成 馳，孫朋杰，崔 楊

基于MODIS數(shù)據(jù)用兩步法構(gòu)建四川省地面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型*

成 馳，孫朋杰，崔 楊

（湖北省氣象服務(wù)中心/湖北省氣象能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，武漢 430074）

以MODIS遙感資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)模型反演的方法，構(gòu)建了兩步法計(jì)算高分辨率地面太陽(yáng)輻射量的計(jì)算模型。第一步基于遙感云量與地面日照百分率的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算格點(diǎn)各月日照百分率值；第二步基于日照百分率與太陽(yáng)輻射量的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算格點(diǎn)太陽(yáng)輻射量。應(yīng)用本方案對(duì)四川省1km格點(diǎn)分辨率地面太陽(yáng)輻射量進(jìn)行計(jì)算，并利用6個(gè)輻射站總輻射實(shí)測(cè)值對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明：四川省年總輻射量在3102～6659MJ·m?2，最低值出現(xiàn)在四川盆地東南部，最高值出現(xiàn)在川西高原西部。利用地面輻射站觀測(cè)資料進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明各站各月太陽(yáng)輻射量計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致，年輻射量計(jì)算絕對(duì)誤差均小于100MJ·m?2，相對(duì)誤差均小于2%，表明該模型模擬精度較高，可用于四川省地面太陽(yáng)輻射量計(jì)算。

太陽(yáng)輻射；MODIS數(shù)據(jù)；四川省

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射是地球能量的最主要來(lái)源，對(duì)地表輻射平衡、能量交換、水文循環(huán)、植物光合作用，以及天氣氣候的形成具有決定性的意義。地面太陽(yáng)輻射量主要通過(guò)觀測(cè)和計(jì)算兩種方式獲得。其中太陽(yáng)輻射的觀測(cè)一般應(yīng)用光熱或光電太陽(yáng)輻射計(jì)開(kāi)展，但由于輻射測(cè)量設(shè)備成本相對(duì)較高，測(cè)量技術(shù)要求也較復(fù)雜，因此目前國(guó)內(nèi)僅有122個(gè)氣象臺(tái)站開(kāi)展了常年太陽(yáng)輻射觀測(cè)項(xiàng)目。以四川省為例，157個(gè)國(guó)家氣象站中僅有7個(gè)開(kāi)展了太陽(yáng)輻射觀測(cè)，占比不到5%。因此，要了解一個(gè)地區(qū)地面太陽(yáng)輻射量的精細(xì)化空間分布狀況，就需要通過(guò)其他方式計(jì)算得到。自1924年Angstrom[1]提出總輻射的計(jì)算公式以來(lái)，迄今為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了大量的太陽(yáng)總輻射、直接輻射及散射輻射估算模型[2?6]。國(guó)內(nèi)的計(jì)算模型大多是在左大康等[7?8]建立的以日照百分率為基礎(chǔ)的輻射模型上發(fā)展的，如蔡元?jiǎng)偟萚9]將四川省總輻射計(jì)算模型的時(shí)間尺度從月精確到日，申彥波等[10]利用晴天總輻射替代天文輻射作為輻射模型初始值，提升了地形氣候復(fù)雜區(qū)域的輻射量計(jì)算精度。

近年來(lái)，許多研究將目標(biāo)轉(zhuǎn)向利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)計(jì)算地面太陽(yáng)輻射量或日照百分率上，這些研究可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為采用輻射傳輸模型的計(jì)算方案，如劉軍建等[11]采用FY-2E氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地面太陽(yáng)輻射產(chǎn)品，黎微微等[12]利用MODIS氣溶膠和云產(chǎn)品結(jié)合大氣輻射傳輸模式計(jì)算地面太陽(yáng)輻射；第二類(lèi)為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算方案，如李凈等[13]采用MODIS遙感資料構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬地面站點(diǎn)太陽(yáng)輻射，王懷清等[14]利用FY-2C資料與地面日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)建模，反演5km分辨率逐時(shí)日照百分率。這些研究基本解決了農(nóng)業(yè)氣象、太陽(yáng)能利用等需求領(lǐng)域?qū)庀笳军c(diǎn)所在地太陽(yáng)輻射計(jì)算的需求，但由于這些模型或是基于輻射數(shù)據(jù)與氣象站日照百分率數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系建立，或基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面輻射觀測(cè)建模，其計(jì)算結(jié)果空間精度和準(zhǔn)確率均受制于輻射站點(diǎn)密度。

