Kortegolfstraling is een door de zon geproduceerde stralingsenergie met golflengten die variëren van infrarood via zichtbaar tot ultraviolet. Kortegolfstraling wordt daarom uitsluitend in verband gebracht met de daglichturen voor een bepaalde plaats op het aardoppervlak. De energie komt aan de bovenkant van de atmosfeer van de aarde aan met een flux (Watts per vierkante meter) die zeer weinig varieert gedurende het jaar en tussen jaren. Daarom wordt de flux gewoonlijk als een constante genomen voor hydrologische simulatiedoeleinden. Een deel van de inkomende straling wordt weerkaatst door de bovenkant van de atmosfeer en een ander deel wordt weerkaatst door wolken. Een deel van de inkomende straling wordt geabsorbeerd door de atmosfeer en een deel wordt geabsorbeerd door wolken. Het albedo is de fractie van de kortgolvige straling die op het landoppervlak aankomt en die in de atmosfeer wordt teruggekaatst. De kortegolfstraling die niet wordt weerkaatst of geabsorbeerd boven het landoppervlak en niet door het landoppervlak wordt weerkaatst, is beschikbaar om hydrologische processen zoals evapotranspiratie en het smelten van sneeuwpakketten aan te sturen.
De kortegolfstralingsmethode die in het meteorologische model is opgenomen, is alleen nodig wanneer energiebalansmethoden worden gebruikt voor evapotranspiratie of het smelten van sneeuw. De beschikbare opties bestrijken een scala van details, van eenvoudig tot complex. Eenvoudige gespecificeerde methoden zijn ook beschikbaar voor de invoer van een tijdreeksmeter of raster. Elke optie levert de netto kortgolvige straling op die aankomt op het landoppervlak en daar kan worden gereflecteerd of geabsorbeerd. Meer details over elke methode worden in de volgende paragrafen gegeven.
De Bristow Campbell methode (Bristow and Campbell, 1984) gebruikt een conceptuele benadering om de kortgolvige straling aan het landoppervlak te schatten. Overdag zal elke wolk in de atmosfeer een deel van de inkomende zonnestraling blokkeren, wat de opwarming door de zon vermindert en resulteert in een lagere temperatuur. Omgekeerd kan bij afwezigheid van wolken een veel groter deel van de zonnestraling door de atmosfeer passeren, waardoor een grotere opwarming en over het algemeen hogere luchttemperaturen mogelijk zijn. In theorie zou het dagelijkse temperatuurverschil klein moeten zijn op bewolkte dagen en groot op niet-bewolkte dagen. Deze correlatie tussen het temperatuurbereik en de inkomende zonnestraling wordt benut als een eenvoudige manier om de kortgolvige straling te berekenen met alleen de luchttemperatuur.
De Bristow Campbell methode omvat een Component Editor met parametergegevens voor elk deelstroomgebied in het meteorologische model. De Watershed Explorer biedt toegang tot de kortegolfcomponenteneditor met behulp van een afbeelding van de zonnestraling (figuur 1).
In de atmosferische variabelen voor elk deelstroomgebied moet een luchttemperatuurmeter worden geselecteerd.
Figuur 1. Een meteorologisch model dat gebruik maakt van de Bristow Campbell-kortegolfstralingsmethode met een componenteneditor voor elk afzonderlijk deelstroomgebied.
De componenteneditor voor elk deelstroomgebied in het meteorologische model wordt gebruikt om parametergegevens in te voeren (figuur 2). De transmissie geeft de maximale eigenschappen van de heldere hemel boven het stroomgebied weer. De standaardwaarde van de transmissiecoëfficiënt is 0,70. De exponent bepaalt het tijdstip van de maximumtemperatuur en kan variëren van een vochtige tot een dorre omgeving. De standaardwaarde van de exponent is 2.4.
Het bereik van de gemiddelde maandtemperatuur moet worden ingevoerd. Deze waarde is het verschil tussen de gemiddelde maandelijkse maximumtemperatuur en de gemiddelde maandelijkse minimumtemperatuur.
Figuur 2. Invoer van atmosfeer- en temperatuurgegevens voor een deelstroomgebied met behulp van de Bristow Campbell kortegolfstralingsmethode.
