太陽輻射的一種實用模擬方法

太陽輻射的一種實用模擬方法

太陽輻射是地球表面物理、生物和化學(xué)過程的主要能量來源。它也是生態(tài)系統(tǒng)過程模型、水文模擬模型和生物物理模型的必要參數(shù)。一般作物生長模擬模型中需要逐日的溫度、降雨、太陽輻射數(shù)據(jù),但只有少數(shù)站點進(jìn)行了太陽輻射的逐日監(jiān)測。隨著天氣、氣候及作物生長模擬研究的逐步深入,太陽輻射資料的缺乏已成為其它氣象資料充分利用的一個限制因素。我國現(xiàn)有各種氣象觀測臺站2500多個,而進(jìn)行太陽輻射觀測的臺站約有110個,兩者比率約為25∶1,但還高于全球的比率(500∶1)。若用鄰近站點的輻射觀測值代替,則往往受到云量和其它天氣要素的影響,較短的時間間隔(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)測數(shù)據(jù)來模擬計算太陽輻射。目前,太陽輻射模擬計算方法主要有三類:衛(wèi)星遙感估算、統(tǒng)計模擬、經(jīng)典方法模擬。何洪林等基于大尺度的生態(tài)系統(tǒng)過程研究,通過組件技術(shù)實現(xiàn)GIS與太陽總輻射計算機模型集成,建立了太陽潛在總輻射計算模型。在缺少光輻射觀測資料研究中,一些統(tǒng)計模擬和經(jīng)典方法模擬利用日照時數(shù)、云量、溫度、降雨等變量計算太陽輻射,但大多數(shù)的模擬計算是利用光輻射與日照時數(shù)的經(jīng)典方法模式來進(jìn)行的。本文將以我國各地區(qū)的9個典型站點的地理位置(包括經(jīng)緯度和海拔高度)作為輸入、日照時數(shù)數(shù)據(jù),建立一種簡單、實用的逐日太陽輻射模擬計算方法,為作物模型提供必要參數(shù)。1標(biāo)準(zhǔn)的模擬計算方法1.1wm-2大氣上空太陽輻射H0(MJ·m-2·d-1)計算公式:H0=(1/π)·Gsc·E0·(cosΦ·cosδ·sinWs+(π/180)·sinΦ·sinδ·Ws)(1)式中:Gsc為太陽常數(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為太陽赤緯;Ws為時角(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)日出和日沒間的時間間隔為日長(SL),假設(shè)在日出和日沒時間太陽高度角為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)),大氣上空太陽輻射通過大氣層到達(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等在計算阿根廷的總輻射時,晴空狀態(tài)下計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太陽輻射的模擬逐日太陽輻射利用Angtrom-Prescott方程計算:H=HL×(a+b×S/SL)(3)式中:H為日實測總輻射,HL為晴天狀態(tài)下的日總輻射,S和SL分別為日照時數(shù)和日長,a和b為經(jīng)驗參數(shù),一般根據(jù)太陽輻射實測值回歸模擬得到。對于逐日太陽輻射的模擬計算,Almorox沒有考慮大氣透明度系數(shù),而是認(rèn)為方程(3)的經(jīng)驗常數(shù)a和b之和為0.75左右,通過對西班牙的太陽輻射模擬得到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算,如Louche等報道法國地中海區(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)我國不同類型地區(qū)實測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算得到a為0.248,b為0.752。1.4結(jié)果的檢驗mabe選取9個氣象站進(jìn)行計算分析比較,氣象站分布在我國不同地區(qū),其地理信息見表1。實際太陽輻射觀測值日變化分布選取接近所有觀測年份均值的連續(xù)3年的數(shù)據(jù),模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)分析統(tǒng)一選取2000年的數(shù)據(jù)。結(jié)果檢驗方法利用模型模擬結(jié)果檢驗的兩個基本方法:相關(guān)分析和均方根偏差(rootmeansquareerror,RMSE,MJ·m-2·d-1)。