合肥大气下行长波辐射估算模型研究与改进

张允祥,李新∗,韦玮,黄冬,2

(1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031;2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026 )

0 引 言

大气下行长波辐射是地表辐射和能量平衡的一个关键分量,在蒸散、霜冻、城市热岛效应和气候变化等方面的研究中起着重要的作用[1]。随着对大气下行辐射的关注,人们提出了多种模型以获取大气下行辐射,主要有大气辐射传输模型、经验模型和参数化模型。

大气辐射传输模型的模拟计算方法是将精确的大气温度、湿度和压强等垂直分布特性参量输入到辐射传输模型中,计算每层大气的吸收和辐射,最后得到整层大气的下行长波辐射。王春磊和唐伯惠[2]利用中光谱分辨率大气辐射传输模型(MODTRAN)模拟了不同大气条件下海表的大气下行长波辐射,并分析了Brutsaert 模型及其拓展模型在估算海表的大气下行长波辐射中的误差。该方法具有物理意义明确的特点,但对大气温度、湿度和压强廓线的误差非常敏感,大气垂直分布特性参量的瞬时变化都会对大气下行辐射的模拟结果产生较大的影响[3]。经验模型是基于晴天大气下行辐射通量与近地面温、湿度之间存在的经验关系,利用实时获取的近地表气象参数(大气温度和水汽压等)来估算大气下行辐射通量,例如Ångstr¨om 模型[4]、Brunt 模型[5]、Swinbank 模型[6]、Idso&Jackson 模型[7]、Brutsaert 1 模型[8]、Idso 模型[9]、Brutsaert 2模型[10]、Prata 模型[11]、Iziomon 模型[12]等。该类方法不需要获取实时的大气温湿压廓线,具有数据参数容易获得、操作简单实用的特点,但经验模型的物理含义不够明确,具有较差的外推能力,模型仅在气候条件相近的地区具有较高的准确性,在其他地区使用前,需要对模型中的参数进行修正。参数化模型是利用大气辐射传输模型和统计回归方法,建立下行长波辐射与卫星反演的地表温度、水汽含量和上行长波辐射等的统计关系。例如,Tang 和Li[13]、Wang 和Liang[14]提出了直接从卫星大气层顶的天顶辐射亮度获取晴空长波辐射的统计方法,并分别利用线性和非线性关系从MODIS 卫星数据中反演获得了大气下行长波辐射。参数化方法建立在辐射传输模型的基础上,具有一定的物理意义,但是利用参数化计算大气下行辐射时,需要输入的遥感参数包括地表温度、大气水汽含量、大气温度廓线、地表上行辐射、云比例、云水路径和云底温度等,遥感反演参数本身存在着较大的不确定性,对反演结果带来一定的影响[15]。

综上可知, 经验模型具有简单实用的特点, 较为广泛地应用于许多领域,但是经验模型中的主要参数是建立在某个地区一定量的数据集上拟合得到的, 为提高这些经验模型的适用性, 在应用到其他地区前必须对参数进行优化校正。本文以合肥大气作为试验对象, 开展了合肥大气下行长波辐射的研究, 利用MODTRAN 辐射传输模型模拟计算了合肥大气下行辐射通量,并以该方法获取的大气下行辐射通量为基准,对广泛应用的晴天经验模型进行性能评价,验证了Idso 模型适用于合肥大气条件。并利用MODTRAN 辐射传输模型模拟数据对Idso 模型中的参数进行修正,提高了该模型的适用性和模拟精度。为方便快捷准确地获取合肥大气下行辐射提供了可靠方法,并为开展合肥大气下行辐射特点的研究提供技术手段。

1 大气下行辐射获取方法

1.1 大气下行辐射估算模型

1.1.1 大气辐射传输模型

采用美国光谱科技公司联合美国空军地球物理实验室(AFGL)开发和研制的MODTRAN 4.0 进行大气下行辐亮度的模拟计算。MODTRAN 包括多种大气模型数据库和光谱吸收模型,适用于计算0.2µm∼+∞波段范围内的大气透过率、大气路径辐射和总辐射亮度等大气参数,光谱分辨率为2 cm−1。通过输入精确的大气温度、湿度和压强廓线,以及气溶胶属性、痕量气体含量、云高、云厚和云温等参量的整层大气垂直分布特性,可以精确计算出大气下行辐亮度。

1.1.2 经验模型

表1 9 种晴天经验模型Table 1 Definition of 9 empirical models under clear skies

为消除云对大气下行长波辐射的影响, 常常采用云量系数对晴天经验模型进行云校正, 或对不同云类型的大气下行长波辐射进行参数化[12]。云量系数表示云占天空的比例, 采用10 分制。Crawford 和Duchon[16]提出可根据太阳辐射来估算云量系数c,即

