إن الإشعاع الشمسي الوارد (التشمس) المتلقاة من الشمس هو مصدر الطاقة الأساسي الذي يحرك العديد من العمليات الفيزيائية والبيولوجية للأرض. يعد فهم أهميتها لمقاييس المناظر الطبيعية أمرًا أساسيًا لفهم مجموعة واسعة من العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية.
مع مقاييس المناظر الطبيعية ، تعد التضاريس عاملاً رئيسيًا يحدد التباين المكاني للتشمس. يؤثر التباين في الارتفاع والاتجاه (المنحدر والجانب) والظلال الناتجة عن الميزات الطبوغرافية جميعها على مقدار التشوه المتلقاة في مواقع مختلفة. يتغير هذا التباين أيضًا مع الوقت من اليوم والوقت من العام ، ويساهم بدوره في تقلب المناخ المحلي بما في ذلك عوامل مثل أنظمة درجة حرارة الهواء والتربة ، والتبخر ، وأنماط ذوبان الجليد ، ورطوبة التربة ، والضوء المتاح لعملية التمثيل الضوئي.
تتيح لك أدوات تحليل الإشعاع الشمسي في ملحق ArcGIS Spatial Analyst تعيين وتحليل تأثيرات الشمس على منطقة جغرافية لفترات زمنية محددة. وهو يفسر التأثيرات الجوية ، وخط العرض والارتفاع بالموقع ، والانحدار (المنحدر) واتجاه البوصلة (الجانب) ، والتحولات اليومية والموسمية لزاوية الشمس ، وتأثيرات الظلال الناتجة عن التضاريس المحيطة. يمكن دمج المخرجات الناتجة بسهولة مع بيانات نظم المعلومات الجغرافية الأخرى ويمكن أن تساعد في نمذجة العمليات الفيزيائية والبيولوجية لأنها تتأثر بالشمس.
تحسب أدوات تحليل الإشعاع الشمسي التشمس عبر المناظر الطبيعية أو لمواقع محددة ، بناءً على طرق من خوارزمية مجال الرؤية نصف الكروية التي طورها ريتش وآخرون. (ريتش 1990 ، ريتش وآخرون 1994) وطورها فو وريتش (2000 ، 2002).
يتم إعطاء المقدار الإجمالي للإشعاع المحسوب لموقع أو منطقة معينة كإشعاع عالمي. يتم تكرار حساب التشمس المباشر والمنتشر والشامل لكل موقع معلم أو كل موقع على السطح الطبوغرافي ، مما ينتج خرائط تشمس لمنطقة جغرافية بأكملها.
ينشأ الإشعاع الشمسي الوارد (التشمس) من الشمس ؛ يتم تعديله أثناء انتقاله عبر الغلاف الجوي ؛ تم تعديله بشكل إضافي عن طريق التضاريس وخصائص السطح ؛ ويتم اعتراضه على سطح الأرض كمكونات مباشرة ومنتشرة ومعكوسة. يتم اعتراض الإشعاع المباشر دون عوائق في خط مباشر من الشمس. ينتشر الإشعاع المنتشر بواسطة مكونات الغلاف الجوي ، مثل السحب والغبار. ينعكس الإشعاع المنعكس من سمات السطح. يُطلق على مجموع الإشعاع المباشر والمنتشر والمنعكس الإشعاع الشمسي الكلي أو العالمي.
بشكل عام ، يعتبر الإشعاع المباشر هو أكبر مكون للإشعاع الكلي ، والإشعاع المنتشر هو ثاني أكبر مكون. يشكل الإشعاع المنعكس عمومًا نسبة صغيرة فقط من إجمالي الإشعاع ، باستثناء المواقع المحاطة بأسطح عاكسة للغاية مثل الغطاء الثلجي. لا تشمل أدوات الإشعاع الشمسي في المحلل المكاني الإشعاع المنعكس في حساب إجمالي الإشعاع. لذلك ، يتم حساب إجمالي الإشعاع على أنه مجموع الإشعاع المباشر والمنتشر.
يمكن لأدوات الإشعاع الشمسي إجراء حسابات لمواقع النقاط أو لمناطق جغرافية بأكملها. هذا يتضمن أربع خطوات:
حساب مجال الرؤية التصاعدي نصف كروي بناءً على التضاريس.
