潘永地，潘彥華，王金瑞，林建忠

（1.溫州市氣象局，浙江 溫州 325027；2. 溫州臺風(fēng)監(jiān)測預(yù)報技術(shù)重點實驗室，浙江 溫州 325027；3.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225;4.北京坤輿天信科技有限公司，北京 100044）

短波輻射是反映太陽輻射能量輸入的主要部分之一，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象服務(wù)、太陽能資源評估[1-3]中經(jīng)常使用的一個要素。監(jiān)測短波輻射的輻射站數(shù)量少，分布十分稀疏。然而，太陽能電站、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等都對短波輻射數(shù)據(jù)有實際的需求，輻射站監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)直接運用到距離較遠地點時會出現(xiàn)很大的偏差，不利于服務(wù)生產(chǎn)活動，也不利于山區(qū)氣候資源的開發(fā)利用。所以，探討研究利用遙感手段計算任意地點的短波輻射具有重要的實際意義。目前，有較多學(xué)者開展了利用遙感計算太陽輻射、日照時數(shù)、云量等研究。葉一舫等[4]運用NOAA衛(wèi)星的AVHRR資料，采用站點周圍遙感影像元反射率平均值代表天空遮蔽情況，建立方程，得出了站點所處影像元平均反射率與站點日照時數(shù)在統(tǒng)計上的相關(guān)關(guān)系。施國萍[5]、陳鵬翔[6]、Fagbenle[7]等通過遙感衛(wèi)星云圖計算格點總云量，建立白天總云量平均值與日照百分率之間的關(guān)系模型。蒲肅等[8]利用站點位置的云量、亮溫、可見光反射率、大氣可降水等特征量與太陽輻射總衰減率建立了回歸方程，計算太陽輻射總衰減率，發(fā)現(xiàn)在月時間尺度上關(guān)系較好，在小時時間尺度上效果較差。彭冬梅等[9]運用遙感云圖計算出站點云量，建立日照百分率計算模型，并將其作為輸入量，計算出格點的總輻射。宋慶利等[10]采用云圖亮溫與太陽天頂角、地面及云的反射率擬合地面凈輻射。郁云等[11]通過云圖提取反差、熵、灰度等紋理特征，建立太陽輻射衰減系數(shù)的回歸模型。李凈等[12]將氣溶膠、云、水汽等遙感產(chǎn)品和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)作為輸入因子利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算了一些站點的太陽輻射月均值。應(yīng)王敏等[13]利用MODIS產(chǎn)品和地面氣象觀測數(shù)據(jù)通過機器學(xué)習(xí)建立日時間尺度的短波凈輻射計算模型。Wang[14]、Olseth[15]等其他國內(nèi)外專家也做了類似的研究，這些方法為利用遙感數(shù)據(jù)計算任意點的太陽輻射或日照時間提供了思路，基本上反映出較長時間尺度上的統(tǒng)計關(guān)系，沒有體現(xiàn)具體的影響機制，在較小的時間尺度上誤差較大，不適合擴展到小時級別以下時間尺度輻照度的計算。Li[16]、Platnick[17]、Tang[18]等利用衛(wèi)星遙感通道產(chǎn)品直接計算小時級別到達地表光合有效輻射量或日照時數(shù)。這一類研究使得對太陽輻射的計算在時間尺度上精確到小時成為可能。本研究通過物理機制建立地表短波輻射反演模型，利用葵花、MODIS衛(wèi)星通道產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品（具體產(chǎn)品見文中公式說明）作為輸入數(shù)據(jù)，計算任意格點的短波輻射，結(jié)合站點實測數(shù)據(jù)建立訂正模型，并制作了浙江省全境2020年10月1日15點的短波輻射分布圖，形成了物理意義清晰、數(shù)據(jù)來源穩(wěn)定、誤差較小的小時級別以下時間尺度間隔瞬時短波輻射計算方法，為精細化的農(nóng)業(yè)氣象資源區(qū)劃、太陽能評估等業(yè)務(wù)提供新的方法。

1 方法和資料

根據(jù)短波輻射與光合有效輻射的能量關(guān)系和大氣中冰云、水云及晴空對光合有效輻射的衰減規(guī)律，建立到達地表短波輻射輻照度的反演模型。將模型中的變量轉(zhuǎn)化為有穩(wěn)定數(shù)據(jù)來源的衛(wèi)星產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，實現(xiàn)模型的計算。由站點短波輻射實測數(shù)據(jù)與反演模型計算結(jié)果建立訂正模型。由訂正模型得出格點短波輻射訂正值。由站點的實況值與訂正值之差計算出站點殘差，并插值到格點，與前述計算出的格點訂正值之和得出格點短波輻射輻照度的最終計算結(jié)果。

1.1 地表短波輻射反演模型

根據(jù)文獻[19]的研究，可以建立如下關(guān)系：

R短波=2RPAR

（1）

式（1）中：R短波為到達地面的短波輻射輻照度，RPAR為到達地面的光合有效輻射輻照度。根據(jù)Qin J等[20]提出的晴空透射率公式和冰云透射率公式結(jié)合氣溶膠的吸收和散射、地表與大氣間的反射作用建立到達地表的光合有效輻射輻照度計算模型。

