多模型綜合的我國(guó)地表凈輻射空間分布計(jì)算及時(shí)空變化

方 瑤， 趙明偉， 梁棟棟， 吳 旭

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003；2.安徽師范大學(xué) 地理大數(shù)據(jù)研究中心，安徽 蕪湖 241003；3.滁州學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；4.安徽省地理信息集成應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 滁州 239000；5.安徽師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

地表凈輻射是指地球表面經(jīng)過(guò)短波到長(zhǎng)波獲得的輻射能量與反射輻射之間的差額，它參與了地表的能量轉(zhuǎn)換，并起著十分重要的作用[1]。在熱能的傳遞以及大氣的循環(huán)活動(dòng)當(dāng)中，地表凈輻射是不可或缺的一部分，同時(shí)它也是水分交換過(guò)程中一個(gè)重要的角色[2]。除了參與上述過(guò)程之外，地表凈輻射還為生物提供了最基本的能源，在生物的發(fā)育及繁衍等活動(dòng)中做出了巨大貢獻(xiàn)[3]。在人們的生存發(fā)展進(jìn)步過(guò)程中，地表凈輻射有著十分深遠(yuǎn)的影響，所以準(zhǔn)確估算空間上的地表凈輻射意義顯著。但目前大多數(shù)研究都存在缺陷，故迫切需要更多的研究投入到國(guó)家尺度上的地表凈輻射空間分布的最優(yōu)計(jì)算方法，并在計(jì)算的基礎(chǔ)之上對(duì)其空間分布格局以及時(shí)空變化進(jìn)行分析研究，為某些生態(tài)項(xiàng)目提供理論依據(jù)。

自地表凈輻射提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開展了廣泛研究，內(nèi)容主要集中在地表凈輻射計(jì)算方法、地表凈輻射與其它輻射的相關(guān)性、地表凈輻射變化規(guī)律三個(gè)方面。其中，關(guān)于地表凈輻射的估算，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了探索，F(xiàn)orooghGolkar[4]對(duì)伊朗干旱和半干旱氣候下地表凈輻射估算方式進(jìn)行改進(jìn)，劉新安[3]、任鴻瑞[5]在地表凈輻射的推算方法上進(jìn)行了研究，陳渭民[6]由GMS資料估算了夏季青藏高原地區(qū)地面總輻射。在地表凈輻射與一些因素相關(guān)性的問(wèn)題上，王可麗[7]研究了青藏高原地區(qū)云對(duì)地表凈輻射的影響，王可麗[8]、翁篤鳴[9]討論了地表凈輻射與其它輻射的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)數(shù)據(jù)建立了它們之間的回歸模型。關(guān)于地表凈輻射變化規(guī)律，主要在時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行分析。時(shí)間上有江灝[10]對(duì)拉薩地區(qū)、李杉[11]對(duì)中美半干旱地表凈輻射變化進(jìn)行了研究，季國(guó)良[12]對(duì)青藏地區(qū)的研究說(shuō)明西部高原冬季凈輻射與夏季降水呈正相關(guān)，Kazuyoshi Suzuki[13]對(duì)日本北海道北部土地利用變化引起的冬季地表短波輻射變化進(jìn)行研究。在空間方面，陳征[14]、史兵[15]等提出了關(guān)于地表凈輻射分布的研究理論，陳征認(rèn)為南部?jī)糨椛浯笥诒辈?，史兵認(rèn)為凈輻射從平原到山丘逐漸減少，從西部到東部逐漸增多。

以上研究為地表凈輻射估算研究奠定了一定的基礎(chǔ)，目前需要更多的研究投入到全國(guó)地表凈輻射的空間分布計(jì)算。另外，大部分地表凈輻射變化規(guī)律的研究只從時(shí)間或者空間單個(gè)角度進(jìn)行，沒(méi)有在時(shí)空維度上同時(shí)進(jìn)行分析。再者，大多研究區(qū)域范圍較小，只在一個(gè)特定范圍內(nèi)開展研究，涉及全國(guó)范圍的甚少。故本文提出了一種多模型綜合的思路，先采用彭曼修正式法計(jì)算出氣象站點(diǎn)上的地表凈輻射值，然后用多模型綜合法實(shí)現(xiàn)全國(guó)地表凈輻射的空間分布計(jì)算，并且分析了上述兩種思路的精度特征，探討了地表凈輻射空間分布特征及時(shí)空變化規(guī)律。