本研究采用統(tǒng)計(jì)模型反演的思路，同時(shí)利用衛(wèi)星遙感產(chǎn)品高分辨率的特性以及地面觀測(cè)數(shù)據(jù)高準(zhǔn)確率的信息，采用兩步法計(jì)算地面太陽(yáng)輻射。第一步利用MODIS衛(wèi)星遙感云量產(chǎn)品與地面觀測(cè)日照百分率之間的相關(guān)關(guān)系建模，計(jì)算各格點(diǎn)上各月日照百分率；第二步采用日照百分率反演地面太陽(yáng)輻射量經(jīng)典模型，計(jì)算各格點(diǎn)各月太陽(yáng)總輻射量。

四川省是省內(nèi)海拔、地形和氣候差異最顯著的省級(jí)行政區(qū)之一，省內(nèi)各地日照和太陽(yáng)輻射差異巨大，因此，研究太陽(yáng)輻射計(jì)算模型在四川省不同氣候類(lèi)型區(qū)域的適用性十分有價(jià)值[15]。利用本研究建立的模型對(duì)四川省各月和全年地面太陽(yáng)輻射量進(jìn)行計(jì)算，并利用輻射站觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算效果，以期提高地面太陽(yáng)輻射計(jì)算的空間精度，為四川省太陽(yáng)能資源利用提供準(zhǔn)確依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于中國(guó)西南，面積約48.6萬(wàn)km2，海拔188～7556m，省內(nèi)地形地貌類(lèi)型豐富，氣候特征復(fù)雜。不同的海拔高度使得太陽(yáng)輻射穿過(guò)的大氣光學(xué)厚度不同，從而影響到達(dá)地面太陽(yáng)輻射量，而不同的氣候特征，尤其是氣溶膠和云量上的差異也會(huì)顯著影響地面太陽(yáng)輻射量。根據(jù)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，四川盆地是中國(guó)地面接收到年太陽(yáng)輻射量最小的地區(qū)，在4000MJ·m?2以下，川西高原年總輻射大部在6000MJ·m?2以上，川西南地區(qū)河谷縱橫，地形崎嶇導(dǎo)致該地區(qū)氣候特征隨海拔變化顯著，年總輻射在4000～6000MJ·m?2。建立太陽(yáng)輻射計(jì)算模型時(shí)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值很大程度上依賴于建模區(qū)內(nèi)氣候特征的一致性，因此，對(duì)于省內(nèi)氣候特征差異極大的四川省，采用分區(qū)建模的方案能提升模型的計(jì)算精度[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

中分辨率成像光譜儀（MODIS）搭載在Terra和Aqua兩顆極軌衛(wèi)星上，共36個(gè)通道，光譜覆蓋范圍為0.405～14.385μm，不同波段數(shù)據(jù)空間分辨率為250m、500m和1km。MODIS資料為美國(guó)航天局（NASA）網(wǎng)站（https://modis.gsfc.nasa.gov）提供的Terra和Aqua的MOD/MYD06云量產(chǎn)品，數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間2016?2018年。有研究對(duì)比分析了MODIS云量和地面觀測(cè)資料，證明在溫帶MODIS云量比其他衛(wèi)星云量產(chǎn)品更接近真實(shí)值[17]。將MODIS單幅總云量影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾何校正、圖像鑲嵌、影像疊加求平均處理獲得四川全省范圍1km空間分辨率各月平均總云量數(shù)據(jù)。

地面太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)選取四川省內(nèi)6個(gè)（甘孜、紅原、綿陽(yáng)、成都、攀枝花和納溪）有輻射觀測(cè)的國(guó)家氣象站1994?2018年逐月總輻射量數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的日照時(shí)數(shù)、日照百分率月值數(shù)據(jù)。地面氣象數(shù)據(jù)選取四川省內(nèi)152個(gè)國(guó)家氣象站1994?2018年逐月日照時(shí)數(shù)、日照百分率數(shù)據(jù)。地面數(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），在模擬計(jì)算前對(duì)各要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了基本質(zhì)量控制。

