不同日照情況下太陽(yáng)日輻射估算方法研究*
——以江蘇為例

張 佩,高 蘋(píng),謝小萍,拉 巴,江 旭,陳詩(shī)瑤,吳洪顏**

(1.江蘇省氣象局 南京 210008; 2.拉薩市氣象局 拉薩 850000; 3.美國(guó)塔夫茨大學(xué) 波士頓 02155; 4.福建省煙草公司龍巖市公司 龍巖 364000)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)部分與太陽(yáng)輻射均密切相關(guān),如作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量模擬、土壤水分蒸散估算等都需要引入準(zhǔn)確的太陽(yáng)輻射量。然而與溫度、降水、日照等常規(guī)氣象要素相比,太陽(yáng)輻射僅在少數(shù)氣象觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。如江蘇建有71 個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)、1800 個(gè)區(qū)域氣象觀測(cè)站點(diǎn),但可觀測(cè)太陽(yáng)輻射量的站點(diǎn)僅有3 個(gè)。因此,建立太陽(yáng)輻射估算模型顯得尤為重要。

近些年,基于不同估算因子和不同估算方法的不同空間尺度的太陽(yáng)輻射估算方法被相繼提出。如基于日照資料建立了?ngstr?m 模型及由其發(fā)展而來(lái)的?ngstr?m-Prescott 模型、Bahel 模型; 基于溫度資料建立了Hargreaves-Samani (H-S)模型、Bristow-Campbell (B-C)模型。綜合考慮海拔、地理及大氣環(huán)境等其他因素和借助衛(wèi)星遙感資料等新數(shù)據(jù)資料,通過(guò)采用不同的新方法,一些學(xué)者改進(jìn)發(fā)展了多種其他輻射估算模型。綜合來(lái)看,基于日照資料能較準(zhǔn)確地估算太陽(yáng)輻射量,其估算精度普遍高于其他估算模型。而目前大部分研究也多將有日照(當(dāng)天觀測(cè)記錄的日照時(shí)數(shù)大于0 時(shí),為有日照)和無(wú)日照(當(dāng)天觀測(cè)記錄的日照時(shí)數(shù)為0 時(shí),為無(wú)日照)樣本混在一起進(jìn)行建模。多數(shù)結(jié)果顯示,現(xiàn)有的大多數(shù)模型對(duì)有日照情況的太陽(yáng)輻射估算準(zhǔn)確度普遍明顯高于無(wú)日照情況,無(wú)日照情況的太陽(yáng)輻射估算準(zhǔn)確度普遍較低。

無(wú)論是有日照還是無(wú)日照情況下,太陽(yáng)輻射均存在,它是影響植物生長(zhǎng)及地表能量收支的關(guān)鍵環(huán)境因子。吳鵬等研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是晴天還是陰天,影響喀斯特區(qū)天鵝槭()不同時(shí)間尺度的樹(shù)干液流量的主要環(huán)境因子均是太陽(yáng)輻射; 冀健紅等揭示了不同天氣條件下氣溫和風(fēng)速對(duì)溫室番茄()植株蒸騰的影響主要是通過(guò)太陽(yáng)輻射和水汽壓差實(shí)現(xiàn)的; 陳東旭等研究指出,雖然陰雨天條件下長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻田的土壤熱通量日變化特征與晴天有較大差異,但它也與太陽(yáng)輻射呈極顯著相關(guān)。近些年來(lái),一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)我國(guó)大部分地區(qū)的日照時(shí)數(shù)明顯下降,無(wú)日照日數(shù)則有增加趨勢(shì),而目前無(wú)日照情況下太陽(yáng)輻射量估算方法的研究仍較少見(jiàn)。因此,探索如何科學(xué)準(zhǔn)確地估算無(wú)日照情況下的太陽(yáng)輻射尤為迫切。本文以江蘇為例,基于不同日照天氣情況,分別梳理分析了太陽(yáng)日輻射估算的高度相關(guān)因子,采用基于最小二乘法的逐步回歸方式,依次以當(dāng)前常用的太陽(yáng)日輻射(GR)和大氣透明系數(shù)(太陽(yáng)日輻射與天空輻射的比值,GR/SR)為因變量建立了不同日照情況下太陽(yáng)日輻射估算模型。通過(guò)比較模型對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集和組外驗(yàn)證集太陽(yáng)日輻射的估算效果,確定太陽(yáng)日輻射最佳估算模型,以期為太陽(yáng)輻射與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

