Kurzwellige Strahlung

Kurzwellige Strahlung ist eine von der Sonne erzeugte Strahlungsenergie mit Wellenlängen, die von infrarot über sichtbar bis ultraviolett reichen. Kurzwellige Strahlung ist daher ausschließlich mit den Tageslichtstunden an einem bestimmten Ort der Erdoberfläche verbunden. Die Energie erreicht den oberen Teil der Erdatmosphäre mit einem Fluss (Watt pro Quadratmeter), der im Laufe des Jahres und zwischen den Jahren nur wenig schwankt. Daher wird der Fluss für hydrologische Simulationszwecke in der Regel als konstant angenommen. Ein Teil der einfallenden Strahlung wird von der Oberseite der Atmosphäre und ein Teil von den Wolken reflektiert. Ein Teil der einfallenden Strahlung wird von der Atmosphäre und ein Teil von den Wolken absorbiert. Die Albedo ist der Anteil der kurzwelligen Strahlung, der an der Landoberfläche ankommt und in die Atmosphäre zurückreflektiert wird. Die kurzwellige Strahlung, die über der Landoberfläche nicht reflektiert oder absorbiert wird, steht zur Verfügung, um hydrologische Prozesse wie Evapotranspiration und Schneedeckenschmelze anzutreiben.

Die im meteorologischen Modell enthaltene Methode der kurzwelligen Strahlung ist nur dann erforderlich, wenn Energiebilanzmethoden für Evapotranspiration oder Schneeschmelze verwendet werden. Die verfügbaren Optionen reichen von einfach bis komplex. Einfache spezifizierte Methoden sind auch für die Eingabe von Zeitreihenmessgeräten oder Gittern verfügbar. Jede Option erzeugt die Nettokurzwellenstrahlung, die an der Landoberfläche ankommt und dort reflektiert oder absorbiert werden kann. Weitere Einzelheiten zu den einzelnen Methoden werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Die Bristow-Campbell-Methode (Bristow und Campbell, 1984) verwendet einen konzeptionellen Ansatz zur Schätzung der kurzwelligen Strahlung an der Landoberfläche. Während der Tageszeit blockieren die in der Atmosphäre vorhandenen Wolken einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, was die Erwärmung durch die Sonne verringert und zu einer niedrigeren Temperatur führt. Umgekehrt lässt das Fehlen von Wolken einen größeren Teil der Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre dringen, was zu einer stärkeren Erwärmung und allgemein höheren Lufttemperaturen führt. Theoretisch sollte die tägliche Temperaturspanne an bewölkten Tagen klein und an unbewölkten Tagen groß sein. Diese Korrelation zwischen Temperaturbereich und einfallender Sonnenstrahlung wird genutzt, um die kurzwellige Strahlung auf einfache Weise zu berechnen, indem nur die Lufttemperatur verwendet wird.

Die Bristow-Campbell-Methode umfasst einen Komponenten-Editor mit Parameterdaten für jedes Teilgebiet im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugriff auf den Kurzwellen-Komponenten-Editor über ein Bild der Sonneneinstrahlung (Abbildung 1).

In den atmosphärischen Variablen muss für jedes Teileinzugsgebiet ein Lufttemperaturmessgerät ausgewählt werden.

Abbildung 1. Ein meteorologisches Modell, das die Bristow-Campbell-Methode für kurzwellige Strahlung verwendet, mit einem Komponenten-Editor für jedes einzelne Teileinzugsgebiet.

Der Komponenten-Editor für jedes Teileinzugsgebiet im meteorologischen Modell wird zur Eingabe von Parameterdaten verwendet (Abbildung 2). Der Transmissionsgrad stellt die maximalen Eigenschaften des klaren Himmels über dem Einzugsgebiet dar. Der Standardwert für den Transmissionsgrad ist 0,70. Der Exponent steuert den Zeitpunkt der Höchsttemperatur und kann von feuchten bis zu trockenen Umgebungen variieren. Der Standardwert für den Exponenten ist 2,4.

Der durchschnittliche monatliche Temperaturbereich muss eingegeben werden. Dieser Wert ist die Differenz zwischen der durchschnittlichen monatlichen Höchsttemperatur und der durchschnittlichen monatlichen Tiefsttemperatur.

