Kortbølgestråling er en stråleenergi, der produceres af solen med bølgelængder fra infrarødt over synligt til ultraviolet. Kortbølgestråling er derfor udelukkende forbundet med dagtimerne for et bestemt sted på jordens overflade. Energien ankommer til toppen af Jordens atmosfære med en flux (watt pr. kvadratmeter), som varierer meget lidt i løbet af året og mellem årene. Derfor tages strømmen normalt som en konstant i forbindelse med hydrologiske simuleringer. En del af den indkommende stråling reflekteres af atmosfærens top, og en del reflekteres af skyer. En del af den indkommende stråling absorberes af atmosfæren, og en del absorberes af skyer. Albedo er den del af den kortbølgestråling, der ankommer til landoverfladen, og som reflekteres tilbage til atmosfæren. Den kortbølgestråling, der ikke reflekteres eller absorberes over landoverfladen, og som ikke reflekteres af landoverfladen, er tilgængelig til at drive hydrologiske processer som f.eks. evapotranspiration og smeltning af snedække.
Den kortbølgestrålingsmetode, der indgår i den meteorologiske model, er kun nødvendig, når der anvendes energibalancemetoder til evapotranspiration eller snesmeltning. De tilgængelige muligheder dækker en række detaljer fra enkle til komplekse. Simple specificerede metoder er også tilgængelige for input af en tidsseriemåler eller et gitter. Hver indstilling giver den kortbølgede nettostråling, der når frem til jordoverfladen, hvor den kan reflekteres eller absorberes. Nærmere oplysninger om hver metode findes i de følgende afsnit.
Bristow-Campbell-metoden (Bristow og Campbell, 1984) anvender en konceptuel tilgang til vurdering af den kortbølgede stråling ved landoverfladen. I dagtimerne vil eventuelle skyer i atmosfæren blokere en del af den indkommende solstråling, hvilket reducerer solopvarmningen og resulterer i en lavere temperatur. Omvendt tillader mangel på skyer, at en meget større del af solstrålingen passerer gennem atmosfæren, hvilket giver større opvarmning og generelt højere lufttemperaturer. I teorien skulle det daglige temperaturinterval være lille på overskyede dage og stort på dage uden overskyet vejr. Denne korrelation mellem temperaturinterval og indkommende solstråling udnyttes som en enkel måde at beregne kortbølgestråling på ved hjælp af kun lufttemperaturen.
Bristow Campbell-metoden omfatter en Component Editor med parameterdata for hvert delbassin i den meteorologiske model. Watershed Explorer giver adgang til kortbølgekomponenteditoren ved hjælp af et billede af solstråling (figur 1).
Der skal vælges en lufttemperaturmåler i de atmosfæriske variabler for hvert delbassin.
Figur 1. En meteorologisk model, der anvender Bristow-Campbells kortbølgestrålingsmetode med en komponenteditor for hvert enkelt delopland.
Komponenteditoren for hvert delopland i den meteorologiske model bruges til at indtaste parameterdata (figur 2). Transmittansen repræsenterer de maksimale karakteristika for klar himmel over afvandingsområdet. Standardværdien for transmittansen er 0,70. Eksponenten styrer tidspunktet for den maksimale temperatur og kan variere fra fugtige til tørre miljøer. Standardværdien for eksponenten er 2,4.
Det gennemsnitlige månedlige temperaturinterval skal angives. Denne værdi er forskellen mellem den gennemsnitlige månedlige høje temperatur og den gennemsnitlige månedlige lave temperatur.
Figur 2. Indtastning af atmosfære- og temperaturdata for et delopland ved hjælp af Bristow-Campbells kortbølgestrålingsmetode.
FAO56
FAO56-metoden implementerer den algoritme, der er beskrevet i detaljer af Allen, Pereira, Raes og Smith (1998). Algoritmen beregner soldeklinationen og solvinklen for hvert tidsinterval i simuleringen ved hjælp af koordinaterne for delbassinet, den julianske dag i året og tidspunktet midt i intervallet. Solværdierne bruges til at beregne den ekstrajordiske stråling for hvert delopland. De samlede dagslystimer beregnes på grundlag af den julianske dag og sammenlignes med antallet af faktiske solskinstimer. Kortbølgestråling, der ankommer til jordoverfladen, beregnes derefter ved hjælp af den mest almindelige relation, der tager højde for reduktionen af solskinstimer på grund af skydække.
The Watershed Explorer giver adgang til redaktørerne af den kortbølgede komponent ved hjælp af et billede af solstråling (Figur 3). FAO56-metoden omfatter en komponenteditor med parameterdata for alle delbassiner i den meteorologiske model (figur 4). Der medfølger også en Component Editor for hvert delopland (figur 5).