江蘇省地勢(shì)平坦,區(qū)域范圍為116.58°～121.65°E和31.07°～34.85°N。區(qū)內(nèi)有69 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站和3 個(gè)輻射觀測(cè)站(淮安、呂泗和南京),站點(diǎn)分布情況如圖1。站點(diǎn)信息、輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)源于江蘇省氣象信息中心,其中站點(diǎn)信息即3個(gè)地理因子,包括經(jīng)度()、緯度()和海拔()。輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)為2005?2020年逐日太陽(yáng)總輻射。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)為24 個(gè)氣象因子,包括2005?2020年逐日平均總云量()、平均低云量()、平均氣壓(,hPa)、最高氣壓(,hPa)、最低氣壓(,hPa)、平均水汽壓(,hPa)、最高水汽壓(,hPa)、最低水汽壓(,hPa)、平均氣溫(,℃)、最高氣溫(,℃)、最低氣溫(,℃)、氣溫日較差(,℃)、平均地表溫度(,℃)、最高地表溫度(,℃)、最低地表溫度(,℃)、露點(diǎn)溫度(,℃)、日照時(shí)數(shù)(,h)、日照百分率(,%)、相對(duì)濕度(RH,%)、降水量(,mm)和蒸發(fā)量(,mm)。

圖1 江蘇省3 個(gè)輻射觀測(cè)站和69 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站空間分布Fig.1 Spatial distribution of 3 radiation observation stations and 69 national meteorological observation stations in Jiangsu Province

為了減小年代對(duì)輻射擬合的影響,選取淮安、呂泗和南京3 個(gè)站奇數(shù)年份(2005年、2007年、2009年、2011年、2013年和2015年)逐日資料樣本(樣本數(shù)6565)為建模集進(jìn)行太陽(yáng)輻射的擬合建模,選取淮安、呂泗和南京3 個(gè)站的偶數(shù)年份(2006年、2008年、2010年、2012年、2014年 和2016年)逐日資料樣本(樣本數(shù)6574)為組間驗(yàn)證集、其他年份(2017年、2018年、2019年和2020年)逐日資料樣本(樣本數(shù)4377)為組外驗(yàn)證集進(jìn)行模型效果驗(yàn)證。

1.2 天空輻射的計(jì)算方法

在建立太陽(yáng)日輻射估算模型之前,需首先計(jì)算各站點(diǎn)的逐日天文輻射(SR)值。參照Iqbal的方法,某一時(shí)刻的天文輻射由太陽(yáng)常數(shù)、當(dāng)時(shí)太陽(yáng)天頂角的余弦和日地距離訂正系數(shù)三者相乘得到,1 天的天文輻射總量則由各時(shí)刻的天文輻射積分得到:

式中:為太陽(yáng)常數(shù),取1367 W?m,為日地距離訂正系數(shù),φ為地理緯度(弧度rad),δ為太陽(yáng)赤緯(弧度rad),ω為時(shí)角(弧度rad),ω、ω分別為日出、日落時(shí)角,它們的計(jì)算公式依次如下:

式中:為地理經(jīng)度(°),為地理緯度(°),為日出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(北京時(shí)間),為日落標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(北京時(shí)間)。

1.3 相關(guān)分析

將建模集樣本以無(wú)日照和有日照分成2 組樣本,分別采用SPSS 對(duì)太陽(yáng)日輻射與其對(duì)應(yīng)的逐日氣象因子(24 個(gè))、地理因子(3 個(gè))進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析。應(yīng)用R 語(yǔ)言繪制相關(guān)系數(shù)的熱力餅圖。

