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逐日太阳辐射的模拟计算

逐日太阳辐射的模拟计算Ξ

童成立1,张文菊1,2,汤 阳1,王洪庆3

(11中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态重点实验室,长沙 410125;21华中农业大学

资源环境学院;31美国佛罗里达农工大学环境科学研究所)

摘要:在分析国内外太阳辐射估算方法的基础上,建立了一种简单实用、易操作的模拟逐日太阳辐射的方法,仅需要输入站点的日照时数和地理信息。对我国不同区域9个代表站点的模拟结果与实际观测结果进行比较与统计检验,结果表明:模拟值与实测值之间相关显著(相关系数为0181~0193),模拟得到的晴空辐射值与多年实际观测最大值基本一致。该模拟方法的平均误差为1615%,平均偏差、平均绝对偏差和均方根偏差分别为0177、2109和2165M J?m-2?d-1。但此方法对于特定环境区域的模拟参数还需调整。

关键词:逐日太阳辐射;晴空辐射;日照时数;模拟

太阳辐射是地球表层上的物理、生物和化学过程的主要能量来源,也是生态系统过程模型、水文模拟模型和生物物理模型研究中的必要参数[1-4]。一般作物生长模拟模型中需要逐日的温度、降雨、太阳辐射数据[5-7],但只有少数站点进行了太阳辐射的逐日监测。随着天气、气候及作物生长模拟研究的逐步深入,太阳辐射资料的缺乏已成为其它气象资料充分利用的一个限制因素[8]。我国现有各种气象观测台站2500多个,而进行太阳辐射观测的台站约有110个,两者比率约为25∶1,但还高于全球的比率(500∶1)[4]。若用邻近站点的辐射观测值代替,则往往受到云量和其它天气要素的影响,较短的时间间隔(如逐日)的误差往往很大[8],因此需要利用已有的常规气象监测数据来模拟计算太阳辐射[9]。目前,太阳辐射模拟计算方法主要有三类:卫星遥感估算、统计模拟、经典方法模拟[3]。何洪林等基于大尺度的生态系统过程研究,通过组件技术实现G IS与太阳总辐射计算机模型集成,建立了太阳潜在总辐射计算模型[1]。在缺少光辐射观测资料研究中,一些统计模拟和经典方法模拟利用日照时数、云量、温度、降雨等变量计算太阳辐射[10],但大多数的模拟计算是利用光辐射与日照时数的经典方法模式来进行的[11]。本文将以我国各地区的9个典型站点的地理位置(包括经纬度和海拔高度)作为输入、日照时数数据,建立一种简单、实用的逐日太阳辐射模拟计算方法,为作物模型提供必要参数。1 模拟计算方法

111 大气上空太阳辐射

大气上空太阳辐射H0(M J?m-2?d-1)计算公式[11]:

H0=(1/π)?G sc?E0?(cosΦ?cosδ?sinW s+(π/180)?sinΦ?sinδ?W s)(1)式中:G sc为太阳常数,其值一般为1367W?m-2 (相当于1181108M J?m-2?d-1);E0为地球轨道偏心率校正因子;Φ为纬度;δ为太阳赤纬;W s为时角(角度)。

E0=1100011+01034221cosΓ+0100128sinΓ+ 01000719cos2Γ+01000077sin2Γ

δ=(180/π)?(01006918-01399912cosΓ+ 01070257sinΓ-01006758cos2Γ+01000907sin2Γ-

01002697cos3Γ+0100148sin3Γ)

式中:年角Γ=2π?(n-1)/365,单位为弧度,n为一年中的日序数。

W s=cos-1(-tanΦ?tanδ)

日出和日没间的时间间隔为日长(S L),假设在日出和日没时间太阳高度角为0,有:

S L=(2/15)?W s

112 地面晴空状态下的太阳辐射

在理想条件下(即晴空状态),大气上空太阳辐射通过大气层到达地面,有部分被大气吸收,直接辐射的透明度系数在014~018之间,散射辐射透明度系数在01153~01037之间[1]。P odesta等在计算阿根廷的总辐射时,晴空状态下计算得到大气的透明度系数为0173~0183,平均为0177[3]。根据已有的研究,通常情况下总辐射在大气中的透明度系数为018左右,特定的环境条件其透明系数有所差异。这里,对总辐射在大气中的透明度系数取018。即:

Ξ收稿日期:2004-07-27

 基金项目:中国科学院知识创新工程项目(K Z CX3-SW-426,K Z CX1-SW-01-14);国家自然科学重点项目(40235057) 作者简介:童成立(1964-),湖南汉寿人,副研究员,主要从事生态系统模拟模型研究。

中国农业气象(Chinese Journal of Agrometeorology) 2005,26(3):165-169

H L=018×H0(2)

