WRF-Solar模式對(duì)山東太陽(yáng)總輻射的模擬效果檢驗(yàn)

董旭光，陳艷春，孟祥新

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

引言

在氣候變暖、常規(guī)能源日益緊張、環(huán)境惡化和壓力增大背景下，高效利用太陽(yáng)能等清潔能源已經(jīng)得到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。隨著技術(shù)逐步成熟，成本不斷下降，太陽(yáng)能發(fā)電將成為大城市的主要替代能源。大規(guī)模的太陽(yáng)能資源利用以光電為主，而太陽(yáng)輻射是影響光伏發(fā)電效率的最重要因素，但太陽(yáng)輻射單位面積的能量密度低，日內(nèi)、年內(nèi)變化幅度大，且受氣象條件、地理因素的影響顯著，導(dǎo)致光伏發(fā)電效率具有較大的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性[2]。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，保證電網(wǎng)安全，精準(zhǔn)的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)和評(píng)估顯得尤為重要[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)和評(píng)估技術(shù)方面做了大量的研究，太陽(yáng)輻射預(yù)報(bào)方法主要有基于實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法或人工智能方法，基于衛(wèi)星云圖外推技術(shù)的0～5 h預(yù)測(cè)，還有基于數(shù)值模式結(jié)果的統(tǒng)計(jì)訂正方法，預(yù)報(bào)時(shí)效可達(dá)數(shù)天[4-5]。WRF等數(shù)值模式系統(tǒng)是開(kāi)展太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)測(cè)的有效手段之一，可以使用模式輸出的太陽(yáng)輻射量[2,6-7]、其他變量[8-10]、模式預(yù)報(bào)和觀測(cè)數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型[11-12]等方法進(jìn)行太陽(yáng)能評(píng)估和預(yù)測(cè)。天文因子、地理因子、氣候和環(huán)境因子等要素是影響地面太陽(yáng)輻射的主要因素，各因子間相互作用和影響會(huì)造成WRF模擬太陽(yáng)輻射結(jié)果誤差較大、可靠性低，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行訂正后使用。研究發(fā)現(xiàn)，云[13-15]、氣溶膠[15-18]等的間接效應(yīng)是影響太陽(yáng)輻射的主要因素之一，但在WRF模式中沒(méi)有充分考慮氣溶膠對(duì)輻射的影響，導(dǎo)致模式模擬的總輻射、直接輻射值偏高，散射輻射值偏低[17]。WRF-Solar模式[19]是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)專門(mén)為太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)報(bào)發(fā)展的天氣預(yù)報(bào)模型，WRF-Solar模式考慮了氣溶膠對(duì)輻射的直接影響，增加了云與輻射的反饋機(jī)制，顯著提升了太陽(yáng)輻射的評(píng)估和預(yù)報(bào)效果。WRF-Solar模式已經(jīng)在美國(guó)[20-25]、科威特[26]、阿拉伯半島[27]、西班牙[28]、新加坡[29]以及中國(guó)寧夏[3]、內(nèi)蒙古[30]等地區(qū)進(jìn)行了總輻射預(yù)測(cè)應(yīng)用研究，相對(duì)于WRF模式，大多數(shù)研究結(jié)果表明WRF-Solar模式在不同的天氣條件下，總輻射預(yù)測(cè)效果得到明顯改善。

山東的太陽(yáng)能資源較豐富，開(kāi)發(fā)利用前景較高[31]。山東地處我國(guó)中東部沿海，區(qū)域內(nèi)下墊面特征復(fù)雜，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均日照時(shí)數(shù)在2 442 h左右[32]。山東太陽(yáng)能資源評(píng)估結(jié)果多是基于太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)的氣候?qū)W方法計(jì)算得到的[31,33-35]，而基于數(shù)值模式或其他方法的太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)報(bào)成果極少見(jiàn)。采用專門(mén)為太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)的WRF-Solar模式，通過(guò)設(shè)置不同總輻射模擬方案，研究WRF-Solar模式在山東區(qū)域不同天氣條件下總輻射的模擬效果，將對(duì)進(jìn)一步提高區(qū)域輻射評(píng)估和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，為區(qū)域太陽(yáng)能光伏發(fā)電預(yù)報(bào)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 研究資料

1.1.1 再分析資料

采用ERA-Interim水平分辨率0.75°×0.75°的再分析資料作為WRF-Solar數(shù)值模式大尺度氣象背景場(chǎng)和邊界條件，時(shí)間間隔為6 h(00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)、18時(shí)，世界時(shí))。ERA-Interim 是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第三代再分析資料，能夠提供1979 年以來(lái)的全球再分析資料，并不斷更新，采用四維變分同化技術(shù)，結(jié)合改進(jìn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差校正等技術(shù)，相對(duì)于前兩代(ERA-15、ERA-40)再分析資料來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了再分析資料質(zhì)量的提升[36]。

