松花湖地區(qū)日總輻射計(jì)算模型的參數(shù)估算

邱 敏，陳鳴淵，羅瀲蔥，李慧赟，戴淑君

(1.暨南大學(xué)生態(tài)學(xué)系，廣東 廣州 510632；2.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 杭州 310007；3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008)

松花湖地區(qū)日總輻射計(jì)算模型的參數(shù)估算

邱 敏1，陳鳴淵2，羅瀲蔥3①，李慧赟3，戴淑君3

(1.暨南大學(xué)生態(tài)學(xué)系，廣東 廣州 510632；2.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 杭州 310007；3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008)

松花湖地區(qū)日總輻射數(shù)據(jù)缺乏，導(dǎo)致該地區(qū)日總輻射計(jì)算模型研究領(lǐng)域存在空缺。為此，筆者對(duì)基于日照時(shí)數(shù)的松花湖日總輻射計(jì)算模型進(jìn)行了參數(shù)估算。在概述當(dāng)前基于日照時(shí)數(shù)的日總輻射計(jì)算方法及公式基礎(chǔ)上，采用長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)1961—2000年逐日日總輻射和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，借助廣義模式搜索算法確定模型參數(shù)，再利用2001—2012年日照時(shí)數(shù)和日總輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，日總輻射模型的模擬值與實(shí)測(cè)值擬合程度較好，2個(gè)站點(diǎn)的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)分別為0.93和0.94，均方根誤差(RMSE)分別為22.39和19.53 W·m-2，從而計(jì)算得到兩地日總輻射計(jì)算模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)as和bs。由于松花湖地區(qū)特殊的地理位置，這2個(gè)地區(qū)的as和bs平均值可作為松花湖日總輻射計(jì)算模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，分別為0.164 34和0.591 02。對(duì)松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)在多年和年內(nèi)變化中均呈正比關(guān)系。近50 a來(lái)松花湖日總輻射總體呈減少趨勢(shì)，且1982—2010年間日總輻射變化幅度比其他年份小，日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)與其類(lèi)似。

日總輻射；日照時(shí)數(shù)；模型；松花湖

太陽(yáng)輻射是地球-大氣系統(tǒng)最重要的能量來(lái)源,它從根本上決定著地球-大氣的熱狀況[1]。同時(shí),它也直接影響著地球上的生物生長(zhǎng)和人類(lèi)活動(dòng),是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳收支的重要環(huán)境因子[2]。對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)而言,太陽(yáng)輻射也是一個(gè)至關(guān)重要的影響因子,它為湖泊藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)和水華爆發(fā)提供了良好的物理?xiàng)l件[3],輻射大小變化將直接影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和演變。

太陽(yáng)輻射作為模型研究的必要參數(shù)被廣泛利用。一般的作物生長(zhǎng)模擬模型、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型、氣候模型和水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型均需要逐日溫度、降水、太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)[4-8],但目前只有少數(shù)站點(diǎn)進(jìn)行了太陽(yáng)輻射的逐日監(jiān)測(cè)。研究區(qū)域松花湖地區(qū)未設(shè)太陽(yáng)輻射站點(diǎn),故缺少太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)。隨著氣候、作物和水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的逐步深入,太陽(yáng)輻射資料的缺乏成為松花湖地區(qū)相關(guān)模型研究的限制因素。為彌補(bǔ)松花湖地區(qū)日總輻射數(shù)據(jù)及計(jì)算方法的空缺,對(duì)松花湖地區(qū)的日總輻射計(jì)算模型進(jìn)行了研究,探討了松花湖地區(qū)日總輻射與日照時(shí)數(shù)的相互關(guān)系及時(shí)空變化特征。

