塔克拉玛干沙漠腹地逐日太阳总辐射模拟计算——以达理雅博依绿洲为例

温秀秀，张 峰*，师庆东，金莉莉

（1．新疆大学新疆绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 乌鲁木齐 830002）

太阳总辐射是地表各种物理过程的最主要能源[1]。探讨到达地面的太阳总辐射的变化，不仅有助于了解某一区域大气组成的变化[2]，揭示大气运动规律，为探索该地区的气候资源特征[3]提供科学依据，而且对于合理利用太阳能资源，保护生态环境等具有现实意义。塔里木盆地是我国第一大内陆盆地[4]，北起天山、南至昆仑山、东到罗布泊、西抵帕米尔高原[5]。位于盆地中心的塔克拉玛干沙漠是我国最大的沙漠，也是世界第二大流动沙漠。由于交通所限，沙漠腹地地面实测太阳辐射资料，尤其是长周期资料[6]十分有限，为相关研究带来了不便，而实地观测工作又面临着诸如数据缺失或不连贯等问题。因此，相关基于气候学公式的总辐射模拟显得十分必要。多年来，国内学者对不同区域太阳总辐射的模拟计算和分布特征做了大量研究，并取得了阶段性的成果[1-3，6-13]。左大康等[11]根据我国26个日射站（1957年7月—1960年底）的实测资料，绘制了中国年、月总辐射分布图。祝昌汉[12，13]根据75个日射站的资料（1957—1977年）确定了一个比较适合我国的总辐射气候学计算方法。亦有学者对新疆的太阳辐射进行了科学探讨：刘绍民等[14]根据新疆9个月日射站（1961—1990年）的资料分南疆、北疆两大区域按月给出区域统一的气候学计算公式，最后验证了它们的计算效果。陈志华等[2]利用1961—2000年间新疆地区的日照及地面太阳辐射观测资料，详细分析了近40 a来新疆地区地面太阳辐射的分布和时空变化趋势。何清等[15]利用2006—2007年塔中大气环境观测站直接探测的总辐射资料，对流动沙漠区近地层总辐射的变化特征及影响因子进行了分析，证明了云量，沙尘对总辐射影响较为显著。金莉莉[16]运用统计学方法，分析并比较了塔克拉玛干沙漠绿洲—沙漠过渡带（肖塘、哈德）与沙漠腹地（塔中）总辐射的气候学特征，研究得出塔中2011年太阳总辐射年总量为6515.0 MJ·m-2，高于绿洲—沙漠过渡带，但专门针对于沙漠腹地绿洲的观测以及对观测结果的数值模拟研究工作尚少。

本文根据H.L.Penman经验公式[17]，以塔克拉玛干沙漠腹地最大天然绿洲，达理雅博依为研究区，应用实测太阳总辐射逐日累计量与逐日天文辐射的比值和日照百分率的月平均值等资料来进行回归分析[11]，模拟推算出2015年1月1日—2016年2月29日的逐日总辐射累计量，并检验了计算结果的精度。

1 研究区概况

达理雅博依绿洲（图1）是塔克拉玛干沙漠腹地面积最大的天然孤立绿洲，现存面积约324 km2[18]，距沙漠东端约530 km，南至于田县250 km，北至塔里木河280 km[19]，地形西南向东北倾斜，地貌为由河流切割形成的岛状沙丘[20]（流动沙丘）与灌丛沙丘镶嵌在扇形绿洲内部。绿洲内主要有柽柳（Tamarix ramosissima）、 胡 杨 （Populus euphratica）、 芦 苇（Phragmites australis）等植物。