1.1.2 MODIS資料

MODIS傳感器是搭載于TERRA和AQUA衛(wèi)星上的重要傳感器，其提供的全球觀測(cè)資料可廣泛用于氣溶膠等的高分辨率監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)可靠性已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可[37]。本研究所用AOD550 nm數(shù)據(jù)為 MOD08_M3產(chǎn)品暗算法與深藍(lán)算法結(jié)合的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)[38]，此數(shù)據(jù)包括逐日和月平均值，空間分辨率是1°×1°。使用前先將逐月氣溶膠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為靜態(tài)資料，即可在模式積分過(guò)程中調(diào)用[3]。

1.1.3 氣象站觀測(cè)資料

選取山東區(qū)域濟(jì)南、福山、莒縣3個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站2018年9月1日至2019年8月31日逐時(shí)總輻射數(shù)據(jù)檢驗(yàn)WRF-Solar數(shù)值模式的總輻射模擬結(jié)果。3個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站地理位置空間分布見(jiàn)圖1。逐時(shí)總輻射資料來(lái)源于山東省氣象信息中心，在進(jìn)行總輻射模擬結(jié)果檢驗(yàn)前，首先對(duì)各站總輻射逐時(shí)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行氣候極值檢驗(yàn)、時(shí)間一致性和空間一致性檢驗(yàn)，保證各站逐時(shí)總輻射數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠性。

圖1 山東區(qū)域海拔高度和輻射觀測(cè)站空間分布Fig.1 Topography and distribution of solar radiation observation stations in Shandong province

文中晴天、陰天、雨天的劃分使用的是日總降水量和定時(shí)平均總云量數(shù)據(jù)，當(dāng)某日降水量為0 mm且總云量少于3成時(shí)，定義該日為晴天；當(dāng)某日降水量為0 mm且總云量多于3成時(shí)，定義該日為陰天；當(dāng)某日降水量≥0.1 mm且總云量多于3成時(shí)，定義該日為雨天。以此標(biāo)準(zhǔn)分別統(tǒng)計(jì)各太陽(yáng)輻射觀測(cè)站模擬時(shí)段四季代表月晴天、陰天和雨天。由于莒縣站沒(méi)有總云量觀測(cè)數(shù)據(jù)，該站總云量以日照站總云量數(shù)據(jù)代替。按照能見(jiàn)度低于1 km為低能見(jiàn)度的標(biāo)準(zhǔn)[39-40]，統(tǒng)計(jì)得到福山、濟(jì)南、莒縣四季代表月低能見(jiàn)度日分別有11 d、12 d、15 d，其中福山站冬季、春季、夏季、秋季分別有1 d、3 d、3 d、4 d，濟(jì)南站分別有1 d、4 d、4 d、3 d，莒縣站分別有2 d、2 d、5 d、6 d。

1.2 研究方法

1.2.1 WRF-Solar模式簡(jiǎn)介

WRF-Solar數(shù)值模式是專門(mén)為太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)報(bào)需求設(shè)計(jì)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，是NCAR太陽(yáng)能發(fā)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是基于WRF模式3.6版本開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展模型[18]。WRF-Solar模式通過(guò)考慮云、氣溶膠和太陽(yáng)輻射之間的反饋過(guò)程，可以計(jì)算模式每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的總輻射、直接輻射和間接輻射，這對(duì)太陽(yáng)能資源評(píng)估和預(yù)測(cè)極為重要。WRF-Solar模式每5 min更新一次[36]，可以根據(jù)需要單獨(dú)輸出總輻射、直接輻射和間接輻射。

WRF-Solar模式的主要改進(jìn)包括：1)改進(jìn)了太陽(yáng)位置算法，解決了由于地球軌道偏心率和傾斜導(dǎo)致的總輻射模擬的超前和滯后問(wèn)題。2)使用輻射參數(shù)化方案可以計(jì)算輸出每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的總輻射、直接輻射和間接輻射[41]。3)使用了一種避免計(jì)算三維加熱率，但能提供地面總輻射的快速輻射傳輸方案[42]。4)采用了一種氣溶膠對(duì)輻射吸收和散射的參數(shù)化方案[43]。5)增強(qiáng)了氣溶膠和云的相互作用，這種相互作用改變了云的演變和氣溶膠特性[44]。6)通過(guò)淺積云參數(shù)化方案實(shí)現(xiàn)次網(wǎng)格云物理過(guò)程對(duì)短波輻射的反饋[45]。

