基于氣象資料的日輻射模型在中國(guó)西北地區(qū)適用性評(píng)價(jià)

張青雯，崔寧博,2，馮 禹，賈 悅，李 晨，龔道枝，胡笑濤

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基于氣象資料的日輻射模型在中國(guó)西北地區(qū)適用性評(píng)價(jià)

張青雯1，崔寧博1,2※，馮 禹1,3，賈 悅1，李 晨1，龔道枝3，胡笑濤4

（1. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水利水電學(xué)院，成都 610065； 2. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066； 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所作物高效用水與抗災(zāi)減損國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

地表總輻射（R）是作物生長(zhǎng)模型率定、蒸散量估算、灌溉制度制定和太陽(yáng)能資源利用的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為有效提高輻射資源利用率，該文基于中國(guó)西北地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)1993－2016年氣象數(shù)據(jù)對(duì)9種不同日輻射模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)。采用非線(xiàn)性回歸分析法對(duì)Bristow-Campbell（B-C）模型進(jìn)行參數(shù)屬地化修正，得到B-C校正模型。模型適用性評(píng)價(jià)結(jié)果表明：9種模型在西北地區(qū)的輻射模擬值和實(shí)測(cè)值均呈極顯著相關(guān)（<0.01）；基于日照時(shí)數(shù)的日輻射模型（?ngstr?m-Prescott、Ogelman、Bahel、Louche、Almorox-Hontoria、Glower-McCulloch，其2介于0.875～0.954）計(jì)算精度高于基于溫度的模型（Hargreaves-Samani、Annandale、Bristow-Campbell，其2介于0.652～0.813）；其中基于日照時(shí)數(shù)的模型中Bahel模型精度最高，其次是Ogelman和Glower-McCulloch模型，其RMSE分別為2.282、2.309和2.313 MJ/(m2·d)，RMSE分別為14.0%、14.2%和14.2%，MAE分別為1.666、1.701和1.697 MJ/(m2·d)，Nash-Sutcliffe系數(shù)（NS）分別為0.905、0.903和0.902；基于溫度的日輻射模型中B-C校正模型精度最高，其RMSE為3.819 MJ/(m2·d)，RMSE為23.3%，MAE為2.680 MJ/(m2·d)，NS為0.741。因此，西北地區(qū)日輻射計(jì)算當(dāng)僅有日照時(shí)數(shù)資料時(shí)推薦使用Bahel模型，當(dāng)僅有溫度資料時(shí)推薦使用Bristow-Campbell校正模型。

太陽(yáng)輻射；模型；溫度；日照時(shí)數(shù)；西北地區(qū)；參數(shù)率定

0 引 言

地表總輻射（s）即太陽(yáng)輻射是地球表面最終能量來(lái)源，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射是地球大氣系統(tǒng)能量收支的最重要參數(shù)之一[1-2]。太陽(yáng)輻射量的變化與水文循環(huán)、陸地生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化密切相關(guān)[3]，準(zhǔn)確估算s對(duì)蒸散量估算、灌溉制度制定、作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)、太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用及氣候變化等領(lǐng)域都具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[4-8]。此外，精確預(yù)測(cè)s對(duì)無(wú)電力供給區(qū)域發(fā)展太陽(yáng)能光伏提水灌溉及光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)也具有重要意義，尤其針對(duì)缺乏觀(guān)測(cè)站和氣象站導(dǎo)致無(wú)輻射觀(guān)測(cè)區(qū)域太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用極為重要。同時(shí)，由于全球能源需求的快速增長(zhǎng)和化石燃料對(duì)環(huán)境的破壞性影響，光伏清潔能源開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)可靠的s數(shù)據(jù)的需求不斷增長(zhǎng)[9-10]。然而，由于技術(shù)設(shè)備和維護(hù)成本較高，s觀(guān)測(cè)受到極大的限制，尤其是在發(fā)展中國(guó)家，其數(shù)據(jù)并不像常規(guī)日照時(shí)數(shù)、溫度等氣象數(shù)據(jù)容易獲取[11]。目前中國(guó)建有752個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)，能觀(guān)測(cè)太陽(yáng)輻射量的僅有122個(gè)，有觀(guān)測(cè)條件的s數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上也并不完整，普遍存在數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象[12-14]。