1.3 兩步法計(jì)算模型

1.3.1 日照百分率計(jì)算模型

第一步，根據(jù)MODIS遙感云量和地面氣象站實(shí)測(cè)日照百分率之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，分不同區(qū)域建立格點(diǎn)日照百分率計(jì)算模型。

（1）月平均日照百分率建模

云是直接影響地氣系統(tǒng)輻射平衡、熱量平衡和溫濕分布的重要因子，云的生成和變化會(huì)引起地面日照、太陽(yáng)輻射、氣溫等的變化[18]。日照百分率為日照時(shí)數(shù)與可照時(shí)數(shù)的比值，用百分比表示。日照百分率和云量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即云量增加，日照百分率減少；反之，云量減少，日照百分率增加。云量和日照百分率之間可以采用統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)構(gòu)建模型[14]，但衛(wèi)星觀測(cè)的云量與地面觀測(cè)的云量具有不同的物理意義，為使衛(wèi)星觀測(cè)云量數(shù)據(jù)和地面日照百分率觀測(cè)數(shù)據(jù)在采樣面積上達(dá)到匹配，根據(jù)曹蕓等[19]的研究，以氣象站為中心取邊長(zhǎng)為15km的正方形范圍內(nèi)提取的平均MODIS云量值與氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性最好。

根據(jù)日照百分率與云量良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，建立日照百分率遙感計(jì)算模型，為一元線性擬合，以總云量作為日照百分率的影響因子。模型式為

式中，SRg為氣象站日照百分率觀測(cè)資料；CLp為以氣象站所在位置為中心的15km×15km正方形區(qū)域內(nèi)的平均總云量值；a、b為模型待定系數(shù)，利用某個(gè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)氣象站日照百分率觀測(cè)月值數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的月平均遙感云量數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合得到。

（2）建模分區(qū)方案

考慮到四川省地形復(fù)雜、各氣象要素垂直差異大，因此，使用K均值聚類(lèi)分析的方法，基于四川各氣象站日照百分率月值和海拔高度數(shù)據(jù)將四川省分為三個(gè)區(qū)域，分別為四川盆地、川西高原和川南山地，各區(qū)域分界線及氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。其中四川盆地各站海拔均在800m以下，區(qū)內(nèi)包括98個(gè)氣象站，其中成都、綿陽(yáng)、納溪三站為輻射站；川西高原海拔在3000m以上，區(qū)內(nèi)包括34個(gè)氣象站，其中甘孜、紅原兩站為輻射站；川南山地大部地區(qū)海拔在1000?2000m，區(qū)內(nèi)包括20個(gè)氣象站，其中攀枝花站為輻射站。

圖1 基于四川各氣象站日照百分率月值和海拔高度數(shù)據(jù)的建模分區(qū)方案（3個(gè)）

（3）格點(diǎn)日照百分率計(jì)算

分別對(duì)四川省3個(gè)區(qū)域，利用日照百分率遙感計(jì)算模型即式（1）計(jì)算各格點(diǎn)逐月日照百分率值。對(duì)于各分區(qū)內(nèi)部的格點(diǎn)，直接采用所在分區(qū)的a、b系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；而對(duì)位于分區(qū)之間的格點(diǎn)，即最近的三個(gè)氣象站分屬于不同分區(qū)的格點(diǎn)，則采用反距離權(quán)重法將系數(shù)插值到所在格點(diǎn)處，再代入模型進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2 太陽(yáng)總輻射量計(jì)算模型

第二步，利用日照百分率和太陽(yáng)總輻射量觀測(cè)值，通過(guò)相關(guān)分析建立格點(diǎn)逐月太陽(yáng)總輻射量計(jì)算模型。

（1）月平均總輻射量建模

水平面太陽(yáng)總輻射的計(jì)算采用最典型的Angstrom模型，即

式中，E為水平面太陽(yáng)總輻射量，E0為計(jì)算起始輻射，SRg為日照百分率，a1、b1為模型待定系數(shù)，采用分站點(diǎn)建模確定，即利用各站點(diǎn)的逐月日照百分率及對(duì)應(yīng)的月太陽(yáng)總輻射量擬合得到各自系數(shù)。依據(jù)相關(guān)研究[20]，E0采用天文輻射作為計(jì)算起始值計(jì)算簡(jiǎn)便，相對(duì)誤差較小，因此本研究的起始值E0也采用天文輻射，其計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