1.4 太陽(yáng)日輻射回歸估算模型構(gòu)建

將建模集樣本以無(wú)日照和有日照分成2 組樣本分別建模。采用SPSS 軟件,分別以太陽(yáng)日輻射(GR)和日大氣透明系數(shù)(GR/SR)作為因變量,以氣象因子(或氣象因子和天空輻射)作為自變量,采用基于最小二乘法的逐步回歸方式建立線性模型F1、F2、F3、F4 (表1)。當(dāng)回歸方程顯著性檢驗(yàn)≤0.05 時(shí),自變量移入回歸方程; 當(dāng)回歸方程顯著性檢驗(yàn)≥0.1 時(shí),自變量移出回歸方程。同時(shí),對(duì)備選回歸模型進(jìn)行決定系數(shù)優(yōu)選、回歸模型及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)、回歸模型自變量共線性診斷,最終確定最佳回歸模型表達(dá)式。

表1 有無(wú)日照天氣情況下基于氣象因子和天空輻射的太陽(yáng)日輻射回歸估算模型結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of regression estimation models for daily global radiation under with and without sunshine conditions based on meteorological factors and radiation

1.5 太陽(yáng)日輻射回歸模型估算準(zhǔn)確度的驗(yàn)證比較

為了驗(yàn)證擬合模型的準(zhǔn)確度,分別運(yùn)用模型對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集和組外驗(yàn)證集的太陽(yáng)日輻射進(jìn)行擬合估算,并對(duì)其估算準(zhǔn)確度進(jìn)行計(jì)算,如式(9)所示:

式中:PA 為模型擬合準(zhǔn)確度(%),GR為模型計(jì)算得到的太陽(yáng)輻射擬合值,GR 為太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值。當(dāng)PA? [0,100%],則將其判定為異常點(diǎn)。應(yīng)用R 語(yǔ)言繪制 估算準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)分布箱圖及數(shù)據(jù)密度曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)日輻射主要影響因子分析

分別對(duì)無(wú)日照情況和有日照情況下氣象因子、地理因子與太陽(yáng)日輻射進(jìn)行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)(圖2),在2 種不同日照情況下,太陽(yáng)日輻射都與各氣象因子呈極顯著相關(guān)(<0.01),且除水汽壓類(lèi)(、及)、濕度(RH)、降水()和緯度()等因子外,有日照情況下太陽(yáng)日輻射與各因子的相關(guān)系數(shù)普遍高于無(wú)日照情況。

由圖2A 可以看出,無(wú)日照情況下太陽(yáng)日輻射與氣溫類(lèi)(、、及)、地表溫度類(lèi)(、及)因子相關(guān)系數(shù)較高,其中與最高地表溫度()的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)0.64。與氣壓類(lèi)(、及)、水汽壓類(lèi)(、及)、露點(diǎn)溫度()和蒸發(fā)量()的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值普遍在0.29～0.36之間。與云量類(lèi)(、)、濕度(RH)和降水()的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為0.17～0.29。太陽(yáng)日輻射與地理因子中的緯度()呈現(xiàn)極顯著相關(guān),與經(jīng)度()和海拔()相關(guān)未達(dá)顯著水平。

由圖2B 可以看出,有日照情況下太陽(yáng)日輻射與日照時(shí)數(shù)()的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)0.77,與日照百分率()的相關(guān)系數(shù)也達(dá)0.59 。與蒸發(fā)量()的相關(guān)系數(shù)為0.70。與氣溫類(lèi)(、、及)、地表溫度類(lèi)(、及)因子相關(guān)系數(shù)為0.37～0.66,其中也以最高地表溫度()的相關(guān)系數(shù)最大。與氣壓類(lèi)(、及)、水汽壓類(lèi)(、)、露點(diǎn)溫度()的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值普遍在0.31～0.45 之間; 與云量類(lèi)(、)、濕度(RH)和降水()的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為0.12～0.32。太陽(yáng)日輻射與地理因子中的海拔()呈現(xiàn)極顯著相關(guān),與經(jīng)度()和緯度()相關(guān)未達(dá)顯著水平。

圖2 無(wú)日照(A,n=1515)和有日照(B, n=5050)天氣情況下太陽(yáng)日輻射與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.2 Correlation between daily global radiation and environmental factors under without sunshine (A,n=1515) and sunshine (B,n=5050) conditions

