太陽(yáng)輻射的一種實(shí)用模擬方法

太陽(yáng)輻射的一種實(shí)用模擬方法

太陽(yáng)輻射是地球表面物理、生物和化學(xué)過(guò)程的主要能量來(lái)源。它也是生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型、水文模擬模型和生物物理模型的必要參數(shù)。一般作物生長(zhǎng)模擬模型中需要逐日的溫度、降雨、太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),但只有少數(shù)站點(diǎn)進(jìn)行了太陽(yáng)輻射的逐日監(jiān)測(cè)。隨著天氣、氣候及作物生長(zhǎng)模擬研究的逐步深入,太陽(yáng)輻射資料的缺乏已成為其它氣象資料充分利用的一個(gè)限制因素。我國(guó)現(xiàn)有各種氣象觀測(cè)臺(tái)站2500多個(gè),而進(jìn)行太陽(yáng)輻射觀測(cè)的臺(tái)站約有110個(gè),兩者比率約為25∶1,但還高于全球的比率(500∶1)。若用鄰近站點(diǎn)的輻射觀測(cè)值代替,則往往受到云量和其它天氣要素的影響,較短的時(shí)間間隔(如逐日)的誤差往往很大,因此需要利用已有的常規(guī)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)模擬計(jì)算太陽(yáng)輻射。目前,太陽(yáng)輻射模擬計(jì)算方法主要有三類:衛(wèi)星遙感估算、統(tǒng)計(jì)模擬、經(jīng)典方法模擬。何洪林等基于大尺度的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程研究,通過(guò)組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)GIS與太陽(yáng)總輻射計(jì)算機(jī)模型集成,建立了太陽(yáng)潛在總輻射計(jì)算模型。在缺少光輻射觀測(cè)資料研究中,一些統(tǒng)計(jì)模擬和經(jīng)典方法模擬利用日照時(shí)數(shù)、云量、溫度、降雨等變量計(jì)算太陽(yáng)輻射,但大多數(shù)的模擬計(jì)算是利用光輻射與日照時(shí)數(shù)的經(jīng)典方法模式來(lái)進(jìn)行的。本文將以我國(guó)各地區(qū)的9個(gè)典型站點(diǎn)的地理位置(包括經(jīng)緯度和海拔高度)作為輸入、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù),建立一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的逐日太陽(yáng)輻射模擬計(jì)算方法,為作物模型提供必要參數(shù)。1標(biāo)準(zhǔn)的模擬計(jì)算方法1.1wm-2大氣上空太陽(yáng)輻射H0(MJ·m-2·d-1)計(jì)算公式:H0=(1/π)·Gsc·E0·(cosΦ·cosδ·sinWs+(π/180)·sinΦ·sinδ·Ws)(1)式中:Gsc為太陽(yáng)常數(shù),其值一般為1367W·m-2(相當(dāng)于118.108MJ·m-2·d-1);E0為地球軌道偏心率校正因子;Φ為緯度;δ為太陽(yáng)赤緯;Ws為時(shí)角(角度)。E0=1.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cos2Γ+0.000077sin2Γδ=(180/π)·(0.006918-0.399912cosΓ+0.070257sinΓ-0.006758cos2Γ+0.000907sin2Γ-0.002697cos3Γ+0.00148sin3Γ)式中:年角Γ=2π·(n-1)/365,單位為弧度,n為一年中的日序數(shù)。Ws=cos-1(-tanΦ·tanδ)日出和日沒(méi)間的時(shí)間間隔為日長(zhǎng)(SL),假設(shè)在日出和日沒(méi)時(shí)間太陽(yáng)高度角為0,有:SL=(2/15)·Ws1.2總輻射的透明度在理想條件下(即晴空狀態(tài)),大氣上空太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層到達(dá)地面,有部分被大氣吸收,直接輻射的透明度系數(shù)在0.4~0.8之間,散射輻射透明度系數(shù)在0.153~0.037之間。Podesta等在計(jì)算阿根廷的總輻射時(shí),晴空狀態(tài)下計(jì)算得到大氣的透明度系數(shù)為0.73~0.83,平均為0.77。根據(jù)已有的研究,通常情況下總輻射在大氣中的透明度系數(shù)為0.8左右,特定的環(huán)境條件其透明系數(shù)有所差異。這里,對(duì)總輻射在大氣中的透明度系數(shù)取0.8。即:HL=0.8×H0(2)式中:HL為晴天狀態(tài)下的地面總輻射。