Figur 3. En meteorologisk model, der anvender FAO56-metoden til kortbølgestråling, med en komponenteditor for hvert enkelt delopland.
En komponenteditor for alle deloplande i den meteorologiske model omfatter den centrale meridian i tidszonen (figur 4). Der er i øjeblikket ingen specifikation for tidszonen, så meridianen skal angives manuelt. Den centrale meridian er normalt længdegraden i midten af den lokale tidszone. Meridianer vest for nul længdegrad skal angives som negative, mens meridianer øst for nul længdegrad skal angives som positive. Meridianen kan angives i decimalgrader eller grader, minutter og sekunder afhængigt af programindstillingerne.
Figur 4. Indtastning af længdegraden for den centrale meridian i den lokale tidszone.
Komponenteditoren for hvert delvandopland i den meteorologiske model bruges til at indtaste de parameterdata, der er nødvendige for at tage højde for forskelle i skydække på tværs af vandoplandet (figur 5). Der tages hensyn til skydække gennem en tidsserie af solskinstimer. Solskinstimer er defineret som antallet af decimaltimer pr. hel time, hvor den kortbølgede stråling overstiger 120 watt pr. kvadratmeter (WMO, 2008).
Figur 5. Valg af en tidsseriemåler for solskinstimer.
Gridded Hargreaves
Den gridede Hargreaves-metode er den samme som den almindelige Hargreaves-metode (beskrevet i et senere afsnit), bortset fra at Hargreaves-ligningerne anvendes på hver gittercelle ved hjælp af separate randbetingelser i stedet for arealgennemsnitlige værdier over hele deloplandet.
Den gitterbaserede Hargreaves-kortbølgemetode omfatter en Component Editor med parameterdata for alle delbassiner i den meteorologiske model. Watershed Explorer giver adgang til kortbølgekomponenteditoren ved hjælp af et billede af solstråling (figur 6).
Figur 6. En meteorologisk model, der anvender den gitterbaserede Hargreaves-kortbølgemetode med en komponenteditor for alle deloplande.
Komponenteditoren kræver, at der vælges et temperaturgittersæt for alle deloplande (figur 7). Det aktuelle gitternet vises på valglisten. Hvis der er mange forskellige gitternet til rådighed, kan du vælge et gitternet fra valgmenuen, som du får adgang til ved hjælp af gitterknappen ved siden af valglisten.
Komponenteditoren kræver den centrale meridian for tidszonen. Hvis bassinmodellen strækker sig over flere tidszoner, skal du indtaste den centrale meridian for den tidszone, der indeholder det meste af bassinmodellens afvandingsområde. Den centrale meridian er længdegraden i midten af den lokale tidszone. Meridianer vest for nul længdegrad skal angives som negative, mens meridianer øst for nul længdegrad skal angives som positive. Meridianen kan angives i decimalgrader eller grader, minutter og sekunder afhængigt af programindstillingerne.
Komponenteditoren kræver en Hargreaves kortbølgekoefficient. Hargreaves kortbølgekoefficienten er som standard 0,17 pr. kvadratrod af grader Celsius; dette svarer til 0,1267 pr. kvadratrod af grader Fahrenheit. Standard Hargreaves-kortbølgekoefficienten på 0,17 pr. kvadratrod af grader Celsius er implicit i Hargreaves og Samanis (1985) formulering af potentiel evapotranspiration. Hargreaves kortbølgekoefficienten kan justeres af brugeren.
Figur 7. Komponenteditor for den gitterbaserede Hargreaves-kortbølgemetode.
Gridded Shortwave
Den gitterbaserede kortbølgemetode er designet til at fungere med ModClark gridded transform. Den kan dog også bruges med andre arealgennemsnitstransformationsmetoder. Den mest almindelige anvendelse af metoden er at anvende gitterbaserede kortbølgestrålingsestimater, der er produceret af en ekstern model, f.eks. en dynamisk atmosfærisk model. Hvis den anvendes sammen med en anden transformationsmetode end ModClark, anvendes et arealvægtet gennemsnit af gittercellerne i delbassinet til at beregne tidsserien af kortbølgestråling for hvert delbassin.
Den gitterbaserede kortbølgemetode omfatter en Component Editor med parameterdata for alle delbassiner i den meteorologiske model. Watershed Explorer giver adgang til kortbølgekomponenteditoren ved hjælp af et billede af solstråling (figur 6).
Figur 6. En meteorologisk model, der anvender den gitterbaserede kortbølgemetode, med en komponenteditor for alle deloplande i den meteorologiske model.