目前,獲取日總輻射的途徑有直接觀測(cè)和模型模擬計(jì)算2種,但由于缺乏觀測(cè)站,大部分地區(qū)缺少太陽(yáng)輻射的觀測(cè)資料,只能通過(guò)模型模擬計(jì)算日總輻射。國(guó)內(nèi)外最常用的模擬計(jì)算方法是利用常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算日總輻射,主要包括基于云量和日照時(shí)數(shù)計(jì)算2種方法[9-12]。已有較多研究采用日照時(shí)數(shù)計(jì)算日總輻射,如張運(yùn)林等[13]對(duì)無(wú)錫地區(qū)太陽(yáng)輻射進(jìn)行了計(jì)算和分析,趙軍等[14]利用黃土高原區(qū)11個(gè)氣象站點(diǎn)1992—2000年的日照時(shí)數(shù)和日總輻射數(shù)據(jù),采用最小二乘法計(jì)算得出該區(qū)域月總輻射模型參數(shù)。從這些研究可以發(fā)現(xiàn),使用日照時(shí)數(shù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射估算是一種方便快捷、具有較高精度且易于推廣的方法。但這些研究的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理過(guò)程均較復(fù)雜,主要是利用日照時(shí)數(shù)月平均值計(jì)算月平均日總輻射,并未得到逐日日照時(shí)數(shù)與日總輻射的關(guān)系。為此,運(yùn)用廣義模式搜索算法對(duì)長(zhǎng)春和延吉地區(qū)1961—2000年逐日日照時(shí)數(shù)和日總輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的率定和優(yōu)化,然后利用兩地2001—2012年的日照時(shí)數(shù)和日總輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到兩地計(jì)算日總輻射的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)as和bs。兩地as和bs平均值可作為松花湖地區(qū)日總輻射模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),為日后松花湖地區(qū)需要輸入逐日太陽(yáng)輻射的相關(guān)模型研究提供參考。

1 研究區(qū)域概況

松花湖即豐滿(mǎn)水庫(kù),位于吉林市東南部,是在松花江小豐滿(mǎn)處建水壩而形成的大型人工湖泊。流域面積43 370.8 km2,回水全長(zhǎng)180 km,湖面最寬約5 km,最大水面面積550.0 km2,平均水深30～40 m,年入庫(kù)徑流量約137億m3。松花湖是長(zhǎng)春市和吉林市居民生活和生產(chǎn)用水的水源地,此外還有發(fā)電、防洪、灌溉、養(yǎng)殖和航運(yùn)等功能。由于水土流失嚴(yán)重以及工業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展等因素,湖區(qū)生態(tài)環(huán)境已有一定程度的破壞和污染,有些區(qū)域已呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化[15]。

松花湖周邊的太陽(yáng)輻射站點(diǎn)為哈爾濱、長(zhǎng)春和延吉,但與長(zhǎng)春和延吉相比,哈爾濱距離松花湖較遠(yuǎn),所以選取長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)的逐日太陽(yáng)輻射與日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)開(kāi)展研究。長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)的地理位置分別為43°54′ N,125°13′ E和42°52′ N,129°28′ E。松花湖(43°07′～43°50′N(xiāo),126°45′～127°38′ E)與2個(gè)站點(diǎn)的距離相近,因此其模型參數(shù)可用2個(gè)站點(diǎn)模型參數(shù)的平均值來(lái)估算,數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

2 研究方法

2.1 基于日照時(shí)數(shù)的日總輻射模型

日總輻射Rs無(wú)法直接測(cè)得,可用下式計(jì)算[16]:

Rs=(as+bs×n/N)×Ra。

(1)

式(1)中,Rs為日總輻射,W·m-2;Ra為晴天日總輻射,W·m-2;as和bs均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);n為日照時(shí)數(shù),h;N為日照時(shí)長(zhǎng),h;n/N為相對(duì)日照時(shí)間。

(2)

ws=arccos (-tanφ×tanδ),

(3)

δ=0.409sin (2πJ/365-1.39),

(4)

dr=1+0.033cos (2πJ/365)。

(5)

式(2)～(5)中,Gsc為太陽(yáng)常數(shù),取值1 360.8±0.000 5 W·m-2;dr為日地間相對(duì)距離的倒數(shù);ws為太陽(yáng)時(shí)角,rad;φ為地理緯度;δ為太陽(yáng)磁偏角,rad[17];J為日序數(shù)。