（2）格點(diǎn)太陽(yáng)總輻射計(jì)算

將擬合計(jì)算得到的各站a1、b1系數(shù)值采用反距離權(quán)重法插值到四川省1km分辨率各格點(diǎn)上，再應(yīng)用總輻射量計(jì)算模型，以各格點(diǎn)日照百分率為基礎(chǔ)計(jì)算得到各格點(diǎn)各月水平面總輻射值。在進(jìn)行模擬和觀測(cè)對(duì)比檢驗(yàn)時(shí)，輻射觀測(cè)站點(diǎn)的總輻射模擬值利用最臨近4個(gè)格點(diǎn)的總輻射值采用雙線性插值的方法得到。

1.4 數(shù)據(jù)處理

處理數(shù)據(jù)和繪制圖表采用Microsoft Excel 365和Python 3.7，模型參數(shù)擬合和檢驗(yàn)采用SPSS 24.0，分布圖繪制采用 ArcGIS 10.2。

2 結(jié)果與分析

2.1 分區(qū)域日照百分率模型構(gòu)建與模擬

2.1.1 月平均遙感總云量數(shù)據(jù)分析

對(duì)2016?2018年涵蓋四川省范圍的MOD/MYD06數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了四川省各月平均遙感總云量分布。分別選取1、4、7和10月作為冬春夏秋四個(gè)季節(jié)的代表月進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，冬季代表月（1月）四川省內(nèi)云量差異最為顯著，四川盆地大部平均云量在80%以上，最大可達(dá)98%，在盆地邊緣地區(qū)月平均云量值具有很顯著的跳躍變化；川西高原南部平均云量很小，大部30%以下，最小的為16%，北部云量多在30%～50%；川南山地大部云量在30%～40%。春季代表月（4月）省內(nèi)云量變化范圍在34%～97%，其中四川盆地大部在70%～95%；川西高原在60%左右；川南山地云量最小，為34%～40%。夏季代表月（7月）是全省整體云量最高的季節(jié)，川西高原中、南部和川南山地在90%左右，川西高原北部地區(qū)云量在40%～50%；四川盆地云量在70%～80%。秋季代表月（10月）四川盆地云量在80%～95%，川西高原在23%～50%，川南山地在40%左右。

從各個(gè)區(qū)域季節(jié)變化情況來(lái)看，四川盆地秋冬季節(jié)云量較高，春夏季節(jié)云量相對(duì)較低；該區(qū)域云量季節(jié)差異較小，最大與最小月份差異在20%以內(nèi)。川西高原和川南山地云量則呈現(xiàn)與四川盆地季節(jié)變化相反的夏高冬低變化趨勢(shì)，且這兩區(qū)域云量季節(jié)差異較大，從1月約20%到7月的90%，其季節(jié)變化達(dá)70個(gè)百分點(diǎn)。

2.1.2 日照百分率計(jì)算模型與檢驗(yàn)

將四川省每個(gè)區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)2016?2018年逐月遙感總云量值，按照式（1）與氣象站日照百分率逐月實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性擬合，分別獲得各區(qū)域的日照百分率遙感計(jì)算模型系數(shù)a、b。以均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）以及相關(guān)系數(shù)（R）作為評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)模型擬合的效果，結(jié)果見(jiàn)表1。各區(qū)云量與日照百分率相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

四川省3個(gè)區(qū)域氣象站的海拔、云量、日照和輻射條件存在明顯差異，四川盆地各月平均云量均大于60%，日照百分率則均小于65%；川西高原和川南山地兩區(qū)域日照百分率和月平均云量年內(nèi)變化均較大。從模型參數(shù)上看，3個(gè)區(qū)域的b參數(shù)即擬合趨勢(shì)線的斜率差別也較明顯，表明3個(gè)區(qū)域云量對(duì)日照百分率的影響權(quán)重存在一定差異。

由圖3可知，3個(gè)區(qū)域的遙感云量與日照百分率月值負(fù)相關(guān)關(guān)系均較好，各區(qū)域日照百分率計(jì)算模型的相關(guān)系數(shù)R值均大于0.88。從模型的計(jì)算誤差上看，川西高原的RMSE最大，四川盆地次之，川南山地誤差最小。