1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)選取2001年至2010年共十年的全國(guó)范圍內(nèi)氣象站點(diǎn)的一些相關(guān)數(shù)據(jù)(日照百分率、平均水汽壓以及平均氣溫等)及50多個(gè)氣象輻射站點(diǎn)的凈輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/)。共收集到90多組輻射地面站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)缺測(cè)站點(diǎn)及數(shù)據(jù)無(wú)效站點(diǎn)，最終可用站點(diǎn)數(shù)據(jù)約50組，數(shù)據(jù)主要參數(shù)及用途如表1所示，全國(guó)氣象站點(diǎn)與輻射觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

表1 研究數(shù)據(jù)及用途

圖1 氣象站點(diǎn)及凈輻射觀測(cè)站點(diǎn)空間分布圖

2 研究方法

2.1 氣象站點(diǎn)上地表凈輻射計(jì)算

對(duì)比中國(guó)地表凈輻射推算方法[3]可知Penman(彭曼)公式是精度較高的地表凈輻射計(jì)算方法，同時(shí)彭曼公式在世界上也被廣泛認(rèn)可[16-18]。因此本文計(jì)算站點(diǎn)上的地表凈輻射所用模型選取Penman(彭曼)修正式。

(1)FAO1970年推薦的用于計(jì)算作物蒸散量的修正公式

(1)

式中，Ra為天文輻射，as和bs為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，as為0.18，bs為0.55，σ為玻爾茲曼常數(shù)：4.903×109MJ.K4.m-2，Tk為平均溫度，ea為實(shí)際水氣壓，n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，N為可日照時(shí)數(shù)，Tk、ea、n、N數(shù)據(jù)已知。

(2)天文輻射的日計(jì)算公式[19]

(2)

式中，QA為天文日輻射量，1/ρ2是日地平均距離訂正項(xiàng)，δ為太陽(yáng)赤緯，兩者可由年角得到，T為一天時(shí)間(s)，I0是太陽(yáng)常數(shù)，取值為118.109MJ.m-2.dI，φ為地理緯度，ω0是時(shí)角(單位為弧度)可由太陽(yáng)赤緯得到，π取3.1415926。

將彭曼推算模型應(yīng)用到全國(guó)氣象站點(diǎn)上，計(jì)算各站點(diǎn)的月尺度天文輻射及地表凈輻射。

2.2 地表凈輻射回歸計(jì)算

圖2 中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃圖Figure 2 Agricultural zoning map of China

按照《中國(guó)綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》[21]將中國(guó)劃分為九大區(qū)域：甘新區(qū)、內(nèi)蒙及長(zhǎng)城沿區(qū)、東北區(qū)、青藏區(qū)、黃土高原區(qū)、黃淮區(qū)、西南區(qū)、長(zhǎng)江中下游區(qū)及華南區(qū)，如圖2所示，研究我國(guó)地表凈輻射。

以2010年6月為例，根據(jù)天文輻射計(jì)算公式[19]得到空間任意點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天文輻射，結(jié)合分區(qū)氣象站點(diǎn)計(jì)算值構(gòu)造的地表凈輻射與天文輻射回歸模型，模擬得到各個(gè)分區(qū)月尺度地表凈輻射。為了進(jìn)一步減小回歸模型的誤差，采用殘差疊加的方式得出分區(qū)的回歸模型值。

關(guān)于回歸模型的選擇，我們對(duì)比了指數(shù)、對(duì)數(shù)、線性、乘冪以及多項(xiàng)式五種公式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二次多項(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)較高，故采用了多項(xiàng)式回歸模型，如表2所示。

同樣，模擬2010年6月全國(guó)整體回歸的推算值，分析發(fā)現(xiàn)在全國(guó)整體范圍內(nèi)建立的地表凈輻射-天文輻射回歸模型相關(guān)系數(shù)更高，故將兩種推算結(jié)果作精度比較，如表3所示。

表2 分區(qū)天文輻射與地表凈輻射的回歸模型

表3 整體回歸與分區(qū)回歸精度比較(單位：MJ/m2)

由表3看出兩種方法的結(jié)果有所差異，綜合各個(gè)分區(qū)的誤差絕對(duì)平均值與誤差均方根，可以認(rèn)為2010年6月整體回歸法的精度要優(yōu)于分區(qū)回歸。對(duì)其他月份進(jìn)行驗(yàn)證得到同樣結(jié)果，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用全國(guó)整體回歸模型值。