Abbildung 2. Eingabe von Atmosphären- und Temperaturdaten für ein Teileinzugsgebiet unter Verwendung der Bristow-Campbell-Kurzwellenstrahlungsmethode.

FAO56

Die FAO56-Methode implementiert den von Allen, Pereira, Raes und Smith (1998) beschriebenen Algorithmus. Der Algorithmus berechnet die solare Deklination und den solaren Winkel für jedes Zeitintervall der Simulation unter Verwendung der Koordinaten des Teileinzugsgebiets, des julianischen Tages des Jahres und der Zeit in der Mitte des Intervalls. Die Sonnenwerte werden verwendet, um die extraterrestrische Strahlung für jedes Teileinzugsgebiet zu berechnen. Die gesamten Tageslichtstunden werden auf der Grundlage des julianischen Tages berechnet und mit der Anzahl der tatsächlichen Sonnenstunden verglichen. Die kurzwellige Strahlung, die an der Bodenoberfläche ankommt, wird dann unter Verwendung der gebräuchlichsten Beziehung berechnet, die die Verringerung der Sonnenscheinstunden aufgrund der Bewölkung berücksichtigt.

Der Watershed Explorer bietet Zugang zu den Editoren der kurzwelligen Komponente, indem er ein Bild der Sonnenstrahlung verwendet (Abbildung 3). Die FAO56-Methode enthält einen Komponenteneditor mit Parameterdaten für alle Teileinzugsgebiete des meteorologischen Modells (Abbildung 4). Ein Komponenten-Editor ist auch für jedes Teileinzugsgebiet enthalten (Abbildung 5).

Abbildung 3. Ein meteorologisches Modell unter Verwendung der FAO56-Kurzwellenstrahlungsmethode mit einem Komponenten-Editor für jedes einzelne Teileinzugsgebiet.

Ein Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete des meteorologischen Modells enthält den Zentralmeridian der Zeitzone (Abbildung 4). Derzeit gibt es keine Angaben für die Zeitzone, so dass der Meridian manuell festgelegt werden muss. Der Zentralmeridian ist in der Regel der Längengrad in der Mitte der lokalen Zeitzone. Meridiane westlich des Null-Längengrades sollten als negativ angegeben werden, während Meridiane östlich des Null-Längengrades als positiv angegeben werden sollten. Der Meridian kann je nach Programmeinstellung in Dezimalgraden oder in Grad, Minuten und Sekunden angegeben werden.

Abbildung 4. Eingabe des Längengrads des Zentralmeridians der lokalen Zeitzone.

Der Komponenten-Editor für jedes Teileinzugsgebiet im meteorologischen Modell dient zur Eingabe von Parameterdaten, die erforderlich sind, um die Unterschiede in der Bewölkung im gesamten Einzugsgebiet zu berücksichtigen (Abbildung 5). Die Wolkenbedeckung wird durch eine Zeitreihe von Sonnenscheinstunden berücksichtigt. Sonnenscheinstunden sind definiert als die Anzahl der Dezimalstunden pro voller Stunde, in denen die kurzwellige Strahlung 120 Watt pro Quadratmeter überschreitet (WMO, 2008).

Abbildung 5. Auswahl eines Zeitreihenmessgeräts für die Sonnenscheinstunden.

Gridded Hargreaves

Die gridded Hargreaves-Methode entspricht der regulären Hargreaves-Methode (die in einem späteren Abschnitt beschrieben wird), mit der Ausnahme, dass die Hargreaves-Gleichungen auf jede Gitterzelle unter Verwendung separater Randbedingungen anstelle von flächengemittelten Werten über das gesamte Teileinzugsgebiet angewendet werden.

Die gerasterte Hargreaves-Kurzwellenmethode umfasst einen Komponenteneditor mit Parameterdaten für alle Teileinzugsgebiete im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugriff auf den Kurzwellenkomponenten-Editor über ein Bild der Sonneneinstrahlung (Abbildung 6).

Abbildung 6. Ein meteorologisches Modell, das die gerasterte Hargreaves-Kurzwellenmethode mit einem Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete verwendet.

Der Komponenten-Editor erfordert die Auswahl eines Temperatur-Gridsatzes für alle Teileinzugsgebiete (Abbildung 7). Das aktuelle Gridset wird in der Auswahlliste angezeigt. Wenn viele verschiedene Gridsets zur Verfügung stehen, können Sie ein Gridset aus dem Selektor auswählen, der über die Schaltfläche „Grid“ neben der Auswahlliste aufgerufen wird.

