逐日太阳辐射的模拟计算

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中国农业气象 ( h e J r l g m t￣o ) Ci s o n r eo l y n e u adA o e g

2O, ()1. 6 O52 3:6—1 6 5 9

逐日太阳辐射的模拟计算童成立l,张文菊，一汤阳， 王洪庆(. 1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 40 2; .中农业大学 11 2华 5资源环境学院； .国佛罗里达农工大学环境科学研究所 ) 3美

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 08一 . )模拟得到的晴空辐射值与多年实 . 09, l 3际观测最大值基本一致。该模拟方法的平均误差为 1.%。 65平均偏差、均绝对偏差和均方根偏差分别为平 07、.和 26M -.~。但此方法对于特定环境区域的模拟参数还需调整。 . 20 7 9 . Jm 2d 5

关键词：日逐太阳辐射；晴空辐射；照时数；日模拟

太阳辐射是地球表层上的物理、生物和化学过程式[】 1: 1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【 4—般作物 1】 -。生馋溪拟模型中需要逐日的温度、雨、阳辐射数降太据【 7但只 5】 . -,有少数站点进行了太阳辐射的逐日监测。 随着天气、气侯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—个H=(/c- k E -cs c s Ws r 8 ) D 1丁 G D(oO ∞ -i+(J10 ) n s O ) i n () 1

式中：蛐 G为太阳常数，值一般为 1 6 m其 7 3 W

(相当于 1 . 8 -,.) 1 1Ⅷ m 2d1; 80为地球轨道偏心率校正因子；为纬度；为太阳赤纬；为时角( 8 W-角度)。,

= 1 0 0 1+ 0. 3 2 1 o f+ 0 0 1 8 i P+ .0 1 0 4 2 cs .0 2 s n 0 0 0 1 c吕 l+0. 0 0 7 i2 . 0 7 9 02 r 0 0 7 s P n

限制因素。我国现有各种气象观测台站 2 0 8 5多个， 0 而进行太阳辐射的台站约有 1

个，懒0 1两者比率约为 0 2:但还高于全球的比率(: E。若用邻近站点的 51。如 14 )]辐射观测值代替，峪授到云量和其它贝天气耍紊的影响，较短的时间间隔(如逐日)的误差往往很大[, B因此 l需要利用已有的常规气象监测数据来模拟计算太阳辐9l。一

8= ( 8/ 10￣)-( .098— 03 9 1cs+ 006 1 .99 2of0 0 ( 7iF一0 0 S= o .7 E5 s n .0 7 0 5 8+0.0 5口 n r一 0 00 2 1

00∞ . 0

r .+00 0

6) r

式中：年角 r= n )35单位为弧度，为 (一1/6, n年中的日序数。W。 0 ( a O t =cs一tn r) a

目前。太阳辐射模拟计算方法主要有三类：卫星通过组件技术实现与

遥感佶算、统计模拟、经典方法模拟[。何洪林等基于 3 l。

日出和日没间的时间间隔为日长 (L,设在 S)假日出和日没时间太阳高度角为 0有：,S=(/5 L 2 1)W。12 .

,

建立了太阳潜在总辐射计

算模型 l在缺少光辐射观测资料研究中， l。—些统计模

拟和经蜒方 j利用日照时数、云量、温度、降雨等变在理想条件下 (即晴空状态 )大气上空太阳辐，量讨 ; l蜘，i日} 侄大多数睁 p拟计算是禾用射射通过大气层到达地面， I J有部分被大气吸收，接辐直与日煦时数的经典方法模式来进行的[l本文将以我射的透明度系数在 04 08间，射辐射透明度 1。 l .— .之散国各地区的9个典型站点的地理位置(包括经纬宦和海系数在 0 1 007间…。Pds等在计算阿根 .3 .之 1 o t 5 3 ea拔高度)输^日作为、照时数数据，建立—种简单、实用的廷的总辐射时，晴空状态下计算得到大气的透明度逐日瞒酗太研算方法，为怍魁镡数。参 系数为 07 08, . .平均为 071。根据已有的研 3 3 . 3 7]究。通常情况下总辐射在大气中的透明度系数为 08 .