2.2 太陽(yáng)日輻射回歸估算模型的構(gòu)建及模型效果分析

在無(wú)日照和有日照兩種情況下,分別以太陽(yáng)日輻射(GR)和大氣透明系數(shù)(GR/SR)作為因變量,運(yùn)用多元逐步回歸法構(gòu)建擬合方程,并綜合考慮各方程的擬合優(yōu)度及共線性檢測(cè)結(jié)果,最終得到最優(yōu)回歸模型F1、F2、F3、F4 及其模型表達(dá)式,結(jié)果如表2 所示。無(wú)日照情況下,以GR 為因變量直接構(gòu)建的估算模型F1 的自變量由日最高地表溫度()和日露點(diǎn)溫度()構(gòu)成,以GR/SR 為因變量直接構(gòu)建的估算模型F2 的自變量由日總云量()、日相對(duì)濕度(RH)和日最高地表溫度()等3 個(gè)氣象因子構(gòu)成。在有日照的情況下,以GR 為因變量直接構(gòu)建的估算模型F3 的自變量為逐日日照時(shí)數(shù)(),以GR/SR 為因變量直接構(gòu)建的估算模型F4 的自變量則由逐日日照百分率()和日照時(shí)數(shù)()構(gòu)成。

表2 有無(wú)日照天氣情況下基于氣象因子和天空輻射的太陽(yáng)日輻射回歸估算模型Table 2 Estimation models of daily global radiation under without sunshine and sunshine conditions based on meteorological factor and radiation

從模型的擬合參數(shù)來(lái)看,在無(wú)日照和有日照的兩種情況下,以太陽(yáng)輻射(GR)和大氣透明系數(shù)(GR/SR)為因變量構(gòu)建的擬合方程的Sig=0.000<0.05,均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。其中無(wú)日照情況下,以GR 為因變量構(gòu)建的模型F1 的決定系數(shù)為0.650,高于以GR/SR 為因變量構(gòu)建的模型F2 (0.382)。而有日照情況下,以GR 為因變量構(gòu)建的模型F3 的決定系數(shù)(0.592)小于以GR/SR 為因變量構(gòu)建的模型F4 (0.769)。

2.3 太陽(yáng)日輻射回歸模型估算準(zhǔn)確度的驗(yàn)證比較

應(yīng)用模型F1?F4 分別對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集和組外驗(yàn)證集的太陽(yáng)日輻射進(jìn)行擬合估算,統(tǒng)計(jì)估算準(zhǔn)確度并進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表3 及圖3 所示?？傮w看來(lái),無(wú)論是以太陽(yáng)日輻射(GR)還是以大氣透明系數(shù)(GR/SR)為因變量構(gòu)建的擬合估算模型,有日照情況下的模型估算準(zhǔn)確度普遍高于無(wú)日照情況。

圖3 無(wú)日照(A,F1 和F2 模型)和有日照(B,F3 和F4 模型)天氣情況下對(duì)建模集和驗(yàn)證集太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度Fig.3 Estimation accuracies of models for daily global radiation estimation under without sunshine (A,model F1 and F2) and sunshine (B,F3 and F4 models) conditions based on establishment and validation datasets

表3 有無(wú)日照天氣情況下不同太陽(yáng)日輻射回歸估算模型在不同數(shù)據(jù)集估算效果Table 3 Estimation effects of models of daily global radiation under without sunshine and sunshine conditions in different datasets%

無(wú)日照情況下,以太陽(yáng)日輻射(GR)為因變量構(gòu)建的模型F1 對(duì)建模集的估算準(zhǔn)確度為75.11%,較以大氣透明系數(shù)(GR/SR)為因變量構(gòu)建的模型F2 高6.82 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例則減少4.48 個(gè)百分點(diǎn); 模型F1 對(duì)組間驗(yàn)證集的估算準(zhǔn)確度為74.41%,較模型F2 高4.90 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例則減少5.46 個(gè)百分點(diǎn); 模型F1 對(duì)組外驗(yàn)證集的估算準(zhǔn)確度為73.98%,較模型F2 高4.70 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例則減少3.27 個(gè)百分點(diǎn)。總體來(lái)看,無(wú)日照天氣情況下,模型F1 對(duì)太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度平均為74.57%,較模型F2 高5.57 個(gè)百分點(diǎn),而異常點(diǎn)占總樣本比例則減少4.62 個(gè)百分點(diǎn)。