Der Komponenteneditor benötigt den Zentralmeridian der Zeitzone. Wenn sich das Beckenmodell über mehrere Zeitzonen erstreckt, geben Sie den Zentralmeridian der Zeitzone ein, in der sich der größte Teil des Einzugsgebiets des Beckenmodells befindet. Der Zentralmeridian ist der Längengrad in der Mitte der lokalen Zeitzone. Meridiane westlich des Null-Längengrades sollten als negativ angegeben werden, während Meridiane östlich des Null-Längengrades als positiv angegeben werden sollten. Der Meridian kann je nach Programmeinstellung in Dezimalgraden oder in Grad, Minuten und Sekunden angegeben werden.

Der Komponenteneditor benötigt einen Hargreaves-Kurzwellenkoeffizienten. Der Standard-Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient ist 0,17 pro Quadratwurzel aus Grad Celsius; dies entspricht 0,1267 pro Quadratwurzel aus Grad Fahrenheit. Der standardmäßige Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient von 0,17 pro Quadratwurzel aus Grad Celsius ist implizit in der Formulierung der potenziellen Evapotranspiration von Hargreaves und Samani (1985) enthalten. Der Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient kann vom Benutzer angepasst werden.

Abbildung 7. Komponenten-Editor für die gerasterte Hargreaves-Kurzwellen-Methode.

Gerasterte Kurzwelle

Die gerasterte Kurzwellen-Methode ist für die Arbeit mit der ModClark-Gittertransformation konzipiert. Sie kann jedoch auch mit anderen Flächenmittelwert-Transformationsmethoden verwendet werden. Die häufigste Anwendung der Methode ist die Verwendung von gerasterten kurzwelligen Strahlungsschätzungen, die von einem externen Modell, z. B. einem dynamischen atmosphärischen Modell, erzeugt wurden. Wenn sie mit einer anderen Transformationsmethode als ModClark verwendet wird, wird ein flächengewichteter Durchschnitt der Gitterzellen im Teilgebiet verwendet, um die Zeitreihe der kurzwelligen Strahlung für jedes Teilgebiet zu berechnen.

Die Methode der gerasterten Kurzwelle umfasst einen Komponenteneditor mit Parameterdaten für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugriff auf den Kurzwellenkomponenten-Editor über ein Bild der Sonneneinstrahlung (Abbildung 6).

Abbildung 6. Ein meteorologisches Modell unter Verwendung der gerasterten Kurzwellenmethode mit einem Komponenteneditor für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell.

Ein Komponenteneditor für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell beinhaltet die Auswahl der Datenquelle (Abbildung 7). Für alle Teileinzugsgebiete muss ein Strahlungsgridset ausgewählt werden. Die aktuellen Gridsets werden in der Auswahlliste angezeigt. Wenn viele verschiedene Gridsets zur Verfügung stehen, können Sie ein Gridset aus dem Selektor auswählen, der über die Schaltfläche Grid neben der Auswahlliste aufgerufen wird. Der Selektor zeigt die Beschreibung für jedes Gridset an, was die Auswahl des richtigen Gridsets erleichtert.

Abbildung 7. Angabe der Kurzwellenstrahlungsdatenquelle für die gerasterte Kurzwellenmethode.

Hargreaves

Die Hargreaves-Kurzwellenmethode implementiert den von Hargreaves und Samani (1982) beschriebenen Kurzwellenstrahlungsalgorithmus. Die Methode berechnet die solare Deklination und den solaren Winkel für jedes Zeitintervall der Simulation, wobei die Koordinaten des Teilgebiets, der julianische Tag des Jahres und die Zeit in der Mitte des Berechnungsintervalls verwendet werden. Die Sonnenwerte werden verwendet, um die extraterrestrische Strahlung für jedes Teileinzugsgebiet zu berechnen. Die tägliche Temperaturspanne, d. h. die tägliche Höchsttemperatur abzüglich der täglichen Mindesttemperatur, dient als Indikator für die Bewölkung. Die an der Bodenoberfläche ankommende kurzwellige Strahlung wird als Funktion der extraterrestrischen Strahlung und der täglichen Temperaturspanne berechnet.