3 精度驗(yàn)證

3.1 兩種地表凈輻射計(jì)算方法的精度比較分析

為系統(tǒng)分析兩種地表凈輻射計(jì)算方法的精度，選取了站點(diǎn)觀測(cè)值直接插值的方法，作為對(duì)比分析方法，選擇絕對(duì)值誤差最大值、絕對(duì)值誤差最小值、絕對(duì)值誤差平均值以及均方根誤差作為誤差分析指標(biāo)，上述誤差分析指標(biāo)的計(jì)算表達(dá)式分別為

Min_AE=min|O(x,y)-S(x,y)||(x,y)∈R2|

(3)

Max_AE=max|O(x,y)-S(x,y)||(x,y)∈R2|

(4)

(5)

(6)

上式中，O(x,y)代表驗(yàn)證點(diǎn)上的地表凈輻射觀測(cè)值，其值源于站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，S(x,y)代表驗(yàn)證點(diǎn)處通過(guò)不同方法生成的地表凈輻射值。

以2010年為例，利用50多個(gè)輻射站上的凈輻射觀測(cè)值作為真值來(lái)驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)絕對(duì)值誤差的最大值、最小值、平均值及均方根，結(jié)果如表4所示。

表4 克里格插值法與回歸模型法誤差分析(單位：MJ/m2)

注：法一、法二分別為克里格插值法、回歸模型法。

可以看出，兩種方法在不同的月份得到的結(jié)果有所差異。綜合最大值、最小值、絕對(duì)平均值及均方根誤差四個(gè)指標(biāo)，分析得出，1、2、3、4、5、8、9、11月回歸模型法精度更高，6、7、10、12月克里格插值法推算值更接近輻射觀測(cè)值。

3.2 與凈輻射觀測(cè)值的直接插值結(jié)果比較

將全國(guó)50多個(gè)凈輻射觀測(cè)站按照9∶1的比例分為插值站點(diǎn)和精度驗(yàn)證站點(diǎn)，并基于克里格插值得到90%站點(diǎn)的插值結(jié)果。為了消除站點(diǎn)分配帶來(lái)的隨機(jī)誤差，上述操作重復(fù)10次。將三種推算結(jié)果與觀測(cè)值比較，統(tǒng)計(jì)誤差如表5所示。

表5 與地表凈輻射觀測(cè)值直接插值比較 (單位：MJ/m2)

注：法一、法二、法三分別為克里格插值法、回歸模型法、站點(diǎn)觀測(cè)值直接插值法。

表5分析得出，大部分月份法一、法二的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于法三，考慮到目前國(guó)內(nèi)地表凈輻射觀測(cè)站點(diǎn)的稀疏性，綜合分析法一和法二與法三相比，還是具有很大優(yōu)勢(shì)的。但是也要認(rèn)識(shí)到，在某些月份，法一、法二的誤差確實(shí)略大于法三，即說(shuō)明目前在這些月份，由于觀測(cè)值的稀缺，要獲得全國(guó)范圍內(nèi)的精度更優(yōu)的地表凈輻射比較困難。

4 地表凈輻射空間分布及時(shí)空演變

4.1 地表凈輻射空間分布格局

按照上述思路計(jì)算出2001—2010年共10年的年尺度、季節(jié)尺度、月尺度地表凈輻射值，依次從不同尺度分析地表凈輻射地理分布情況。

圖3 中國(guó)地表凈輻射年平均分布格局Figure 3 The annual average distribution pattern of surface net radiation in China

4.1.1 地表凈輻射年分布格局 從圖3可以看出來(lái)，地表凈輻射年平均的最大值在海南、廣東南部等低緯度地區(qū)，最小值出現(xiàn)在黑龍江、內(nèi)蒙古東北部等高緯度地區(qū)，空間整體上呈現(xiàn)為南高北低的規(guī)律，可以認(rèn)為緯度是影響地表凈輻射的關(guān)鍵因素之一，這與張強(qiáng)[22]結(jié)論相似。由于黑龍江、內(nèi)蒙古東北部等地區(qū)緯度較高，太陽(yáng)高度角較小，吸收的太陽(yáng)輻射能量少，由之轉(zhuǎn)換的地表凈輻射較少，反之海南、廣東南部等地區(qū)緯度較低，獲取的地表凈輻射量較大。同時(shí)西部多為山區(qū)，由于地形的作用，導(dǎo)致地表凈輻射受到削弱，而東部地勢(shì)較平坦，靠近海岸，接收的地表凈輻射較大，至于中部，海拔高、云量多，地表凈輻射為低中心，所以東西方向上表現(xiàn)出東部高于西部，兩邊高于中部的趨勢(shì)。

