A rövidhullámú sugárzás a Nap által termelt sugárzó energia, amelynek hullámhossza az infravöröstől a láthatótól az ultraibolyáig terjed. A rövidhullámú sugárzás ezért kizárólag a nappali órákhoz kapcsolódik a Föld felszínének egy adott helyén. Az energia a Föld légkörének tetejére olyan fluxussal (watt per négyzetméter) érkezik, amely az év folyamán és az évek között nagyon kis mértékben változik. Következésképpen a fluxust hidrológiai szimulációs célokra általában állandónak tekintik. A beérkező sugárzás egy része visszaverődik a légkör tetejéről, egy része pedig a felhőkről. A beérkező sugárzás egy részét elnyeli a légkör, egy részét pedig a felhők. Az albedo a szárazföld felszínére érkező rövidhullámú sugárzásnak az a része, amely visszaverődik a légkörbe. Az a rövidhullámú sugárzás, amely a szárazföld felszíne felett nem verődik vissza, illetve nem nyelődik el, és amelyet a szárazföld felszíne nem ver vissza, a hidrológiai folyamatok, például az evapotranspiráció és a hótakaró olvadása meghajtására áll rendelkezésre.
A meteorológiai modellben szereplő rövidhullámú sugárzási módszerre csak akkor van szükség, ha az energiamérleg módszereit használják az evapotranspirációra vagy a hóolvadásra. A rendelkezésre álló lehetőségek az egyszerűtől az összetettig terjedő részletességű tartományt fedik le. Egyszerű meghatározott módszerek is rendelkezésre állnak idősoros mérőműszer vagy rács beviteléhez. Mindegyik opció a földfelszínre érkező nettó rövidhullámú sugárzást állítja elő, ahol az visszaverődhet vagy elnyelődhet. Az egyes módszerek részletesebb leírása a következő szakaszokban található.
A Bristow Campbell-módszer (Bristow és Campbell, 1984) koncepcionális megközelítést alkalmaz a földfelszínre érkező rövidhullámú sugárzás becslésére. A nappali órákban a légkörben lévő felhők elzárják a beérkező napsugárzás egy részét, ami csökkenti a napfény okozta felmelegedést és alacsonyabb hőmérsékletet eredményez. Ezzel szemben a felhők hiánya a napsugárzás sokkal nagyobb részét engedi át a légkörön, ami nagyobb felmelegedést és általában magasabb léghőmérsékletet tesz lehetővé. Elméletileg a napi hőmérsékleti tartománynak felhős napokon kicsinek, felhőtlen napokon pedig nagynak kellene lennie. Ezt a hőmérsékleti tartomány és a beérkező napsugárzás közötti összefüggést kihasználva egyszerű módon kiszámítható a rövidhullámú sugárzás, csak a levegő hőmérsékletének felhasználásával.
A Bristow Campbell-módszer tartalmaz egy komponensszerkesztőt a meteorológiai modell egyes részterületeinek paraméteradataival. A Watershed Explorer a rövidhullámú komponensszerkesztőhöz a napsugárzás képével férhet hozzá (1. ábra).
A légköri változók között minden egyes részvízgyűjtőhöz ki kell választani egy léghőmérséklet-mérőt.
1. ábra. A Bristow Campbell-féle rövidhullámú sugárzási módszert alkalmazó meteorológiai modell az egyes részvízgyűjtőkhöz tartozó komponensszerkesztővel.
A meteorológiai modellben az egyes részvízgyűjtőkhöz tartozó komponensszerkesztő a paraméteradatok megadására szolgál (2. ábra). Az áteresztőképesség a vízgyűjtő feletti maximális derült égbolt jellemzőit jelöli. A transzmittancia alapértelmezett értéke 0,70. Az exponens a maximális hőmérséklet időzítését szabályozza, és a nedves és a száraz környezetek között változhat. Az exponens alapértelmezett értéke 2,4.
A havi átlagos hőmérsékleti tartományt kell megadni. Ez az érték a havi átlagos magas hőmérséklet és a havi átlagos alacsony hőmérséklet különbsége.