1.2.2 模擬方案設(shè)置

通過(guò)對(duì)總輻射模擬相關(guān)文獻(xiàn)[2,6,8-12,20-29]的調(diào)研和對(duì)比，本研究利用WRF-Solar模式，通過(guò)選取不同的積云對(duì)流參數(shù)化方案、長(zhǎng)短波輻射方案以及利用氣溶膠數(shù)據(jù)對(duì)山東區(qū)域的逐時(shí)總輻射進(jìn)行模擬，使用濟(jì)南、福山、莒縣3站逐時(shí)總輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)的總輻射模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，確定山東區(qū)域較優(yōu)的總輻射模擬方案。設(shè)置的模擬檢驗(yàn)對(duì)比方案和選取的參數(shù)化方案詳見(jiàn)表1和表2。其中方案五使用的物理參數(shù)化方案是基于方案一至方案四的總輻射模擬檢驗(yàn)結(jié)果，確定山東總輻射模擬效果較好的方案，將AOD550 nm數(shù)據(jù)設(shè)置為恒定值0進(jìn)行總輻射模擬，用來(lái)對(duì)比檢驗(yàn)加與不加氣溶膠數(shù)據(jù)對(duì)總輻射模擬效果的影響。

表1 WRF-Solar模式模擬方案設(shè)置Table 1 Settings of different simulation schemes using for the WRF-Solar model

總輻射各模擬方案均設(shè)置為雙重嵌套，外層模擬區(qū)域包括中國(guó)中東部大部分區(qū)域，范圍為19°～49°N，92°～136°E，網(wǎng)格點(diǎn)水平分辨率為27 km，內(nèi)層模擬區(qū)域?yàn)樯綎|和環(huán)渤海區(qū)域，范圍為34°～41°N，114°～124°E，網(wǎng)格點(diǎn)水平分辨率為9 km，詳見(jiàn)圖2，選用的其他主要物理過(guò)程參數(shù)化方案見(jiàn)表2。

表2 WRF-Solar模式參數(shù)配置Table 2 Configurations of the WRF-Solar model

圖2 WRF-Solar模式雙重區(qū)域示意圖Fig.2 Two domains of WRF-Solar model in simulation area

針對(duì)5種不同總輻射模擬方案，選取2018年9月1日至2019年8月31日的四季代表月(春季為2019年4月，夏季為2019年7月，秋季為2018年10月，冬季為2019年1月)作為各模擬方案模擬結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)時(shí)段，分別對(duì)比分析典型日逐時(shí)總輻射模擬效果，確定山東區(qū)域較優(yōu)的總輻射模擬技術(shù)方案?？傒椛淠M起始時(shí)間為每日14時(shí)(北京時(shí)，下同)，每個(gè)模擬個(gè)例模擬時(shí)長(zhǎng)為31 h，舍棄前6 h總輻射模擬結(jié)果，選取第7～30小時(shí)(21時(shí)至次日20時(shí))總輻射模擬結(jié)果作為研究對(duì)象，第二層模擬區(qū)域總輻射逐時(shí)整點(diǎn)輸出，分別統(tǒng)計(jì)得到逐日、逐月等不同時(shí)段總輻射模擬結(jié)果。

1.2.3 模擬結(jié)果檢驗(yàn)方法

針對(duì)3個(gè)太陽(yáng)輻射站逐時(shí)輻照量模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果和觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用相關(guān)系數(shù)、平均偏差(MB)、均方根誤差(RMSE)等檢驗(yàn)方法對(duì)輻照量模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，分析WRF-Solar模式的不同時(shí)段總輻射模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果在山東區(qū)域的模擬能力和可靠性。

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果分析

2.1 模擬個(gè)例結(jié)果檢驗(yàn)

2.1.1 晴天

選取2018年10月23日作為總輻射晴天模擬個(gè)例，當(dāng)日濟(jì)南、福山和莒縣總云量均為0，濟(jì)南、福山、莒縣均無(wú)降水。各模擬方案逐時(shí)總輻射模擬和觀測(cè)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3a—c和圖4a、b。方案一至方案四總輻射模擬結(jié)果差異較小，且與觀測(cè)結(jié)果接近，其中福山站各模擬方案總輻射平均偏差在26.9～39.5 W·m-2之間，均方根誤差在32.8～46.0 W·m-2之間，濟(jì)南站總輻射平均偏差在9.7～22.7 W·m-2之間，均方根誤差在28.4～36.7 W·m-2之間，各時(shí)次總輻射模擬值與觀測(cè)值相差較小。莒縣站總輻射平均偏差在63.6 ～76.7 W·m-2之間，均方根誤差在69.3～83.4 W·m-2之間，正午前后模擬和觀測(cè)結(jié)果相差相對(duì)較大。總體上看，晴天條件下，采用RRTMG長(zhǎng)、短波輻射方案的方案四各站總輻射模擬結(jié)果誤差相對(duì)最小，方案一次之，采用new Goddard長(zhǎng)、短波輻射方案的方案二和方案三對(duì)山東總輻射的模擬效果略差。