為此，多種s估算方法被相繼提出，如衛(wèi)星圖像、機(jī)器學(xué)習(xí)、隨機(jī)天氣模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷确椒╗15]。其中，基于云量、日照、溫度等氣象數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥顬槌Ｒ?jiàn)并被廣泛使用，尤其是基于日照時(shí)數(shù)和基于溫度的經(jīng)驗(yàn)輻射模型[11,15]。最初基于日照時(shí)數(shù)的模型為?ngstr?m模型[16]，采用日照時(shí)數(shù)和晴空輻射數(shù)據(jù)計(jì)算s。由于晴空輻射數(shù)據(jù)較難獲取，Prescott[17]建議使用大氣頂層輻射來(lái)替代晴空輻射，得到了至今廣泛使用的?ngstr?m-Prescott模型。Chelbi等[18]將幾種?ngstr?m型回歸模型（線(xiàn)性、二次、三次、對(duì)數(shù)和指數(shù)模型）進(jìn)行比較，估算突尼斯4個(gè)氣象站的s，發(fā)現(xiàn)擬合模型均能準(zhǔn)確估算s，其中三次?ngstr?m模型擬合精度最高。Bahel[19]以全球不同氣候條件和地理位置的48個(gè)站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)和輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了在全球范圍內(nèi)均適用的Bahel模型。Ogelman等[20]建立了基于日照時(shí)數(shù)與最大可能日照時(shí)數(shù)之比的二階多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)估算日輻射值。雖然基于日照時(shí)數(shù)的模型估算s較為準(zhǔn)確，但通常會(huì)受到日照資料缺失的限制[21]，因此，基于溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷靡园l(fā)展，較為典型的是Hargreaves-Samani (H-S) 模型，僅需日最高、最低溫度就能準(zhǔn)確估算s[22]。Annandale等[23]考慮海拔和大氣層厚度對(duì)輻射的影響進(jìn)而對(duì)H-S模型進(jìn)行了改進(jìn)。Bristow等[24]提出以溫度指數(shù)函數(shù)估算日s值，即Bristow-Campbell（B-C）模型。Liu等[5]評(píng)估了16種基于溫度的經(jīng)驗(yàn)輻射模型在中國(guó)東北、華北平原和西北地區(qū)的適用性，發(fā)現(xiàn)B-C模型與修正H-S模型計(jì)算精度相似，且顯著優(yōu)于H-S模型。Hassan等[15]建立了17個(gè)新的基于溫度的輻射模型，并將其與已有的3種模型（Annandale、Allen和Goodin模型）進(jìn)行比較以估算埃及日s，發(fā)現(xiàn)精度最高的新模型在埃及不同地區(qū)計(jì)算精度均高于原模型，尤其在沿海地區(qū)。向友珍等[14]以中國(guó)南方20個(gè)站點(diǎn)氣象資料為基礎(chǔ)，對(duì)B-C模型及H-S模型各6種不同形式進(jìn)行了參數(shù)率定，并與支持向量機(jī)15種參數(shù)輸入形式進(jìn)行了適用性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)支持向量機(jī)模型整體好于B-C模型和H-S模型。Chen等[25]基于中國(guó)48個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)2種基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型和3種基于溫度的輻射模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)基于日照時(shí)數(shù)的模型精度高于基于溫度的模型，且Bahel模型計(jì)算精度最高。

中國(guó)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，但輻射資源十分豐富，充分利用輻射資源對(duì)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升、生態(tài)環(huán)境改善及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前關(guān)于中國(guó)西北地區(qū)輻射模型適用性評(píng)價(jià)還未見(jiàn)報(bào)道，因此，本文基于西北地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)1993－2016年逐日氣象數(shù)據(jù)對(duì)9種不同日輻射模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，探尋適宜西北地區(qū)的R估算方法，以期為西北地區(qū)s的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