En komponenteditor for alle deloplande i den meteorologiske model omfatter valg af datakilde (figur 7). Der skal vælges et strålingsgittersæt for alle deloplande. De aktuelle gitternet vises på valglisten. Hvis der er mange forskellige gitternet til rådighed, kan du vælge et gitternet fra valgmenuen, som du får adgang til ved hjælp af gitterknappen ved siden af valglisten. Selectoren viser beskrivelsen for hvert gridset, hvilket gør det lettere at vælge det rigtige.
Figur 7. Angivelse af datakilde for kortbølgestråling for den gitterbaserede kortbølgemetode.
Hargreaves
Hargreaves kortbølgemetode implementerer den kortbølgestrålingsalgoritme, der er beskrevet af Hargreaves og Samani (1982). Metoden beregner soldeklinationen og solvinklen for hvert tidsinterval i simuleringen ved hjælp af koordinaterne for delbassinet, den julianske dag i året og tidspunktet midt i beregningsintervallet. Solværdierne anvendes til at beregne den ekstrajordiske stråling for hvert delopland. Det daglige temperaturinterval, den daglige maksimumstemperatur minus den daglige minimumstemperatur, fungerer som en proxy for skydække. Kortbølgestråling, der ankommer til jordoverfladen, beregnes som en funktion af den extraterrestriske stråling og det daglige temperaturinterval.
Hargreaves kortbølgemetoden er parametreret for alle deloplande i bassinmodellen. Vælg knuden Hargreaves shortwave-noden i Watershed Explorer (Figur 8) for at få adgang til Hargreaves shortwave Component Editor (Figur 9). Der skal vælges en lufttemperaturmåler i de atmosfæriske variabler for hvert delvandopland. Temperaturmåleren skal have subdaglige målinger, så de daglige minimums- og maksimumstemperaturer kan analyseres. Adgang til komponenten Editor for atmosfæriske variabler for deloplande fås ved at klikke på et knudepunkt for et delopland i Watershed Explorer.
Figur 8. En meteorologisk model, der anvender Hargreaves kortbølgestrålingsmetoden med en komponenteditor for bækkenet.
Hargreaves kortbølgekomponenteditoren er vist i figur 9. Brugeren skal indtaste den centrale meridian for tidszonen og Hargreaves kortbølgekoefficienten. Hvis bassinmodellen strækker sig over flere tidszoner, skal du indtaste den centrale meridian for den tidszone, der indeholder det meste af bassinmodellens afvandingsområde. Den centrale meridian er længdegraden i midten af den lokale tidszone. Meridianer vest for nul længdegrad skal angives som negative, mens meridianer øst for nul længdegrad skal angives som positive. Meridianen kan angives i decimalgrader eller grader, minutter og sekunder afhængigt af programindstillingerne. Hargreaves kortbølgekoefficienten er som standard 0,17 pr. kvadratrod af grader Celsius; dette svarer til 0,1267 pr. kvadratrod af grader Fahrenheit. Standard Hargreaves kortbølgekoefficienten på 0,17 pr. kvadratrod af celsiusgrader er implicit i Hargreaves og Samani (1985) potentielle evapotranspiration. Hargreaves kortbølgekoefficienten kan justeres af brugeren.
Figur 9. Indtastning af længdegraden for den centrale meridian i den lokale tidszone (US Pacific i dette tilfælde) og Hargreaves kortbølgestrålingskoefficient.
Specificeret pyranograf
Et pyranometer er et instrument, der kan måle den indkommende kortbølgestråling fra solen. De er ikke en del af de grundlæggende meteorologiske observationsstationer, men kan indgå på stationer af første orden. Denne metode kan bruges til at importere observerede værdier fra et pyranometer, eller den kan bruges til at importere estimater produceret af en ekstern model. Dette er det anbefalede valg til brug med Priestley Taylor evapotranspirationsmetoden, hvor der anvendes en effektiv stråling, som omfatter både kortbølget og langbølget stråling.
Den specificerede pyranografimetode omfatter en Component Editor med parameterdata for alle deloplande i den meteorologiske model. Watershed Explorer giver adgang til redaktørerne for den kortbølgede komponent ved hjælp af et billede af solstråling (figur 10).
Komponenteditoren for alle deloplande i den meteorologiske model omfatter tidsseriemåling af kortbølget stråling for hvert delopland (figur 11). Der skal vælges en måler for solstråling for et delopland. De aktuelle målinger vises på listen over valg.
Figur 10. En meteorologisk model, der anvender den angivne pyranografiske kortbølgemetode med en komponenteditor for alle delvandoplande.
Figur 11. Angivelse af tidsseriemåling for kortbølgestråling for hvert delopland.