逐日太陽總輻射估算方法研究進(jìn)展

李茂芬等

摘 要 太陽總輻射作為地球表層上的物理、生物和化學(xué)過程的主要能量來源，也是生態(tài)系統(tǒng)過程模型、水文模擬模型和生物物理模型研究中的必要參數(shù)。長期以來由于地面輻射觀測站點(diǎn)的數(shù)量稀少和分布不均勻，導(dǎo)致逐日太陽總輻射觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研究工作需要，在很大程度上限制了作物模擬模型等模型的運(yùn)用。本文從站點(diǎn)估算、區(qū)域估算的角度，介紹了目前國內(nèi)外逐日太陽總輻射估算的主要方法，包括隨機(jī)模擬、衛(wèi)星遙感估算和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪恪８鶕?jù)應(yīng)用實(shí)際需要，重點(diǎn)總結(jié)比較了逐日太陽總輻射的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪闾攸c(diǎn)，討論了現(xiàn)有太陽總輻射估算存在的問題及未來研究趨勢。

關(guān)鍵詞 日照；氣溫；云量；遙感；區(qū)域化

中圖分類號 P442.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Advances in Daily Global Solar Radiation Estimating

LI Maofen1， LI Yuping1， GUO Pengtao2， LUO Wei2*

1 Institute of Scientific and Technical Information， Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences/Key lab of tropical

Crops Information Tevhnology Application Research of Hainan Province， Danzhou， Hainan 571737，China

2 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract Global solar radiation（Rs）， as the energy source of physical， biological and chemical process on the earth surface， is an indispensible input parameter for ecosystem models， hydrological models and biophysical models. However， the daily observed Rs data is far from meeting the research needs and this have restrained the application of crop modeling， due to the limitation and uneven distribution of Rs stations. This paper reviewed the major Rs estimating models （i.e. stochastic simulation， satellite remote sensing based and empirical models） in China and broad at present from the perspective of site estimation and regional estimation. According to the practical requirements， empirical Rs estimating was particularly summarized and compared. The existing problems and future research trend also discussed in the current paper.

Key words Sunshine；Air temperature；Cloud；Remote sensing；Spatialization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.029

太陽總輻射（Global solar radiation， Rs）作為地球表層上的物理、生物和化學(xué)過程的主要能量來源，因此是生態(tài)系統(tǒng)過程模型、水文模擬模型和生物物理模型研究中的必要參數(shù)。逐日太陽總輻射是作物模擬模型等模型運(yùn)行的必需參數(shù)，當(dāng)前對氣候參數(shù)的收集主要來源于氣象站點(diǎn)。長期以來由于地面輻射觀測站點(diǎn)的數(shù)量稀少和分布不均勻，導(dǎo)致逐日太陽總輻射觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研究工作需要，在很大程度上限制了作物模擬模型等模型的運(yùn)用。對如何通過間接方法獲取到達(dá)地面的太陽總輻射數(shù)據(jù)，很多學(xué)者從多種途徑進(jìn)行了探索。

從20世紀(jì)20年代初開始，國內(nèi)外學(xué)者基于太陽總輻射與地面氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系，分別建立了不同的機(jī)理模型[1-4]和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5-60]。機(jī)理模型以輻射傳輸過程理論為基礎(chǔ)，大多詳細(xì)地考慮了大氣中的不同介質(zhì)對輻射傳輸?shù)挠绊?，分別對直接輻射、散射輻射進(jìn)行模擬，但是這些模型結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，所需參數(shù)多且不易獲取，所以機(jī)理模型實(shí)際應(yīng)用不是很廣。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔跀?shù)據(jù)驅(qū)動的原理，以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建太陽總輻射與氣象因子（日照、氣溫等）的回歸關(guān)系模型。由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托问胶唵?、所需參?shù)少又容易獲取，成為太陽輻射模擬的首選方法，應(yīng)用最為廣泛。本文基于對國內(nèi)外文獻(xiàn)的回顧，試圖從站點(diǎn)估算、區(qū)域估算的角度，對目前國內(nèi)外有關(guān)逐日太陽總輻射估算研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期在促進(jìn)和深化逐日太陽總輻射模擬研究方面起到指導(dǎo)作用。

1 站點(diǎn)太陽總輻射估計(jì)

