Lyhytaaltosäteily on auringon tuottamaa säteilyenergiaa, jonka aallonpituudet vaihtelevat infrapunasta näkyvän kautta ultraviolettiin. Lyhytaaltoinen säteily liittyy siis yksinomaan päivänvalon aikaan tietyssä paikassa maapallon pinnalla. Energia saapuu maapallon ilmakehän yläosaan virtauksena (wattia neliömetriä kohti), joka vaihtelee hyvin vähän vuoden aikana ja vuosien välillä. Tämän vuoksi virtausta pidetään yleensä vakiona hydrologisia simulaatioita varten. Osa saapuvasta säteilystä heijastuu ilmakehän yläosasta ja osa pilvistä. Osa saapuvasta säteilystä absorboituu ilmakehään ja osa pilviin. Albedo on maan pinnalle saapuvan lyhytaaltosäteilyn osuus, joka heijastuu takaisin ilmakehään. Lyhytaaltosäteily, joka ei heijastu tai imeydy maanpinnan yläpuolelle eikä heijastu maanpinnasta, on käytettävissä hydrologisten prosessien, kuten haihdunnan ja lumipeitteen sulamisen, ohjaamiseen.
Meteorologiseen malliin sisältyvä lyhytaaltosäteilymenetelmä on tarpeellinen vain silloin, kun käytetään energiatasemenetelmiä haihdunnan tai lumipeitteen sulamisen yhteydessä. Käytettävissä olevat vaihtoehdot kattavat yksityiskohtaisuuden yksinkertaisesta monimutkaiseen. Yksinkertaiset täsmennetyt menetelmät ovat käytettävissä myös aikasarjan mittarin tai ruudukon syöttöä varten. Kukin vaihtoehto tuottaa maanpinnalle saapuvan lyhytaaltosäteilyn nettomäärän, joka voi heijastua tai absorboitua. Seuraavissa kappaleissa kerrotaan yksityiskohtaisemmin kustakin menetelmästä.
Bristow Campbell -menetelmässä (Bristow ja Campbell, 1984) käytetään käsitteellistä lähestymistapaa lyhytaaltosäteilyn arvioimiseksi maan pinnalla. Päivänvalon aikana ilmakehässä olevat pilvet estävät osan saapuvasta auringonsäteilystä, mikä vähentää auringon lämpenemistä ja johtaa alhaisempaan lämpötilaan. Sitä vastoin pilvien puuttuessa paljon suurempi osa auringon säteilystä pääsee ilmakehän läpi, mikä mahdollistaa suuremman lämpenemisen ja yleensä korkeamman ilman lämpötilan. Teoriassa päivittäisen lämpötilan vaihteluvälin pitäisi olla pieni pilvisinä päivinä ja suuri pilvettöminä päivinä. Tätä korrelaatiota lämpötilan vaihteluvälin ja saapuvan auringonsäteilyn välillä hyödynnetään yksinkertaisena tapana laskea lyhytaaltoista säteilyä käyttämällä vain ilman lämpötilaa.
Bristow Campbellin menetelmään sisältyy komponenttieditori, jossa on parametritiedot kutakin meteorologisen mallin osa-aluetta varten. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn lyhytaaltokomponenttieditoriin auringon säteilyä esittävän kuvan avulla (kuva 1).
Ailmanlämpötilamittari on valittava ilmakehämuuttujista kullekin osavaluma-alueelle.
Kuva 1. Bristow Campbellin lyhytaaltosäteilymenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kutakin yksittäistä osavaluma-aluetta varten.
Meteorologisen mallin kutakin osavaluma-aluetta koskevaa komponenttieditoria käytetään parametritietojen syöttämiseen (kuva 2). Läpäisykerroin edustaa valuma-alueen kirkkaan taivaan enimmäisominaisuuksia. Läpäisykertoimen oletusarvo on 0,70. Eksponentti ohjaa maksimilämpötilan ajoitusta, ja se voi vaihdella kosteista kuiviin ympäristöihin. Eksponentin oletusarvo on 2,4.
Keskimääräinen kuukausilämpötila-alue on annettava. Tämä arvo on keskimääräisen kuukausittaisen korkeimman lämpötilan ja keskimääräisen kuukausittaisen matalimman lämpötilan erotus.