2. ábra. A légköri és hőmérsékleti adatok megadása egy részvízgyűjtőhöz a Bristow Campbell-féle rövidhullámú sugárzási módszerrel.
FAO56
A FAO56 módszer az Allen, Pereira, Raes és Smith (1998) által részletezett algoritmust valósítja meg. Az algoritmus a szimuláció minden egyes időintervallumára kiszámítja a nap deklinációját és a napszöget a részvízgyűjtő koordinátái, az év juliánus napja és az intervallum közepén lévő időpont felhasználásával. A napértékeket az egyes részvízgyűjtők földön kívüli sugárzásának kiszámításához használják. A teljes napfényes órákat a Julián-nap alapján számítják ki, és összehasonlítják a tényleges napsütéses órák számával. A talajfelszínre érkező rövidhullámú sugárzást ezután a felhőtakaró miatti napsütéses órák csökkenését figyelembe vevő legelterjedtebb összefüggés alapján számítják ki.
A Watershed Explorer a rövidhullámú komponens szerkesztőihez a napsugárzás képének segítségével férhetünk hozzá (3. ábra). A FAO56 módszer tartalmaz egy komponensszerkesztőt a meteorológiai modell összes részvízgyűjtőjének paraméteradataival (4. ábra). Az egyes részvízgyűjtőkhöz szintén tartozik egy komponensszerkesztő (5. ábra).
3. ábra. A FAO56 rövidhullámú sugárzási módszert alkalmazó meteorológiai modell az egyes részvízgyűjtőkhöz tartozó komponensszerkesztővel.
A meteorológiai modellben az összes részvízgyűjtőhöz tartozó komponensszerkesztő tartalmazza az időzóna középső meridiánját (4. ábra). Jelenleg nincs specifikáció az időzónára, így a meridiánt kézzel kell megadni. A központi hosszúsági kör általában a helyi időzóna középpontjában lévő hosszúsági fok. A nulla hosszúsági foktól nyugatra lévő délköröket negatív, míg a nulla hosszúsági foktól keletre lévő délköröket pozitív értékként kell megadni. A meridián a program beállításaitól függően tizedes fokokban vagy fokokban, percekben és másodpercekben adható meg.
4. ábra. A helyi időzóna középső hosszúsági fokának megadása.
A meteorológiai modellben az egyes részvízgyűjtőkhöz tartozó komponensszerkesztő a vízgyűjtőn belüli felhőborítás különbségeinek figyelembevételéhez szükséges paraméteradatok megadására szolgál (5. ábra). A felhőtakarót a napsütéses órák idősorozatán keresztül vesszük figyelembe. A napsütéses órákat úgy határozzuk meg, mint azon tizedórák számát egy teljes órában, amikor a rövidhullámú sugárzás meghaladja a 120 watt/négyzetmétert (WMO, 2008).
5. ábra. A napsütéses órák idősoros mérőeszközének kiválasztása.
Rácsos Hargreaves
A rácsos Hargreaves-módszer megegyezik a hagyományos Hargreaves-módszerrel (amelyet egy későbbi szakaszban ismertetünk), azzal a különbséggel, hogy a Hargreaves-egyenleteket az egész részvízgyűjtőre vonatkozó területátlagolt értékek helyett az egyes rácscellákra külön peremfeltételekkel alkalmazzuk.
A rácsos Hargreaves rövidhullámú módszer tartalmaz egy komponensszerkesztőt a meteorológiai modell összes részmedencéjének paraméteradataival. A Watershed Explorer a rövidhullámú komponensszerkesztőhöz a napsugárzás képével férhet hozzá (6. ábra).
6. ábra. A rácsos Hargreaves rövidhullámú módszert alkalmazó meteorológiai modell az összes részvízgyűjtőre vonatkozó komponensszerkesztővel.
A komponensszerkesztőhöz ki kell választani egy hőmérsékleti rácskészletet az összes részvízgyűjtőre (7. ábra). Az aktuális rácskészlet a kiválasztási listában látható. Ha sok különböző rácskészlet áll rendelkezésre, érdemes a kiválasztási lista melletti rácsgombbal elérhető választóból kiválasztani egy rácskészletet.