2.1.3 日照百分率模擬結(jié)果

利用表1中3個(gè)分區(qū)的a、b系數(shù)，應(yīng)用格點(diǎn)日照百分率計(jì)算模型，計(jì)算得到四川省各月格點(diǎn)日照百分率分布。圖4給出了4個(gè)代表月的月平均日照百分率分布，由圖可見(jiàn)，其基本空間分布特征和季節(jié)變化趨勢(shì)與遙感云量基本一致。冬季代表月（1月）四川盆地大部日照百分率小于20%，川西高原南部和川南山地在70%以上；春季代表月（4月）各氣候區(qū)日照百分率在40%～60%；最大值出現(xiàn)在川南山地南部；夏季代表月（7月）日照百分率分布空間差異相對(duì)較小，最大值約65%出現(xiàn)在四川盆地東部，其他地區(qū)在30%～50%；秋季代表月（10月）川西高原和川南山地地區(qū)在50%左右，四川盆地在15%～30%。

2.2 分區(qū)域總輻射量模型構(gòu)建與模擬

2.2.1 總輻射量計(jì)算模型與檢驗(yàn)

采用四川省6個(gè)國(guó)家輻射站自建站以來(lái)的月總輻射量數(shù)據(jù)，以及各站對(duì)應(yīng)的觀測(cè)日照百分率月值數(shù)據(jù)分站點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到各輻射站a1、b1系數(shù)值，采用均方根誤差（RMSE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）以及相關(guān)系數(shù)（R）評(píng)估總輻射量擬合效果，各系數(shù)值和效果參數(shù)見(jiàn)表2。四川省各站月日照百分率與總輻射量相關(guān)系數(shù)R均在0.89以上，說(shuō)明各站建模數(shù)據(jù)相關(guān)性均較好。計(jì)算得到各站月總輻射量的RMSE均在30MJ·m?2以下，從NRMSE來(lái)看，各站均在10%以下。位于川西高原的甘孜、紅原和川南山地的攀枝花站三站NRMSE在5%左右，擬合誤差較?。晃挥谒拇ㄅ璧氐募{溪、綿陽(yáng)和成都站NRMSE略高，在7%～10%。

表1 三個(gè)區(qū)域日照百分率計(jì)算模型參數(shù)及模型擬合效果

圖3 三區(qū)域衛(wèi)星遙感云量與站點(diǎn)日照百分率相關(guān)關(guān)系（2016?2018年）

圖4 四川省四季代表月（1、4、7、10月）月平均日照百分率分布（2016?2018年）

表2 四川省內(nèi)6個(gè)輻射站總輻射量計(jì)算模型參數(shù)及模型擬合效果

2.2.2 總輻射量模擬結(jié)果

利用插值到格點(diǎn)的a1、b1系數(shù)以及各月格點(diǎn)日照百分率值，通過(guò)模型計(jì)算得到四川省各月格點(diǎn)總輻射量分布。圖5給出了四川省四個(gè)季節(jié)代表月及全年的總輻射量計(jì)算結(jié)果。由圖可見(jiàn)，冬季代表月（1月）是全年輻射量最小的月份，空間分布上呈東少西多且差異較大，最大值在川西高原甘孜西南部約457MJ·m?2，最小值在四川盆地東南部約110MJ·m?2，省內(nèi)最大值是最小值的4倍左右；春季代表月（4月）輻射量最大仍在川西高原西南部，約648MJ·m?2，最小值在四川盆地西部，約290MJ·m?2；夏季代表月（7月）是全年輻射量最大的月份，空間分布差異較小，最大值在川西高原北部，約717MJ·m?2，最小值在四川盆地西部約366MJ·m?2，省內(nèi)最大值是最小值的2倍左右；秋季代表月（10月）最大值在川西高原西部約562MJ·m?2，最小值在四川盆地南部，約180MJ·m?2。

圖5 四川省四季代表月（1、4、7、10月）和年總輻射量分布（2016?2018年）

四川省年總輻射量在3102～6659MJ·m?2，從四川盆地東南部向川西高原西部遞增，隨著海拔的變化具有明顯空間分布差異。與其他采用地面氣象站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到的四川省總輻射量研究結(jié)果[10,16]相比，不同區(qū)域的總輻射量基本相當(dāng)，但其精細(xì)化程度明顯較高，能夠反映出海拔高度變化和較大山體影響導(dǎo)致的空間變化。年總輻射量大值區(qū)出現(xiàn)在川西高原西部，在6200MJ·m?2以上；川西高原北部次之，年總輻射量在5000～6200MJ·m?2；川南山地年總輻射量在4800～5900MJ·m?2；四川盆地總輻射量最小，大部在3100～4000MJ·m?2。