圖3 晴天(a、b、c)、陰天(d、e、f)、雨天(g、h、i)個(gè)例各模擬方案逐時(shí)總輻射模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比(單位：W·m-2)Fig.3 Comparisons between hourly solar irradiance simulations and observations (units: W·m-2) on sunny day (a,b,c), cloudy day (d,e,f) and rainy day (h,g,i) cases for each simulation scheme

圖4 晴天(a、b)、陰天(c、d)、雨天(e、f)個(gè)例各模擬方案總輻射平均偏差(a、c、e)、均方根誤差(b、d、f)(單位：W·m-2)Fig.4 Mean bias (a,c,e;units:W·m-2) and root mean square error (b,d,f;units:W·m-2) of each simulation scheme on sunny day (a,b), cloudy day (c,d) and rainy day (e,f) cases

2.1.2 陰天

選取2019年7月16日作為總輻射陰天模擬個(gè)例，當(dāng)日濟(jì)南、福山總云量均超過(guò)9層，莒縣總云量為8成，濟(jì)南、莒縣無(wú)降水，福山降水量為0.1 mm。各模擬方案逐時(shí)總輻射模擬和觀測(cè)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3d—f和圖4c、d?？梢?jiàn)，不同模擬方案總輻射模擬結(jié)果相差較大，方案三模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果最接近，方案一偏差相對(duì)最大。福山站總輻射觀測(cè)值與各方案模擬值在11時(shí)以后相差較大，各模擬方案平均偏差在146.3～206.6 W·m-2之間，均方根誤差在207.0～267.8 W·m-2之間。濟(jì)南站總輻射平均偏差在33.5～129.7 W·m-2之間，均方根誤差在202.2～261.7 W·m-2之間，10—12時(shí)總輻射觀測(cè)值大于模擬值。莒縣站總輻射平均偏差在136.6～242.8 W·m-2之間，均方根誤差在182.8～289.0 W·m-2之間。對(duì)于陰、雨天來(lái)說(shuō)，總輻射觀測(cè)結(jié)果逐時(shí)波動(dòng)較大，而不同模擬方案逐時(shí)模擬結(jié)果波動(dòng)相對(duì)較小，且模擬和觀測(cè)的總輻射差別較大，總輻射模擬結(jié)果誤差相對(duì)較大。

2.1.3 雨天

選取2019年4月9日作為雨天模擬個(gè)例，當(dāng)日福山、濟(jì)南和莒縣總云量均為10成，濟(jì)南、福山、莒縣日降水量分別為11.6 mm、17.3 mm、15.7 mm，各模擬方案逐時(shí)總輻射模擬和觀測(cè)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3g—i和圖4e、f。該模擬個(gè)例逐時(shí)總輻射觀測(cè)結(jié)果均小于100.0 W·m-2，云和降水對(duì)總輻射觀測(cè)結(jié)果影響明顯，但方案一和方案四總輻射模擬結(jié)果對(duì)云和降水影響反應(yīng)較弱，與觀測(cè)結(jié)果偏差最大，方案二和方案三總輻射模擬結(jié)果在一定程度上能較好地反映出云和降水對(duì)總輻射的影響。福山站各模擬方案總輻射平均偏差在10.5～197.6 W·m-2之間，均方根誤差在29.2～234.5 W·m-2之間，方案二模擬效果最好，方案三次之，方案四最差；濟(jì)南站各模擬方案總輻射平均偏差在92.8～223.4 W·m-2之間，均方根誤差在131.2～272.6 W·m-2之間，方案三模擬效果最好，方案二次之，方案一最差；莒縣站各模擬方案總輻射平均偏差在14.7～127.9 W·m-2之間，均方根誤差在32.6～173.2 W·m-2之間，方案三模擬效果最好，方案二次之，方案一最差。

2.2 四季代表月模擬結(jié)果檢驗(yàn)

利用福山、濟(jì)南、莒縣站四季代表月逐日降水量數(shù)據(jù)和福山、濟(jì)南、莒縣站日總云量數(shù)據(jù)，依據(jù)晴天、陰天、雨天劃分方法，分別確定3站晴天、陰天和雨天，對(duì)各天氣條件下福山、濟(jì)南、莒縣站各總輻射模擬方案四季代表月模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。確定的四季代表月所有晴天、陰天和雨天見(jiàn)表3。

表3 福山、濟(jì)南、莒縣站四季代表月晴天、陰天和雨天日數(shù)Table 3 Sunny days, cloudy days and rainy days in months representative of four seasons in Fushan, Jinan and Juxian d