中國(guó)西北地區(qū)位于73°25′～110°55′E和31°35′～49°15′N(xiāo)，主要包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆和內(nèi)蒙西部（圖1），約為中國(guó)國(guó)土面積1/3[26]。西北地區(qū)地形復(fù)雜多樣，以高原、盆地和山地為主，太陽(yáng)輻射資源十分豐富，由于該區(qū)地處亞歐大陸腹部，并有山嶺阻隔、地形閉塞，海洋水汽難以到達(dá)，除秦嶺以南地區(qū)外大部分地區(qū)全年降水量多在500 mm以下，且呈由東向西遞減態(tài)勢(shì)，是中國(guó)主要的干旱和半干旱區(qū)，也是中國(guó)氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)[27-28]。基于對(duì)站點(diǎn)所處氣候區(qū)域代表性與氣象數(shù)據(jù)完整性的考慮，本文在西北地區(qū)共選取10個(gè)代表性站點(diǎn)1993－2016年24 a逐日氣象數(shù)據(jù)作為基本資料，各氣象站點(diǎn)概況見(jiàn)表1。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括日總輻射量（MJ/(m2·d)）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日照時(shí)數(shù)（h），對(duì)其中缺測(cè)數(shù)據(jù)（占全部數(shù)據(jù)的4.8%）采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法和多年平均值法補(bǔ)全。

圖1 中國(guó)西北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖

表1 中國(guó)西北地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)概況

注：數(shù)據(jù)起止年份為1993－2016年，日最高溫度、日最低溫度、日照時(shí)數(shù)及日總輻射均為24 a平均值。

Note: Data from 1993 to 2016. Daily maximum temperature, daily minimum temperature, sunshine duration and daily solar radiation are the average of the 24 years.

1.2 經(jīng)驗(yàn)輻射模型

本文選取共9種具有代表性的經(jīng)驗(yàn)日輻射模型，其中包括6種基于日照時(shí)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ˋ-P、OG、BA、LO、A-H、G-M）和3種基于溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停℉-S、AN、B-C），如表2所示。基于溫度的B-C模型雖為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鋮?shù)具有一定的物理意義，參數(shù)為晴空a衰減比例系數(shù)，參數(shù)和則為晴空a衰減幅度調(diào)整系數(shù)，B-C模型推薦參數(shù)取值為0.7，參數(shù)取值為0.004～0.010之間，參數(shù)取值2.4[29]。為確定B-C模型參數(shù)取值，提高其在中國(guó)西北地區(qū)輻射計(jì)算精度，本文基于各代表性站點(diǎn)1993－2010年氣象數(shù)據(jù)并采用非線(xiàn)性回歸分析法對(duì)B-C模型進(jìn)行參數(shù)屬地化修正，通過(guò)2011－2016年數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證得B-C校正模型。

表2 經(jīng)驗(yàn)輻射模型

注：s為地表總輻射，MJ·m-2·d-1；為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，h；為最大可能日照時(shí)數(shù)，h；為緯度，rad；為高程，km；max為日最高溫度，℃；min為日最低溫度，℃；a為地外總輻射，MJ·m-2·d-1；G為太陽(yáng)常數(shù)，取0.082（MJ·m-2·min-1）；d為日地間相對(duì)距離的倒數(shù)；ω為太陽(yáng)時(shí)角（rad）；為太陽(yáng)磁偏角（rad）；

Note:sis the daily global solar radiation, MJ·m-2·d-1;is the sunshine duration, h;is the maximum possible daily sunshine duration, h;is the latitude, rad;is the altitude, km;maxis the maximum daily temperature, ℃;minis the minimum daily temperature, ℃;ais the daily extraterrestrial radiation on horizontal surface, MJ·m-2·d-1.Gis the solar constant,G=0.082 (MJ·m-2·min-1);dis the countdown of relative distance between sun and earth;ωis the sunset hour angle (rad);is the solar declination angle (rad).

1.3 評(píng)價(jià)方法

本文采用輻射模型常用的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：決定系數(shù)（2）、均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（nRMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、Nash-Sutcliffe系數(shù)（NS）和相對(duì)誤差（Relative error，RE）評(píng)價(jià)各模型的計(jì)算精度與一致性，其計(jì)算公式如下