2.2 松花湖日總輻射模型參數(shù)的估算

利用長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)1961—2000年實(shí)測(cè)日總輻射和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù),借助廣義模式搜索(GPS)算法[18],在MATLAB中進(jìn)行參數(shù)as和bs的率定[19]。GPS算法是直接搜索算法中的一個(gè)特殊子集族,主要是在特殊方向集上抽取目標(biāo)函數(shù),通過(guò)比較函數(shù)值大小,找出下降方向進(jìn)而解決最優(yōu)化問(wèn)題[20]。

GPS算法的搜索步sk由模式矩陣Pk(確定sk的方向)和步長(zhǎng)控制參數(shù)Δk(確定sk的步長(zhǎng))共同決定。定義模式矩陣為

Pk=BCk=[BMk-BMkBLk]=[BΓkBLk],

(6)

Ck=[Mk-MkLk]=[ΓkLk]。

(7)

對(duì)GPS算法的探索移動(dòng)有如下2個(gè)假設(shè):sk∈ΔkPk≡ΔkBCk≡Δk[BΓkBLk];若min{f(xk+y),?y∈ΔkBΓk}

給定初始點(diǎn)x0∈Rn,初始步長(zhǎng)Δ0>0,則計(jì)算步驟如下:計(jì)算f(xk),其中k=0,1,2,…,n;按一定模式確定搜索步sk;計(jì)算ρk≡f(xk)-f(xk+sk);判斷若ρk>0成立,則xk+1≡xk+sk,否則xk+1≡xk;更新生成矩陣Ck和步長(zhǎng)Δk。當(dāng)步長(zhǎng)控制參數(shù)Δk足夠小時(shí),認(rèn)為上述算法已經(jīng)收斂,算法終止。

GPS算法不僅構(gòu)思直觀,易于編程實(shí)現(xiàn),且可以有效收斂到全局最優(yōu)解,解決線性約束條件下的非線性復(fù)雜水文模型的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。該算法既無(wú)需計(jì)算或近似任何導(dǎo)數(shù)信息,又不用計(jì)算或近似任何懲罰因子或拉格朗日乘子,不強(qiáng)加任何充分下降的概念,仍然可以實(shí)現(xiàn)算法的收斂性,在非線性規(guī)劃和非光滑最優(yōu)化領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。

選用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE,ENS)和均方根誤差(RMSE,ERMS)進(jìn)行模型結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗(yàn)[21-22],計(jì)算公式為

(8)

(9)

從長(zhǎng)春和延吉日總輻射模型參數(shù)as和bs的率定結(jié)果中選取最佳參數(shù),采用2001—2012年日照和輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,從而確定長(zhǎng)春和延吉日總輻射模型參數(shù)as和bs,松花湖日總輻射模型參數(shù)用2個(gè)站點(diǎn)模型參數(shù)的平均值來(lái)估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)春和延吉日總輻射模型參數(shù)的率定與驗(yàn)證

圖1～2分別為1961—2000年長(zhǎng)春和延吉逐日日總輻射的實(shí)測(cè)和模擬值散點(diǎn)圖。由圖1～2可知,散點(diǎn)較均勻的分布于1∶1直線的兩側(cè),模型率定期間的NSE值均為0.88,RMSE值分別為29.349和28.115 W·m-2。由此說(shuō)明,長(zhǎng)春和延吉兩地日總輻射模型在率定期模擬所得的日總輻射與實(shí)測(cè)日總輻射擬合程度較好。

圖1 1961—2000年長(zhǎng)春日總輻射模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖2 1961—2000年延吉日總輻射模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

為檢驗(yàn)長(zhǎng)春和延吉兩地日總輻射模型的精度,采用2001—2012年逐日日總輻射和日照時(shí)數(shù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行模型驗(yàn)證。由圖3～4可知,兩地2001—2012年日總輻射實(shí)測(cè)值散點(diǎn)圖均勻地分布在1∶1直線兩側(cè),NSE值分別為0.93和0.94,RMSE值分別為22.39和19.53 W·m-2。與率定期相比,驗(yàn)證期的NSE值有所提高,而RMSE值有所降低。NSE值在小于1的情況下越高,表明模型精度越高,而RMSE值越低則表明模型的驗(yàn)證結(jié)果更好。由此表明,兩地的日總輻射模型均能較好地模擬逐日日總輻射,模擬結(jié)果可行,模型精度良好。