1.1.3 参数化模型

参数化模型通常被称为混合模型,这种方法一般通过辐射传输模型建立输入参数和输出参数之间的关系。现有的参数化模型可以分为两大类: 一类是将大气下行长波辐射表示为遥感反演的参数(如地表温度、大气水汽含量、云底温度、云的水汽含量、天顶射出长波辐射、地表上行长波辐射等)的函数;另一类是直接根据卫星的天顶辐射亮度来计算晴空的大气下行长波辐射。较为典型的参数化模型有: Gupta 参数化模型[19]、Inamdar-Ramanathan 晴天模型[20]、Zhou 参数化模型[21]和根据卫星大气层顶辐亮度进行估算的统计模型[22]等。由于此方法不是本研究考虑的重点,在此就不赘述。

2 晴天经验模型性能分析

2.1 合肥大气下行辐射测量实验

考虑到晴天经验模型虽然具有输入量简单易获得、不需要复杂的计算等优点,但外推能力差,模型在用于与训练数据相近的气候条件下能够获得准确和稳定的结果,而在用于其他地区时必须经过系数校正,因此为选择适用于合肥大气条件的晴天经验模型,布设了GMX551 型自动气象站,如图1 所示。该气象站由英国GILL 公司生产,具有自动化获取地表大气温度、相对湿度、风速和风向等数据的能力,实验筛选了合肥2019 年3–5 月天空晴朗无云的天气,相关气象参数如表2 所示。利用13:30–15:30 时间段的近地表大气温湿压数据(示例数据如表3 所示)计算得到了不同晴天经验模型下的合肥大气下行辐射通量。同时,提取了美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料中对应时间段的大气温湿压廓线,利用MODTRAN 辐射传输模型模拟得到了大气下行辐射通量,并以此为基准对各种晴天经验模型进行性能指标评价。

表2 合肥晴天大气筛选Table 2 The chosen sunny day for test in Hefei

图1 GMX551 气象站Fig.1 GMX551 weather station

利用气象站获取的近地表大气参数,筛选出529 个有效样本数据,数据格式如表3 所示。提取了NCEP再分析资料中试验期间大气的温湿压廓线,如图2 所示。

图2 从NCEP 再分析数据中提取的合肥大气温度(a)、相对湿度(b)、压强(c)廓线Fig.2 Hefei atmospheric temperature(a),relative humidity(b)and pressure(c)profile extracted from NCEP reanalysis data

表3 自动气象站观测近地表大气参数Table 3 The near-surface atmospheric parameters observed by automatic weather station

2.2 模型评价指标

图3 大气下行辐亮度与观测天顶角的关系曲线Fig.3 Relationship curve between atmospheric downward radiance and observation zenith angle

表4 晴天经验模型性能指标评价Table 4 Performance index evaluation of the empirical model under clear skies

式中e0表示近地表水汽压,T0表示近地表大气温度。式(12)表明大气比辐射率取决于大气温度和湿度,水汽含量越多,大气的发射率越强;大气温度越高,大气的相对湿度越低,大气的发射率也越低。通过图4 可以看出,Idso 模型中的大气比辐射率表达式能反映实际情况,而且具有物理意义,因而式(12)作为亚热带湿润季风气候夏季大气比辐射率的计算公式是合理的。

图4 经验模型计算值与MODTRAN 模拟值之间的偏差Fig.4 Deviation between the calculated value of the empirical model and the simulated value of MODTRAN

3 经验模型改进

基于上述讨论分析可知,Idso 模型模拟得到合肥大气下行辐射与MODTRAN 模拟得到的合肥大气下行辐射通量具有较好的一致性。为提高Idso 模型的反演精度和可靠性,采用MODTRAN 模拟得到的合肥大气下行辐射通量对Idso 模型中的参数进行拟合,即

拟合得到a=0.83,b=−5.12×10−7,拟合结果如图5 所示。

图5 Idso 模型参数拟合结果Fig.5 Fitting result of the parameters in Idso model

新参数下Idso 模型估算的合肥大气下行辐射通量如图6 所示, 利用3.1 模型评价指标对其MAE、RMSE、IA 和LCC 进行计算,结果分别为6.09、0.87、0.97 和0.94,显然校正后的Idso 模型性能得到了很大的提升,能够更好地反演合肥大气下行辐射通量。

图6 Idso 模型校正前后结果比较Fig.6 Comparison of results before and after Idso model correction

4 结 论

以合肥大气作为试验对象,开展了合肥大气下行长波辐射的研究。利用MODTRAN 辐射传输模型模拟计算了合肥大气下行辐射通量,并以该方法获取的大气下行辐射通量为基准,对广泛应用的晴天经验模型进行性能评价。结果表明,Idso 模型具有最小的平均误差、平均绝对误差、均方差以及最大的一致性指数和线性相关系数,是估算合肥晴天大气下行辐射通量的最适用性模型。利用MODTRAN 辐射传输模型模拟数据对Idso 模型中的参数进行修正,性能评价结果表明,新参数下Idso 模型的MAE、RMSE、IA 和LCC 分别为6.09、0.87、0.97 和0.94,性能指标均有一定的提高,修正结果提高了该模型的适用性和模拟精度。后期会继续开展试验,检验该模型针对不同大气条件的适用性。