2 結(jié)果與分析

2.1 Bristow-Campbell模型參數(shù)率定

本文基于西北地區(qū)各1993—2010年各代表性站點(diǎn)氣象資料，采用非線(xiàn)性回歸分析法（最小二乘法）對(duì)B-C模型進(jìn)行參數(shù)屬地化修正，通過(guò)2011—2016年數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，最終提出B-C校正模型在西北地區(qū)各代表性站點(diǎn)的參數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，率定后B-C模型參數(shù)值介于0.627～0.793之間，其平均值為0.734，除烏魯木齊、延安站外均大于原模型推薦值0.7，表明晴空a衰減比例系數(shù)較原始值偏大；率定后參數(shù)值介于0.018～0.072之間，其平均值為0.040，均大于原模型推薦最大值0.010，表明晴空a衰減幅度調(diào)整系數(shù)較原始值偏大；率定后參數(shù)值介于1.150～1.804之間，其平均值為1.525，均小于原模型推薦值2.4，表明晴空a衰減幅度調(diào)整系數(shù)較原始值偏小。此外，B-C模型修正后參數(shù)值在各代表站點(diǎn)均不相同，表明不同區(qū)域因受季節(jié)變化、云層厚度、積雪覆蓋、污染物濃度、緯度及海拔等影響，模型參數(shù)在不同地區(qū)取值不一[11,31]。

表3 中國(guó)西北地區(qū)Bristow-Campbell修正模型參數(shù)值率定情況

2.2 模型適用性比較

為評(píng)價(jià)各模型對(duì)西北地區(qū)日s模擬精度，將9種模型在西北地區(qū)10個(gè)代表性站點(diǎn)的模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表4所示。由表4可知，9種模型在西北地區(qū)10個(gè)代表性站點(diǎn)s模擬值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果較好，均呈極顯著相關(guān)（<0.01）。6種基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型（A-P、OG、BA、LO、A-H和G-M）2分別介于0.880～0.954、0.882～0.951、0.884～0.951、0.883～0.954、0.875～0.948和0.883～0.954；3種基于溫度的輻射模型（H-S、AN和B-C）2分別介于0.652～0.807、0.652～0.807和0.673～0.813；6種基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型在西北地區(qū)各站點(diǎn)日s值擬合精度較高，除烏魯木齊、延安、海流圖3個(gè)站外，2均大于0.9，且6種模型在格爾木、額濟(jì)納旗、民勤站擬合結(jié)果均優(yōu)于其它站，其2均大于0.946。3種基于溫度的輻射模型在西北地區(qū)各站點(diǎn)s模擬精度均低于基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型，除額濟(jì)納旗站外，2均小于0.8，3種模型在烏魯木齊、剛察、海流圖站精度均較差，其2均小于0.734。此外，從其余4個(gè)誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)也可看出基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型計(jì)算精度均高于基于溫度的模型，基于日照時(shí)數(shù)的模型中BA模型精度最高，其次是OG模型和G-M模型，其平均RMSE分別為2.282、2.309和2.313 MJ/(m2·d)，平均nRMSE分別為14.0%、14.2%和14.2%，平均NS分別為0.905、0.903和0.902，平均MAE分別為1.666、1.701和1.697 MJ/(m2·d)；基于溫度的模型中精度最高的是B-C校正模型，其次是H-S模型和AN模型，其平均RMSE分別為3.819、4.167和4.368 MJ/(m2·d)，平均nRMSE分別為23.3%、25.5%和26.6%，平均NS分別為0.741、0.688和0.656，平均MAE分別為2.680、3.068和3.378 MJ/(m2·d)。

表4 中國(guó)西北地區(qū)不同經(jīng)驗(yàn)輻射模型計(jì)算精度比較

注：表中**表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平（<0.01）。

Note:**means a statistically significant correlation (<0.01).