2.2.1 晴天

晴天條件下，各模擬方案總輻射逐時(shí)模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果之間變化趨勢(shì)一致性較好(表4和圖5a、b)，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。方案四總輻射平均偏差和均方根誤差在所有方案中最小，福山、濟(jì)南、莒縣總輻射平均偏差分別為49.6 W·m-2、56.8 W·m-2、90.2 W·m-2，均方根誤差分別為75.3 W·m-2、91.3 W·m-2、106.3 W·m-2，其次為方案一，方案二誤差相對(duì)最大。各模擬方案四季代表月中以秋季總輻射平均偏差和均方根誤差最小，冬季次之，春季相對(duì)最大。

表4 四季代表月所有晴天、陰天、雨天各模擬方案總輻射檢驗(yàn)Table 4 Verification for each solar irradiance simulation scheme on all sunny days, cloudy days and rainy days in months representative of four seasons

續(xù)表時(shí)間站點(diǎn)方案一方案二方案三方案四相關(guān)系數(shù)平均偏差/(W·m-2)均方根誤差/(W·m-2)相關(guān)系數(shù)平均偏差/(W·m-2)均方根誤差/(W·m-2)相關(guān)系數(shù)平均偏差/(W·m-2)均方根誤差/(W·m-2)相關(guān)系數(shù)平均偏差/(W·m-2)均方根誤差/(W·m-2)201907雨天福山0.726192.8288.60.752179.1272.40.744143.6246.90.709167.0273.7濟(jì)南0.709188.0295.90.703170.6285.90.67498.0254.80.715135.8260.8莒縣0.715249.3327.60.703229.9314.40.767166.6247.70.764198.5271.2

圖5 四季代表月所有晴天(a、b)、陰天(c、d)、雨天(e、f)、所有日(g、h)各模擬方案總輻射平均偏差(a、c、e、g)、均方根誤差(b、d、f、h)(單位：W·m-2)Fig.5 Mean bias (a,c,e,g;units:W·m-2) and root mean square error (b,d,f,h;units:W·m-2) of each simulation scheme on all sunny days (a,b), cloudy days (c,d), rainy days (e,f) and all days (g,h) in months representative of four seasons

2.2.2 陰天

陰天條件下，四季代表月各總輻射模擬方案模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)在0.739～0.874之間，方案二夏季濟(jì)南站相關(guān)系數(shù)相對(duì)最小，方案三冬季福山相對(duì)最大(表4和圖5c、d)。各模擬方案總輻射模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)多以方案三、方案四較大，但各站相同四季代表月各模擬方案間相關(guān)系數(shù)差異較小。四季代表月所有陰天逐時(shí)總輻射以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差分別為102.4 W·m-2、136.7 W·m-2、159.2 W·m-2，均方根誤差分別為172.8 W·m-2、211.3 W·m-2、213.9 W·m-2，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。秋季所有日逐時(shí)總輻射以方案四的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差分別為65.5 W·m-2、118.4 W·m-2、168.3 W·m-2，均方根誤差分別為135.7 W·m-2、176.6 W·m-2、213.3 W·m-2，其次為方案三，方案二相對(duì)較差。冬季、春季和夏季所有日逐時(shí)總輻射均以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差和均方根誤差相對(duì)較小，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。

2.2.3 雨天

雨天條件下，四季代表月各總輻射模擬方案模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)在0.614～0.900之間，方案三春季濟(jì)南站相關(guān)系數(shù)相對(duì)最小，方案三秋季莒縣相對(duì)最大(表4和圖5e、f)。除夏季福山、夏季濟(jì)南外，其他各模擬方案總輻射模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)均以方案三最大，但各站相同四季代表月各模擬方案間相關(guān)系數(shù)差異較小。四季代表月所有雨天逐時(shí)總輻射以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差分別為130.4 W·m-2、141.9 W·m-2、160.7 W·m-2，均方根誤差分別為220.9 W·m-2、264.6 W·m-2、230.7 W·m-2，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。秋季福山和莒縣所有雨天逐時(shí)總輻射以方案三的模擬誤差最小，其次為方案四，濟(jì)南以方案四模擬誤差最小，其次為方案三。冬季、春季和夏季所有雨天逐時(shí)總輻射均以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差和均方根誤差相對(duì)較小，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。

2.2.4 所有日

四季代表月所有日各總輻射模擬方案模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)在0.759～0.914之間，方案三夏季濟(jì)南站相關(guān)系數(shù)相對(duì)最小，方案三秋季莒縣相對(duì)最大(表5和圖5g、h)。除冬季福山、夏季濟(jì)南外，其他各模擬方案總輻射模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)均以方案三最大，但各站相同四季代表月各模擬方案間相關(guān)系數(shù)差異較小。四季代表月所有日逐時(shí)總輻射以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差分別為95.9 W·m-2、116.5 W·m-2、146.7 W·m-2，均方根誤差分別為163.5 W·m-2、196.6 W·m-2、201.6 W·m-2，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。秋季所有日逐時(shí)總輻射以方案四的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差分別為60.8 W·m-2、72.2 W·m-2、115.2 W·m-2，均方根誤差分別為129.7 W·m-2、126.8 W·m-2、152.2 W·m-2，其次為方案三，方案二相對(duì)較差。冬季、春季和夏季所有日逐時(shí)總輻射均以方案三的模擬誤差最小，模擬效果相對(duì)較好，平均偏差和均方根誤差相對(duì)較小，其次為方案四，方案一相對(duì)較差。