同時也利用平均偏差(meanbiaserror,MABE,MJ·m-2·d-1)、平均絕對偏差(meanabsolutebiaserror,MABE,MJ·m-2·d-1)以及平均絕對誤差(meanabsolutepercentageerror,MAPE,%)對結(jié)果進(jìn)行檢驗。計算公式分別為: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太陽輻射模型結(jié)果分析與對比根據(jù)建立的模式模擬計算了大氣上界、地面晴空條件下的太陽輻射日變化,逐日太陽輻射值選取連續(xù)3年的實際觀測結(jié)果。結(jié)果表明,多數(shù)觀測點模擬計算得到的晴空輻射值與實際觀測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,造成大氣對太陽輻射的吸收和散射不同,影響了到達(dá)地面的太陽總輻射。四川甘孜的晴空輻射模擬值低于實際觀測最大值(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。湖南長沙觀測站點地處大中型城市,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際觀測最大值較多。廣西北海、黑龍江漠河的模擬結(jié)果較好(圖1)。因此,對于部分特定區(qū)域的太陽輻射進(jìn)行模擬計算時,大氣透明度系數(shù)需給出一個校正系數(shù)。如許吟隆等提出有必要對模式的輸出結(jié)果進(jìn)行訂正。對2000年模擬得到的逐日太陽輻射與實際觀測值進(jìn)行相關(guān)分析可見,二者的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著相關(guān)水平,9個觀測點的相關(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個代表站點),其中多數(shù)站點的斜率在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輻射。從9個站點模擬值與實測值的誤差分析結(jié)果(表2)可以看出:四川甘孜和黑龍江漠河2個點的MBE值小于0,總體表明其模擬值小于觀測值;其余7個站點的模擬值均大于觀測值。而從MBE值的大小來看,廣西北海、云南景洪和黑龍江漠河3個站點的結(jié)果在-1.0MJ·m-2·d-1~1.0MJ·m-2·d-1之內(nèi),其余6個站點的MBE值在這個范圍之外。這不僅說明MBE的分析結(jié)果與前面的分析基本一致,也表明了太陽輻射模擬方法中需要對大氣透明度系數(shù)進(jìn)行校正。MABE和RMSE的計算結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)報道基本一致,除長沙觀測點外,89個觀測站點的均值分別為2.09和2.65MJ·m-2·d-1(表2)。MAPE的計算結(jié)果平均為16.5%,除長沙觀測點外基本都小于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MABE、RMSE和MAPE值分析來看,其值偏大可能主要是由于個別天的模擬結(jié)果差異較大造成的。廣西北海、湖南長沙二個觀測點的結(jié)果(圖2)表明,該模擬方法對于太陽輻射觀測值較低的模擬還存在不足,模擬值比實測值高;對于太陽輻射觀測值較高的模擬結(jié)果相對較好。一般來說,夏、秋季太陽輻射較高,春、冬季太陽輻射偏低,可見計算模擬結(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)驗常數(shù)a和b值應(yīng)該有所不同。Podesta等在計算模擬太陽輻射時將經(jīng)驗常數(shù)a和b值按不同月份給定不同的值。以上對模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)果進(jìn)行了比較分析與驗證,模擬值與觀測值之間存在一定的偏差。測定誤差和儀器的差異也可能對這些偏差產(chǎn)生一定的影響。通常地面太陽輻射值在氣候年的逐日動態(tài)變化理論上多數(shù)均勻的分布在晴空狀態(tài)下的太陽輻射之下,已有報道的觀測結(jié)果也表明這一現(xiàn)象。圖1為連續(xù)3年太陽輻射逐日觀測動態(tài),從其分布狀態(tài)來看,黑龍江漠河觀測點結(jié)果符合典型的理論分布型,因而得到的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)性高。而湖南長沙觀測點年初和年末出現(xiàn)了太陽輻射低值密集區(qū),是否與觀測誤差有關(guān),值得商榷。3對模擬結(jié)果的評析本方法能較好地模擬我國不同區(qū)域范圍內(nèi)逐日太陽輻