太陽總輻射的站點(diǎn)估計(jì)多是采用隨機(jī)模擬[5]和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，近年來也有很多利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network，NN）[6-8]、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）[9-10]、粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）[11-12]等來估算Rs。Besharat等[13]根據(jù)自變量的不同，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃?類，分別是基于日照的、基于云量的、基于溫度的和基于其他氣象參數(shù)的，前面3類最為常用。

1.1 基于日照的站點(diǎn)太陽總輻射估計(jì)

國外最早構(gòu)建的是基于日照的太陽總輻射估算。Angstrom[14]最先提出基于日照的太陽總輻射估算公式，Prescott[15]又在20世紀(jì)40年代將其發(fā)展為著名的A-P模型，其形式為：

=a+b

式中Rs、Ra分別為實(shí)際太陽總輻射和可能太陽總輻射（即天文輻射），n、N分別表示實(shí)際和可能日照時數(shù)；該式物理意義明確，將相對總輻射（Rs/Ra）與相對日照（n/N）聯(lián)系在一起；模型中的兩個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a、b，隨大氣狀況、時間和地理緯度變化，可以在一定程度上反映大氣對太陽輻射吸收和散射的時空特性，F(xiàn)AO推薦值分別為0.25和0.5，一般情況下都通過觀測站的總輻射和日照時數(shù)資料確定。后來利用日照來估算太陽總輻射的模型研究基本都是對A-P模型的變形（表1），或是將線性關(guān)系增加為二次、三次等，或是增加變量如地理信息因子（緯度、海拔），或是引入空氣質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)[16-17]等。還有一些改變則是既引入其他變量又加入多次（二次、三次）形式的A-P模型。

更多的研究則是在世界不同地點(diǎn)對A-P模型及變形進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證，如在澳大利亞和德國[18]、伊朗[19]、阿根廷[20]、阿爾及利亞[21]、西班牙[22]、尼日利亞[23]、越南[24]、土耳其[25]、印度[26]和中國西藏[27]、中國上海[28]等不同氣候區(qū)域氣象站點(diǎn)的應(yīng)用。

1963年左大康[36]最先系統(tǒng)地研究了中國太陽總輻射的氣候計(jì)算問題，并首先繪制了全國年、月總輻射的分布圖；王炳忠[37]結(jié)合日照百分率和水汽壓擬合出中國干旱地區(qū)和其他地區(qū)的太陽總輻射計(jì)算公式。其后，利用相似的方法，人們陸續(xù)研究了國內(nèi)不同站點(diǎn)的太陽輻射估算模型。例如，Tang等[38]用中國97個站點(diǎn)的日照作為參數(shù)估算了中國大陸逐日太陽總輻射（平均RMSE約為2.0 MJ m-2）。盡管部分作者宣稱他們改進(jìn)后的模型模擬效果優(yōu)于原始A-P模型，然而大量驗(yàn)證表明這些改進(jìn)的模型與原始A-P模型模擬效果差異并不顯著，反而增加了模型的復(fù)雜程度和計(jì)算成本[39]。

1.2 基于云量的站點(diǎn)太陽總輻射估計(jì)

在地球表面大約有50%的地區(qū)為云所覆蓋，云對輻射的透射、吸收、反射和自身發(fā)射的紅外輻射控制著入射至地球的太陽總輻射。云數(shù)據(jù)分為云量和云的類型，一般由氣象衛(wèi)星觀測而得，地面氣象站點(diǎn)也有一定記錄。由于云量觀測數(shù)據(jù)較少，且對能見度、日照時數(shù)等都有影響，基于云量的太陽總輻射估計(jì)研究相對于日照等模型少。

Black[40]首先提出相對輻射與云量的二次關(guān)系式，其中的云量數(shù)據(jù)來源于手繪的氣象圖。國內(nèi)基于云量估算逐日太陽總輻射的研究很少，蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文[41]對中國大陸16個站點(diǎn)提出了基于云量和水平能見度的總輻射估算模型，北方地區(qū)擬合效果相對較好，但都沒有考慮到云狀、云高等因素。

1.3 基于溫度的站點(diǎn)太陽總輻射估計(jì)