2.2.3 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

利用四川省6個(gè)輻射站2016?2018年總輻射實(shí)測(cè)值對(duì)模擬值進(jìn)行檢驗(yàn)。由表3可見(jiàn)，分布在不同區(qū)域的6個(gè)輻射站年總輻射量計(jì)算絕對(duì)誤差均小于100MJ·m?2，相對(duì)誤差均小于1.60%；其中攀枝花站相對(duì)誤差最大，為1.59%，綿陽(yáng)站最小，為0.65%。說(shuō)明模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值偏差較小。

圖6給出了6個(gè)輻射站月平均總輻射模擬值與同期實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況。由圖可見(jiàn)，各站月平均輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化曲線均較為接近，大多數(shù)月份的模擬絕對(duì)誤差在20MJ·m?2以下，表明模型計(jì)算結(jié)果基本能反映實(shí)際太陽(yáng)總輻射的月變化情況。四川盆地的成都、綿陽(yáng)、納溪三站月輻射模擬最大絕對(duì)誤差分別為43.21、29.94和27.02MJ·m?2，分別出現(xiàn)在8月、7月和8月，均在夏季；川西高原的甘孜、紅原兩站月輻射模擬最大絕對(duì)誤差分別為22.25和21.51MJ·m?2，出現(xiàn)在秋季的9月和10月；川南山地的攀枝花站月輻射模擬最大絕對(duì)誤差為51.89MJ·m?2，出現(xiàn)在秋季的10月。

表3 四川省6個(gè)輻射站年總輻射量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比（2016?2018年）

圖6 四川省6個(gè)輻射站月總輻射量變化計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（2016?2018年）

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）四川省3個(gè)海拔和氣候差異較大的區(qū)域各站點(diǎn)日照百分率與衛(wèi)星遙感云量相關(guān)關(guān)系均良好，其中川南山地的相關(guān)系數(shù)R最大，為0.895，四川盆地和川西高原相關(guān)系數(shù)R接近0.88。從日照百分率模型的計(jì)算誤差來(lái)看，川西高原區(qū)域的計(jì)算誤差略大，RMSE為13.897%；四川盆地次之，為9.754%；川南山地最小，為8.417%。

（2）四川省6個(gè)站點(diǎn)月總輻射量與月日照百分率的相關(guān)系數(shù)R值除成都站略低于0.9外，其他站點(diǎn)的R值均大于0.92，說(shuō)明總輻射量計(jì)算模型的建模數(shù)據(jù)相關(guān)良好。從模型建模誤差來(lái)看，四川盆地的成都、納溪和綿陽(yáng)站誤差相對(duì)較大，分別為9.95%、8.79%和7.44%；川南山地的攀枝花站和川西高原的甘孜、紅原站相對(duì)較小，分別為5.57%、4.29%和5.76%。

（3）四川盆地地區(qū)四季遙感云量均較大，日照百分率和月總輻射量均較低；川西高原和川南山地云量夏高東低，日照百分率則夏低冬高。四川省年總輻射在3102～6659MJ·m?2，四川盆地東南部最低，最高值出現(xiàn)在川西高原西部。

3.2 討論

本研究采用基于衛(wèi)星遙感云量數(shù)據(jù)的兩步法計(jì)算方案，第一步利用遙感云量計(jì)算日照百分率，將四川省內(nèi)152個(gè)氣象站依據(jù)海拔高度和日照氣候特征分為3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行建模。與曹蕓等[19]的研究不同，沒(méi)有利用氣象站云量對(duì)MODIS云量數(shù)據(jù)開(kāi)展訂正，而是將兩種云量數(shù)據(jù)存在的系統(tǒng)性偏差帶入地面日照百分率模型中進(jìn)行了修正。模型計(jì)算誤差為8.417%（川南山地）＜9.754%（四川盆地）＜13.897%（川西高原）。模型產(chǎn)生計(jì)算誤差的可能原因之一是同一氣候區(qū)內(nèi)遙感云量和日照百分率的相關(guān)關(guān)系一致性存在差異，因此，面積較小的川南山地區(qū)域計(jì)算誤差最小，而川西高原涵蓋面積較大，且站點(diǎn)空間分布稀疏，因此計(jì)算誤差也較大。