有日照情況下,以大氣透明系數(shù)(GR/SR)為因變量構(gòu)建的模型F4 對(duì)組內(nèi)驗(yàn)證樣本的估算準(zhǔn)確度為87.93%,較以太陽(yáng)日輻射(GR)為因變量構(gòu)建的模型F3 高10.62 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例略多0.04 個(gè)百分點(diǎn); 模型F4 對(duì)組間驗(yàn)證樣本的估算準(zhǔn)確度為88.44%,較模型F3 高11.24 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例減少0.22 個(gè)百分點(diǎn); 模型F4 對(duì)組外驗(yàn)證樣本的估算準(zhǔn)確度為85.87%,較模型F3 高8.93 個(gè)百分點(diǎn),異常點(diǎn)占總樣本比例減少0.56 個(gè)百分點(diǎn)。總體來(lái)看,有日照情況下,模型F4 對(duì)太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度平均為87.60%,較模型F3 高10.42 個(gè)百分點(diǎn),而異常點(diǎn)占總樣本比例則減少0.21 個(gè)百分點(diǎn)。

進(jìn)一步對(duì)模型F1?F4 的估算準(zhǔn)確度分布情況進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖3。從模型對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集、組外驗(yàn)證集的估算準(zhǔn)確度分布集中程度來(lái)看,模型F1 較模型F2、模型F4 較模型F3 更高,表現(xiàn)在對(duì)3個(gè)數(shù)據(jù)集的估算準(zhǔn)確度百分位數(shù)25%～75%分布箱體及95%置信區(qū)間上,即模型F1 較模型F2、模型F4 較模型F3 更短,擬合結(jié)果的數(shù)據(jù)密度模型F1 較模型F2、模型F4 較模型F3 更為集中; 從分布中位數(shù)來(lái)看,模型F1 較模型F2、模型F4 較模型F3 更高,數(shù)據(jù)密度最高峰也同樣表現(xiàn)為模型F1 高于模型F2、模型F4 高于模型F3。這說(shuō)明無(wú)日照情況下,模型F1 擬合結(jié)果總體優(yōu)于F2,且分布更為集中靠近Y軸100%端; 有日照情況下,模型F4 擬合結(jié)果總體優(yōu)于F3,且分布更為集中靠近Y 軸100%端。

2.4 江蘇省太陽(yáng)日輻射估算模型的確定

從2.3 節(jié)中可以看出,無(wú)日照情況下,以太陽(yáng)日輻射(GR)為因變量構(gòu)建的模型F1 對(duì)建模集、組間及組外驗(yàn)證集的估算效果普遍優(yōu)于以大氣透明系數(shù)(GR/SR)作為因變量構(gòu)建的模型F2; 有日照情況下,以GR/SR 為因變量構(gòu)建的模型F4 對(duì)建模集、組間及組外驗(yàn)證集的估算效果普遍優(yōu)于以GR 為因變量構(gòu)建的模型F3。因此,確定在江蘇地區(qū)可根據(jù)日照情況采用模型F1 及F4 對(duì)太陽(yáng)日輻射進(jìn)行分別估算。

依次對(duì)比模型F1、F4 對(duì)建模集、組間及組外驗(yàn)證集太陽(yáng)日輻射的估算值和實(shí)際值也可以發(fā)現(xiàn),無(wú)日照情況下,模型F1 對(duì)建模集、組間及組外驗(yàn)證集的估算值和實(shí)際值間的相關(guān)系數(shù)分別為0.8223、0.8167 和0.8380 (圖4a、c、e),有日照情況下,模型F4 對(duì)建模集、組間及組外驗(yàn)證集的估算值和實(shí)際值間的相關(guān)系數(shù)分別為0.9259、0.9296 和0.9236 (圖4b、d、f)。

圖4 建模集和驗(yàn)證集基于模型F1 和F4 的太陽(yáng)日輻射模擬值-實(shí)際值的散點(diǎn)分布圖(a:無(wú)日照建模集基于模型F1; b:有日照建模集基于模型F4; c:無(wú)日照組間驗(yàn)證集基于模型F1; d:有日照組間驗(yàn)證集基于模型F4; e:無(wú)日照組外驗(yàn)證集基于模型F1; f:有日照組外驗(yàn)證集基于模型F4)Fig.4 Scatter distribution diagrams of actual and simulated daily global radiation of models F1 and F4 based on establishment and validation datasets (a:model F1 based on establishment dataset under without sunshine condition; b:model F4 based on establishment dataset under sunshine condition; c:model F1 based on between-group validation dataset without sunshine condition; d:model F4 based on between-group validation dataset under sunshine condition; e:model F1 based on outside-group validation dataset without sunshine condition; f:model F4 based on outside-group validation dataset under sunshine condition)