1.3太陽(yáng)輻射的模擬逐日太陽(yáng)輻射利用Angtrom-Prescott方程計(jì)算:H=HL×(a+b×S/SL)(3)式中:H為日實(shí)測(cè)總輻射,HL為晴天狀態(tài)下的日總輻射,S和SL分別為日照時(shí)數(shù)和日長(zhǎng),a和b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),一般根據(jù)太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值回歸模擬得到。對(duì)于逐日太陽(yáng)輻射的模擬計(jì)算,Almorox沒(méi)有考慮大氣透明度系數(shù),而是認(rèn)為方程(3)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a和b之和為0.75左右,通過(guò)對(duì)西班牙的太陽(yáng)輻射模擬得到a為0.2170,b為0.5453。也有相關(guān)的研究采用這種方法模擬計(jì)算,如Louche等報(bào)道法國(guó)地中海區(qū)域的a和b值分別為0.206和0.546;FAO建議a和b的值采用0.25和0.50;也有利用CGMs模型模擬西班牙的太陽(yáng)輻射,結(jié)果得到a和b值分別為0.253和0.502。本文引用左大康等根據(jù)我國(guó)不同類型地區(qū)實(shí)測(cè)總輻射和日照百分率的月平均值和晴天狀態(tài)下的月總輻射資料計(jì)算得到a為0.248,b為0.752。1.4結(jié)果的檢驗(yàn)mabe選取9個(gè)氣象站進(jìn)行計(jì)算分析比較,氣象站分布在我國(guó)不同地區(qū),其地理信息見(jiàn)表1。實(shí)際太陽(yáng)輻射觀測(cè)值日變化分布選取接近所有觀測(cè)年份均值的連續(xù)3年的數(shù)據(jù),模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析統(tǒng)一選取2000年的數(shù)據(jù)。結(jié)果檢驗(yàn)方法利用模型模擬結(jié)果檢驗(yàn)的兩個(gè)基本方法:相關(guān)分析和均方根偏差(rootmeansquareerror,RMSE,MJ·m-2·d-1)。同時(shí)也利用平均偏差(meanbiaserror,MABE,MJ·m-2·d-1)、平均絕對(duì)偏差(meanabsolutebiaserror,MABE,MJ·m-2·d-1)以及平均絕對(duì)誤差(meanabsolutepercentageerror,MAPE,%)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)算公式分別為:MBE=1n∑i=1n(HS?HM)MABE=1n∑i=1n|HS?HM|RMSE=1n∑i=1n(HS?HM)2??????????????√MAPE=100n∑i=1n|HS?HM|/1n∑i=1nHMΜBE=1n∑i=1n(ΗS-ΗΜ)ΜABE=1n∑i=1n|ΗS-ΗΜ|RΜSE=1n∑i=1n(ΗS-ΗΜ)2ΜAΡE=100n∑i=1n|ΗS-ΗΜ|/1n∑i=1nΗΜ2太陽(yáng)輻射模型結(jié)果分析與對(duì)比根據(jù)建立的模式模擬計(jì)算了大氣上界、地面晴空條件下的太陽(yáng)輻射日變化,逐日太陽(yáng)輻射值選取連續(xù)3年的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明,多數(shù)觀測(cè)點(diǎn)模擬計(jì)算得到的晴空輻射值與實(shí)際觀測(cè)多年逐日最大值基本一致。但由于大氣成分、云量、大氣中水汽含量、以及大氣懸浮物含量的差異,造成大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射不同,影響了到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射。四川甘孜的晴空輻射模擬值低于實(shí)際觀測(cè)最大值(圖1),可能是由于其處于西部山區(qū),海拔較高,光線通過(guò)大氣層的厚度較平原小,且空氣稀薄,透明度良好,給定的大氣透明度系數(shù)偏低造成的。湖南長(zhǎng)沙觀測(cè)站點(diǎn)地處大中型城市,受到城市熱島效應(yīng)的影響,大氣中的懸浮物相應(yīng)較多,大氣透明度較差,給定的大氣透明度系數(shù)可能偏高,從而導(dǎo)致晴空輻射模擬值高于實(shí)際觀測(cè)最大值較多。廣西北海、黑龍江漠河的模擬結(jié)果較好(圖1)。因此,對(duì)于部分特定區(qū)域的太陽(yáng)輻射進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),大氣透明度系數(shù)需給出一個(gè)校正系數(shù)。