Kuvio 2. Kuukauden keskimääräinen korkein lämpötila. Ilmakehä- ja lämpötilatietojen syöttäminen osavaluma-alueelle Bristow Campbellin lyhytaaltosäteilymenetelmää käyttäen.
FAO56
FAO56-menetelmä toteuttaa Allenin, Pereiran, Raesin ja Smithin (1998) yksityiskohtaisesti kuvaaman algoritmin. Algoritmi laskee auringon deklinaation ja aurinkokulman kullekin simulaation aikaväylälle käyttäen osavaluma-alueen koordinaatteja, vuoden juliaanista päivää ja aikaa aikaväylän puolivälissä. Auringon arvoja käytetään kunkin osavaluma-alueen maan ulkopuolisen säteilyn laskemiseen. Päivänvalon kokonaistunnit lasketaan juliaanisen päivän perusteella ja niitä verrataan todellisten auringonpaistetuntien määrään. Tämän jälkeen lasketaan maanpinnalle saapuva lyhytaaltosäteily käyttäen yleisintä suhdetta, jossa otetaan huomioon pilvipeitteestä johtuva auringonpaistetuntien väheneminen.
Watershed Explorerissa pääsee käsiksi lyhytaaltokomponentin editoijiin auringonsäteilyn kuvan avulla (kuva 3). FAO56-menetelmässä on komponenttieditori, jossa on kaikkien meteorologisen mallin osa-alueiden parametritiedot (kuva 4). Komponenttieditori sisältyy myös kullekin osavaluma-alueelle (kuva 5).
Kuva 3. FAO56:n lyhytaaltosäteilymenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kullekin yksittäiselle osavaluma-alueelle.
Komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille sisältää aikavyöhykkeen keskimeridiaanin (kuva 4). Aikavyöhykkeelle ei ole tällä hetkellä määritelmää, joten pituuspiiri on määritettävä manuaalisesti. Keskusmeridiaani on yleensä paikallisen aikavyöhykkeen keskipisteen pituusaste. Nollan pituuspiirin länsipuolella olevat pituuspiirit olisi määritettävä negatiivisina, kun taas nollan pituuspiirin itäpuolella olevat pituuspiirit olisi määritettävä positiivisina. Meridiaani voidaan määrittää desimaaliasteina tai asteina, minuutteina ja sekunteina ohjelman asetuksista riippuen.
Kuvio 4. Keskimeridiaani. Paikallisen aikavyöhykkeen keskimeridiaanin pituusasteen syöttäminen.
Meteorologisen mallin kunkin osavaluma-alueen komponenttieditoria käytetään sellaisten parametritietojen syöttämiseen, joita tarvitaan, jotta voidaan ottaa huomioon valuma-alueella esiintyvät pilvisyyserot (kuva 5). Pilvisyys otetaan huomioon auringonpaistetuntien aikasarjan avulla. Auringonpaistetunnit määritellään niiden desimaalituntien lukumääräksi täyttä tuntia kohti, jolloin lyhytaaltosäteily ylittää 120 wattia neliömetriä kohti (WMO, 2008).
Kuvio 5. Auringonpaistetunnit. Aikasarjamittarin valitseminen auringonpaistetunteja varten.
Rasteroitu Hargreaves
Rasteroitu Hargreaves-menetelmä on sama kuin tavallinen Hargreaves-menetelmä (kuvattu myöhemmässä jaksossa) sillä erotuksella, että Hargreavesin yhtälöitä sovelletaan kuhunkin ruudukkosoluun käyttäen erillisiä reunaehtoja sen sijaan, että käytettäisiin aluekeskiarvoja koko osavaluma-alueella.
Ruudukkomuotoinen Hargreavesin lyhytaaltomenetelmä sisältää komponenttieditorin, jossa on parametritiedot kaikille meteorologisen mallin osa-altaille. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn lyhytaaltokomponenttieditoriin auringonsäteilyn kuvan avulla (kuva 6).
Kuva 6. Meteorologinen malli, jossa käytetään rasteroitua Hargreavesin lyhytaaltomenetelmää, jossa on komponenttieditori kaikille osa-alueille.