圖3 2001—2012年長(zhǎng)春日總輻射模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4 2001—2012年延吉日總輻射模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 模型參數(shù)率定結(jié)果

表1為各地日總輻射模型參數(shù)率定結(jié)果。

表1 松花湖、長(zhǎng)春和延吉日總輻射模型參數(shù)as和bs的率定結(jié)果

Table 1 Parametersasandbsin DTSR models for Lake Songhua,Changchun and Yanji

區(qū)域緯度經(jīng)度asbs長(zhǎng)春站點(diǎn)43°54'N125°13'E0.150420.60786延吉站點(diǎn)42°52'N129°28'E0.178250.57417松花湖地區(qū)43°07'～43°50'N126°45'～127°38'E0.164340.59102

其中松花湖模型參數(shù)為長(zhǎng)春和延吉參數(shù)的算術(shù)平均值。由表1得到松花湖地區(qū)日總輻射的計(jì)算公式為Rs=(0.164 34+0.591 02×n/N)×Ra。

4 松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)特征分析

由于缺乏松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù),將長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)的日總輻射和日照時(shí)數(shù)平均值作為松花湖估算值,以此來(lái)粗略觀察松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)的多年和年內(nèi)變化趨勢(shì)。

從圖5可以看出,近50a來(lái)松花湖地區(qū)日總輻射呈波動(dòng)減小趨勢(shì),這與全國(guó)日總輻射的變化趨勢(shì)基本保持一致[23-24]。1961—1968年日總輻射均高于多年平均值,1969—1981年日總輻射除2個(gè)年份外均低于多年平均值,1992—2010年日總輻射大體上接近多年平均值,波動(dòng)較小。松花湖地區(qū)日照時(shí)數(shù)與日總輻射呈正比例關(guān)系,即日照時(shí)數(shù)增加則日總輻射增加。

圖5 1961—2012年松花湖地區(qū)年平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)變化

圖6為1961—2012年松花湖多年月平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)變化。由圖6可知,松花湖月平均日總輻射曲線呈上凸的拋物線形式,夏季最大,春秋季次之,冬季最小,除4、6月外,其變化趨勢(shì)與月平均日照時(shí)數(shù)基本相同。對(duì)月平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)兩者在α=0.01水平呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.845。1—5月(除4月外)松花湖地區(qū)多年月平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)均呈上升趨勢(shì),其中日總輻射在6月達(dá)最高,月日照時(shí)數(shù)在5月達(dá)最高。分析其可能原因是6月為松花湖豐水期[25],降水較多,所以日照時(shí)數(shù)較5月少;但6月太陽(yáng)對(duì)北半球進(jìn)行直射,導(dǎo)致其日總輻射增大,所以6月日總輻射達(dá)最高。9月之后,月平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)均下降,在12月均達(dá)全年最低值。周曉宇等[26]對(duì)1961—2009年?yáng)|北地區(qū)日照時(shí)數(shù)變化特征的分析發(fā)現(xiàn),東北地區(qū)最高和最低日照時(shí)數(shù)分別出現(xiàn)在5和12月,筆者的研究結(jié)果與其一致。