綜合來(lái)看,根據(jù)日照分段采用模型F1 及F4 對(duì)太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度平均可達(dá)84.71%,異常點(diǎn)占總樣本比例為2.04%。其中,對(duì)建模集的估算準(zhǔn)確度平均可達(dá)85.11%,異常點(diǎn)占總樣本比例為2.28%; 對(duì)組間驗(yàn)證集的估算準(zhǔn)確度平均為85.23%,異常點(diǎn)占總樣本比例為1.99%; 對(duì)組外驗(yàn)證集的估算準(zhǔn)確度平均為83.33%,異常點(diǎn)占總樣本比例為1.74%。

3 討論

太陽(yáng)輻射對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非常重要,無(wú)論是否有日照,太陽(yáng)輻射都是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的作物生長(zhǎng)、能量平衡等各方面的關(guān)鍵因子。而當(dāng)前可對(duì)其進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)非常少。不同的估算方法對(duì)有日照情況下的太陽(yáng)輻射均能實(shí)現(xiàn)較高的估算準(zhǔn)確度,但針對(duì)無(wú)日照情況下的太陽(yáng)輻射估算研究仍較少。

本文梳理了氣象站點(diǎn)可觀測(cè)得到的與太陽(yáng)日輻射可能相關(guān)的所有氣象因子,通過(guò)相關(guān)分析確定了無(wú)日照和有日照2 種天氣下太陽(yáng)日輻射的高度相關(guān)因子。無(wú)論是在無(wú)日照情況還是有日照情況下,太陽(yáng)日輻射都與各氣象因子呈極顯著相關(guān)。與大部分研究結(jié)果相似,有日照情況下,太陽(yáng)日輻射與日照因子的相關(guān)性最強(qiáng),兩者之間的相關(guān)系數(shù)居眾多因子之首; 而在溫度類(lèi)因子中,則以日最高地表溫度表現(xiàn)出與太陽(yáng)日輻射最強(qiáng)的相關(guān)性。無(wú)日照情況下,太陽(yáng)日輻射與日最高地表溫度的相關(guān)系數(shù)較其他氣溫類(lèi)因子都高。而目前有關(guān)溫度與太陽(yáng)輻射的相關(guān)研究仍主要集中在氣溫因子上。利用遙感數(shù)據(jù)可反演地表溫度,這一研究結(jié)果為利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射量估算提供了思路。地理因子與太陽(yáng)日輻射的相關(guān)性弱于氣象因子,無(wú)日照情況下的太陽(yáng)日輻射僅與緯度極顯著相關(guān),有日照情況下的太陽(yáng)日輻射則僅與海拔極顯著相關(guān)。經(jīng)度、緯度最終未參與太陽(yáng)日輻射估算模型的構(gòu)建,主要是由于天空輻射的計(jì)算已經(jīng)包含了這兩個(gè)地理因子的信息; 而海拔因子最終未參與太陽(yáng)日輻射估算模型的構(gòu)建,可能是因?yàn)檠芯繉?duì)象江蘇省地勢(shì)總體較平坦,各地海拔差異較小,在進(jìn)行建模因子選擇時(shí)會(huì)放棄這些 “無(wú)”差異化因子。

