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黄土高原沟壑区太阳辐射时空分布特征及估算模型研究

张小萍  
【摘要】:太阳辐射是地球表层上的生物、物理和化学过程的主要能量来源,也是生态系统水文模拟模型、过程模型以及生物物理模型研究中的必不可少的参数。在地球与气候系统的长期演化过程中,由于地球轨道的变化而引起到达地球表面太阳总辐射量的变化在一定程度上起着“原始驱动力”的作用,这种太阳辐射量的变化对气候变化、农业生产以及人们的日常生活有非常重要的影响。随着地球科学和生态学研究尺度的不断扩展,地球表面太阳辐射的时空分布特征也日趋重要。农业生产潜力的估算和太阳能工程的研究设计都以太阳辐射日总量为重要依据。黄土高原沟壑区是我国西北地区重要的植被恢复与生态农业建设的地区,太阳辐射是该地区农作物生长和植被恢复的能源基础,研究黄土高原沟壑区太阳辐射资源的时空变异特征,建立该地区太阳辐射规律的数学模型,进而估算太阳辐射日总量,以便为对今后研究该地区的气候环境变化、农业生产活动以及有效开发利用太阳能提供科学依据。研究主要包括以下三个方面:1.太阳辐射时空特征分布研究应用2005-2014年的太阳辐射资料,分析研究了黄土高原沟壑区的反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射、总辐射在年、季、月、日时间尺度上的变异特征,在年时间尺度上,总辐射、反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射年分布不均匀,由于受该地区云量、降水、空气状况等各种因素,不同年份的太阳辐射有明显的差异。而季、月、日时间尺度上,由于太阳高度角的不同变化导致太阳光线光学路径长度的不同,造成了气溶胶粒子、空气分子和水汽等吸收物质和散射量的不同变化,最终综合的结果是随着太阳高度角的不同,太阳辐射量分布不同,主要表现为夏季和秋季太阳辐射分布多,冬季和春季太阳分布少,季节变化明显,与该地区的气候变化特点相吻合。2.总辐射与反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射、日照时数之间的相关性通过Pearson相关分析法研究了总辐射与反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射、日照时数之间的相关性,净辐射、光合有效辐射、紫外辐射与总辐射的相关性整体较高,基本都通过0.01水平的双侧检验。净辐射与总辐射的相关系数最高达0.986,10年平均相关系数在0.900以上,光合有效辐射与总辐射的相关系数最高达0.996,10年平均相关系数在0.930以上。总辐射与日照时数在日、月、季时间尺度都呈极其显著的正相关,而在日时间尺度下,相关系数在0.887~0.990之间,在月时间尺度下相关系数在0.739~0.939之间,在季时间尺度下相关系数在0.653~0.976之间。该地区总辐射和日照时数的相关性在日时间尺度下整体都较高,都在0.887以上,并且在0.01水平的极显著相关。因此,建立基于日照时数的太阳辐射日总量估算模型,利用拟合精度较高的估算模型计算出总辐射,再通过总辐射与反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射显著相关性,计算得到反射辐射、净辐射、光合有效辐射、紫外辐射。3.太阳辐射日总量估算模型建立1)经验公式模型:利用修正的A-P方程,代入该地区的天文地理因子(纬度、太阳赤纬、时角、积日等)来估算该地太阳总辐射,但是该模型需要的参数较多,略微繁琐,只适应于时间尺度短的情况。2)回归模型:以日照时数为自变量,太阳辐射日总量为因变量,分别进行线性回归、二次回归、三次回归、指数回归、对数回归,结果发现指数模型最优,决定系数R2为0.921,均方根误差(RMSE)为2.45。对模型进行验证,其决定系数R2为0.915,均方根误差(RMSE)为2.71,平均偏差(MBE)为0.06,以及平均百分误差(MPE)为3.89%,可知该模型较优。为了进一步提高估算的精确度,通过分月来建立不同月份的估算模型,结果表明分月模型精确度更高,验证结果的统计指标为:其决定系数R2为0.98,均方根误差为1.607,平均偏差(MBE)为0.084,以及平均百分误差(MPE)为1.778%。3)高斯模型:用高斯函数来拟合太阳辐射照度日变化特征,然后对拟合方程在日出时间与日落时间区间上求积分,则可计算得到太阳辐射日总量,其决定系数R2可达0.987,均方根误差(RMSE)为24.17。对模型进行验证,其实测值与模拟值的相关系数R为0.95,决定系数R2为0.98,均方根误差(RMSE)为1.607,平均偏差(MBE)为0.084,以及平均百分误差(MPE)为1.778%,建立该模型需要的参数变量少且拟合精度高,因此高斯模型具有更好的精确性和适用性。


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