反射辐射等。数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。从数据源及采集方式来说有：(1)直接从地面测量，例如用GPS、全站仪、其他野外测量等；(2)根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等等；(3)从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集，然后，通过内插生成DEM等方法。

(1)散射辐射计算模型

散射辐射复杂的产生机理，使得从理论上精确计算由天穹各散射点到达起伏地形下的散射辐射量是比较困难的。现有的坡地散射辐射计算模式有两类，即各向同性模式和各向异性模式。

1)各向同性模式

在假设天穹各散射点在各方向上的散射强度呈均匀分布的前提下，到达起伏地形下的散射辐射完全取决于测点的开阔度V，起伏地形下散射辐射月总量的计算式为

      (11.18)

式中：为起伏地形下散射辐射月总量(MJ/m² )； 为水平面散射辐射月总量(MJ/m² )，其计算式为

      (11.19)

式中：为水平面上的天文辐射月总量( MJ/m²)；为散射系数，为水平面散射辐射月总量与水平面天文辐射月总量之比； Q为水平面上太阳总辐射月总量( MJ/m² )；为水平面上太阳直接辐射月总量( MJ/m² )；为晴空指数，为水平面太阳总辐射月总量与水平面天文辐射月总量之比；为直接透射率，为水平面直接辐射月总量与水平面天文辐射月总量之比。

2)各向异性模式

在散射辐射各向异性的前提下，起伏地形中散射辐射的计算式为

      (11.20)

式中：为起伏地形下天文辐射月总量与水平面天文辐射月总量之比，为起伏地形下天文辐射月总量(MJ/m² )。不同的学者曾对这两个模式做过试验和比较，得出的结论也不尽相同。

图11.2 全国1月气候平均散射辐射空间分布(单位：MJ/m² )

(2)总辐射和直接辐射的计算模型

1)复杂地形下太阳总辐射分布式模型

关于地表太阳总辐射的计算方法有较多的研究。如果忽略地表和大气之间的多次反射，复杂地形上的地表太阳总辐射由太阳直接辐射、天空散射辐射和地形的反射辐射三部分组成：

      (11.21)

式中：为复杂地形下太阳总辐射月总量( MJ/m²)，为复杂地形下太阳直接辐射月总量(MJ/m²)，为复杂地形下太阳散射辐射月总量( MJ/m²)，为复杂地形下周围地形反射过来的太阳短波辐射月总量(MJ/m² )。

2)复杂地形下太阳直接辐射分布式模型

根据坡地太阳直接辐射的计算方法，复杂地形下太阳直接辐射月总量的计算式为：

      (11.22)

式中：为复杂地形下的月天文辐射总量( MJ/m²)，为水平面月天文辐射总量(MJ/m²)，为水平面太阳直接辐射月总量(MJ/m²)，含义同上，其中和 空间分布数据参照算法，结果已得，只要确定的空间分布数据，即可求算。

(3) 水平面太阳直接辐射与总辐射计算模型

水平面太阳总辐射Q 的计算模型。大量研究表明，太阳总辐射与日照百分率存在密切关系，采用线性估算模式。

      (11.23)

式中：、为经验系数，该系数主要与各地的气候特征 (如：云量) 和大气透明度等因素有关，与地形无直接关系的大气参数。s为日照百分率，为晴空指数，其他各项含义同上。

在水平面上，可以认为无反射辐射。因此，水平面上的直接辐射可用水平面上总辐射与水平面上散射辐射之差求得。

除了DEM，还常用来模拟太阳能资源的模式有WRF。它的辐射参数化方案简介如下：WRF 的长波辐射参数化方案有：RRTM、Eta GFDL Longwave> CAM Longwave、RRTMG Shortwave；短波辐射参数化方案有：MM5 (Dudhia)、Goddard、GFDL Shortwave、CAM Shortwave、RRTMG Shortwave。RRTM 长波福射参数化方案：RRTM (Rapid Radiative Transfer Model)来自于MM5模式，采用了由美国大气环境中心的Mlawer等人研制的方法，具有高速度、高效率和高精度的特点。RRTM长波辐射参数化方案考虑了诸多分子种类，包括水汽、O₃、CO₂、CH₄、NO₂等。其中，用k分布方法计算气体的详细吸收谱的影响是它的主要特色。k分布的吸收系数可以直接从逐线福射传输模式(LBLRTM)中获得，它提供了 RRTM所需要的吸收系数，设置了査找表用来精确地表示由于上述分子作用引起的长波过程，因此，具有了与逐线方法接近的精度，且加快了辐射运算的速度。Dudhia短波福射参数化方案：该方案基于Dudhia^[3]在1989年的工作，简单地计算了由于水汽吸收和晴空散射及云的反射和吸收作用引起的向下短波辐射通量。在晴空情况，水汽吸收作为水汽量的函数来计算，考虑近似的气溶胶散射和瑞利散射。在有云情况，云的后向吸收和散射根据双线性插值方法得到；该方案釆用了 Stephens的云对照表。RRTMG短波辐射参数化方案：该方案运用了关于随机云重叠的MCICA方法。

灾害性天气的发生、发展时间较短，具有突发性特征，往往让人们猝不及防；且气象灾害发生频率高，危害性大。气象灾害的防御，重在预防。《气象灾害防御条例》第二十七条规定，气象部门要对重大建设项目(如太阳能电站)进行可行性论证和气象灾害风险评估，以防止这些项目不能抵御灾害甚至加重气象灾害的危害。因此，科学评估气象灾害， 采取正确应对措施， 对减轻灾害影响， 加快太阳能资源的开发利用具有十分重要的意义。

大风(台风、龙卷、飑线风)、雷暴、冰雹、高温、沙尘、雾等是影响区域太阳能开发利用的主要气象灾害。在分析中要说明区域中的主要气象灾害，说明灾害强度、频次、重现期等，如有必要可分子区域进一步明确。

区域太阳能资源评估报告是专业性较强的关于太阳能资源时空分布特征分析与区划的技术报告；是区域太阳能资源评估工作的主要成果，其内容主要包括：项目概述、项目主要成果和结论、项目依据、资料收集处理、太阳能资源参数计算分析、区划、气象灾害影响分析、综合评估等。

项目概述要说明区域概况(社会经济、地形地貌、气候特征)；说明项目、任务来源以及项目的主要目的、工作内容等。

项目主要成果和结论主要表述的是依托项目研究建设的业务系统和编制的规范性技术文件，简要描述通过本次评估工作所得到的太阳能评估成果和重点开发区域建议。

项目依据要说明区域太阳能资源评估报告编制工作所依据的政府文件、相关标准、规范和技术指南等。

资料收集处理要说明用于本次太阳能资源评估的观测网布局、观测内容、仪器性能和资料的精度等；说明用于太阳能资源评估工作的资料的审核、插补、订正等的技术和方法。

太阳能资源参数计算分析要说明的是区域太阳能资源评估中所涉及到的参数的计算方法、指标及计算结果分析。综合评估表述区域太阳能储量和可能开发潜力的计算方法和结论。

区域太阳能资源区划是指利用太阳总辐射量级指标、稳定度、直射比等指标对区域进行划分，分别说明每个子区域的等级状况。

气象灾害影响分析表述区域内对太阳能电站开发有影响的主要气象灾害的频次和强度。

综合评估对评估工作所得出的结论进行综合，结合区域的社会、经济、气候、地理环境给出重点开发区域建议。