為分析各模型對(duì)西北地區(qū)月尺度日s模擬精度，將各經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膕模擬值與實(shí)測(cè)值求月平均值（喀什、敦煌站結(jié)果如表5所示，其余站點(diǎn)結(jié)果與之相似），并計(jì)算各模型在不同站點(diǎn)s模擬值的相對(duì)誤差，結(jié)果見(jiàn)表6。表5表明，西北地區(qū)9種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮鲁叨壬蟬模擬值與實(shí)測(cè)值的年內(nèi)變化趨勢(shì)基本相同，1－6月均呈增大趨勢(shì)，7－12月均呈減小趨勢(shì)，夏季s較大，冬季s較小。由表6可知，9種模型在西北地區(qū)各代表性站點(diǎn)月尺度上計(jì)算精度差異明顯，但絕大多數(shù)相對(duì)誤差小于15%。6種基于日照時(shí)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ˋ-P、OG、BA、LO、A-H和G-M）在西北地區(qū)10個(gè)代表性站點(diǎn)月尺度上s模擬值的相對(duì)誤差RE范圍分別為1.690%～15.385%、0.741%～12.275%、0.809%～10.305%、3.349%～15.634%、1.770%～17.917%和1.233%～14.245%，平均RE分別為5.709%、5.375%、5.350%、9.703%、6.532%和5.679%，表明基于日照時(shí)數(shù)的模型中BA模型模擬精度最高，其次是OG模型和G-M模型；3種基于溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停℉-S、AN和B-C）在各站月尺度上s模擬值的RE范圍分別為3.652%～18.713%、4.971%～17.748%和2.863%～6.525%，平均RE分別為8.184%、10.636%和4.254%，表明基于溫度的模型中B-C校正模型精度最高，且其誤差小于BA模型。同時(shí)，由于西北地區(qū)面積廣闊，地形復(fù)雜、氣候差異顯著等因素，各代表性站點(diǎn)月尺度上s模擬精度最高的模型也不同，在敦煌、民勤和銀川站精度最高的均為OG模型，在剛察、額濟(jì)納旗和海流圖站精度最高的均為A-H模型，在喀什和延安站精度最高的均為L(zhǎng)O模型，而在烏魯木齊和格爾木站精度最高的分別為G-M模型和BC校正模型。

表5 中國(guó)西北地區(qū)代表站各模型月平均日輻射值

表6 中國(guó)西北地區(qū)各經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮缕骄蛰椛渲档南鄬?duì)誤差

注：表中加粗值為各站點(diǎn)相對(duì)誤差最小值。

Note: bold numbers are the minimum relative error for each station.

3 討 論

本研究結(jié)果表明基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型在西北地區(qū)各代表站點(diǎn)計(jì)算精度均高于基于溫度的輻射模型。Trnka等[35]在奧地利和捷克分析了7種不同的日總輻射計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)基于日照時(shí)數(shù)的模型精度最高，其次是基于云資料的輻射模型、基于降水的輻射模型和基于溫度的輻射模型。Mecibah等[36]研究了在阿爾及利亞地區(qū)月尺度上平均日輻射計(jì)算精度較高的模型，結(jié)果也表明基于日照時(shí)數(shù)的模型計(jì)算精度高于基于溫度的模型。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射量與日照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)，云層及其伴隨的天氣模式也是限制地球表面太陽(yáng)輻射的最重要的大氣現(xiàn)象之一，這是導(dǎo)致基于日照時(shí)數(shù)的模型和基于云資料的模型計(jì)算精度較高的主要原因。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射又以長(zhǎng)波輻射的形式被大氣層吸收或散發(fā)到空中，被大氣層吸收的部分則會(huì)使大氣溫度升高，因此溫度與太陽(yáng)輻射密切相關(guān)，但又并不完全對(duì)應(yīng)，這也導(dǎo)致了基于溫度的輻射模型計(jì)算精度要低于基于日照時(shí)數(shù)的模型。

本文研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)西北地區(qū)基于日照時(shí)數(shù)的模型中BA模型計(jì)算精度最高，其次是OG模型和G-M模型；Chelbi等[18]基于突尼斯4個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)在幾種?ngstr?m型回歸模型（線(xiàn)性、二次、三次、對(duì)數(shù)和指數(shù)模型）中，屬于三次?ngstr?m型的Bahel模型擬合精度最高，與本文研究結(jié)論一致。同時(shí)，Chen等[25]比較了5種輻射模型在中國(guó)地區(qū)的適用性，也發(fā)現(xiàn)BA模型在中國(guó)是計(jì)算精度最高的基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型，且計(jì)算精度高于A-P模型，二者平均NS分別為0.84、0.83。

本研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)西北地區(qū)基于溫度的輻射模型中B-C校正模型精度最高；Quej等[21]評(píng)價(jià)了13種經(jīng)驗(yàn)輻射模型在墨西哥尤卡坦半島地區(qū)適用性，發(fā)現(xiàn)溫度的輻射模型中B-C模型精度最高；Chen等[25]在中國(guó)地區(qū)研究也發(fā)現(xiàn)B-C校正模型計(jì)算精度高于H-S模型，其平均NS分別為0.47、0.44，與本研究結(jié)論一致。B-C模型是基于氣溫日較差的經(jīng)驗(yàn)輻射模型，入射輻射中有部分被大氣散射或吸收并未到達(dá)地表對(duì)氣溫?zé)o影響，同時(shí)長(zhǎng)波輻射對(duì)氣溫變化也有一定影響，氣溫日較差與太陽(yáng)總輻射雖密切相關(guān)，但又并未直接對(duì)應(yīng)，因此B-C模型具有一定的不確定性，降低B-C模型不確定性的主要途徑則是對(duì)其參數(shù)進(jìn)行屬地化校正，這也是B-C校正模型精度較高的主要原因[37]。