對于地面氣象站點(diǎn)，云量、日照等數(shù)據(jù)并不如溫度數(shù)據(jù)那么容易獲取，因此一些較為精確、簡單的估算模型都是基于溫度數(shù)據(jù)構(gòu)建的。該類模型都認(rèn)為最高溫（Tmax）與最低溫（Tmin）的差異都直接與到達(dá)地面的太陽總輻射相關(guān)。1982年，Hargreaves和Samani[42]首次提出了基于最高溫（Tmax）和最低溫（Tmin）估算日太陽輻射的線性模型，即H-S模型（表2，模型1），其中Kr為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，內(nèi)陸地區(qū)推薦值為0.16，沿海地區(qū)推薦值為0.19。Bristow和Campbell[43]提出日最高溫與最低溫的差與日太陽輻射成冪函數(shù)關(guān)系，即B-C模型（表2，模型2）。H-S模型和B-C模型可謂是基于溫度的太陽總輻射估算的經(jīng)典模型，應(yīng)用最為廣泛，后來的模型多是對這兩個模型的修訂或改進(jìn)，其改進(jìn)方法與對A-P模型的改進(jìn)方法類似。改進(jìn)后的基于溫度的模型精度因地而異，在一些地區(qū)，改進(jìn)后的模型精度要明顯高于H-S模型[51]，而在另外的很多地區(qū)，兩者差異并不顯著[52]。Donatell & Campbell[53]基于B-C模型，提出了對平均溫和最低溫的修訂函數(shù)。Hunt等[45]研究表明引入降雨和最高溫的模型精度最高，且估算精度與站點(diǎn)之間的距離成線性關(guān)系。Annandale等[54]加入了海拔來改進(jìn)H-S模型。Almorox等[55]在估算馬德里逐日太陽輻射時，引入了基于氣溫的飽和水汽壓。

國內(nèi)關(guān)于基于溫度數(shù)據(jù)估算站點(diǎn)太陽輻射的報(bào)道較少，Chen等[49]在中國48個站點(diǎn)用1994～1998年的逐日觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了B-C模型、Allen模型和H-S模型。Li等[47]利用最高溫、最低溫，并結(jié)合露點(diǎn)溫度、霧和降雨量等常規(guī)觀測氣象要素建立了重慶市的逐日太陽輻射估算模型。Liu等[56]用中國東北、西北和北部地區(qū)15個站點(diǎn)多年數(shù)據(jù)驗(yàn)證了16個基于溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究表明B-C模型比其他模型的估算精度高4%～7%。

1.4 基于其他參數(shù)的站點(diǎn)太陽總輻射估計(jì)

也有學(xué)者提出用其他氣象參數(shù)來估算逐日太陽輻射，如降雨量（Pt）、相對濕度（RH）、露點(diǎn)溫度、土壤溫度等結(jié)合日照、氣溫、云量一起估算太陽總輻射，常見的模型如表3所示。

2 區(qū)域太陽總輻射估計(jì)

太陽輻射數(shù)據(jù)作為地球生態(tài)系統(tǒng)變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，在進(jìn)行全球和區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)變化管理和模擬時，迫切需要時空分辨率較高的區(qū)域化太陽輻射數(shù)據(jù)。目前水平面上太陽總輻射的區(qū)域化估算方式主要有3種：①根據(jù)輻射站點(diǎn)的實(shí)測資料，采用一定的空間插值方法直接進(jìn)行；②利用影響輻射的相關(guān)要素建立模型推廣至區(qū)域進(jìn)行模擬[60]；③通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)等進(jìn)行遙感反演[61]，或是將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合[62-63]，這是近年來的研究熱點(diǎn)。