（2）

ρa,all=（1-Cw-Ci）ρa,clr+Cwρa,wc+Ciρa,ic

（3）

式（2）中：Rclr、Rwc、Ric分別為晴空、水云、冰云條件下的地表光合有效輻照度；Cw、Ci分別為水云、冰云的占比（葵花H8云產(chǎn)品）；ρa,all、ρg為大氣、地表光合有效輻射波段反照率。式（3）中，ρa,clr、ρa,wc、ρa,ic分別為晴空、水云、冰云的光合有效輻射波段透射率。

ρa,clr由式（4）～（12）[18]計算。

（4）

τw=exp[-0.000 21（mw）0.709 91

（5）

τo=exp[-0.005 218（ml）0.960 54

（6）

τg≈1.0

（7）

τr=exp[-0.140 57（mc）0.883 84

（8）

τaa=exp[-2.181 57（mβ）0.939 88（1-ωa）

（9）

τas=exp[2.181 57（mβ）0.939 88ωa

（10）

m=exp[-0.000 21（mw）0.709 91

（11）

mc=m（ps/p0）

（12）

ρa,wc，ρa,ic由式（13）～（18）[19]計算。

（13）

（14）

（15）

δ=CWP（a0+a1/re）

（16）

ω=1-b0-b1re-b2re2

（17）

g=c0+c1re+c2re2

（18）

式（13）～（18）中，ρa,cloud代表ρa,wc，ρa,ic。是光合有效輻射波段云光學(xué)厚度[20]，ω是云單次散射反照率，g是云不對稱因子，re是云有效粒子半徑，CWP是云水路徑（單位gm-2,葵花H8云產(chǎn)品）。式（17）～（18）中，b0、b1、b2在光合有效輻射波段內(nèi)均取0，a0、a1、c0、c1、c2的取值見表1[21]。

表 1 公式（16）、（18）中參數(shù)的取值Table 1 Coefficients in Equations （16）and（18）

Rclr由式（19）～（26）計算。

Rclr=Ro（τbclr+τdclr）

（19）

（20）

τbclr=τoτwτgτaaτasτr

（21）

τdclr=τd,rclr+τd,aclr

（22）

τd,rclr=0.5τoτwτgτaa（1-τr）

（23）

τd,aclr=faer（μ）τoτwτgτaaτr（1-τas）

（24）

（25）

t=（μ+0.1）0.25

（26）

式（25）中：ga為氣溶膠不對稱因子，參考文獻[18]，本研究取值為0.7。

Rwc、Ric分別由式（27）～（30）計算。

Rwc=Rclrτwc

（27）

Ric=Rclrτic

（28）

（29）

（30）

式（27）～（30）中：τwc和τIc分別表示水云和冰云透射率；U03為臭氧數(shù)量（單位：kg·m-2，GFS預(yù)報產(chǎn)品）；μ為太陽高度角余弦值（葵花H8L1文件）；aw（μ）、bw（μ）、cw（μ）以及η（U03,μ）和ρ（U03,μ）為不同太陽高度角余弦值對應(yīng)的系數(shù)，計算方法參考文獻[22-24]。式（1）～（30）構(gòu)成完整的基于遙感和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的短波輻射輻照度反演模型，可以計算任意點的短波輻射。

1.2 訂正模型

反演模型中存在一些假定條件并引用了一些數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，由式（1）～（30）計算出的結(jié)果存在誤差，為了減少誤差，將該結(jié)果作為初步計算值，進行訂正后成為訂正值。取訂正模型為線性，即式（31）。

R短波′=aR短波+b

（31）

式（31）中:R短波′為短波輻射擬合值，R短波為短波輻射初步計算值；a、b為待定系數(shù)，由樣本資料的短波輻射實測值代入R短波′，由式（1）～（30）計算出的短波輻射值代入R短波，建立回歸方程，通過最小二乘法形成訂正模型。

1.3 殘差修正

各站點的實測值與經(jīng)反演模型和訂正模型計算出的訂正值之差得到站點殘差，由式（32）表示。

△R=R短波測-R短波′

（32）

式（32）中：△R為殘差，R短波測為輻射站上的短波輻射實測值。各站點的訂正值加上殘差等于實測值，各站點的殘差插值到格點得到格點殘差，由格點的訂正值與相應(yīng)的格點殘差之和得出格點最終的短波輻射計算值。

1.4 資料

短波輻射實測資料采用浙江省境內(nèi)湖州德清站、寧波鎮(zhèn)海站、杭州站的直接輻射和散射輻射的輻照度為實測資料，將直接輻射與散射輻射的輻照度之和作為短波輻射輻照度。

站點位置：杭州站經(jīng)緯度為120°10′E、30°14′N；湖州德清站經(jīng)緯度為119°59′E、30°32′N；寧波鎮(zhèn)海站經(jīng)緯度為121°37′E、29°59′N。

