基于衛(wèi)星和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品計(jì)算短波輻射

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(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yáng)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(yáng)能資源評(píng)估[1-3]中經(jīng)常使用的一個(gè)要素。監(jiān)測(cè)短波輻射的輻射站數(shù)量少，分布十分稀疏。然而，太陽(yáng)能電站、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等都對(duì)短波輻射數(shù)據(jù)有實(shí)際的需求，輻射站監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)直接運(yùn)用到距離較遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，不利于服務(wù)生產(chǎn)活動(dòng)，也不利于山區(qū)氣候資源的開(kāi)發(fā)利用。所以，探討研究利用遙感手段計(jì)算任意地點(diǎn)的短波輻射具有重要的實(shí)際意義。目前，有較多學(xué)者開(kāi)展了利用遙感計(jì)算太陽(yáng)輻射、日照時(shí)數(shù)、云量等研究。葉一舫等[4]運(yùn)用NOAA衛(wèi)星的AVHRR資料，采用站點(diǎn)周?chē)b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(diǎn)所處影像元平均反射率與站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)在統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)關(guān)系。施國(guó)萍[5]、陳鵬翔[6]、Fagbenle[7]等通過(guò)遙感衛(wèi)星云圖計(jì)算格點(diǎn)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(diǎn)位置的云量、亮溫、可見(jiàn)光反射率、大氣可降水等特征量與太陽(yáng)輻射總衰減率建立了回歸方程，計(jì)算太陽(yáng)輻射總衰減率，發(fā)現(xiàn)在月時(shí)間尺度上關(guān)系較好，在小時(shí)時(shí)間尺度上效果較差。彭冬梅等[9]運(yùn)用遙感云圖計(jì)算出站點(diǎn)云量，建立日照百分率計(jì)算模型，并將其作為輸入量，計(jì)算出格點(diǎn)的總輻射。宋慶利等[10]采用云圖亮溫與太陽(yáng)天頂角、地面及云的反射率擬合地面凈輻射。郁云等[11]通過(guò)云圖提取反差、熵、灰度等紋理特征，建立太陽(yáng)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(jì)算了一些站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射月均值。應(yīng)王敏等[13]利用MODIS產(chǎn)品和地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)建立日時(shí)間尺度的短波凈輻射計(jì)算模型。Wang[14]、Olseth[15]等其他國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家也做了類(lèi)似的研究，這些方法為利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算任意點(diǎn)的太陽(yáng)輻射或日照時(shí)間提供了思路，基本上反映出較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，沒(méi)有體現(xiàn)具體的影響機(jī)制，在較小的時(shí)間尺度上誤差較大，不適合擴(kuò)展到小時(shí)級(jí)別以下時(shí)間尺度輻照度的計(jì)算。Li[16]、Platnick[17]、Tang[18]等利用衛(wèi)星遙感通道產(chǎn)品直接計(jì)算小時(shí)級(jí)別到達(dá)地表光合有效輻射量或日照時(shí)數(shù)。這一類(lèi)研究使得對(duì)太陽(yáng)輻射的計(jì)算在時(shí)間尺度上精確到小時(shí)成為可能。本研究通過(guò)物理機(jī)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(bào)產(chǎn)品（具體產(chǎn)品見(jiàn)文中公式說(shuō)明）作為輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算任意格點(diǎn)的短波輻射，結(jié)合站點(diǎn)實(shí)測(cè)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(diǎn)的短波輻射分布圖，形成了物理意義清晰、數(shù)據(jù)來(lái)源穩(wěn)定、誤差較小的小時(shí)級(jí)別以下時(shí)間尺度間隔瞬時(shí)短波輻射計(jì)算方法，為精細(xì)化的農(nóng)業(yè)氣象資源區(qū)劃、太陽(yáng)能評(píng)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(duì)光合有效輻射的衰減規(guī)律，建立到達(dá)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(lái)源的衛(wèi)星產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算。由站點(diǎn)短波輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與反演模型計(jì)算結(jié)果建立訂正模型。由訂正模型得出格點(diǎn)短波輻射訂正值。由站點(diǎn)的實(shí)況值與訂正值之差計(jì)算出站點(diǎn)殘差，并插值到格點(diǎn)，與前述計(jì)算出的格點(diǎn)訂正值之和得出格點(diǎn)短波輻射輻照度的最終計(jì)算結(jié)果。

1.1 地表短波輻射反演模型

根據(jù)文獻(xiàn)[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(dá)地面的短波輻射輻照度，RPAR為到達(dá)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(dá)地表的光合有效輻射輻照度計(jì)算模型。

（2）

ρa(bǔ),all=（1-Cw-Ci）ρa(bǔ),clr+Cwρa(bǔ),wc+Ciρa(bǔ),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(bǔ),all、ρg為大氣、地表光合有效輻射波段反照率。式（3）中，ρa(bǔ),clr、ρa(bǔ),wc、ρa(bǔ),ic分別為晴空、水云、冰云的光合有效輻射波段透射率。

ρa(bǔ),clr由式（4）～（12）[18]計(jì)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(bǔ),wc，ρa(bǔ),ic由式（13）～（18）[19]計(jì)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(bǔ),cloud代表ρa(bǔ),wc，ρa(bǔ),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(duì)稱(chēng)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(jiàn)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(jì)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(duì)稱(chēng)因子，參考文獻(xiàn)[18]，本研究取值為0.7。