式中:H L为晴天状态下的地面总辐射。

113 太阳辐射

逐日太阳辐射利用Angtrom2Prescott方程[11]计算: H=H L×(a+b×S/S L)(3)式中:H为日实测总辐射,H L为晴天状态下的日总辐射,S和S L分别为日照时数和日长,a和b为经验参数,一般根据太阳辐射实测值回归模拟得到。对于逐日太阳辐射的模拟计算,Alm orox没有考虑大气透明度系数,而是认为方程(3)的经验常数a和b之和为0175左右,通过对西班牙的太阳辐射模拟得到a为012170,b为015453[2]。也有相关的研究采用这种方法模拟计算,如Louche等报道法国地中海区域的a和b 值分别为01206和01546;F AO建议a和b的值采用0125和0150;也有利用CG Ms模型模拟西班牙的太阳辐射,结果得到a和b值分别为01253和01502[2]。本文引用左大康等根据我国不同类型地区实测总辐射和日照百分率的月平均值和晴天状态下的月总辐射资料计算得到a为01248,b为01752[11]。

114 研究站点与结果检验方法

选取9个气象站进行计算分析比较,气象站分布在我国不同地区,其地理信息见表1。

表1 辐射观测台站地理信息

台站号省名站名经度/E纬度/N拔海高度(m)起始年终止年50136黑龙江漠河122°22′53°28′29619972000 50742黑龙江佳木斯130°17′46°49′8119612000 53845陕西延安109°30′36°36′95819902000 56146四川甘孜100°00′31°37′339419942000 57461湖北宜昌111°18′30°42′133******** 57687湖南长沙112°55′28°13′6819872000 57993江西赣州114°57′25°51′12419612000 56959云南景洪100°48′22°00′55319612000 59644广西北海109°07′21°29′1519932000注:台站信息资料来自国家气象中心。

实际太阳辐射观测值日变化分布选取接近所有

观测年份均值的连续3年的数据,模拟结果与实际

观测数据的相关分析统一选取2000年的数据。

结果检验方法利用模型模拟结果检验的两个基

本方法:相关分析和均方根偏差(root mean square er2

ror,RMSE,M J?m-2?d-1)。同时也利用平均偏差

(mean bias error,M ABE,M J?m-2?d-1)、平均绝对偏差

(mean abs olute bias error,M ABE,M J?m-2?d-1)以及平

均绝对误差(mean abs olute percentage error,M APE,%)

对结果进行检验。计算公式分别为:

M BE=1

n

n

i=1

(H S-H M)

M ABE=1

n

n

i=1

|H S-H M|

RMSE=1

n

n

i=1

(H S-H M)2

M APE=100

n

n

i=1

|H S-H M|/

1

n

n

i=1

H M

2 结果与讨论

根据建立的模式模拟计算了大气上界、地面晴空条件下的太阳辐射日变化,逐日太阳辐射值选取连续3年的实际观测结果。结果表明,多数观测点模拟计算得到的晴空辐射值与实际观测多年逐日最大值基本一致。但由于大气成分、云量、大气中水汽含量、以及大气悬浮物含量的差异,造成大气对太阳辐射的吸收和散射不同,影响了到达地面的太阳总辐射。四川甘孜的晴空辐射模拟值低于实际观测最大值(图1),可能是由于其处于西部山区,海拔较高,光线通过大气层的厚度较平原小,且空气稀薄,透明度良好,给定的大气透明度系数偏低造成的。湖南长沙观测站点地处大中型城市,受到城市热岛效应的影响,大气中的悬浮物相应较多,大气透明度较差,给定的大气透明度系数可能偏高,从而导致晴空辐射模拟值高于实际观测最大值较多。广西北海、黑龙江漠河的模拟结果较好(图1)。因此,对于部分特定区域的太阳辐射进行模拟计算时,大气透明度系数需给出一个校正系数。如许吟隆等提出有必要对模式的输出结果进行订正[8]。

对2000年模拟得到的逐日太阳辐射与实际观测值进行相关分析可见,二者的相关性均达到了极显著相关水平,9个观测点的相关系数为0181~0193,截距为0的斜率为0188~1115(图2为4个代

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?中国农业气象第26卷

表站点),其中多数站点的斜率在0195~1105之间,表明该模拟方法基本上可用于模拟逐日太阳辐射

逐日太阳辐射的模拟计算

逐日太阳辐射的模拟计算

大气上界太阳辐射 ———地面晴空条件下太阳辐射?实际观测太阳辐射图1 大气上界、地面晴空条件下和实际观测的太阳辐射日变化

从9个站点模拟值与实测值的误差分析结果(表2):四川甘孜和黑龙江漠河2个点的M BE值小于0,总体表明其模拟值小于观测值;其余7个站点的模拟值均大于观测值。而从M BE值的大小来看,广西北海、云南景洪和黑龙江漠河3个站点的结果在-110M J?m-2?d-1~110M J?m-2?d-1之内,其余6个站点的M BE值在这个范围之外。这不仅说明M BE的分析结果与前面的分析基本一致,也表明了太阳辐射模拟方法中需要对大气透明度系数进行校正。

M ABE和RMSE的计算结果与国内外相关报道基本一致[1,3-4,9],除长沙观测点外,89个观测站点的均值分别为2109和2165M J?m-2?d-1(表2)。M APE的计算结果平均为1615%,除长沙观测点外基本都小于20%,与张宇等的研究结果相近,高于何洪林等的研究结果[1],略高于Thornton的研究结果[9],低于许吟隆等的研究结果[8]。从对M ABE、RMSE和M APE值分析来看,其值偏大可能主要是由于个别天的模拟结果差异较大造成的。