第二步利用日照百分率反演地面太陽(yáng)輻射量的模型相對(duì)成熟，對(duì)于較小的研究區(qū)域如四川省范圍采用分站點(diǎn)建模的方式，計(jì)算精度較高，如果研究區(qū)域較大，且站點(diǎn)氣候特征相似度較高，也可考慮采用分區(qū)域建模的方式，如周秉榮等[4]對(duì)青海省太陽(yáng)總輻射的估算研究。從模型模擬誤差NRMSE來(lái)看，位于川西高原和川南山地的站點(diǎn)模擬誤差相對(duì)較小，而四川盆地站點(diǎn)誤差相對(duì)大。總體而言，總輻射計(jì)算模型擬合精度較高，與已有研究成果[20?22]相比擬合誤差偏低。模擬得到的四川省年總輻射量值分布與同類(lèi)研究[10,16]相比較為接近，空間分布的精細(xì)化程度優(yōu)于已有研究。

利用地面輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)四川省太陽(yáng)輻射量模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各站年總輻射量模擬絕對(duì)誤差小于100MJ·m?2，相對(duì)誤差均小于1.6%；模擬的各月太陽(yáng)輻射量各站點(diǎn)大部分月份模擬絕對(duì)誤差小于20MJ·m?2，而絕對(duì)誤差較大的月份多出現(xiàn)在7?10月，可能是由于這些月份日內(nèi)天氣變化較復(fù)雜和快速，衛(wèi)星資料與地面觀測(cè)在時(shí)間上不匹配造成的。

本研究建模采用的MODIS資料屬于極軌衛(wèi)星資料，空間分辨率比靜止衛(wèi)星高，但時(shí)間分辨率較低，每天僅有上午和下午兩次獲得目標(biāo)區(qū)遙感圖像，因此與地面每日連續(xù)的日照百分率觀測(cè)在時(shí)間上存在一定的偏差，不能完全真實(shí)反映觀測(cè)站上空全天云量變化對(duì)地面輻射的影響，因此本研究利用兩者之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系建立的計(jì)算模型更適用于月以上的時(shí)間尺度，未來(lái)可考慮應(yīng)用更高時(shí)間分辨率的靜止衛(wèi)星資料開(kāi)展月以下時(shí)間尺度的太陽(yáng)輻射量模擬研究。

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Two Step Calculation Model of Surface Solar Radiation in Sichuan Province Based on MODIS Data

CHENG Chi, SUN Peng-jie, CUI Yang

(Hubei Provincial Meteorological Service Center/Meteorological Energy Development Center of Hubei Province, Wuhan 430205, China)

A two-step model based on MODIS remote sensing data and statistical inversion method for calculation of high resolution ground solar radiation is constructed. Firstly, monthly solar radiation percentage of grid points is calculated based on the correlation between remote sensing cloud cover and percentage of sunshine at ground level; secondly, the solar radiation of grid point is calculated based on the correlation between percentage of sunshine and solar radiation. Finally, this model is used to calculate the surface solar radiation with 1km grid resolution in Sichuan province, and the results are evaluated by actual total radiation from six representative radiation stations. The results show that the annual total radiation in Sichuan province ranges from 3102MJ·m?2to 6659MJ·m?2. Among it, the lowest value occurs in the southeast of Sichuan Basin and the highest value occurs in the Western Sichuan Plateau. The calculated monthly solar radiation of the six representative stations are basically consistent with the observation results. Specifically, the absolute errors of calculated annual radiation are less than 100MJ·m?2and the relative errors are less than 2%, which shows that the proposed model has high simulation accuracy and can be used to calculate the surface solar radiation in Sichuan province.

Solar radiation; MODIS data; Sichuan province

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.12.002

成馳,孫朋杰,崔楊.基于MODIS數(shù)據(jù)用兩步法構(gòu)建四川省地面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(12):969-979

2022?01?04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB1502801）；中國(guó)氣象局創(chuàng)新發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)（CXFZ2022J036）

成馳，碩士，高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)研究，E-mail:chc8108@126.com