4.1.2 地表凈輻射季節(jié)與月分布格局 將全年12個(gè)月按照氣象劃分法[23]分成四個(gè)季節(jié)：春季(3—5月)，夏季(6—8)，秋季(9—11月)，冬季(12—2月)。圖4展示了四個(gè)季節(jié)10年地表凈輻射平均值的分布情況，其整體分布與地表凈輻射年平均類似，表現(xiàn)為海南、廣東南部等低緯地區(qū)到黑龍江、內(nèi)蒙古東北部等高緯地區(qū)，地表凈輻射逐漸降低，西部地區(qū)到東部地區(qū)，地表凈輻射逐漸增大。但春季，在東西方向上，表現(xiàn)出東高西低的同時(shí)還呈現(xiàn)了兩邊高于中部的趨勢(shì)，而夏季，最小值卻是出現(xiàn)在四川、西藏東南部等地區(qū)。

典型月份的地表凈輻射空間分布格局與季節(jié)分布格局較為吻合，呈現(xiàn)的規(guī)律也類似。在緯度方向上，地表凈輻射由北向南(高緯度向低緯度)逐漸增加，這與陳征[14]結(jié)論類似，是由于太陽(yáng)高度角的變化而引起的輻射變化。在水平方向上，凈輻射由東向西遞減的趨勢(shì)也十分明顯，史兵[15〗提出過(guò)相似結(jié)論。

4.2 地表凈輻射時(shí)間維度變化特征

4.2.1 年維度分析變化特征 按照上文精度驗(yàn)證結(jié)果，挑選月尺度誤差較小的地表凈輻射推算值，處理后得到年尺度數(shù)據(jù)如圖5所示，并分析其年際變化規(guī)律。

由圖5可看出，我國(guó)地表凈輻射年總量平均值在1550MJ/m2左右浮動(dòng)，變化幅度較小約30MJ/m2左右。年總量平均值超過(guò)1580MJ/m2的只有2001—2003年及2006年，其余年份均低于1580MJ/m2。從2002年開始，我國(guó)地表凈輻射值有所降低，雖然某些年份地表凈輻射值存在上升的情況，但整體呈遞減趨勢(shì)，與其它年度相比，2003—2004年、2006—2007年下降幅度較大，約為3.6%。

4.2.2 季節(jié)維度分析變化特征 圖6為四個(gè)季節(jié)地表凈輻射平均值的變化情況?？梢钥闯?，一年之中地表凈輻射的高峰值出現(xiàn)在夏季，大約達(dá)到800MJ/m2，最小值出現(xiàn)在冬季，低至3MJ/m2，呈夏峰冬谷的趨勢(shì)，春季與秋季由于過(guò)渡季節(jié)特性處于中間并且春季均值略大于秋季，這與翁篤嗚等[24]看法類似。季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季到夏季地表凈輻射逐漸增加，夏季到冬季逐漸減小，潘鑫[25]、陳征[14]等也提出過(guò)相同的看法。

10年內(nèi)，四個(gè)季節(jié)的地表凈輻射值均有下降的趨向，春秋季下降幅度較小，而夏季與冬季下降幅度較大，可能是夏冬兩季氣溫與氣壓波動(dòng)較大導(dǎo)致的結(jié)果。同時(shí)從圖中還可以看出，2004年春季地表凈輻射值較小，其冬季值較大，從年總量上看仍與其他年份持平。這說(shuō)明，地表凈輻射季節(jié)量可能相差較大，但在年總量上變化幅度較小，大體上年地表凈輻射呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖4 中國(guó)四季地表凈輻射平均值空間分布

Figure 4 The average spatial distribution of surface net radiation China in four seasons

圖5 地表凈輻射年總量平均值柱狀圖

圖6 地表凈輻射季節(jié)總量平均值相關(guān)柱狀圖

Figure 6 A bar graph of correlation of average seasonal total of surface net radiation