图1 达理雅博依绿洲的地理位置

2 数据与方法

2.1 数据来源

2015年1月9日在克里雅河尾闾的达理雅博依天然绿洲（海拔约1 200 m）建立了首个气象站（38°22′N、81°52′E）（图 2）。辐射观测点开阔平坦，无树荫遮挡，人为影响很小。使用江苏省无线电科学研究所产FS-S6热电总辐射传感器进行观测，灵敏度 7～14 μV（W·m-2）；响应时间≤ 60 s；余弦响应误差≤6%；方位响应误差≤4%。总辐射仪安装于一体式辐射支架，高度1.5 m，方向正南。于2015年1月9日开始对太阳辐射进行定点连续观测，记录时间为2015年1月1日—2016年2月29日每日的 00：00—24：00。

图2 野外观测仪器设备

2.2 研究方法

对于太阳总辐射的模拟计算，H.L.彭门（H.L.Penman）[17]提出以下形式的经验公式，此后该方法被普遍采用：

式中：Q是到达地表的太阳总辐射，s是日照百分率（%），S0是起始参量——逐日天文辐射量[21]，a、b是经验系数。之所以选用该公式，是因为对缺乏观测资料的地区而言，其各参数容易获得和便于计算，并且翁笃鸣[22]、祝昌汉[12，13]等也验证了其模拟计算总辐射的合理性。

2.2.1 逐日天文辐射量计算

天文辐射S0是指完全由地球天文位置，如日地距离、太阳高度、白昼长度等决定的到达大气顶界的太阳辐射[23]。逐日天文辐射总量S0（MJ·m-2·d-1）计算公式[21]为：

式中：T是一天的时间（s）；I0是太阳常数，取值1367 W·m-2；φ是地理纬度（弧度）；

ω0是时角[24]（弧度）；1/ρ2是日地距离订正系数（又称地球轨道偏心率订正因子），δ是太阳赤纬（弧度），可采用傅里叶级数形式的计算公式[25]：

式中：θ0是以地球公转角度（弧度）表示的日序数，θ0=2π（dn-1）/365；dn是自 1月 1日计起的全年各日序号。

2.2.2日照百分率日照百分率s（%）计算公式：

式中：n是逐日实际日照时数（h），世界气象组织（WMO）将太阳直接辐射≥120 W·m-2±10%定为日照阈值（算为有日照）；N是可照时数（h），即日出和日没间的时间间隔，为N=2ω0/15。

经计算可知达理雅博依绿洲的平均日照百分率为76.27%。

2.2.3 误差检验

用达理雅博依绿洲2015年总辐射实测数据对其模拟结果进行了检验。方法包括：平均偏差（mean bias error，MBE，MJ·m-2·d-1）、平均绝对偏差（mean absolute bias error，MABE，MJ·m-2·d-1）、均方根偏差（root mean square error，RMSE，MJ·m-2·d-1） 以及平均绝对误差（mean absolute percentage error，MAPE，%），计算公式[26-28]分别为 ：

式中：RM、RS分别表示模拟结果和实测结果；n为模拟选取样本次数。

3 模拟计算与结果

在总辐射的计算中，先后解出了公式（1）中的各分量，包括：天文辐射S0（图3）、日照百分率s（%）为76.27%、经验参数a与b。

3.1 经验系数a、b

在各分量的求解过程中，用实测某月平均日太阳总辐射与对应月份的平均日天文辐射的比值跟日照百分率月平均值进行回归分析[14，29]，即可拟合出a、b系数。本文引用和清华等[23]利用中国54个站点1961—2009年的资料建立的西部地区a、b系数；翁笃鸣[22]根据我国1958—1960的日射资料计算出的西北地区a、b系数。本次采用这2组系数以及实测资料拟合系数 a=0.3385，b=0.2152（表 1），结合研究区的年平均日照百分率，利用公式（1）分别模拟计算出达理雅博依绿洲2015年逐日太阳总辐射（图3），并与实测资料进行对比分析以及误差检验。