تراكب مجال الرؤية على خريطة الشمس المباشرة لتقدير الإشعاع المباشر.
تراكب مجال الرؤية على خريطة السماء المنتشرة لتقدير الإشعاع المنتشر.
تكرار العملية لكل موقع موضع اهتمام لإنتاج خريطة تشمس.
نظرًا لأن الإشعاع يمكن أن يتأثر بشكل كبير بالتضاريس وميزات السطح ، فإن المكون الرئيسي لخوارزمية الحساب يتطلب إنشاء مجال رؤية نصف كروي متجه للأعلى لكل موقع في نموذج الارتفاع الرقمي (DEM). تتشابه مجالات الرؤية نصف الكروية مع صور نصف كروية (عين السمكة) ذات المظهر التصاعدي ، والتي ترى السماء بأكملها من الألف إلى الياء ، على غرار المنظر في القبة السماوية. يلعب مقدار السماء المرئية دورًا مهمًا في التشمس في الموقع. على سبيل المثال ، يحتوي المستشعر الموجود في حقل مفتوح على تشمس أعلى من المستشعر الموجود في واد عميق.
تُظهر الصورة التالية صورة نصف كروية متجهة لأعلى ، والتي توفر منظرًا للسماء المرئية واتجاهات السماء التي تعرقلها التضاريس والسمات السطحية المحيطة. هذا مشابه للمنظر الذي ستحصل عليه من الأرض عند البحث في جميع الاتجاهات.
حساب مجال الرؤية
مجال الرؤية هو تمثيل نقطي للسماء بأكملها يكون مرئيًا أو محجوبًا عند مشاهدته من موقع معين. يتم حساب مجال الرؤية من خلال البحث في عدد محدد من الاتجاهات حول موقع الاهتمام وتحديد الحد الأقصى لزاوية عائق السماء أو زاوية الأفق. بالنسبة لجميع الاتجاهات الأخرى التي لم يتم البحث عنها ، يتم تقريب زوايا الأفق. يتم بعد ذلك تحويل زوايا الأفق إلى نظام إحداثيات نصف كروي ، مما يمثل نصف كرة ثلاثي الأبعاد للاتجاهات كصورة نقطية ثنائية الأبعاد. يتم تعيين قيمة لكل خلية نقطية في مجال الرؤية تتوافق مع ما إذا كان اتجاه السماء مرئيًا أو محجوبًا. تتوافق مواقع خلايا الإخراج (الصف والعمود) مع زاوية الذروة θ (الزاوية بالنسبة إلى الأعلى مباشرة) وزاوية السمت α (الزاوية بالنسبة إلى الشمال) في نصف الكرة الأرضية للاتجاهات.
يوضح الشكل أدناه حساب مجال الرؤية لخلية واحدة من DEM. تُحسب زوايا الأفق على طول عدد محدد من الاتجاهات وتُستخدم لإنشاء تمثيل نصف كروي للسماء. يحدد مجال الرؤية الناتج ما إذا كانت اتجاهات السماء مرئية (تظهر باللون الأبيض) أو مسدودة (تظهر باللون الرمادي). يظهر مجال الرؤية متراكبًا على صورة نصف كروية لإثبات النظرية.
حساب خريطة الشمس
يتم حساب الإشعاع الشمسي المباشر الناشئ من كل اتجاه من اتجاهات السماء باستخدام خريطة الشمس في نفس الإسقاط نصف الكروي مثل مجال الرؤية. خريطة الشمس هي تمثيل نقطي يعرض مسار الشمس ، أو الموقع الظاهر للشمس حيث يختلف خلال ساعات النهار وخلال أيام السنة. هذا مشابه لأنك تنظر لأعلى وتراقب بينما يتحرك موقع الشمس عبر السماء خلال فترة من الزمن. تتكون خريطة الشمس من قطاعات منفصلة يحددها موقع الشمس على فترات زمنية معينة خلال اليوم (ساعات) ووقت من السنة (أيام أو شهور). يتم حساب مسار الشمس بناءً على خط عرض منطقة الدراسة وتكوين الوقت الذي يحدد قطاعات خريطة الشمس. لكل قطاع خرائط للشمس ، يتم تحديد قيمة تعريف فريدة ، جنبًا إلى جنب مع ذروة النقطه الوسطى وزاوية السمت. يتم حساب الإشعاع الشمسي الناشئ من كل قطاع على حدة ، ويتم تراكب مجال الرؤية على خريطة الشمس لحساب الإشعاع المباشر.
