任意地形条件下小时入射短波辐射计算模型-陈仁升

部分关于辐射的资料，涉及热辐射的计算、太阳辐射晴空模型等。。。

任意地形条件下小时入射短波辐射计算模型.pdf   陈仁升

E-mail：crs2008@ns.lzb.ac.cn

目 录
第一部分 模型原理.5
第一章 太阳天文参数计算.5
第二章 晴空条件下地表水平面太阳直接辐射模型.8
第三章 晴空条件下地表水平面太阳散射辐射模型.10
第四章 晴空水平面太阳总辐射模型..10
第五章 任意地形条件下晴空太阳短波辐射模型11
第六章 实际天气情况下太阳短波辐射模型..12
第七章 其他有关问题.14
参考文献..15
第二部分 模型计算成果及验证.17
第一章 模型验证17
第二章 误差分析19
第三章 数据储存格式及提交形式.20

前 言
本项目属于黑河流域集成模型的一部分。
黑河流域作为我国内陆河流域的典型代表，在全球变化和社会经济发展的大背景下，存在雪线上升、水资源短缺及不合理应用、土地荒漠化和沙漠化以及生态环境恶化等诸多方面的问题。在当前国家西部大开发的良好形式下，有关黑河的综合研究已经研究或涉及到冰川水文过程、积雪水文过程、冻土水文过程、祁连山森林的水源涵养作用，中游生态水文、生态经济，以及下游荒漠化治理及地下水位与生态环境的关系等等诸多方面的研究课题，并积累了大量的资料，因而进行模型集成的条件已经基本形成。在模型第一阶段所进行的山区分布式水文模型研究和中游生态水文过程研究中，涉及冰川水文过程、积雪水文过程、冻土水文过程、蒸散发、植被生理等等方面的研究，而辐射均是一个重要而不可缺少的变量。模型集成的目标是通过数学和技术的手段来反演实际的物理过程，因而对时间尺度和空间分辨率的要求均很高。
根据黑河流域模型集成总体要求，需要计算一个整年度1小时1km×1km分辨率的太阳入射短波辐射，即总辐射、直接辐射和散射辐射。并在中科院寒旱所网站上公布小额基金，鼓励大家申请。本人有幸申请到这个小额基金，经费3万元，完成时间为2003年12月～2004年9月。

根据总课题的要求，需要计算2002年度的短波辐射资料。黑河流域及其周边地区现有的总辐射观测站点仅有额济纳旗、敦煌、哈密、西宁、银川、酒泉、民勤以及刚察等8个站点，而只有额济纳旗观测全部四项短波辐射，酒泉、民勤和刚察仅观测总辐射，其他站点还观测长波辐射即净辐射。但目前我们仅收集到1998年之前的日辐射资料，而2002年的资料尚未汇编完毕。因而无法应用辐射计算的气候学方法。
鉴于缺乏探空资料，无法应用基于二流近似、离散纵坐标法等的辐射传输模式。即使进行了探空试验，也无法满足本次模型集成的需要，因为本模型集成是要求一个整年度1km空间分辨率和1h时间分辨率的短波辐射，而一般的探空试验仅仅进行1-2个星期左右。
基于遥感信息和辐射传输参数化方案相结合的方法是目前解决这个问题的有效途径之一，但在本次模型集成中，很难获得一个年度1小时分辨率的高空间分辨率影像资料。而且这种基于遥感资料的辐射参数化方案，均基于相当数量的地面观测资料，建立地面观测资料与遥感资料的统计关系，然后再根据遥感资料做空间的Upscaling。这在解离单纯各短波辐射分量方面存在一定的误差。
综合上述分析，本模型起初设计了一个分波段辐射传输参数化方案（方案1），首先计算晴空条件下分波段水平各种辐射，然后将云的影响考虑进去，最后考虑不同地形条件下不同遮蔽情况下的各种短波辐射。鉴于该方案计算量太大，占用机时很多，而黑河模型集成项目不需要计算有效光合辐射等特殊的辐射，因而决定重新设计方案，并于2004年4月份设计成功，该新方案（方案2）不考虑分波段问题。
新的辐射传输参数化方案计算主要基于可再生能源数据中心（RReDC）提供的原理。我们在应用时，根据黑河流域实际情况和资料获得情况，利用其中的大部分参数化方法，并吸收了其他一些辐射模式的参数化方法。
云对短波辐射参数化方法主要是基于MODtran大气辐射传输模式，该模式由最初的Version1发展到Version4。我们与该模式的主要作者，希腊气象与大气物理研究所的Harry D. Kambezidis进行了联系。Harry D. Kambezidis博士为我们提供了刚刚研制完成尚未发布的最新版本Ver4的Fortran源代码。该模式采用日晴空指数（日照时数/可能日照时数，或总辐射/天文总辐射）对一日内小时尺度或更小尺度的短波辐射进行以日为单位的系统调整。但是，这种方法主要在单点有实测资料的情况下，用作理论探讨或小范围的短波辐射计算。在大范围内计算各种气体情况下的短波辐射，则需要大量的站测资料，而在本次黑河流域模型集成中，缺乏的就是站测资料，而传统意义的插值结果误差很大，无法应用。我们试图应用NCEP/NCAR再分析资料一天4次的总云量资料，进行调整。
模型中应用了大量的NCEP/NCAR再分析资料，如用于地表反照率、臭氧总量、总云量、降水率和可降水量的资料等。1o×1o分辨率的资料为李新老师提供，（360/192）×（180/94）空间分辨率的资料为网上下载。
不同坡度、坡向及地形自身遮蔽情况下的短波辐射计算，是自创的。相邻地形遮蔽系数的计算较为复杂，而本次计算空间分辨率较大，可以不考虑相邻地形的影响问题。在这方面计算过程中，得到李新老师的殷切指导。
鉴于2002年缺乏实测小时尺度的散射辐射和直接辐射资料，模型验证采用2002年西水、临泽和额济纳旗自动气象站的总辐射资料进行验证。因为在实际计算中，总辐射为直接辐射和散射辐射的和。如果总辐射验证结果较好，则其他短波辐射也较好。
程序原代码为Matlab程序，计算采用寒旱所网络室1700大型计算机，运算环境为Linux，计算结果自动储存为16位ASCII码形式。完全计算一个整年度需7d，最终输出结果约90Gb。在实际操作过程中得到韦五周老师和张耀南老师的帮助，特表感谢！
项目实际完成时间为2004年6月初，最终提交结果为2004年9月份。

在项目完成过程中，始终得到康尔泗老师的尽心指导。

很不错的文章

支持楼主好资料