中国地表太阳辐射资源空间化模拟

基于1981—2010年全国122个气象台站的太阳辐射和气温日较差观测数据,将Bristow-Campbell太阳辐射估算模型在中国八大自然区分别进行了参数校正和验证;利用地理信息空间分析平台,采用PRISM模型对中国区域平均最高与最低气温空间化的结果,将其输入Bristow-Campbell模型,实现太阳总辐射的空间栅格化模拟;通过斯忒藩-玻耳兹曼定律计算全国地表长波辐射平衡;进而根据太阳辐射平衡公式,得到中国地表太阳辐射平衡的空间格局。结果表明:经过校验的Bristow-Campbell可以较准确地估算中国区域太阳总辐射资源;基于Bristow-Campbell辐射估算模型,结合气象数据的空间化模型,是实现太阳净辐射资源空间化模拟的有效途径;我国地表太阳净辐射总体空间格局表现为高值区位于青藏高原,每年可达9 000 MJ·m^-2,东部地区的净辐射年总量较低,东北稍高,浙闽地区稍低,低值区位于川黔地区,年平均约为2 000 MJ·m^-2左右。     

我国太阳总辐射气候学计算方法研究

目前太阳辐射主要通过计算获得,因此建立太阳辐射的气候学计算方法十分必要。论文利用中国54个站1961—2000年的逐日太阳总辐射和日照百分率资料,分别以天文辐射、晴天太阳辐射和理想大气太阳辐射作为三种起始值建立了各站的太阳辐射回归方程,并对其经验系数进行聚类分析,分为东部和西部两个地区。然后利用54个站1961—1990年的资料建立了3种起始值情况下,东部、西部地区和全国统一的太阳总辐射计算公式。最后利用这些站1991—2000年的观测资料对所建立的公式进行了检验。结果表明:无论是利用分区还是全国统一公式都是以天文辐射为起始值时计算结果好,其中分区公式比全国统一公式的计算结果精度略高,但差别不大。全国54个站以天文辐射为起始值的分区公式相对误差变化于2.67%~19.30%,平均为7.79%。全国统一公式的相对误差变化于3.33%~18.75%,平均为8.39%。从模拟结果的地区差异看,无论采用何种起始值,都是西部地区模拟误差小于东部地区,这与西部地区干燥、空气湿度小有密切关系。与其他研究结果相比,论文所建立的各种公式模拟结果较好,这是由于采用的资料序列长、站点多。考虑到计算天文辐射所需参数容易获得,因此建议实际应用时,采用以天文辐射为起始值的全国统一公式。     

山东省太阳总辐射的时空变化特征分析

基于山东境内17 个气象站1961—2012 年逐日日照时数资料,利用Angstrom 公式估算各站点太阳总辐射,并利用空间插值法、线性倾向估计和Pettitt 突变检验方法对全年和四季太阳总辐射的时空变化特征进行了分析。结果表明:1961—2012 年山东地区多年平均年太阳总辐射的变化范围为4 814.3~5 338.8 MJ/m²,地区间差异大,全年太阳总辐射的空间分布特征为北部多、南部少;全年和夏季太阳总辐射时间序列在全部17 个站点趋于减小趋势,且除威海外,均达到至少0.05 显著性水平;除春季和秋季各有3 个和1 个站点太阳总辐射呈增大趋势外,其余站点春季、秋季和冬季太阳总辐射均呈减小趋势;全年和各季节太阳辐射减小速率较大的站点主要分布在山东中部和西南部地区;近52 a 间,1997 年以前为平均年太阳总辐射值的偏大时期,而其后则为偏小时期。     

云对太阳紫外辐射的影响

云对到达地面的太阳紫外辐射有着重要的影响,根据在香河综合观测站１年的观测资料,利用相关分析,得到了计算云天条件下太阳紫外总辐射的一种经验公式,计算结果比较令人满意。对阴天太阳紫外总辐射的减弱作了简单的分析。     

青藏高原短波辐射分布式模拟及其时空分布

论文基于太阳辐射参数化传输模型,结合MODIS每日两次的大气产品和DEM,构建了太阳短波辐射分布式模型,对青藏高原2007年的太阳直接辐射、散射辐射与总辐射分布状况进行了模拟,并利用研究区站点实测值对模型精度进行了验证,其中日值数据直接辐射的相关性分别为0.72(拉萨)和0.82(格尔木),散射辐射分别为0.71(拉萨)和0.70(格尔木),总辐射相关性大都在0.70以上;旬值数据实测值与模拟值的相关性大都在0.90以上。模拟结果表明:实际天气情形下青藏高原年平均直接辐射量为4 244 MJ/m2,年平均散射辐射量为2 348 MJ/m2,年平均总辐射量为6 592 MJ/m2。直接辐射与总辐射的空间分布主要受纬度地带性与垂直地带性的影响,且地形对地表短波辐射的影响大于纬度的影响;散射辐射的空间分布主要取决于当地的地形起伏与大气状况。     