图3 达理雅博依绿洲2015年1月1日—2016年2月29日太阳总辐射日累计量变化

3.2 误差检验的精度评价

对实测值与模拟值的平均偏差（MBE）、平均绝对偏差（MABE）、均方根偏差（RMSE）以及平均绝对误差（MAPE）进行计算，结果见表1。

表1 太阳总辐射逐日模拟值与实测值的误差检验结果

本次模拟值与实测值的误差检验结果MBE值略小于0（表1），表明模拟值略小于实测值；另据MABE、RMSE、MAPE和相对误差值分析，本次误差检验值较小，精度较高，说明采用达理雅博依绿洲实测资料拟合的系数a、b，对该区域总辐射进行的模拟较为准确。

由于通常情况下，a、b系数会有年际、月际等时间尺度的变化，因此需以各月多年实测太阳总辐射的平均值、对应月份日照百分率平均值，代入公式（1），对各时间段的a、b系数进行调整。当实测资料因某种原因缺失时，可引用对应时段的a、b系数进行响应模拟。

H.L.Penman经验公式虽然能成功模拟塔克拉玛干沙漠腹地太阳总辐射的年内变化趋势，但由于各季节不同的云量、沙尘等影响因子会改变日照时数和强度，进而导致地面总辐射的变化。因此，适用于沙漠腹地总辐射时空变化特征的气候学经验公式的精确建立，还需根据气象因子进一步对经验系数做相应修订得出。

4 分析与讨论

4.1 模拟结果分析

使用达理雅博依天然绿洲实测资料拟合a、b系数模拟的结果（图3）表明：该模拟方法虽对其他季节模拟效果相对较好，但春季（3—5月）的模拟值较实测值显著偏高。其他季节沙漠腹地天气状况较春季好，晴天居多，二者偏差不大。其中或有因塔克拉玛干沙漠春季风沙活动较为频繁，空气中某些颗粒（水汽、尘埃等）的变化对太阳光产生一定的吸收和散射[11]，从而削弱了太阳直射到地面的辐射强度。据中国气象数据网塔中气象站数据：1999—2007年塔克拉玛干春季共发生沙尘暴58次，累计时长191.35 h，平均每年春季约发生6.44次，持续时间21.26 h，比同年度其他季节高出许多，也与此判断吻合。此外，测定值也有可能因观测过程等问题而偏低。

4.2 与塔中3—5月模拟结果的对比

以同样方法模拟了塔中观测站2015年春季（3—5月）太阳总辐射，误差检验（表1）显示：平均偏差MBE与相对误差仅为0.01和-0.06%。与2015年春季达理雅博依相比，模拟精度更高。二者实测值变化相仿，均呈上升趋势（图4），显示总体受纬度因素控制，但达理雅博依绿洲实测值明显小于塔中（图4）。由于在纬度条件相似的情况下，小气候效应等的不同应难造成持续且较高的差异，导致该差异具体原因仍需进一步探明，或与仪器及观测过程有关，而本模拟正可对此类问题的修正提供方法。

图4 2015年春季达理雅博依绿洲与塔中观测站总辐射日累计量对比

4.3 2015年达理雅博依绿洲总辐射累计量的估算

由于仪器数据传输和记录故障，达理雅博依绿洲 2015年08月21日—10月13日、2015年11年2日—11月16日、2016年2月21日—2月22日记录缺失。本文根据达理雅博依绿洲实测总辐射数据模拟推算出2015年1月1日—2015年12月31日研究区总辐射累计量为5 332.23 MJ·m-2（表2）。由于达理雅博依绿洲目前尚无年总辐射累计值，本模拟为该地区增添了新的数据。

表2 总辐射曝辐量的月累计量

5 结论

H.L.Penman经验公式在使用塔克拉玛干沙漠腹地实测资料来模拟2015年1月—2016年2月达理雅博依天然绿洲的太阳总辐射效果较好，据该模拟方法可估算达理雅博依绿洲2015年太阳总辐射累计量约为5 332.23 MJ·m-2。同样方法对塔中气象站2015年3—5月总辐射的模拟结果更为精确。本模拟在塔克拉玛干沙漠腹地不同地点结果均有效。达理雅博依实测值整体低于塔中，小气候效应应可排除，仪器及观测方面的原因仍需进一步查明。