4.3 地表凈輻射變化的區(qū)域分異

按照年、季節(jié)兩個(gè)尺度統(tǒng)計(jì)出九大區(qū)域地表凈輻射的變化情況，依次如圖7、圖8所示。

圖7 年尺度區(qū)域差異柱狀圖

圖8 季節(jié)尺度區(qū)域差異柱狀圖

Figure 8 A histogram of seasonal scale regional differences

綜合年、季節(jié)兩個(gè)尺度觀察到，西南區(qū)、長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)的地表凈輻射遵循西南區(qū)<長(zhǎng)江中下游區(qū)<華南區(qū)的規(guī)律，青藏區(qū)、黃土高原區(qū)、黃淮區(qū)大體上遵循黃土高原區(qū)<青藏區(qū)<黃淮區(qū)的規(guī)律。區(qū)域差異表明，受太陽(yáng)高度角影響，在緯度方向上，從高緯度到低緯度地表凈輻射逐漸增大，在東西方向上，由于東部多為平原，西部地區(qū)多為濕潤(rùn)多雨的盆地和海拔極高的高原，綜合導(dǎo)致西部地區(qū)地表凈輻射值低于東部，這與前人研究結(jié)果類似[15]。

在時(shí)間維度上，地表凈輻射春季到夏季呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，夏季到冬季逐漸減小，夏季在長(zhǎng)江中下游區(qū)達(dá)到了峰值，約900MJ/m2，冬季在東北區(qū)達(dá)到了谷值約-150MJ/m2，春季輻射值略大于秋季。冬季(1月)地表凈輻射量急劇減小為負(fù)值，這是因?yàn)槎窘笛┓e壓且地表離太陽(yáng)最遠(yuǎn)，到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射最小，而夏季(7月)地球公轉(zhuǎn)軌道離太陽(yáng)近，所以接收的地表凈輻射最大。

5 結(jié)論與討論

基于彭曼修正式計(jì)算國(guó)家氣象站點(diǎn)的地表凈輻射，運(yùn)用克里格插值模型及回歸模型兩種方法，進(jìn)行國(guó)家尺度地表凈輻射的空間分布計(jì)算，并結(jié)合國(guó)內(nèi)50多個(gè)輻射觀測(cè)站驗(yàn)證兩種方法的精度特征，研究2001—2010年間地表凈輻射空間分布格局及時(shí)空變化特征。主要研究結(jié)論如下：

(1)在計(jì)算月尺度上地表凈輻射的空間分布時(shí)，克里格插值模型和本文構(gòu)建的回歸模型在不同的月份精度有所差異，同時(shí)兩種方法的計(jì)算結(jié)果要優(yōu)于地表凈輻射觀測(cè)值的直接插值結(jié)果，表明采用多模型綜合的思路計(jì)算地表凈輻射的空間分布是可行有效的。

(2)我國(guó)陸地地表凈輻射的空間分布呈現(xiàn)出明顯的地帶性規(guī)律，具體表現(xiàn)為由南到北地表凈輻射逐漸減小，同時(shí)表現(xiàn)出東部高于西部的分布特點(diǎn)。其中南北方向的變化主要影響因素是緯度，由低緯度區(qū)域到高緯度區(qū)域天文輻射減小導(dǎo)致地表凈輻射減小，而東西方向上的差異性主要受地形及其他氣候要素的影響。

(3)我國(guó)陸地地表凈輻射在時(shí)間序列上也存在明顯的變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為年際上地表凈輻射逐年減小，同時(shí)季節(jié)上呈現(xiàn)出從春季到夏季地表凈輻射逐漸增多，夏季到冬季逐漸減小的特點(diǎn)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在夏季和冬季。其中年際變化的主要影響因素為大氣氣溶膠，氣溶膠含量上升導(dǎo)致地表凈輻射減小，而季節(jié)上的差異主要受地表離太陽(yáng)遠(yuǎn)近的影響。

空間插值的結(jié)果與樣點(diǎn)數(shù)量以及分布有很大關(guān)系，本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象站點(diǎn)及地面輻射觀測(cè)站點(diǎn)，由于站點(diǎn)分布不均勻，比如西南、西北相對(duì)于其他區(qū)域來(lái)說(shuō)站點(diǎn)數(shù)量較少，導(dǎo)致西南、西北等區(qū)域的計(jì)算誤差較大。相比于計(jì)算模型的優(yōu)化，豐富的研究數(shù)據(jù)是獲得精確結(jié)果更重要的因素，在本文計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究將會(huì)更多關(guān)注地方氣象觀測(cè)資料、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，逐步提高地表凈輻射時(shí)空分布計(jì)算的精度，并對(duì)分布結(jié)果進(jìn)行更加詳細(xì)的分析。