Komponenttieditori edellyttää, että kaikille osa-alueille valitaan lämpötilarasteri (kuva 7). Nykyinen gridset näkyy valintaluettelossa. Jos käytettävissä on monia eri gridset-joukkoja, voit valita gridset-joukon valintaluettelon vieressä olevalla grid-painikkeella käytettävästä valitsimesta.
Komponenttieditori edellyttää aikavyöhykkeen keskimeridiaanin. Jos valuma-aluemalli ulottuu useammalle aikavyöhykkeelle, anna sen aikavyöhykkeen keskimeridiaani, joka sisältää suurimman osan valuma-aluemallin valuma-alueesta. Keskimeridiaani on paikallisen aikavyöhykkeen keskipisteen pituusaste. Nollan pituuspiirin länsipuolella olevat pituuspiirit on ilmoitettava negatiivisina ja nollan pituuspiirin itäpuolella olevat pituuspiirit positiivisina. Meridiaani voidaan määrittää desimaaliasteina tai asteina, minuutteina ja sekunteina ohjelman asetuksista riippuen.
Komponenttieditori vaatii Hargreavesin lyhytaaltokertoimen. Hargreavesin lyhytaaltokerroin on oletusarvoisesti 0,17 celsiusasteen neliöjuurta kohti; tämä vastaa 0,1267 Fahrenheit-asteen neliöjuurta kohti. Hargreavesin oletusarvoinen Hargreavesin lyhytaaltokerroin 0,17 celsiusasteen neliöjuurta kohti sisältyy Hargreavesin ja Samanin (1985) potentiaalisen haihdunnan kaavaan. Käyttäjä voi säätää Hargreavesin lyhytaaltokertoimen.
Kuvio 7. Hargreavesin lyhytaaltokerroin. Rasterimuotoisen Hargreavesin lyhytaaltomenetelmän komponenttieditori.
Rasterimuotoinen lyhytaalto
Rasterimuotoinen lyhytaaltomenetelmä on suunniteltu toimimaan ModClark-rasterimuotoisen muunnoksen kanssa. Sitä voidaan kuitenkin käyttää myös muiden aluekeskiarvomuunnosmenetelmien kanssa. Menetelmän yleisin käyttötapa on käyttää ulkopuolisen mallin, esimerkiksi dynaamisen ilmakehämallin, tuottamia rasteroituja lyhytaaltosäteilyestimaatteja. Jos sitä käytetään muun muunnosmenetelmän kuin ModClarkin kanssa, käytetään pinta-alapainotettua keskiarvoa osa-altaan rasterisoluista laskettaessa lyhyen aallon säteilyn aikasarjaa kullekin osa-altaalle.
Ruudukkomuotoinen lyhyen aallon menetelmä sisältää komponenttieditorin (Component Editor), jossa on parametritietoja kaikille meteorologisen mallin osa-altaille. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn lyhytaaltokomponenttieditoriin auringon säteilyä kuvaavan kuvan avulla (kuva 6).
Kuva 6. Rasteroitua lyhytaaltomenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osa-alueille.
Komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osa-alueille sisältää tietolähteen valinnan (kuva 7). Säteilyverkkosarja on valittava kaikille osa-altaille. Nykyiset gridsetit näkyvät valintaluettelossa. Jos käytettävissä on monia eri gridseettejä, voit valita gridsetin valintaluettelon vieressä olevalla grid-painikkeella käytettävästä valitsimesta. Valitsin näyttää kunkin gridsetin kuvauksen, mikä helpottaa oikean gridsetin valitsemista.
Kuvio 7. Gridsetin valinta. Lyhytaaltosäteilyn tietolähteen määrittäminen ruudukkomuotoista lyhytaaltomenetelmää varten.
Hargreaves
Hargreavesin lyhytaaltomenetelmä toteuttaa Hargreavesin ja Samanin (1982) kuvaaman lyhytaaltosäteilyalgoritmin. Menetelmä laskee auringon deklinaation ja aurinkokulman kullekin simulaation aikajaksolle käyttäen osa-altaan koordinaatteja, vuoden juliaanista päivää ja aikaa laskentajakson puolivälissä. Auringon arvoja käytetään laskettaessa maan ulkopuolista säteilyä kullekin osavaluma-alueelle. Päivittäinen lämpötilaväli, päivittäinen enimmäislämpötila vähennettynä päivittäisellä vähimmäislämpötilalla, toimii pilvisyyttä kuvaavana tekijänä. Maanpinnalle saapuva lyhytaaltosäteily lasketaan maan ulkopuolisen säteilyn ja vuorokausilämpötilan vaihteluvälin funktiona.