表5 四季代表月所有日各模擬方案總輻射檢驗(yàn)Table 5 Verification for each solar irradiance simulation scheme on all days in months representative of four seasons

2.3 氣溶膠對(duì)輻射模擬結(jié)果的影響

通過(guò)對(duì)山東區(qū)域WRF-Solar模式模擬方案一至方案四的四季代表月晴天、陰天、雨天總輻射模擬檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在晴天條件下，WRF-Solar模式對(duì)山東區(qū)域總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差最小，模擬效果最優(yōu)，其次為陰天，雨天總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差最大，模擬效果較差。在晴天條件下，方案四總輻射模擬效果最優(yōu)，方案三次之，陰天和雨天條件下，方案三總輻射模擬效果最優(yōu)，方案四次之。在不考慮天氣條件下，四季代表月所有日總輻射模擬結(jié)果以方案三的平均偏差和均方根誤差最小，模擬效果最優(yōu)，方案四次之。因此，利用山東總輻射模擬效果較優(yōu)的方案三的物理參數(shù)化方案，使用MODIS的AOD550 nm氣溶膠數(shù)據(jù)對(duì)山東四季代表月逐時(shí)總輻射進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)氣溶膠數(shù)據(jù)對(duì)山東總輻射模擬結(jié)果的影響。

福山、濟(jì)南、莒縣站四季代表月平均氣溶膠光學(xué)厚度(aerasol optical depth,AOD)分別為0.476、0.662、0.617，濟(jì)南氣溶膠濃度最高，福山最低。四季代表月中以秋季各站氣溶膠光學(xué)厚度最小，分別為0.339、0.452、0.431，其次為冬季，再次為夏季，春季各站氣溶膠光學(xué)厚度最大，分別為0.641、0.812、0.717。

2.3.1 晴天

晴天條件下，在WRF-Solar數(shù)值模式中加入氣溶膠對(duì)總輻射的影響后，山東各站總輻射模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果的誤差明顯減小(表4中晴天方案三和表6晴天結(jié)果，圖6a、b)，加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，四季代表月所有晴天福山、濟(jì)南、莒縣站總輻射模擬結(jié)果的平均偏差分別減小了14.6 W·m-2、15.6 W·m-2、16.7 W·m-2，均方根誤差分別減小了12.0 W·m-2、11.3 W·m-2、15.0 W·m-2。各季節(jié)四季代表月總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差均明顯減小，其中平均偏差減小在5.6～18.7 W·m-2之間，均方根誤差減小在3.7～18.1 W·m-2之間，相對(duì)而言，夏季代表月平均偏差和均方根誤差減小的最小，冬季代表月最大?？傒椛淠M結(jié)果能在一定程度上反映氣溶膠對(duì)實(shí)際太陽(yáng)輻射的影響，在數(shù)值模式中加入氣溶膠對(duì)總輻射模擬結(jié)果的影響后，可使晴天總輻射模擬結(jié)果誤差明顯減小。

表6 未考慮氣溶膠時(shí)山東四季代表月晴天、陰天、雨天、所有日逐時(shí)總輻射模擬結(jié)果檢驗(yàn)Table 6 Verification of solar irradiance simulation without aerosols on all sunny days, cloudy days, rainy days and all days in months representative of four seasons in Shandong

圖6 四季代表月所有晴天(a、b)、陰天(c、d)、雨天(e、f)、所有日(g、h)加與不加氣溶膠數(shù)據(jù)總輻射模擬和觀測(cè)平均偏差(a、c、e、g)、均方根誤差(b、d、f、h)(單位：W·m-2)Fig.6 Mean bias (a,c,e,g;units:W·m-2) and root mean square error (b,d,f,h;units:W·m-2) of solar irradiance simulation with and without aerosols on all sunny days (a,b), cloudy days (c,d), rainy days (e,f) and all days (g,h) in months representative of four seasons in Shandong