1模拟计算方法11大气匕 .空太阳辐射大气上空太阳辐射 ( .)算公Ⅷ m d1计

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 08 .。即：

收稿日； 0— 7 2期 2 4 0—7 0基金项

目：中国科学院知识创新工程项目( T X一Ⅳ一 2,Z X— W一 1 1;自然科学重点项目( 2 Q K C 3 s 4 KE I S 0— 4国家 _ 6 ) 4 3 ) 05作者简介：童成￣ (94, 1一)湖南汉寿人， 6副研究员 .主要从事生态系统模拟模型研究。

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16 6H=0 8 o L .×H

中国农业气象() 2

第 2卷 6

027,为 05 3 . 0b . 5[ 1 4。也有相关的研究采用这种方法模拟计算， Iu e如 _ c等报道法国地中海区域的 a b oh和 值分别为 0 0和 05;A .6 2 . 6 F O建议 a b 4和的值采用 02和 0 0也有利用 C M模型模拟西班牙的太阳 . 5 .; 5 Gs辐射，结果得到 a b分别为 023 052] 和值 .和 .[。本 5 02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 028b 0 5T]为 .,为 .2。 4 7 M

式中： L H为晴天状态下的地面总辐射。 13太 .逐日太阳辐射利用 A gm -r ct方程_J ntm Pe o st 1计算： 1H=H×(+b/ L L a×S S) () 3

式中：日实测总辐射， L H为 H为晴天状态下的日 总辐射，和 s别为日照时数和日长，和 b经 s a为验参数，—般根据太阳辐射实测值回归模拟得到。对于逐日阳辐射的模拟计算，LO X太 AIl没有考虑大气 I￣ l

14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，象站分气

透明度系数，而是认为方程() 3的经验常数 a b和之和为 07左右， . 5通过对西班牙的太阳辐射模拟篌 U为 a

布在我国不同地区，其地理信息见表 I。

表 1辐射观测台站地理信息

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的数据，拟结果与实际年模观测数据的相关分析统—选取 2 O 0年的数据。 0 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 ( 0ma ur e r t e s a r o n q e - m,M E M I I)同时也利用平均偏差 r S, J m 2 d1。 R ( e a eo, A EM

)平均绝对偏差 ma b s rrM B,Jm d、 n i r( enasl eb s r rMA E, J ml I ) m a o t i r, B M 2 d 1以及平 b u a eo

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、量、气中云大水汽含量、以及大气悬浮物含量的差异，成大气造对太阳辐射的吸收和散射不同，响了到达地面的影

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 ( 1,图 )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，气中的悬浮物相应较多，大

均绝对误差 ( en b lep cn g eo M P, m a su e ete rr A E%) a ot r a r,对结果进行检验。计算公式分别为：

ME{量 H— M B= (SH)MA BE= I—HMI Hs厂——————~

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、龙江漠河的模拟结果较好黑

( I。因此，图 )对于部分特定区域的太阳辐射进行

R S=/∑ (一H ) M E^ M n i=l

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 i[。 Fs 1对 20年模拟得到的逐日太阳辐射与实际观 0O

M P=0￣ AE 1 0:

Ils M n1 I—‘ H I H i‘ iH“耋M= =“ I

2结果与讨论根据建立的模式模拟计算了大气上界、面晴地空条件下的太阳辐射日变化，日阳辐射值选取逐太连续 3年的实际观测结果。结果表明，多数观测点

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，个观测点的相关系数为 08— 9 . 1 09, .截距为 0 3的斜率为 08一I1( 2 4代 . 8 .图为个 5

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第3期

童成立等：日太阳辐射的模拟计算逐

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表站点)其中多数站点的斜率在 09一1 5间，, . 5 .之

0

表明该模拟方法基本上可用于模拟逐日阳辐射。太

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年日序数

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( 2可以看出：川甘孜和黑龙江漠河 2个点的表 )四

MB A E和 R S M E的计算结果与国内外相关报道基本一致【34J除长沙观测点外，9 1 -,,, 9 8个观测站点的均值分别为 2 9和 26M ( 2。 . 0 . Jm 5 d表 ) M P的计算结果平均为 1.%,沙观测点外基 AE 65除长本都小于 2%, 0与张宇等的研究结果相近，高于何洪林等的研究结果_,高于 To t的研究结果【 1略 J hn n ro,低于许吟隆等的研究结果。从对 M B、 M E和 8 AER S值分析来看，偏大可能主要是由于个别天其值的模拟结果差异较大造成的。

ME B值小于 0总体表明其模拟值小于观测值；余，其 7个站点的模拟值均大于观测值。而从 M E B值的大小来看，广西北海、南景洪和黑龙江漠河 3云个站点的结果在一 .砌 2d 1砌 2d 1 0 m- ~ . 0 m- 之内， 其余6个站点的 M E B值在这个范围之外。这不仅说明阳辐射模拟方法中需要对大气透明度系数进f校正。=亍

M E的分1结果与前面的分析基本一致， B斤也表明了太岫

表 2模拟结果统计分析

广西北海、湖南长沙二个观测点的结果 ( 2表图 )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，拟值比实测值高；模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 2卷 6