Hargreavesin lyhytaaltomenetelmä on parametrisoitu kaikille valuma-aluemallin osa-alueille. Valitse Hargreaves shortwave -solmu Watershed Explorerissa (kuva 8), jolloin pääset Hargreaves shortwave -komponenttieditoriin (kuva 9). Ilmakehämuuttujista on valittava ilman lämpötilamittari kullekin osavaluma-alueelle. Lämpötilamittarilla olisi oltava alivuorokausittaisia mittauksia, jotta päivittäisiä minimi- ja maksimilämpötiloja voidaan analysoida. Subbasin atmospheric variables -komponenttieditoriin pääsee klikkaamalla subbasins-solmua Watershed Explorerissa.
Kuva 8. Watershed Explorerin ilmakehämuuttujat. Hargreavesin lyhytaaltosäteilymenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on valuma-alueen komponenttieditori.
Kuvassa 9 on esitetty Hargreavesin lyhytaaltosäteilykomponenttieditori. Käyttäjän on syötettävä aikavyöhykkeen keskimeridiaani ja Hargreavesin lyhytaaltokerroin. Jos valuma-aluemalli kattaa useita aikavyöhykkeitä, syötetään sen aikavyöhykkeen keskimeridiaani, joka sisältää suurimman osan valuma-aluemallin valuma-alueesta. Keskimeridiaani on paikallisen aikavyöhykkeen keskipisteen pituusaste. Nollan pituuspiirin länsipuolella olevat pituuspiirit on ilmoitettava negatiivisina, kun taas nollan pituuspiirin itäpuolella olevat pituuspiirit on ilmoitettava positiivisina. Meridiaani voidaan määrittää desimaaliasteina tai asteina, minuutteina ja sekunteina ohjelman asetuksista riippuen. Hargreavesin lyhytaaltokerroin on oletusarvoisesti 0,17 celsiusasteen neliöjuurta kohti; tämä vastaa 0,1267 Fahrenheit-asteen neliöjuurta kohti. Hargreavesin oletusarvoinen Hargreavesin lyhytaaltokerroin 0,17 celsiusasteen neliöjuurta kohti on implisiittisesti Hargreavesin ja Samanin (1985) potentiaalisen haihdunnan muodossa. Käyttäjä voi säätää Hargreavesin lyhytaaltokertoimen.
Kuvio 9. Hargreavesin lyhytaaltokerroin. Paikallisen aikavyöhykkeen (tässä tapauksessa Yhdysvaltain Tyynenmeren alue) keskimeridiaanin pituusasteen ja Hargreavesin lyhytaaltosäteilymiskertoimen syöttäminen.
Pyranometri
Pyranometri on laite, jolla voidaan mitata auringon tulevaa lyhytaaltosäteilyä. Ne eivät kuulu säähavainnon perusasemiin, mutta voivat olla mukana ensimmäisen luokan asemilla. Tätä menetelmää voidaan käyttää pyranometrin havaittujen arvojen tuomiseen tai ulkoisen mallin tuottamien estimaattien tuomiseen. Tätä suositellaan käytettäväksi Priestley-Taylor-evapotranspiraatiomenetelmän kanssa, jossa käytetään tehollista säteilyä, joka sisältää sekä lyhytaalto- että pitkäaaltosäteilyn.
Editoituun pyranografiamenetelmään sisältyy komponenttieditori, jossa on parametritietoja kaikista meteorologisen mallin osa-altaista. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn lyhytaaltokomponenttieditoriin auringon säteilyn kuvan avulla (kuva 10).
Komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osa-altaille sisältää lyhytaaltosäteilyn aikasarjamittauksen kullekin osa-altaalle (kuva 11). Auringon säteilymittari on valittava osavaluma-alueelle. Nykyiset mittarit näkyvät valintaluettelossa.
Kuvio 10. Nykyiset mittarit. Määritettyä pyranografista lyhytaaltomenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kaikille osavaluma-alueille.
Kuva 11. Meteorologinen malli. Lyhytaaltosäteilyn aikasarjan mittarin määrittäminen jokaiselle osavaluma-alueelle.