الشكل التالي عبارة عن خريطة للشمس لخط عرض 45 درجة شمالاً محسوبة من الانقلاب الشتوي (21 ديسمبر) إلى الانقلاب الصيفي (21 يونيو). يمثل كل قطاع شمس (مربع ملون) موضع الشمس باستخدام فترات نصف ساعة خلال اليوم وفترات شهرية خلال
عام. وتجدر الإشارة إلى أن الصورة في نفس الإسقاط نصف الكروي مثل مجال الرؤية التصاعدي. يتم تمثيل موقع الشمس أثناء تحركها عبر السماء خلال الوقت من اليوم والوقت من السنة.
حساب خريطة السماء
ينشأ الإشعاع المنتشر من جميع اتجاهات السماء نتيجة تشتت مكونات الغلاف الجوي (السحب والجسيمات وما إلى ذلك). لحساب الإشعاع المنتشر لموقع معين ، يتم إنشاء خريطة السماء لتمثيل منظر نصف كروي للسماء بأكملها مقسمة إلى سلسلة من قطاعات السماء المحددة بزوايا السمت والسمت. يتم تعيين قيمة معرف فريد لكل قطاع ، جنبًا إلى جنب مع ذروة النقطه الوسطى وزوايا السمت. يُحسب الإشعاع المنتشر لكل قطاع سماء بناءً على الاتجاه (السمت والسمت).
الشكل أدناه عبارة عن خريطة سماء بها قطاعات سماء محددة بثماني أقسام ذروة و 16 قسمًا للسمت. يمثل كل لون قطاعًا فريدًا من السماء ، أو جزءًا من السماء ، ينشأ منه الإشعاع المنتشر.
تراكب مجال الرؤية مع خريطة الشمس وخريطة السماء
أثناء حساب التشمس ، يتم تراكب خطوط الرؤية النقطية بخريطة الشمس وخريطة السماء النقطية لحساب الإشعاع المنتشر والمباشر المستلم من كل اتجاه من اتجاهات السماء. يتم حساب نسبة مساحة السماء المرئية في كل قطاع بقسمة عدد الخلايا غير المعوقة على العدد الإجمالي للخلايا في كل قطاع. يتم تخصيص بدل لقطاعات السماء المعوقة جزئيًا.
يوضح الشكل التالي تراكب مجال الرؤية على خريطة الشمس وخريطة السماء. يمثل اللون الرمادي اتجاهات السماء المسدودة. يتم حساب الإشعاع الشمسي عن طريق جمع التشمس المباشر والمنتشر الناشئ من اتجاهات السماء الخالية من العوائق.
يمكنك إجراء تحليل الإشعاع الشمسي لمنظر طبيعي أو موقع محدد باستخدام طريقتين:
تُستخدم أداة Area Solar Radiation لحساب التشمس عبر منظر طبيعي بأكمله. يتم تكرار الحسابات لكل موقع في السطح الطبوغرافي للإدخال ، مما ينتج عنه خرائط تشمس لمنطقة جغرافية بأكملها.
تُستخدم أداة Points Solar Radiation لحساب كمية الطاقة المشعة لموقع معين. يمكن تخزين المواقع كمعالم نقطية أو كإحداثيات س ، ص في جدول الموقع. يمكن إجراء حسابات الإشعاع الشمسي لمواقع محددة فقط.
لأغراض التشخيص ، يمكنك استخدام أداة Solar Radiation Graphics لإنشاء تمثيلات بيانية للسماء المرئية (خريطة مجال الرؤية) ، وموقع الشمس في السماء عبر فترة زمنية (خريطة الشمس) ، وقطاعات السماء التي تؤثر على كمية الإشعاع الشمسي الوارد (خريطة السماء). من الناحية المفاهيمية ، تُستخدم هذه "الخرائط" داخليًا أثناء التحليل لحساب الكمية الإجمالية للإشعاع الشمسي لموقع أو منطقة معينة.
تعليقات
إرسال تعليق