FY2 号气象卫星估算地面太阳辐射研究

综合考虑太阳因素、地形因素、地表积雪覆盖情况、云量以及非均质大气对太阳辐射的影响,基于FY2 号静止卫星构建晴空太阳总辐射计算模型,并利用山西省3 个辐射观测站2011 年逐时、逐日、逐月太阳总辐射观测资料对其估算结果进行检验。研究结果显示：逐时误差在±1 MJ·m^-2之间,逐日误差在±5 MJ·m^-2之间,表明模型计算的太阳辐射误差较小,稳定性较好;逐月误差结果显示,三个站模拟值都大于实测值,且误差趋势一致,均表现为冬季误差高于夏季;进一步对模拟值和实测值进行相关性分析,三站线性拟合度均在0.86～0.92 之间,且相关系数均达到显著相关水平,表明模型计算的太阳辐射准确性和精度较高,且在数值拟合上较好地反映了实际的太阳总辐射量,证实该模型应用于FY2 号气象卫星的可行性。     

大气可降水量卫星遥感反演不确定性对太阳总辐射模拟的影响

辐射传输方程模拟法作为一种较为准确有效的太阳总辐射间接获得方法,其模拟精度受到代入方程的大气参数精度的影响。论文通过将香港2005—2013年卫星遥感反演的大气可降水量产品与地面站数据对比,以68.3%的置信水平分析了卫星遥感反演的大气可降水量的不确定性;并通过收集2005—2013年香港其他影响大气上界太阳辐射到达地表的大气参数,如气溶胶光学厚度、气溶胶单次散射反照率、臭氧含量综合模拟大气环境,确定了大气可降水量的不确定性在夏季和冬季对太阳总辐射模拟（250~2 800 nm）造成的相对误差。研究结果表明,受大气可降水量不确定性影响,使用辐射传输方程法模拟获得的太阳总辐射有1%~3%的相对误差。使用该方法冬季受大气可降水量不确定性影响程度比夏季大。决定相对误差大小的主要因素是波长,大气水汽吸收作用强的波长上,相对误差也大;其次因素是太阳天顶角,太阳天顶角越大,该方法模拟所得太阳总辐射相对误差越大。研究为大气可降水量参数不确定性影响下太阳总辐射模拟的误差评估提供了依据。     

西藏日太阳总辐射估算模型的优化与时间尺度效应

根据2012～2014年拉萨站点的日太阳辐射观测数据,对3种日太阳总辐射估算模型(左大康、Prescoff和王炳忠等提出的估算模型)的估算结果和实际观测结果进行误差检验分析,结果表明:3种模型都通过了显著性检验,其平均绝对误差(MAE)分别为6.17 MJ/(m~2·d)、6.42 MJ/(m~2·d)和12.31 MJ/(m~2·d),均方根误差(RMSE)分别为1.60 MJ/(m~2·d)、1.65 MJ/(m~2·d)和2.78 MJ/(m~2·d),表明利用地理位置信息和日照时数的左大康估算模型对拉萨日太阳总辐射的估算效果优于Prescoff和王炳忠估算模型。利用左大康估算模型分别估算得到2015年拉萨、那曲和葛尔地区的日太阳总辐射值,并进行模型验证。通过分析拉萨1971～2015年的太阳总辐射变化和周期性特征,研究日太阳总辐射估算模型的时间尺度效应。按照11年和四季两种不同的时间尺度,利用线性回归法对日太阳总辐射估算结果和实际观测结果进行误差和相关性分析,得到经验参数a和b的值与时间尺度有一定关系。11年和四季两种时间尺度除夏季以外,其他时间拟合模型的精度均得到了提高。通过线性回归法得出45年的西藏日太阳总辐射优化估算模型,该模型估算日太阳总辐射的误差小于左大康模型,估算精度较高。     