FAO56
De FAO56-methode implementeert het algoritme dat is uitgewerkt door Allen, Pereira, Raes, en Smith (1998). Het algoritme berekent de zonsdeclinatie en de zonnehoek voor elk tijdsinterval van de simulatie, met gebruikmaking van de coördinaten van het deelstroomgebied, de Juliaanse dag van het jaar, en de tijd in het midden van het interval. De zonnewaarden worden gebruikt om de extra-terrestriale straling voor elk deelstroomgebied te berekenen. Het totale aantal uren daglicht wordt berekend op basis van de Juliaanse dag en vergeleken met het aantal uren zonneschijn. De kortgolvige straling die op het grondoppervlak aankomt, wordt vervolgens berekend met behulp van de meest gebruikelijke relatie die rekening houdt met de vermindering van het aantal uren zonneschijn ten gevolge van bewolking.
De Watershed Explorer biedt toegang tot de kortgolvige component editors met behulp van een afbeelding van de zonnestraling (figuur 3). De FAO56-methode omvat een Component Editor met parametergegevens voor alle subbekkens in het meteorologische model (figuur 4). Voor elk deelstroomgebied is ook een Component Editor opgenomen (figuur 5).
Figuur 3. Een meteorologisch model dat gebruik maakt van de FAO56methode voor kortgolvige straling met een componenten-editor voor elk afzonderlijk deelstroomgebied.
Een componenten-editor voor alle deelstroomgebieden in het meteorologische model omvat de centrale meridiaan van de tijdzone (figuur 4). Er is momenteel geen specificatie voor de tijdzone, zodat de meridiaan handmatig moet worden gespecificeerd. De centrale meridiaan is gewoonlijk de lengtegraad in het midden van de plaatselijke tijdzone. Meridianen ten westen van nul lengtegraad moeten als negatief worden gespecificeerd terwijl meridianen ten oosten van nul lengtegraad als positief moeten worden gespecificeerd. De meridiaan kan worden opgegeven in decimale graden of in graden, minuten en seconden, afhankelijk van de programma-instellingen.
Figuur 4. De Component Editor voor elk deelstroomgebied in het meteorologische model wordt gebruikt om parametergegevens in te voeren die nodig zijn om rekening te houden met verschillen in bewolking in het stroomgebied (Figuur 5). De bewolking wordt bepaald aan de hand van een tijdreeks van zonne-uren. Zonneschijnuren worden gedefinieerd als het aantal decimale uren per volledig uur waarin de kortgolvige straling meer dan 120 watt per vierkante meter bedraagt (WMO, 2008).
Figuur 5.
Gridded Hargreaves
De gridded Hargreaves-methode is dezelfde als de gewone Hargreaves-methode (verderop beschreven), behalve dat de Hargreaves-vergelijkingen op elke rastercel worden toegepast met gebruikmaking van afzonderlijke randvoorwaarden in plaats van gebiedsgemiddelde waarden over het hele deelstroomgebied.
De gerasterde Hargreaves-kortgolftemethode omvat een Component Editor met parametergegevens voor alle deelstroomgebieden in het meteorologische model. De Watershed Explorer biedt toegang tot de kortegolfcomponent-editor met behulp van een afbeelding van zonnestraling (figuur 6).
Figuur 6. Een meteorologisch model dat gebruik maakt van de gerasterde Hargreaves-kortgolftemethode met een componenteneditor voor alle deelstroomgebieden.
De componenteneditor vereist dat een temperatuurrasterset wordt geselecteerd voor alle deelstroomgebieden (figuur 7). De huidige gridset wordt in de keuzelijst getoond. Als er veel verschillende gridsets beschikbaar zijn, kunt u een gridset kiezen uit de selector die u opent met de rasterknop naast de keuzelijst.
De Componenten-editor vereist de centrale meridiaan van de tijdzone. Als het bekkenmodel zich over meerdere tijdzones uitstrekt, voer dan de centrale meridiaan in voor de tijdzone waarin het grootste deel van het afwateringsgebied van het bekkenmodel ligt. De centrale meridiaan is de lengtegraad in het midden van de plaatselijke tijdzone. Meridianen ten westen van nul lengtegraad moeten als negatief worden gespecificeerd, terwijl meridianen ten oosten van nul lengtegraad als positief moeten worden gespecificeerd. De meridiaan kan worden opgegeven in decimale graden of in graden, minuten en seconden, afhankelijk van de programma-instellingen.