A komponensszerkesztő megköveteli az időzóna középső délkörét. Ha a vízgyűjtő modell több időzónára terjed ki, akkor adja meg annak az időzónának a központi délkörét, amely a vízgyűjtő modell vízgyűjtő területének nagy részét tartalmazza. A központi délkör a helyi időzóna középpontjában lévő hosszúsági fok. A nulla hosszúsági foktól nyugatra eső délköröket negatív, míg a nulla hosszúsági foktól keletre eső délköröket pozitív értékként kell megadni. A meridián a program beállításaitól függően tizedes fokokban vagy fokokban, percekben és másodpercekben adható meg.
A komponensszerkesztőnek szüksége van egy Hargreaves rövidhullámú együtthatóra. Az alapértelmezett Hargreaves rövidhullámú együttható 0,17 a Celsius-fok négyzetgyökére; ez 0,1267 Fahrenheit-fok négyzetgyökének felel meg. A Hargreaves és Samani (1985) potenciális evapotranszspirációs formulájában implicit módon szerepel az alapértelmezett Hargreaves rövidhullámú együttható, amely 0,17 a Celsius-fok négyzetgyökére vetítve. A Hargreaves rövidhullámú együtthatót a felhasználó beállíthatja.
7. ábra. A rácsos Hargreaves rövidhullám módszer komponensszerkesztője.
Rácsos rövidhullám
A rácsos rövidhullám módszer a ModClark rácsos transzformációval való együttműködésre készült. Azonban más területátlag-transzformációs módszerekkel is használható. A módszer leggyakoribb felhasználása egy külső modell, például egy dinamikus légköri modell által előállított rácsos rövidhullámú sugárzási becslések felhasználása. Ha a ModClark-tól eltérő transzformációs módszerrel együtt használják, akkor az egyes részvízgyűjtők rövidhullámú sugárzási idősorainak kiszámításához a részvízgyűjtőkben lévő rácscellák területi súlyozott átlagát használják.
A rácsos rövidhullámú módszer tartalmaz egy komponensszerkesztőt a meteorológiai modell összes részvízgyűjtőjének paraméteradataival. A Watershed Explorer a rövidhullámú komponensszerkesztőhöz a napsugárzás képével férhet hozzá (6. ábra).
6. ábra. A rácsos rövidhullámú módszert alkalmazó meteorológiai modell a meteorológiai modellben lévő összes részvízgyűjtőhöz tartozó komponensszerkesztővel.
A meteorológiai modellben lévő összes részvízgyűjtőhöz tartozó komponensszerkesztő tartalmazza az adatforrás kiválasztását (7. ábra). Minden részvízgyűjtőhöz ki kell választani egy sugárzási rácskészletet. Az aktuális rácskészletek a kiválasztási listában jelennek meg. Ha sok különböző rácskészlet áll rendelkezésre, akkor a kiválasztási lista mellett található rácskészlet gomb segítségével elérhető választóból érdemes kiválasztani egy rácskészletet. A kiválasztó megjeleníti az egyes gridsetek leírását, ami megkönnyíti a megfelelő gridset kiválasztását.
7. ábra. A rövidhullámú sugárzás adatforrásának megadása a rácsos rövidhullámú módszerhez.
Hargreaves
A Hargreaves-féle rövidhullámú módszer a Hargreaves és Samani (1982) által leírt rövidhullámú sugárzási algoritmust valósítja meg. A módszer kiszámítja a nap deklinációját és a napszöget a szimuláció minden egyes időintervallumára a részvízgyűjtő koordinátáinak, az év juliánus napjának és a számítási intervallum közepén lévő időpontnak a felhasználásával. A napértékeket az egyes részvízgyűjtők földön kívüli sugárzásának kiszámításához használják. A napi hőmérsékleti tartomány, a napi maximális hőmérséklet mínusz a napi minimális hőmérséklet, a felhőborítottság helyettesítőjeként szolgál. A talajfelszínre érkező rövidhullámú sugárzást a földönkívüli sugárzás és a napi hőmérséklettartomány függvényében számítják ki.