2.3.2 陰天

陰天條件下，山東各站加與不加氣溶膠數(shù)據(jù)的總輻射模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果的誤差差異較小(表4中陰天方案三和表6陰天結(jié)果，圖6c、d)。加入氣溶膠后，四季代表月所有陰天福山、莒縣站總輻射模擬結(jié)果的平均偏差分別增大了6.7 W·m-2、1.1 W·m-2，均方根誤差分別增大了1.1 W·m-2、0.9 W·m-2，濟(jì)南站平均偏差則減小了4.9 W·m-2，均方根誤差減小了0.4 W·m-2。秋季和冬季代表月總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差有所減小，其中平均偏差減小在2.5～12.9 W·m-2之間，均方根誤差減小在1.5～11.4 W·m-2之間，冬季代表月平均偏差和均方根誤差減小的更多。除濟(jì)南春季外，其他站春季和所有站夏季代表月總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差有所增大，其中平均偏差增大在0.5～20.8 W·m-2之間，均方根誤差增大在3.7～11.3 W·m-2之間，夏季代表月平均偏差和均方根誤差增大的更多。

2.3.3 雨天

雨天條件下，山東各站加入氣溶膠數(shù)據(jù)的總輻射模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果的誤差有所增大(表4中雨天方案三和表6雨天結(jié)果，圖6e、f)。加入氣溶膠后，四季代表月所有陰天福山、濟(jì)南、莒縣站總輻射模擬結(jié)果的平均偏差分別增大了13.0 W·m-2、6.3 W·m-2、11.7 W·m-2，均方根誤差分別增大了10.9 W·m-2、0.3 W·m-2、13.2 W·m-2。秋季和冬季代表月總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差有所減小，其中平均偏差減小在2.8～14.2 W·m-2之間，均方根誤差減小在0.3～9.9 W·m-2之間，冬季代表月平均偏差和均方根誤差減小的更多。由于福山站冬季代表月僅在8日和15日分別出現(xiàn)了0.5 mm、0.3 mm的少量降水，且總云量較少，分別為3成和6.7成，這可能是總輻射模擬結(jié)果誤差較小的原因之一。春季和夏季代表月總輻射模擬結(jié)果的平均偏差和均方根誤差有所增大，其中平均偏差增大在0.4～27.8 W·m-2之間，均方根誤差增大在0.5～25.8 W·m-2之間，夏季代表月平均偏差和均方根誤差增大得更多。

2.3.4 所有日

在WRF-Solar數(shù)值模式中加入與不加氣溶膠對(duì)總輻射的影響后，四季代表月所有日平均的總輻射模擬和觀測(cè)結(jié)果相差不大(表5所有日方案三和表6所有日結(jié)果，圖6g、h)，加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，濟(jì)南站平均偏差和均方根誤差分別減小6.2 W·m-2、2.2 W·m-2，但福山、莒縣站總輻射平均偏差和均方根誤差略有增大，其中平均偏差分別增大了2.2 W·m-2、1.2 W·m-2，均方根誤差分別增大了0.2 W·m-2、2.7 W·m-2。四季代表月中，秋季和冬季所有日加入氣溶膠對(duì)總輻射的影響后，總輻射模擬結(jié)果誤差明顯減小，各站平均偏差減小在8.2～13.8 W·m-2之間，均方根誤差減小在3.5～10.6 W·m-2之間。春季所有日加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，濟(jì)南站平均偏差和均方根誤差略減小，福山站略增大，莒縣站平均偏差減小，但均方根誤差略增大。夏季所有日加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，除濟(jì)南站總輻射均方根誤差略減小外，福山和莒縣站以及濟(jì)南站平均偏差有所增大。

在不區(qū)分晴天、陰天、雨天的情況下，WRF-Solar數(shù)值模式中加入氣溶膠對(duì)總輻射的影響后，秋季和冬季代表月總輻射模擬結(jié)果平均偏差和均方根誤差明顯減小，春季差別不大，夏季誤差有所增大。由于選取的秋季和冬季代表月各站晴天相對(duì)較多(表3)，同時(shí)陰雨天較少，因此在WRF-Solar數(shù)值模式中考慮氣溶膠對(duì)總輻射的影響后，總輻射模擬結(jié)果誤差明顯減小，而選取的山東主雨季的夏季代表月各站晴天較少，陰雨天較多，即便在總輻射模擬中加入氣溶膠的影響，總輻射模擬結(jié)果改進(jìn)較小，甚至模擬效果變差，表明雖然氣溶膠是影響總輻射模擬效果的要素之一，但云和降水也是總輻射模擬效果的關(guān)鍵因素。如何真實(shí)地表達(dá)云和降水對(duì)總輻射模擬的影響是解決總輻射模擬效果的關(guān)鍵問(wèn)題之一，這仍是總輻射模擬的難點(diǎn)。

2.3.5 低能見(jiàn)度日

在低能見(jiàn)度條件下，模式加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，福山、濟(jì)南站總輻射模擬結(jié)果誤差有所減小(表7、圖7)，平均偏差分別減小11.6 W·m-2、6.9 W·m-2，均方根誤差分別減小4.4 W·m-2、5.0 W·m-2，莒縣站平均偏差和均方根誤差分別增加1.5 W·m-2、5.5 W·m-2。模式加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，除夏季莒縣站外，其他四季代表月在低能見(jiàn)度日下總輻射模擬結(jié)果誤差均有所減小。表明在低能見(jiàn)度條件下，考慮氣溶膠對(duì)輻射的模擬影響后，可在一定程度上減小總輻射模擬誤差。