表2 模拟结果统计分析

站点年观测均值(M J?m-2?d-1)M BE(M J?m-2?d-1)M ABE(M J?m-2?d-1)RMSE(M J?m-2?d-1)M APE(%)广西北海1411701572142310117108云南景洪1516501701187213711194江西赣州1212411371163210615187湖南长沙1016811252139218722137湖北宜昌1019911052112217319124四川甘孜18105-21032124218312143陕西延安1316821472151310418138黑龙江佳木斯1113511772108217118135黑龙江漠河12117-01241156212212186均值1312201772109216516150

广西北海、湖南长沙二个观测点的结果(图2)表明,该模拟方法对于太阳辐射观测值较低的模拟还存在不足,模拟值比实测值高;对于太阳辐射观测值较高的模拟结果相对较好。一般来说,夏、秋季太阳

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第3期童成立等:逐日太阳辐射的模拟计算

辐射较高,春、冬季太阳辐射偏低,可见计算模拟结果差异较大主要是在春、冬季。这可能与式(3)中的经验常数a 和b 值在不同季节的取值相同有关,因

此不同的季节经验常数a 和b 值应该有所不同。

P odesta 等在计算模拟太阳辐射时将经验常数a 和b

值按不同月份给定不同的值[4]

逐日太阳辐射的模拟计算

图2 太阳日辐射模拟值与实测值比较(2000年)

以上对模拟结果与实际观测结果进行了比较分析与验证,模拟值与观测值之间存在一定的偏差。测定误差和仪器的差异也可能对这些偏差产生一定的影响[9]。通常地面太阳辐射值在气候年的逐日动态变化理论上多数均匀的分布在晴空状态下的太阳辐射之下,

逐日太阳辐射的模拟计算

已有报道的观测结果[4,9]也表明这一现象。图1为连续3年太阳辐射逐日观测动态,从其分布状态来看,黑龙江漠河观测点结果符合典型的理论分布型,因而得到的模拟结果与观测结果的相关性高。

逐日太阳辐射的模拟计算

而湖南长沙观测点年初和年末出现了太阳辐射低值密集区,是否与观测误差有关,值得商榷。

3 结语

本方法能较好地模拟我国不同区域范围内逐日太阳辐射值,对于太阳辐射观测值较高的站点模拟结果相对较好。与已有的计算模拟方法相比,该方法所需的输入资料简单(日照时数、地理信息),相对误差不大,模拟值与实测值之间均达到了极显著相关水平,故具有普适的特点。今后的研究将对特定

的环境条件(如高山地区、城市周围等)的大气透明系数、不同季节的经验常数进行计算校正,使太阳逐日辐射值的模拟效果得到进一步完善。

本文应用的实际监测数据来自国家气象中心,特此致谢!参考文献:

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分布特征[J ].气象学报,1963,33(1):78-95.

Estimation of Daily Solar R adiation in China

TONG Cheng 2li 1,ZHANG Wen 2ju 1,2,TANG Yang 1

(11K ey Laboratory of Subtropical Agro 2ecology ,Institute of Subtropical Agriculture ,CAS ,Changsha 410125,China ;

21C ollege of Res ource and Environment ,Huazhong Agriculture University )

Abstract :Based on analysis of the different kinds of calculation methods on s olar radiation ,a simple ,practical and easy op 2erative m odel was built to estimate daily s olar radiation in China.The inputs of the m needed were the sunshine hours and geological in formation of calculating stand.The simulated results for 9representative stations in the different regions of China were compared and statistically validated with the observation values.The results showed that the simulated s olar radi 2ations had significantly related to the observation values (R 2=0181-0193).The average error of calculation was 1615%,the average abs olute and the standard deviation were 0177,2109and 2165M J m -2d -1respectively.The simulation param 2eters needed to be adjusted in the special regions.

K ey w ords :Daily s olar radiation ;Clear sky radiation ;Sunshine hour ;S imulation

(上接第164页)

C alculation of Evaporation and its Application on Evaluating

W ater R esources of Agriculture in Jiangxi Province

DU Xiao 2ling ,WEI Li ,HUANG Shao 2ping ,LIU Wen 2ying

(Agricultural M eteorological Center of Jiangxi Province ,Nanchang 330046,China )

Abstract :Based on the fam ous Penman formula and local observed meteorological data from 1993to 2000,a calculated m odel of evaporation for Jiangxi province ,which is in m ons oon climate region ,was developed.The difference of precipita 2tion and evaporation during crop seas on were calculated to evaluate the local agricultural water res ources.The results showed that there was a rich agricultural water res ources in Jiangxi in general ,but it was rich from March to June and short from July to October ;And there was the spatial variation als o ,it displayed much m ore water profit in east than that of in west ,and m ore in m ountain than in plain region.

K ey w ords :Evaporation m odel ;Penman formula ;Agricultural water res ources ;Evaluate

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