贵州高原起伏地形下太阳直接辐射的精细分布

太阳直接辐射是太阳总辐射的重要组成部分。论文在前人研究的基础上,对以前的模型进行了一些改进,考虑了坡度、坡向和地形相互遮蔽作用对起伏地形下天文辐射的影响,基于数字高程模型(DEM)数据,研制了以起伏地形下天文辐射为起始数据的起伏地形下太阳直接辐射的分布式模型。应用100m×100m分辨率的DEM数据,1960~2000年贵州高原及周边102个气象站常规气象要素观测资料,10个气象站的太阳辐射资料,计算了贵州高原起伏地形下各月及年太阳直接辐射精细空间分布。结果表明：①坡度、坡向、地形遮蔽对太阳直接辐射的影响较大,由于局地地形因子的影响,起伏地形下太阳直接辐射的空间分布具有明显的地域分布特征,纬向分布不明显,局地地形对太阳直接辐射的影响是不容忽视的;②贵州高原起伏地形下太阳直接辐射年总量、1月、7月大部分地区分别介于1 046~1 700、31~90、156~205MJ/m²;③季节不同,局地地形因子对起伏地形下太阳直接辐射空间分布的影响不同,冬半年大于夏半年;随坡度的增大,局地地形因子的作用增大。     

近10年中国三大经济区太阳总辐射特征及其与O3、PM2.5的关系

采用中国地面气象观测站网2007~2016年的辐射日值数据集和中国空气质量在线监测平台2014~2016年逐日观测数据,分析了京津冀、长三角和珠三角近10a太阳总辐射年际和季节变化,近3a臭氧日最大8h平均（O_{3_8h_max}）和细颗粒物（PM_2.5）的污染过程频次变化,通过不同因子及其不同强度等级的分型统计,探讨PM_2.5、O_{3_8h_max}与太阳总辐射的关系.结果表明：京津冀近10a太阳总辐射显著上升,京津冀春季和珠三角夏季太阳总辐射显著上升.三大经济区PM_2.5污染过程年频次均呈现逐年递减,且从北到南递减;O₃污染过程年频次时间上呈现先减后增,空间上京津冀多于长三角和珠三角.三大经济区O_{3_8h_max}与太阳总辐射相关系数均在0.71以上,有较强的正相关;而PM_2.5与太阳总辐射的相关性具有区域差异性.三大经济区不同季节不同太阳总辐射下O_{3_8h_max}与PM_2.5的相关关系差异显著,其中京津冀春夏秋三季O_{3_8h_max}与PM_2.5在强太阳总辐射下有较好的正相关,冬季则存在一定的负相关;长三角四季两者相关性均较弱;珠三角夏季两者正相关最为显著;不同PM_2.5浓度下O_{3_8h_max}与太阳总辐射的线性拟合效果较好,体现出较强的正相关关系,各经济区拟合曲线的倾向率均随PM_2.5升高而增大.PM_2.5>75μg/m³时拟合优度均达到最大.     

长白山温带森林单萜烯排放模拟

于2010年夏季,采用松弛涡度积累(Relaxed Eddy Accumulation)技术在长白山温带森林铁塔上测量了挥发性有机物(VOC)冠层尺度的排放通量,同步测量了气象参数、光合有效辐射(PAR)等,初步获得长白山阔叶林单萜烯的排放通量.同时,利用PAR能量守恒原理,建立了冠层尺度上单萜烯排放的经验模式.结果发现,模拟结果与测量结果比较一致,平均而言,模拟值高出测量值约20%～40%.采用不同方法对经验模式进行了检验,结果表明,采用比较各个采样时段平均值的方法可行,而且经验模式对于2010年夏季不同采样时段的平均值也给出了较好的模拟结果,其模拟值高出测量值约20%～24%.     

光合有效辐射在大气中的衰减

2004年9月～2006年10月,在华北地区的4个站点开展了太阳辐射、气象参数等的综合观测,得到了光合有效辐射PAR、总辐射Q等的变化特征.水汽和散射因子对于PAR/Q和PAR有明显的影响.基于能量观点,建立了实际天气PAR小时累计值(时累)的经验模式,获得了较好的计算结果.水汽因子对于PAR在大气中的传输有一定的作用,应给予重视.计算表明,华北地区受水汽因子衰减到达地面的PAR以及占地面PAR的比例分别为7.99W.m-2和4.24%,受散射因子衰减到达地面的PAR以及占地面PAR的比例分别为172.36W.m-2和95.76%.华北地区受水汽因子和散射因子影响损失于大气中PAR分别为15.33、309.30W.m-2,这一能量损失表现出明显的季节变化和区域差别.敏感性实验表明,地表PAR对于水汽因子、散射因子的变化有不同的响应,PAR对散射因子的变化比对水汽因子的变化更敏感.水汽因子与PAR之间的关系与水密切相关,水汽因子项的真正含义应该是大气中的各种物质成分(气、液、固态)对于PAR的直接吸收和间接利用(通过化学和光化学反应,包括均相和非均相过程)的总和.利用PAR经验模式计算了大气顶的PAR,计算误差为-3.5%.在目前及未来研究中,应该重视和考虑消耗于大气中的且与水汽有关的这部分能量.基于能量观点分析实测资料并研究大气中的物理化学过程及其规律是一种行之有效的方法.     