9個(gè)輻射模型在西北地區(qū)各代表性站點(diǎn)月尺度上計(jì)算精度差異明顯，但絕大多數(shù)相對(duì)誤差小于15%，而且在喀什、剛察、敦煌、民勤、額濟(jì)納旗、海流圖和延安等地還表現(xiàn)出春、冬季節(jié)s計(jì)算誤差相對(duì)較大的趨勢(shì)，這可能是由于當(dāng)?shù)卦屏亢蜌馊苣z增加所引起。Al-Mostafa等[38]在阿拉伯地區(qū)評(píng)價(jià)了52種基于日照時(shí)數(shù)的輻射模型，發(fā)現(xiàn)在月尺度上，各模型計(jì)算相對(duì)誤差百分比在?10%～10%之間，文本基于日照時(shí)數(shù)的模型計(jì)算結(jié)果絕大多數(shù)也均小于10%。月尺度上B-C校正模型相對(duì)誤差較小，主要是在選模型之初對(duì)其參數(shù)進(jìn)行率定所導(dǎo)致。西北地區(qū)面積廣闊，區(qū)域內(nèi)不同的地理氣候因素對(duì)模型計(jì)算精度會(huì)造成一定的影響，未來(lái)還需對(duì)此進(jìn)行深入研究以期進(jìn)一步提高模型計(jì)算精度。

4 結(jié) 論

1）基于西北地區(qū)1993－2010年氣象數(shù)據(jù)采用非線(xiàn)性回歸分析法（最小二乘法）對(duì)B-C模型進(jìn)行參數(shù)屬地化修正，并通過(guò)2011—2016年數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，最終提出B-C校正模型在西北地區(qū)各代表性站點(diǎn)的參數(shù)率定值，率定后晴空a衰減比例系數(shù)較原始值偏大，晴空a衰減幅度調(diào)整系數(shù)較原始值偏大，而晴空a衰減幅度調(diào)整系數(shù)較原始值偏小。

2）9種經(jīng)驗(yàn)輻射模型在西北地區(qū)10個(gè)代表性站點(diǎn)日尺度上s模擬值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果較好，均呈極顯著相關(guān)（<0.01），且總體上基于日照時(shí)數(shù)的模型計(jì)算精度高于基于溫度的模型，其2取值分別介于0.875～0.954和0.652～0.813；9種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠦A模型為精度最高的基于日照時(shí)數(shù)的模型，其次是OG模型和G-M模型；B-C校正模型為精度最高的基于溫度的輻射模型。

3）西北地區(qū)9種經(jīng)驗(yàn)輻射模型月尺度上s模擬值與實(shí)測(cè)值的年內(nèi)變化趨勢(shì)相同，1－6月均呈增大趨勢(shì)，7－12月均呈減小趨勢(shì)。9種模型在月尺度上計(jì)算精度差異明顯，但絕大多數(shù)相對(duì)誤差小于15%。基于日照時(shí)數(shù)的模型中BA模型月尺度上s模擬精度最高，其次是OG模型和G-M模型；基于溫度的模型中B-C校正模型精度最高，且相對(duì)誤差小于BA模型。

4）綜合考慮西北地區(qū)9種輻射模型在日尺度和月尺度上s模擬精度，當(dāng)具有日照時(shí)數(shù)資料時(shí)，推薦使用BA模型計(jì)算西北地區(qū)日總輻射值，當(dāng)僅有溫度資料時(shí)推薦使用率定參數(shù)后的B-C校正模型。

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Evaluation on applicability of daily solar radiation model in Northwest China based on meteorological data

Zhang Qingwen1, Cui Ningbo1,2※, Feng Yu1,3, Jia Yue1, Li Chen1, Gong Daozhi3, Hu Xiaotao4

(1.,610065,; 2.,610066,; 3.,,, B100081,; 4.)