圖6 1961—2012年松花湖月平均日總輻射與日照時(shí)數(shù)比較

影響地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱變化的因素有很多,除各地區(qū)地理位置差異外,還包括大氣分子、云量、大氣中水汽及懸浮物等。松花湖太陽(yáng)輻射與日照時(shí)數(shù)之間的關(guān)系十分密切,日照時(shí)數(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射值的影響較大。松花湖地區(qū)附近除吉林外沒(méi)有其他大型城市,受城市熱島效應(yīng)的影響小,大氣中懸浮物相應(yīng)也較少,所以大氣懸浮物對(duì)其影響可能較小。水汽對(duì)太陽(yáng)輻射具有吸收作用,相關(guān)研究表明,1970—1990年?yáng)|北地區(qū)水汽通量增加,但在2000年代出現(xiàn)大幅度減小[27]。由圖6可知,1970—1990年松花湖日總輻射總體呈減少趨勢(shì),在2000年代則相對(duì)穩(wěn)定,說(shuō)明水汽對(duì)松花湖地區(qū)日總輻射有一定影響,但不是主要影響因子。云量是另一個(gè)影響因素,云量增加,太陽(yáng)總輻射減少。這是因?yàn)樵茖訉?duì)太陽(yáng)輻射具有吸收和散射作用[28],削弱了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射。但松花湖地區(qū)云量數(shù)據(jù)缺乏,無(wú)法準(zhǔn)確了解云量對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。謝今范等[29]研究表明,云量對(duì)東北地區(qū)太陽(yáng)輻射由減少到增加的趨勢(shì)毫無(wú)貢獻(xiàn),而低云量及氣溶膠對(duì)其影響較大,推測(cè)低云量及日照時(shí)數(shù)變化對(duì)松花湖日總輻射有較大影響。

5 討論

目前,基于日照時(shí)數(shù)計(jì)算太陽(yáng)輻射的研究很多。ALMOROX等[30]在沒(méi)有考慮大氣透明度系數(shù)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為逐日太陽(yáng)輻射模擬計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)as和bs之和為0.75左右,并通過(guò)對(duì)西班牙的太陽(yáng)輻射模擬得到as和bs分別為0.217 0和0.545 3;聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)建議as和bs分別取值0.25和0.5;張運(yùn)林等[13]利用上海、南京和杭州近40 a的實(shí)測(cè)總輻射與月日照百分率進(jìn)行回歸分析,得到無(wú)錫地區(qū)的as和bs值分別為0.135 1和0.570 7;而左大康等[31]根據(jù)我國(guó)不同類(lèi)型地區(qū)實(shí)測(cè)日總輻射、日照百分率月平均值和晴天狀態(tài)下的月總輻射資料,計(jì)算得到as和bs分別為0.248和0.752。筆者計(jì)算得到松花湖地區(qū)as和bs分別為0.164 34和0.591 02,兩者之和接近0.75,與ALMOROX等[30]的系數(shù)之和保持一致。筆者計(jì)算的參數(shù)值與部分研究存在差異,分析可能的原因有2個(gè):一是前人主要基于日照百分率的月平均值進(jìn)行分析和計(jì)算,而筆者是利用逐日太陽(yáng)輻射與日照時(shí)數(shù)率定優(yōu)化而得,時(shí)間尺度不一樣,導(dǎo)致其值可能存在一定差異;二是研究區(qū)域范圍不同,筆者計(jì)算得到的是一個(gè)相對(duì)較小區(qū)域的模型參數(shù)值。

以往對(duì)太陽(yáng)輻射的研究大多是對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射進(jìn)行估算。童成立等[32]通過(guò)對(duì)我國(guó)不同區(qū)域9個(gè)代表站的模擬分析構(gòu)建模型,該模型僅需要輸入站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)和地理信息,便可以估算出該站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射。趙東等[33]利用全國(guó)范圍內(nèi)的日照時(shí)數(shù)對(duì)直接輻射進(jìn)行估算,從而分析我國(guó)近50 a來(lái)太陽(yáng)直接輻射資源的基本特征及其變化。以上研究并沒(méi)有對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行太陽(yáng)輻射模型的參數(shù)計(jì)算和公式反演,而對(duì)于特定環(huán)境區(qū)域,模擬參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整。該研究通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春和延吉逐日太陽(yáng)輻射模型的模擬和驗(yàn)證,得到太陽(yáng)輻射估算模型,以后只需輸入該區(qū)域內(nèi)的日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)便可得到日總輻射值,一方面可以彌補(bǔ)松花湖區(qū)域內(nèi)日總輻射模型研究的空缺,另一方面也為日后松花湖區(qū)域作物及水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型研究提供參考。