如許吟隆等提出有必要對(duì)模式的輸出結(jié)果進(jìn)行訂正。對(duì)2000年模擬得到的逐日太陽(yáng)輻射與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行相關(guān)分析可見(jiàn),二者的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著相關(guān)水平,9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.81~0.93,截距為0的斜率為0.88~1.15(圖2為4個(gè)代表站點(diǎn)),其中多數(shù)站點(diǎn)的斜率在0.95~1.05之間,表明該模擬方法基本上可用于模擬逐日太陽(yáng)輻射。從9個(gè)站點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差分析結(jié)果(表2)可以看出:四川甘孜和黑龍江漠河2個(gè)點(diǎn)的MBE值小于0,總體表明其模擬值小于觀測(cè)值;其余7個(gè)站點(diǎn)的模擬值均大于觀測(cè)值。而從MBE值的大小來(lái)看,廣西北海、云南景洪和黑龍江漠河3個(gè)站點(diǎn)的結(jié)果在-1.0MJ·m-2·d-1~1.0MJ·m-2·d-1之內(nèi),其余6個(gè)站點(diǎn)的MBE值在這個(gè)范圍之外。這不僅說(shuō)明MBE的分析結(jié)果與前面的分析基本一致,也表明了太陽(yáng)輻射模擬方法中需要對(duì)大氣透明度系數(shù)進(jìn)行校正。MABE和RMSE的計(jì)算結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道基本一致,除長(zhǎng)沙觀測(cè)點(diǎn)外,89個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的均值分別為2.09和2.65MJ·m-2·d-1(表2)。MAPE的計(jì)算結(jié)果平均為16.5%,除長(zhǎng)沙觀測(cè)點(diǎn)外基本都小于20%,與張宇等的研究結(jié)果相近,高于何洪林等的研究結(jié)果,略高于Thornton的研究結(jié)果,低于許吟隆等的研究結(jié)果。從對(duì)MABE、RMSE和MAPE值分析來(lái)看,其值偏大可能主要是由于個(gè)別天的模擬結(jié)果差異較大造成的。廣西北海、湖南長(zhǎng)沙二個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的結(jié)果(圖2)表明,該模擬方法對(duì)于太陽(yáng)輻射觀測(cè)值較低的模擬還存在不足,模擬值比實(shí)測(cè)值高;對(duì)于太陽(yáng)輻射觀測(cè)值較高的模擬結(jié)果相對(duì)較好。一般來(lái)說(shuō),夏、秋季太陽(yáng)輻射較高,春、冬季太陽(yáng)輻射偏低,可見(jiàn)計(jì)算模擬結(jié)果差異較大主要是在春、冬季。這可能與式(3)中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a和b值在不同季節(jié)的取值相同有關(guān),因此不同的季節(jié)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a和b值應(yīng)該有所不同。Podesta等在計(jì)算模擬太陽(yáng)輻射時(shí)將經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a和b值按不同月份給定不同的值。以上對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較分析與驗(yàn)證,模擬值與觀測(cè)值之間存在一定的偏差。測(cè)定誤差和儀器的差異也可能對(duì)這些偏差產(chǎn)生一定的影響。通常地面太陽(yáng)輻射值在氣候年的逐日動(dòng)態(tài)變化理論上多數(shù)均勻的分布在晴空狀態(tài)下的太陽(yáng)輻射之下,已有報(bào)道的觀測(cè)結(jié)果也表明這一現(xiàn)象。圖1為連續(xù)3年太陽(yáng)輻射逐日觀測(cè)動(dòng)態(tài),從其分布狀態(tài)來(lái)看,黑龍江漠河觀測(cè)點(diǎn)結(jié)果符合典型的理論分布型,因而得到的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性高。而湖南長(zhǎng)沙觀測(cè)點(diǎn)年初和年末出現(xiàn)了太陽(yáng)輻射低值密集區(qū),是否與觀測(cè)誤差有關(guān),值得商榷。3對(duì)模擬結(jié)果的評(píng)析本方法能較好地模擬我國(guó)不同區(qū)域范圍內(nèi)逐日太陽(yáng)輻