辐射较高，、季太阳辐射偏低，见计算模拟结春冬可

此不同的季节经验常数 a b和值应该有所不同。Pds等在计算模拟太阳辐射时将经验常数 a b oea t和 值按不同月份给定不同的值[。引

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

b和值在不同季节的取值相同有关，因

羔一

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实测值

J ),

图 2太阳日射模拟值与实测值比较 ( 0年 )辐 2O 0

以上对模拟结果与实际观测结果进行了比较分析与验证，拟值与观测值之间存在一定的偏差。模

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！

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【。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，已有报道的观测结果l9 4] .也表明这一现象。图 1为连续 3年太阳辐射逐日观测动态，其从分布状态来看，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

参考文献：[]洪林， 1何于贵瑞，牛栋 .复杂地形条件下的太阳资源辐射计算方法研究[]资源科学， 0, ()7— 5 J. 2 32 1: 8. O 5 8 [] l呷【,- oa .,bl0r d t豳 m i 2Am啦J I r C Coaea瑚 ii痂 I i mt t l am ul s1 g舢 dR li SaI J .E eg ov￣o n 哪 - l￣o n pi[] nr C ne inadMl l I y

关性高。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，否与观测误差有关，得是值商榷。

n, 04 4 (—1) 12 5 5 2 0, 5 9 0:59—13 .

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，于太阳辐射观测值较高的站点模拟对结果相对较好。与已有的计算模拟方法相比，该方

【] tt , nhr, w o .宕I 3 Hm A K ea L S￣ tC E t L , J l i

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tnf u nc p d i[] A I l l n Fr t e o l i o∞i r脚 d I J. al I d o s M t r - o r o l g haa e e ooy 98 9 ( g,19, 13—4:9—30. )23 0

[]eea Ql舶， . m 4Pds, i帕P tha№, tI Vl uv ad盯 t l k t l ea. i nea n M l ea . A[] E| di l d tni t r * a J. s a t a yse r i i e S a e l o r a ao n h A e￣Me o l y O 4 13 1 ) t ro,2O,2 (—2: eo g

法所需的输入资料简单(日照时数、地理信息)相对 P m a, alllad, a ps A I r n h8误差不大，值与实测值之间均达到了极显著相 4l一 5 模拟 3.关水平，故具有普适的特点。今后的研究将对特定

[] 5李秉柏，马新明，徐立华.棉花干物质积累的模拟模型与

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童成立等：日太阳辐射的模拟计算逐[] ln Pt, e w. nip v g￣m f t 9ao t lr￣, er S v eE t￣ A玎Ie a ot r s— I o d l,h oeie r r.igicd n al oa rdlil n n ie t i slrl it l d y a io lne翱 n la 砣 0 tmp r— f e ea

检验[]中国农业气象， 9,92:o 2. J. l 81()2一 4 9 [] 6刘建栋，于强，金之庆， .等冬小麦叶片光合作用农业气象数学模型研究[]中国农业气象， O, ()2— 5 J. 2 32 1: 2. O 4 2[ H0 l0,C rt￣tb tn0 g e o oyt te 7 0 l唧 J b,t .C r u o fat t mlg h el i i￣n e l o

tl hm dy ad r i ti[] . ru￣ adFr t e u, u it, n e pa o J .A i l r e i p c itn . c t n o s M— g e to l y 99 9 ( )21 2 . er o,19,3 4:1—28 ol g

面圳lilf I 0唧 p dco adi petm[J . al t 0 r utn n s plao J.A o i ta i i,￣adf t t【 l 2 O,0 (—2:3—17 n l e 00彻睛 E, OO 13 1 )17 5 .

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[0张宇，四强 . 1]赵关于逐 E太阳辐射估算方法的探讨[] t J.气象， 9, ()5— 3 1 11 4 . 5 . 9 7 2

[]吟隆， ia ns利用 E l再分析数据验证 8许 R hr J e

. c do CI V￣ PE I对中国区域气候的模拟能力[]中国农业气象， RC S J.2O,5 1: 9 O4 2( )5— .

[1左大康， 1]王懿贤，建绥 .陈中国地区太阳总辐射的空间分布特征[ . J气象学报， 6, ()7— 5] 1 33 1:8 9 . 9 3

T N Can- ZE N W￣- 1 A G O G l gl, l G e i I A j,T N u2( . Ih脯l y0 Sb oi l e0, n ue0 Sb oi l c 1K| 0 f ut pc I r aA cl I￣tt f ut pe 0 r .A I a2C lg f舢 re n ni n a t￣ Og. .oee0 R l c dE vom t l l A a r。tu l .￣

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(上接第 14页 ) 6

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