A Hargreaves-féle rövidhullámú módszert a vízgyűjtő modell valamennyi részvízgyűjtőjére paraméterezik. Válassza ki a Hargreaves rövidhullám csomópontot a Watershed Explorerben (8. ábra), hogy hozzáférjen a Hargreaves rövidhullám komponensszerkesztőhöz (9. ábra). A légköri változók között minden egyes részvízgyűjtőhöz ki kell választani egy léghőmérséklet-mérőt. A hőmérsékletmérőnek szubnapi mérésekkel kell rendelkeznie, hogy a napi minimum- és maximumhőmérsékleteket elemezni lehessen. A szubmedencei légköri változók komponensszerkesztője a Watershed Explorerben a szubmedencei csomópontra kattintva érhető el.
8. ábra. A Hargreaves rövidhullámú sugárzási módszert alkalmazó meteorológiai modell a medence komponensszerkesztőjével.
A Hargreaves rövidhullámú komponensszerkesztő a 9. ábrán látható. A felhasználónak meg kell adnia az időzóna középső meridiánját és a Hargreaves rövidhullámú együtthatót. Ha a vízgyűjtő modell több időzónára terjed ki, akkor adja meg annak az időzónának a központi meridiánját, amely a vízgyűjtő modell vízgyűjtő területének nagy részét tartalmazza. A központi délkör a helyi időzóna középpontjában lévő hosszúsági fok. A nulla hosszúsági foktól nyugatra eső meridiánokat negatív, míg a nulla hosszúsági foktól keletre eső meridiánokat pozitív értékként kell megadni. A délkör megadható tizedes fokban vagy fokban, percben és másodpercben, a program beállításaitól függően. Az alapértelmezett Hargreaves rövidhullámú együttható 0,17 a Celsius-fok négyzetgyökére; ez 0,1267 a Fahrenheit-fok négyzetgyökére. Az alapértelmezett Hargreaves rövidhullámú együttható 0,17 a Celsius-fok négyzetgyökére vonatkozóan a Hargreaves és Samani (1985) potenciális evapotranspirációs formulájában implicit módon szerepel. A Hargreaves rövidhullámú együtthatót a felhasználó beállíthatja.
9. ábra. A helyi időzóna (ebben az esetben az amerikai csendes-óceáni térség) központi meridiánjának hosszúsági fokának és a Hargreaves rövidhullámú sugárzási együtthatónak a megadása.
Specifikus piranográf
A piranométer egy olyan műszer, amely a beérkező rövidhullámú napsugárzás mérésére alkalmas. Nem részei az alapvető meteorológiai megfigyelő állomásoknak, de az elsőrendű állomásokon szerepelhetnek. Ez a módszer használható a piranométerről származó megfigyelt értékek importálására vagy külső modell által készített becslések importálására. Ez az ajánlott választás a Priestley Taylor-féle evapotranspirációs módszerrel való használatra, ahol olyan effektív sugárzást használnak, amely a rövidhullámú és a hosszúhullámú sugárzást is magában foglalja.
A megadott piranográf módszer tartalmaz egy komponensszerkesztőt, amely a meteorológiai modellben szereplő összes almedence paraméteradatait tartalmazza. A Watershed Explorer a rövidhullámú komponensszerkesztőkhöz a napsugárzás képével férhet hozzá (10. ábra).
A komponensszerkesztő a meteorológiai modell összes részvízgyűjtőjére vonatkozóan tartalmazza az egyes részvízgyűjtők rövidhullámú sugárzásának idősoros mérőjét (11. ábra). Egy részvízgyűjtőhöz ki kell választani a napsugárzás mérőműszerét. Az aktuális mérőműszerek a kiválasztási listában jelennek meg.
10. ábra. A megadott piranográf rövidhullámú módszert alkalmazó meteorológiai modell az összes részvízgyűjtőre vonatkozó komponensszerkesztővel.
11. ábra. A rövidhullámú sugárzás idősoros mérőeszköz megadása minden egyes részvízgyűjtőhöz.