太陽(yáng)日輻射與環(huán)境氣象因子的高相關(guān)性為輻射估算模型的構(gòu)建提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在眾多模型構(gòu)建方法中,多元回歸法由于原理簡(jiǎn)單、使用便捷,被普遍使用。而由于用于建模的各氣象因子間也存在不同程度的相關(guān)性(圖2),本文采用基于最小二乘法的逐步回歸方式建模,這樣可保證最終模型中的解釋變量集既是最優(yōu)的,又沒(méi)有嚴(yán)重多重共線性。分別以當(dāng)前大部分學(xué)者采用的大氣透明系數(shù)(太陽(yáng)輻射與天文輻射的比值)和太陽(yáng)輻射為因變量,依次對(duì)建模集中無(wú)日照和有日照的樣本進(jìn)行太陽(yáng)日輻射估算模型的構(gòu)建。通過(guò)比較模型的擬合優(yōu)度及模型對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集和組外驗(yàn)證集的太陽(yáng)日輻射的估算效果,確定在無(wú)日照情況下選擇以太陽(yáng)日輻射為因變量直接構(gòu)建的估算模型F1,它主要是由日最高地表溫度和日露點(diǎn)溫度兩個(gè)變量解釋,模型的決定系數(shù)為0.650; 有日照情況下選擇以日大氣透明系數(shù)為因變量構(gòu)建的估算模型F4,它的自變量則由逐日日照百分率和日照時(shí)數(shù)構(gòu)成,模型的決定系數(shù)可達(dá)0.769。同時(shí),模型對(duì)建模集、組間驗(yàn)證集和組外驗(yàn)證集的太陽(yáng)日輻射均具有較高的估算準(zhǔn)確度和較低的異常點(diǎn)占比,其中無(wú)日照情況下模型F1 的估算準(zhǔn)確度平均為74.57%,異常點(diǎn)占比為5.89%,且模型F1 的估算準(zhǔn)確度較以日大氣透明系數(shù)為因變量構(gòu)建的模型F2 更集中地分布在靠近Y軸100%端的區(qū)間; 有日照情況下模型F4 的估算準(zhǔn)確度平均為87.60%,異常點(diǎn)占比僅為0.88%,且模型F4 的估算準(zhǔn)確度較以太陽(yáng)日輻射為因變量構(gòu)建的模型F3 更集中地分布在靠近Y 軸100%端的區(qū)間。綜合來(lái)看,根據(jù)日照分段采用模型F1 及F4 對(duì)江蘇地區(qū)太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度平均可達(dá)84.71%,異常點(diǎn)占比為2.04%。

當(dāng)前,地面氣象觀測(cè)站網(wǎng)密度越來(lái)越大,如江蘇已達(dá)到7 km,利用本文建立的基于日照時(shí)數(shù)的2 個(gè)估算模型可得到較高分辨率的太陽(yáng)日輻射分布情況,這可為太陽(yáng)輻射與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。但隨著研究水平的不斷深入及相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)精細(xì)化水平的不斷提高,一些研究模型可能需要更小時(shí)間尺度的太陽(yáng)輻射值的輸入。因此,小時(shí)、分鐘尺度太陽(yáng)輻射的估算方法研究將是下一步的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文以江蘇為例,探索了不同日照情況下太陽(yáng)日輻射的估算方法,結(jié)果如下:

1)太陽(yáng)日輻射與各氣象因子普遍呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。有日照情況下,太陽(yáng)日輻射與日照因子的相關(guān)系數(shù)最大。在溫度類(lèi)因子中,太陽(yáng)日輻射與日最高地表溫度表現(xiàn)出最強(qiáng)的相關(guān)性,兩者之間的相關(guān)系數(shù)較其他氣溫類(lèi)因子都高。

2)分別以太陽(yáng)日輻射和大氣透明系數(shù)為因變量,采用基于最小二乘法的逐步回歸方式依次對(duì)無(wú)日照和有日照情況下的建模集進(jìn)行估算模型的構(gòu)建,得到的模型的擬合優(yōu)度均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

3)無(wú)日照情況下,選擇以太陽(yáng)日輻射為因變量、以日最高地表溫度和日露點(diǎn)溫度為自變量的估算模型為最優(yōu)模型; 有日照情況下,選擇以日大氣透明系數(shù)為因變量、以逐日日照百分率和日照時(shí)數(shù)為自變量的估算模型為最優(yōu)模型。其中無(wú)日照情況下太陽(yáng)日輻射估算模型的準(zhǔn)確度平均為74.57%,異常點(diǎn)占比為5.89%; 有日照情況下太陽(yáng)日輻射估算模型的準(zhǔn)確度平均為87.60%,異常點(diǎn)占比僅為0.88%。根據(jù)日照時(shí)數(shù)是否為0 分別采用這2 個(gè)估算模型,江蘇地區(qū)太陽(yáng)日輻射的估算準(zhǔn)確度平均可達(dá)84.71%,異常點(diǎn)占比為2.04%。