由于缺乏松花湖地區(qū)實(shí)測(cè)日總輻射數(shù)據(jù),未對(duì)松花湖日總輻射模型公式進(jìn)行驗(yàn)證。但長(zhǎng)春和延吉兩地距離松花湖地區(qū)較近,且緯度與松花湖地區(qū)相差不大,因筆者提出的模型公式具有一定的可信度,對(duì)以后松花湖地區(qū)日總輻射計(jì)算具有一定的參考意義。目前松花湖地區(qū)缺少太陽(yáng)輻射站點(diǎn),導(dǎo)致需要這些氣象資料的水生態(tài)模型研究難度較大,希望以后能完善松花湖地區(qū)的氣象站點(diǎn),獲取更準(zhǔn)確的氣象資料,這很大程度上有利于松花湖的管理與利用。

6 結(jié)論

(1)利用長(zhǎng)春和延吉2個(gè)站點(diǎn)的逐日日總輻射與日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的率定,得出2個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)as和bs,松花湖日總輻射模型參數(shù)為2個(gè)站點(diǎn)參數(shù)的算術(shù)平均值,由此得出松花湖地區(qū)日總輻射計(jì)算公式:Rs=(0.164 34+0.591 02×n/N)×Ra。

(2)松花湖日總輻射與日照時(shí)數(shù)呈正比關(guān)系,近50a來(lái)松花湖地區(qū)日總輻射總體呈減少趨勢(shì),且1982—2010年間日總輻射變化較小,日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)與之一致。松花湖多年月平均日總輻射最高和最低值分別出現(xiàn)在6和12月,多年月平均日照時(shí)數(shù)則在5月達(dá)最高,在12月達(dá)最低。

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(責(zé)任編輯： 許 素)

Estimation of Parameters in Daily Total Solar Radiation Model for Lake Songhua Region.

QIUMin1,CHENMing-yuan2,LUOLian-cong3,LIHui-yun3,DAIShu-jun3

(1.Department of Ecology, Jinan University, Guangzhou 510632,China;2.Hangzhou Environmental Monitoring Center, Hangzhou 310007,China;3.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Lack of daily total solar radiation (DTSR) data for the Lake Songhua Region leaves a blank in the research on DTSR models for the region. Consequently, an attempt to estimate parameters in the DTSR model for the region based on hours of sunshine was taken. On the basis of generalization of methods and equations used currently for calculate of DTSR based on hours of sunshine, the 1961-2000 data of DTSR and daily number of sunshine hours recorded at Changchun and Yanji Stations were cited for calculation of parameters, using the generalized pattern search algorithm. The calculated parameters were then validated with the 2001-2012 data of DTSR and number of sunshine hours from the same cities. Verification demonstrates that the DTSR model performed well with fitting values being quite approximate to the observed values. The fitting was 0.93 and 0.94 in Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) coefficient and 22.39 and 19.53 W·m-2in Root Mean Square Error (RMSE), respectively, at Changchun and Yanji. On such a basis, two empirical parameters,asandbsfor DTSR were figured out to be 0.164 34 and 0.591 02, respectively by regression. In view of the geographical location of the Lake Songhua Region, the mean ofasandbscould be used as the empirical parameter of calculation of DTSR of the region. Analysis of the DTSR and hours of sunshine in the Lake Songhua Region reveals that DTSR is positively related to hours of sunshine at both multi-year and annual scales, DTSR in the Lake Songhua Region has been on a declining trend in the past 50 years and the change was lower in 1982-2010 than in other years. The index of hours of sunshine followed a similar trend.

daily total solar radiation; hours of sunshine; model; Lake Songhua

2016-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(41671205);中新國(guó)際合作項(xiàng)目(2014DFG91780);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(41301022)

P422.1；X16

A

1673-4831(2017)05-0474-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.05.013

邱敏(1991—),男,江西上饒人,碩士生,主要研究方向?yàn)樗h(huán)境數(shù)值模擬。E-mail: 326368346@qq.com

① 通信作者E-mail: lcluo@niglas.ac.cn