中國幅員面積廣闊，地形復(fù)雜，氣候多樣，太陽輻射觀測站點(diǎn)分布不均，尤其是在80%中國人居住的農(nóng)村地區(qū)和山區(qū)，逐日太陽輻射觀測數(shù)據(jù)都是不可獲得的[64]；僅僅依靠觀測數(shù)據(jù)來描述太陽總輻射的空間分布是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我國最早估計(jì)區(qū)域太陽輻射僅是一個通式，即一個區(qū)域就一個確定系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，如1964年翁篤鳴[65]依據(jù)我國地理、氣候條件將全國（除青藏高原）分為華南、華中、華北和西北4個區(qū)域，并分別提出了每個區(qū)域的太陽總輻射與日照的經(jīng)驗(yàn)公式。該類區(qū)域化模型簡單，但精度不高，且經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?jīng)驗(yàn)系數(shù)是隨時間、地點(diǎn)而變化的。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們先后采用不同的輔助變量和模型對太陽輻射進(jìn)行了模擬。史嵐[66]以重慶1 ∶ 25萬數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）為輔助數(shù)據(jù)，結(jié)合晴空指數(shù)、直接透射率等參數(shù)對重慶實(shí)際復(fù)雜地形條件下的太陽直接輻射和散射輻射進(jìn)行了數(shù)值模擬，為起伏地形下輻射估算及其他地表氣象要素的空間擴(kuò)展提供了參考。何洪林等[67]分別對太陽輻射要素、溫度、降水等空間化方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明空間化誤差的時空分布與測點(diǎn)密度、氣候要素本身特性等因素有關(guān)。周明厚[68]利用地理信息技術(shù)對重慶太陽總輻射進(jìn)行了基于溫度數(shù)據(jù)的空間化，結(jié)果表明回歸克里格插值效果最佳。Selmin等[69]將地面觀測的日照時數(shù)與衛(wèi)星影像相結(jié)合，估算了土耳其和德國的逐日太陽輻射。

3 太陽總輻射估算存在的問題與展望 3.1 站點(diǎn)太陽總輻射估算

對于太陽總輻射的估算，統(tǒng)計(jì)模型的優(yōu)點(diǎn)是簡單、運(yùn)用方便，利用常規(guī)氣象要素以及臺站的地理信息和觀測時間，就可以模擬出太陽總輻射。國內(nèi)許多學(xué)者都根據(jù)特定地點(diǎn)的日照時數(shù)和日照百分率估算總輻射，提出了各自的計(jì)算公式，并給出了不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。但是此類方法都是基于日照進(jìn)行估算，對于缺少日照資料的地區(qū)就不適用。基于云量估算太陽總輻射的研究較少，進(jìn)展也不大；目測云量和能見度主觀人為因素太大，而且沒有考慮到云狀、云高等因素，所以誤差較大。

3.2 區(qū)域化太陽總輻射估算

區(qū)域化太陽輻射的估算，考慮了大尺度上的氣象及天文等因子的影響，更為重要的是，它還考慮了小尺度上的地理要素，是進(jìn)行全球和區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)變化管理和模擬的重要基礎(chǔ)。對國內(nèi)外區(qū)域化太陽總輻射的主要研究結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明各個方法都有一定不足。簡單的空間插值方法不能合理揭示區(qū)域輻射狀況的空間分布特征。以數(shù)字高程模型等柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的太陽總輻射空間化，其誤差受測點(diǎn)密度、氣候要素本身特性等因素影響。由于日照時數(shù)數(shù)據(jù)的柵格化還沒有公認(rèn)的方法，所以基于日照的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁簳r還不能推廣至區(qū)域[70]。區(qū)域和全球范圍的太陽總輻射估算最為可行的是進(jìn)行遙感反演[71]，但由于太陽輻射觀測站點(diǎn)太少，遙感反演結(jié)果的驗(yàn)證較為困難。

3.3 太陽總輻射估算展望

利用任何一種模型來估算逐日太陽總輻射都存在著一些理論上的假設(shè)和應(yīng)用條件的限制，利用不同方法區(qū)域化的太陽總輻射精度也不同，因此，并不存在普適性的方法或模型。方法的選擇必須充分考慮研究區(qū)域氣候特征、數(shù)據(jù)可獲取性等，并進(jìn)行多方面效果對比，找出最適用方法。

隨著科學(xué)研究及生產(chǎn)過程中對太陽總輻射數(shù)據(jù)及精度要求越來越高，輻射模擬方法將不斷完善。基于區(qū)域氣候特征，引進(jìn)更多相關(guān)因子，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法以提高模擬速度和精度是一個發(fā)展趨勢。各類空間化方法將進(jìn)一步綜合發(fā)展，過程將會越來越復(fù)雜。遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，可以大大減少區(qū)域化太陽輻射的工作量，實(shí)現(xiàn)輻射空間分布的可視化表達(dá)，各類模型與遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合將是另一個趨勢。

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