Complete and accurate global solar radiation data at a specific region are highly crucial to regional crop modeling, evapotranspiration estimation, irrigation system development and utilization of solar energy resources. In order to improve the utilization efficiency of facility agriculture technology on radiation resources, daily climatic data in 10 meteorological stations in Northwest China from 1993 to 2016 were used to calculate dailyglobal solar radiation. The applicability of 6 solar radiation models based on sunshine (?ngstr?m-Prescott, Ogelman, Bahel, Louche, Almorox-Hontoria and Glower-McCulloch model) and 3 solar radiation models based on temperature (Hargreaves-Samani, Annandale and Bristow-Campbell model) was evaluated using the coefficient of determination (2), root mean square error (RMSE), normalized root mean square error (RMSE), Nash-Sutcliffe coefficient (NS), mean absolute error (MAE) and relative error (RE). In addition, the parameters of Bristow-Campbell (B-C) model were calibrated based on least square method using the daily meteorological data from 1993 to 2010, and the daily meteorological data from 2011 to 2016 were adopted to evaluate the applicability of B-C model. The results showed that the estimated and measured daily global solar radiationhad statistically significant correlations (<0.01) for all the 9 models at the 10 stations. Generally, the models based on sunshine (with2ranging from 0.875 to 0.954 for the 10 stations) were more accurate to estimate daily global solar radiationthan the models based on temperature (with2from 0.652 to 0.813). In Northwest China, the Bahel model showed the best performance for daily global solar radiationestimation among the 6 models based on sunshine, followed by Ogelman model and Glower-McCulloch model, with average RMSE of 2.282, 2.309 and 2.313 MJ/(m2·d), averageRMSE of 14.0%, 14.2% and 14.2%, average MAE of 1.666, 1.701 and 1.697 MJ/(m2·d), and average NS of 0.905, 0.903 and 0.902, respectively. The best model based on temperature for estimation of daily global solar radiationwas the calibrated B-C model,followed by Hargreaves-Samani model and Annandale model, with average RMSE of 3.819, 4.167 and 4.368 MJ/(m2·d), averageRMSE of 23.3%, 25.5% and 26.6%, average MAE of 2.680, 3.068 and 3.378 MJ/(m2·d), and average NS of 0.741, 0.688 and 0.656 respectively. On the monthly scale, the estimated and measured monthly average daily global solar radiationhad good agreement, and the monthly average daily global solar radiationall increased from January to June and decreased from July to December. The Bahel model also showed the best performance for monthly average daily global solar radiationestimation among the 6 models based on sunshine, followed by Ogelman model and Glower-McCulloch model, with average RE of 5.350%, 5.375% and 5.679%, respectively. The calibrated B-C model had the best estimation accuracy among the models based on temperature, with average RE of 4.254%. It meant that the B-C model was more accurate than the Bahel model for global solar radiationestimation in monthly scale. Overall, the Bahel model is recommended to estimate daily global solar radiationwhen the sunshine hours are available, and the calibrated B-C model is recommended to estimate daily global solar radiationin Northwest China when only temperature data are available. This paper provides valuable information for global solar radiationestimation method in Northwest China, and also provides the theoretical basis and technical support for accurate estimation of daily global solar radiation.

solar radiation; models; temperature; sunshine duration; Northwest China; parameter calibration

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.026

P422.1

A

1002-6819(2018)-02-0189-08

2017-07-14

2017-12-22

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0400206）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51779161）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD24B01）；2017年中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金。

張青雯，女，云南曲靖人，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與技術(shù)。Email：zhangqwSCU@163.com

崔寧博，男，陜西鳳翔人，副教授，博士。研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與技術(shù)。Email：cuiningbo@126.com

張青雯，崔寧博，馮 禹，賈 悅，李 晨，龔道枝，胡笑濤. 基于氣象資料的日輻射模型在中國(guó)西北地區(qū)適用性評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：189－196. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.026 http://www.tcsae.org

Zhang Qingwen, Cui Ningbo, Feng Yu, Jia Yue, Li Chen, Gong Daozhi, Hu Xiaotao. Evaluation on applicability of daily solar radiation model in Northwest China based on meteorological data[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 189－196. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.026 http://www.tcsae.org