Rwc、Ric分別由式（27）～（30）計(jì)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(bào)產(chǎn)品）；μ為太陽(yáng)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(yáng)高度角余弦值對(duì)應(yīng)的系數(shù)，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[22-24]。式（1）～（30）構(gòu)成完整的基于遙感和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的短波輻射輻照度反演模型，可以計(jì)算任意點(diǎn)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(bào)產(chǎn)品，由式（1）～（30）計(jì)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(jì)算值，進(jìn)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(jì)算值；a、b為待定系數(shù)，由樣本資料的短波輻射實(shí)測(cè)值代入R短波′，由式（1）～（30）計(jì)算出的短波輻射值代入R短波，建立回歸方程，通過(guò)最小二乘法形成訂正模型。

1.3 殘差修正

各站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與經(jīng)反演模型和訂正模型計(jì)算出的訂正值之差得到站點(diǎn)殘差，由式（32）表示。

△R=R短波測(cè)-R短波′

（32）

式（32）中：△R為殘差，R短波測(cè)為輻射站上的短波輻射實(shí)測(cè)值。各站點(diǎn)的訂正值加上殘差等于實(shí)測(cè)值，各站點(diǎn)的殘差插值到格點(diǎn)得到格點(diǎn)殘差，由格點(diǎn)的訂正值與相應(yīng)的格點(diǎn)殘差之和得出格點(diǎn)最終的短波輻射計(jì)算值。

1.4 資料

短波輻射實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(diǎn)位置：杭州站經(jīng)緯度為120°10′E、30°14′N(xiāo)；湖州德清站經(jīng)緯度為119°59′E、30°32′N(xiāo)；寧波鎮(zhèn)海站經(jīng)緯度為121°37′E、29°59′N(xiāo)。

資料時(shí)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(shí)整點(diǎn)及2020年10月1日15點(diǎn)。

遙感數(shù)據(jù)采用同期逐時(shí)葵花衛(wèi)星云相態(tài)云類(lèi)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(bào)產(chǎn)品采用同期全球預(yù)報(bào)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(shí)預(yù)報(bào)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(diǎn)時(shí)刻根據(jù)1.1反演計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的關(guān)系（圖1）。

由圖1可見(jiàn)，反演計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本呈線性關(guān)系。擬合趨勢(shì)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(shì)線的截距在各站均為負(fù)值；冬季代表月份（1月）擬合趨勢(shì)線的截距在各站均為負(fù)值；春季代表月份（4月）擬合趨勢(shì)線的截距在各站均為正值；夏季代表月份（7月）擬合趨勢(shì)線的截距在各站均接近0。不同站點(diǎn)擬合趨勢(shì)線斜率在同一月份中大致接近。

在輻射監(jiān)測(cè)站點(diǎn)比較多的條件下，可以對(duì)各輻射監(jiān)測(cè)站的短波輻射分別建立反演計(jì)算結(jié)果訂正模型，然后將線性模型中系數(shù)插值到格點(diǎn)上得到格點(diǎn)的反演計(jì)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(duì)同一季節(jié)代表月的數(shù)據(jù)進(jìn)行混合，建立訂正模型，用來(lái)訂正浙江省的反演短波輻射輻照度的計(jì)算結(jié)果。

圖 1 浙江省3個(gè)輻射監(jiān)測(cè)站短波輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(shí)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(diǎn)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(jiàn)表2。

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

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

由圖2可見(jiàn)，本研究方法可以在一定誤差范圍內(nèi)計(jì)算出任何地點(diǎn)任何整點(diǎn)時(shí)刻（最小時(shí)間間隔尺度決定于遙感產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)間）的短波輻照度，并且具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來(lái)源，可用于太陽(yáng)能評(píng)估、農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)估等實(shí)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果存在較好的線性關(guān)系，可以由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立線性訂正模型，減少誤差。當(dāng)計(jì)算區(qū)域內(nèi)較為均勻地分布著多個(gè)太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)站點(diǎn)時(shí)，可以由各站數(shù)據(jù)分別建立線性模型，并將站點(diǎn)訂正模型中的系數(shù)插值到格點(diǎn)，形成格點(diǎn)訂正模型，從而提高格點(diǎn)的精度。太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少時(shí)，可由站點(diǎn)訂正模型直接訂正格點(diǎn)。

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(bào)產(chǎn)品，由反演模型計(jì)算并經(jīng)訂正模型訂正，可較為方便地計(jì)算出任意時(shí)刻任意地點(diǎn)的短波輻射值，為距離輻射監(jiān)測(cè)站較遠(yuǎn)區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)估、太陽(yáng)能評(píng)估等提供了一種較理想的方法。

3）本研究中介紹的反演計(jì)算模型存在一些參數(shù)假設(shè)，也采用了數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，便于日常業(yè)務(wù)計(jì)算，但也造成計(jì)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(lèi)別、云頂高度、光學(xué)厚度等[22-24]計(jì)算太陽(yáng)與計(jì)算位置之間的云遮蔽情況，進(jìn)而得出輻射值，僅基于遙感產(chǎn)品計(jì)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(bào)產(chǎn)品，從而減少誤差來(lái)源，值得進(jìn)一步深入研究。