Die Hargreaves-Kurzwellenmethode ist für alle Teileinzugsgebiete im Einzugsgebietsmodell parametrisiert. Wählen Sie den Hargreaves-Kurzwellen-Knoten im Watershed Explorer (Abbildung 8), um den Hargreaves-Kurzwellen-Komponenten-Editor (Abbildung 9) aufzurufen. In den atmosphärischen Variablen muss für jedes Teileinzugsgebiet ein Lufttemperaturmesser ausgewählt werden. Das Temperaturmessgerät sollte über untertägige Messungen verfügen, damit die täglichen Mindest- und Höchsttemperaturen analysiert werden können. Der Komponenteneditor für die atmosphärischen Variablen der Teileinzugsgebiete wird durch Anklicken eines Teileinzugsgebietsknotens im Watershed Explorer aufgerufen.

Abbildung 8. Ein meteorologisches Modell, das die kurzwellige Hargreaves-Strahlungsmethode mit einem Komponenten-Editor für das Einzugsgebiet verwendet.

Der Hargreaves-Kurzwellen-Komponenten-Editor ist in Abbildung 9 dargestellt. Der Benutzer muss den Zentralmeridian der Zeitzone und den Hargreaves-Kurzwellenkoeffizienten eingeben. Wenn sich das Beckenmodell über mehrere Zeitzonen erstreckt, geben Sie den Zentralmeridian der Zeitzone ein, in der sich der größte Teil des Einzugsgebiets des Beckenmodells befindet. Der Zentralmeridian ist der Längengrad in der Mitte der lokalen Zeitzone. Meridiane westlich des Null-Längengrades sollten als negativ angegeben werden, während Meridiane östlich des Null-Längengrades als positiv angegeben werden sollten. Der Meridian kann je nach Programmeinstellung in Dezimalgraden oder in Grad, Minuten und Sekunden angegeben werden. Der Standard-Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient ist 0,17 pro Quadratwurzel aus Grad Celsius; dies entspricht 0,1267 pro Quadratwurzel aus Grad Fahrenheit. Der standardmäßige Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient von 0,17 pro Quadratwurzel aus Grad Celsius ist implizit in der Formulierung der potenziellen Evapotranspiration von Hargreaves und Samani (1985) enthalten. Der Hargreaves-Kurzwellenkoeffizient kann vom Benutzer angepasst werden.

Abbildung 9. Eingabe des Längengrads des Zentralmeridians der lokalen Zeitzone (in diesem Fall US-Pazifik) und des Hargreaves-Kurzwellenkoeffizienten.

Spezifizierter Pyranograph

Ein Pyranometer ist ein Instrument, das die einfallende solare Kurzwellenstrahlung messen kann. Sie gehören nicht zu den meteorologischen Grundbeobachtungsstationen, können aber in Stationen erster Ordnung eingebaut werden. Diese Methode kann verwendet werden, um beobachtete Werte von einem Pyranometer zu importieren oder um Schätzungen zu importieren, die von einem externen Modell erstellt wurden. Dies ist die empfohlene Wahl für die Verwendung mit der Priestley-Taylor-Evapotranspirationsmethode, bei der eine effektive Strahlung verwendet wird, die sowohl die kurzwellige als auch die langwellige Strahlung umfasst.

Die angegebene Pyranograph-Methode umfasst einen Komponenten-Editor mit Parameterdaten für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer bietet Zugang zu den Editoren der kurzwelligen Komponenten über ein Bild der Sonnenstrahlung (Abbildung 10).

Der Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete im meteorologischen Modell enthält den Zeitreihenmesser für die kurzwellige Strahlung für jedes Teileinzugsgebiet (Abbildung 11). Für ein Teileinzugsgebiet muss ein Messgerät für die Sonneneinstrahlung ausgewählt werden. Die aktuellen Messgeräte werden in der Auswahlliste angezeigt.

Abbildung 10. Ein meteorologisches Modell unter Verwendung der angegebenen Pyranograph-Kurzwellenmethode mit einem Komponenteneditor für alle Teileinzugsgebiete.

Abbildung 11. Angabe des Kurzwellenstrahlungs-Zeitserienmessers für jedes Teileinzugsgebiet.