資料時間分別為：2019年10月、2020年1月、2020年2月、2020年4月、2020年5月、2020年7月、2020年8月、2020年9月10：00—16：00間逐時整點及2020年10月1日15點。

遙感數(shù)據(jù)采用同期逐時葵花衛(wèi)星云相態(tài)云類型、云量、氣溶膠渾濁度系數(shù)、有效粒子半徑、氣溶膠單次散射反照率、云水路徑，以及MODIS衛(wèi)星臭氧層厚度產(chǎn)品。數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品采用同期全球預(yù)報系統(tǒng)（GFS）可降水水汽厚度、表面大氣壓、海平面大氣壓、臭氧數(shù)量等小時預(yù)報產(chǎn)品。

2 結(jié)果和分析

湖州德清站、寧波鎮(zhèn)海站、杭州站在各季節(jié)代表月中逐日按照10:00—16:00整點時刻根據(jù)1.1反演計算結(jié)果與實測值的關(guān)系（圖1）。

由圖1可見，反演計算值與實測值基本呈線性關(guān)系。擬合趨勢線的截距有一定的季節(jié)特征：秋季代表月份（10月）擬合趨勢線的截距在各站均為負值；冬季代表月份（1月）擬合趨勢線的截距在各站均為負值；春季代表月份（4月）擬合趨勢線的截距在各站均為正值；夏季代表月份（7月）擬合趨勢線的截距在各站均接近0。不同站點擬合趨勢線斜率在同一月份中大致接近。

在輻射監(jiān)測站點比較多的條件下，可以對各輻射監(jiān)測站的短波輻射分別建立反演計算結(jié)果訂正模型，然后將線性模型中系數(shù)插值到格點上得到格點的反演計算訂正模型。但是，浙江省目前輻射站比較少，而且分布不均勻，所以，結(jié)合圖1特征，分別對同一季節(jié)代表月的數(shù)據(jù)進行混合，建立訂正模型，用來訂正浙江省的反演短波輻射輻照度的計算結(jié)果。

圖 1 浙江省3個輻射監(jiān)測站短波輻射計算值與實測值的關(guān)系Figure 1 The relationship between the calculations and the measured data at 3 stations in Zhejiang

表 2 各季代表月短波輻射訂正模型 Table 2 The modified model of shortwave radiation in typical month of each season

表 3 寧波鎮(zhèn)海站2020年2、5、8、9月10：00—16：00逐時反演短波輻照度訂正后誤差情況 Table 3 The errors of corrected shortwave radiation conducted by inversion model at each hour from 10:00 to 16:00 in February，May，August and September 2020

圖 2 浙江省2020年10月1日15點短波輻射分布示意Figure 2 Distribution Maps of shortwave radiation in Zhejiang at 15:00, October 1, 2020

浙江省春、夏、秋、冬各季代表月短波輻射的訂正模型見表2。

由表3可見，訂正后誤差基本能夠達到業(yè)務(wù)使用要求，可以克服輻射站點分布稀疏的限制，又可以在空間和時間上掌握太陽輻射能量變化的規(guī)律。

將基于遙感和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的反演計算結(jié)果輸入訂正模型，得出各格點短波輻射訂正值，并進行殘差修正，然后得到浙江省在2020年10月1日15點的短波輻照度分布，如圖2所示。

由圖2可見，本研究方法可以在一定誤差范圍內(nèi)計算出任何地點任何整點時刻（最小時間間隔尺度決定于遙感產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品時間）的短波輻照度，并且具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源，可用于太陽能評估、農(nóng)業(yè)氣候資源評估等實際業(yè)務(wù)。

3 結(jié)論與討論

1）本研究發(fā)現(xiàn)短波輻射反演計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果存在較好的線性關(guān)系，可以由實測數(shù)據(jù)建立線性訂正模型，減少誤差。當(dāng)計算區(qū)域內(nèi)較為均勻地分布著多個太陽輻射監(jiān)測站點時，可以由各站數(shù)據(jù)分別建立線性模型，并將站點訂正模型中的系數(shù)插值到格點，形成格點訂正模型，從而提高格點的精度。太陽輻射監(jiān)測站點較少時，可由站點訂正模型直接訂正格點。

2）目前比較容易獲取葵花、MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品和GFS數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，由反演模型計算并經(jīng)訂正模型訂正，可較為方便地計算出任意時刻任意地點的短波輻射值，為距離輻射監(jiān)測站較遠區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源評估、太陽能評估等提供了一種較理想的方法。

3）本研究中介紹的反演計算模型存在一些參數(shù)假設(shè)，也采用了數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，便于日常業(yè)務(wù)計算，但也造成計算結(jié)果誤差的復(fù)雜性。直接利用遙感產(chǎn)品，根據(jù)云類別、云頂高度、光學(xué)厚度等[22-24]計算太陽與計算位置之間的云遮蔽情況，進而得出輻射值，僅基于遙感產(chǎn)品計算輻射結(jié)果，既可以減少假設(shè)，也可以脫離數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，從而減少誤差來源，值得進一步深入研究。