表7 氣溶膠對(duì)山東四季代表月低能見(jiàn)度日逐時(shí)總輻射模擬結(jié)果檢驗(yàn)Table 7 Verification of solar irradiance simulation with aerosols on low visibility days in months representative of four seasons in Shandong

3 結(jié)論與討論

利用專門(mén)為太陽(yáng)能資源評(píng)估的WRF-Solar數(shù)值模式對(duì)山東區(qū)域四季代表月的向下短波輻射進(jìn)行了回算模擬，結(jié)合福山、濟(jì)南、莒縣站輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同模擬方案模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論：

1)WRF-Solar數(shù)值模式對(duì)總輻射模擬能力在晴天和少云天最好，模擬與觀測(cè)總輻射相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，陰雨天較差，模擬與觀測(cè)總輻射相關(guān)系數(shù)普遍在0.8左右。秋季和冬季總輻射模擬效果較好，春季次之，夏季相對(duì)較差。

2)晴天和少云天、陰天和雨天以及不考慮天氣過(guò)程的四季代表月所有日條件下，長(zhǎng)、短波輻射方案分別采用RRTMG方案、new Goddard方案，積云對(duì)流參數(shù)化方案均采用Grell 3D集合方案，同時(shí)使用AOD550nm的氣溶膠數(shù)據(jù)的總輻射模擬能力最強(qiáng)。

3)晴天和少云天條件下，考慮AOD550 nm氣溶膠數(shù)據(jù)的總輻射模擬結(jié)果明顯改進(jìn)，加入氣溶膠數(shù)據(jù)后，四季代表月所有晴天福山、濟(jì)南、莒縣站總輻射模擬結(jié)果的平均偏差分別減小了13.0 W·m-2、16.3 W·m-2、13.9 W·m-2，均方根誤差分別減小了9.6 W·m-2、12.5 W·m-2、14.6 W·m-2。陰天和雨天以及不考慮天氣過(guò)程情況下，在天氣過(guò)程較少的秋季和冬季考慮氣溶膠可明顯提高總輻射模擬能力。低能見(jiàn)度日總輻射模擬結(jié)果所有改善。

通過(guò)本文的研究結(jié)論可以看到，對(duì)于晴天總輻射模擬來(lái)說(shuō)，使用氣溶膠數(shù)據(jù)初始化WRF-Solar數(shù)值模式是解決總輻射模擬效果的有效手段。但對(duì)于陰、雨天等復(fù)雜天氣條件下，雖然考慮氣溶膠數(shù)據(jù)后總輻射模擬結(jié)果有所改善，但改善效果有限。區(qū)域天氣事件是產(chǎn)生總輻射模擬誤差的主要原因之一，雖然WRF-Solar數(shù)值模式考慮了云輻射反饋和氣溶膠輻射反饋等，但仍不能在模式中正確地反映云和氣溶膠的結(jié)構(gòu)、組成、發(fā)展時(shí)間節(jié)點(diǎn)等，但與WRF模式相比，總輻射的模擬效果已經(jīng)有所改善[18-20,25]。

模擬的總輻射的誤差主要與云的形成和局地對(duì)流顯著相關(guān)，地表和行星邊界層之間的熱交換驅(qū)動(dòng)著大氣環(huán)流和對(duì)流，從而在不同時(shí)間尺度上影響云的形成和運(yùn)動(dòng)[46-47]。模式中錯(cuò)誤的云特征和對(duì)流特征會(huì)造成模擬與觀測(cè)的總輻射差異較大，因此，需要在模式中使用能更加精準(zhǔn)地描述云物理過(guò)程和對(duì)流過(guò)程的參數(shù)化方案，包括增加次網(wǎng)格云反饋[19]、準(zhǔn)確的對(duì)流觸發(fā)機(jī)制[48]、改進(jìn)的云微物理過(guò)程[49-50]、大氣邊界層反演[51-52]、湍流特征[53]等。

由于本文的總輻射模擬時(shí)段有限，得到的總輻射模擬結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，需要設(shè)置更多的不同物理參數(shù)化方案的模擬方案對(duì)總輻射模擬結(jié)果進(jìn)行效果檢驗(yàn)，也可以考慮增加衛(wèi)星遙感資料、雷達(dá)資料等的數(shù)據(jù)同化，通過(guò)優(yōu)化資料質(zhì)量控制方案來(lái)改進(jìn)模擬初始場(chǎng)，提高云結(jié)構(gòu)、云量、水汽等的模擬準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升總輻射的模擬效果。