面向粮食产量空间化的多元回归分析模型中的两个关键问题探讨

为比较不同区域尺度变量对模型拟合效果的影响,在全国不分区和分区两种情况下,分别基于县级和地市级两个区域尺度上的样本构建粮食产量与水田、水浇地、旱地面积之间的多元线性回归模型,结果显示,用地市级数据作分析样本比用县级数据作分析样本好,分区建模比不分区建模效果好。因此,将全国划分为7个区,以地市级数据作为区域尺度的变量,在区域、栅格、亚栅格三个尺度上探讨变量（因变量、自变量）尺度和常数项取值这两个因素对模型应用的影响。得到以下结论：1）基于区域尺度样本构建的多元回归模型,如果常数项不为0,则不能用于空间化计算;如果常数项为0,则可以用于空间化计算;2）基于栅格尺度样本构建的多元回归模型,不论常数项是否为0,均可应用于空间化计算;3）基于亚栅格尺度样本构建的多元回归模型,不论其常数项是否为0,也均可用于空间化计算,但需要将计算结果乘以一个系数,该系数等于栅格单元面积与亚栅格单元面积的比值。上述结论对其他类型的统计数据空间化具有指导和参考价值。     

中国北方沙漠戈壁区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系

利用中国大陆气溶胶指数(TOMS AI)、天文总辐射、地面太阳总辐射和沙尘能见度等观测和理论计算资料,对中国北方沙漠戈壁区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系进行了分析.结果表明:沙漠地区太阳辐射和沙尘气溶胶指数有非常高的相关性,且变化趋势一致.表明由太阳辐射触发的热对流是影响沙漠地区沙尘气溶胶最主要的因子;沙尘气溶胶进入大气中,必然也会对太阳辐射产生重大的影响.晴日时沙尘气溶胶吸收和散射辐射可达沙尘暴(含扬沙)天气时的60%以上.     

列车表面涂层光老化试验加速因子建模研究

目的建立客观、定量的列车表面防护涂层实验室模拟紫外辐射当量对自然太阳紫外辐射的加速因子计算模型。方法以兰新高铁为例,设计一种建模方案,主要步骤包括选取建模列车站点、确定站点气象地理区划、计算站点环境变量影响距离、建立站点太阳辐射环境谱,分别建立二级气象地理区划、一级气象地理区划和全线太阳辐射环境谱,最后,建立加速因子模型。结果基于NASA Surface Meteorology and Solar Energy(SSE)地面太阳辐射数据,结合实验室条件,计算了兰新高铁表面防护涂层紫外光老化试验的加速因子,约为9.5。结论上述实验室光老化试验加速因子建模思路,解决了列车这种跨越大范围区域的装备光老化试验加速因子的计算问题,简单实用,可推广至飞机、轮船、汽车等相似装备表面涂层以及金属等其他材料的紫外光暴露试验评价。     

利用卫星资料估算我国西北地区直接辐射

在缺乏直接辐射、云量、日照时数等地面观测资料情况下,如何正确估算太阳直接辐射对太阳能合理开发利用有重要意义。利用NCEP/NCAR再分析资料、EOS-AURA卫星和FY-2C气象卫星反演资料,采用一个改进的宽带辐射传输模型对我国西北5个地面辐射站点2006年和2007年直射日曝辐量进行了估算。模型首先在Bird模型基础上对晴空条件下的太阳直接辐射进行了计算,然后结合FY-2C气象卫星总云量和云类反演数据,引入了一个线性方程,对实际天气状况下的直射日曝辐量进行了计算。结果表明:5个站点模拟的直射日曝辐量与实测值均存在较好一致性,评价效率系数NSE介于0.68~0.8,而对月均直射日曝辐量的模拟结果则显示模型在4-10月的估算精度要高于11-3月结果。