De Component Editor vereist een Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt. De standaard Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt is 0,17 per vierkantswortel van graden Celsius; dit komt overeen met 0,1267 per vierkantswortel van graden Fahrenheit. De standaard Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt van 0,17 per vierkantswortel van graad Celsius is impliciet in de potentiële evapotranspiratieformule van Hargreaves en Samani (1985). De Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt kan door de gebruiker worden aangepast.
Figuur 7.
Gridded Shortwave
De gridded shortwave-methode is ontworpen om te werken met de ModClark gridded transform. Zij kan echter ook worden gebruikt met andere gebiedsgemiddelde transformatiemethoden. Het meest gebruikelijke gebruik van de methode is het gebruik van gerasterde ramingen van de kortegolfstraling die door een extern model worden geproduceerd, bijvoorbeeld een dynamisch atmosferisch model. Als de methode wordt gebruikt met een andere transformatiemethode dan ModClark, wordt een gebiedsgewogen gemiddelde van de gridcellen in het deelstroomgebied gebruikt om de tijdreeks van de kortgolvige straling voor elk deelstroomgebied te berekenen.
De gerasterde kortgolvige methode omvat een Component Editor met parametergegevens voor alle deelstroomgebieden in het meteorologische model. De Watershed Explorer biedt toegang tot de kortegolfcomponent-editor met behulp van een afbeelding van zonnestraling (afbeelding 6).
Figuur 6. Een meteorologisch model dat gebruikmaakt van de gerasterde kortegolftemethode met een componenteneditor voor alle subbekkens in het meteorologische model.
Een componenteneditor voor alle subbekkens in het meteorologische model bevat de selectie van de gegevensbron (figuur 7). Voor alle subbekkens moet een stralingsgridset worden geselecteerd. De huidige gridsets worden in de keuzelijst getoond. Als er veel verschillende gridsets beschikbaar zijn, kunt u een gridset kiezen uit de selector die u opent met de rasterknop naast de keuzelijst. De selector toont de beschrijving van elke rasterset, waardoor het gemakkelijker wordt de juiste te selecteren.
Figuur 7. De Hargreaves korte-golfmethode implementeert het korte-golfstralingsalgoritme dat is beschreven door Hargreaves en Samani (1982). De methode berekent de zonnedeclinatie en de zonnehoek voor elk tijdsinterval van de simulatie, met gebruikmaking van de coördinaten van het deelstroomgebied, de Juliaanse dag van het jaar, en de tijd in het midden van het berekeningsinterval. De zonnewaarden worden gebruikt om de extra-terrestriale straling voor elk deelstroomgebied te berekenen. Het dagelijkse temperatuurbereik, dagelijkse maximumtemperatuur min dagelijkse minimumtemperatuur, fungeert als een benadering voor bewolking. De kortegolfstraling aan het grondoppervlak wordt berekend als functie van de buitenaardse straling en het dagelijkse temperatuurbereik.
De Hargreaves-kortegolftemethode wordt voor alle deelstroomgebieden in het stroomgebiedmodel geparametriseerd. Selecteer het Hargreaves kortegolfknooppunt in de Watershed Explorer (Figuur 8) om toegang te krijgen tot de Hargreaves kortegolf Component Editor (Figuur 9). Voor elk deelstroomgebied moet in de atmosferische variabelen een luchttemperatuurmeter worden geselecteerd. De temperatuurmeter moet subdagelijkse metingen hebben, zodat dagelijkse minimum- en maximumtemperaturen kunnen worden geanalyseerd. De Componenteneditor voor atmosferische variabelen van de subbekkens wordt geopend door te klikken op een subbekken-knooppunt in Watershed Explorer.
Figuur 8. Een meteorologisch model dat gebruik maakt van de Hargreaves-kortegolfstralingsmethode met een componenteneditor voor het bekken.
De Hargreaves-kortegolfcomponenteneditor wordt getoond in figuur 9. De gebruiker moet de centrale meridiaan van de tijdzone en de Hargreaves-kortegolvingscoëfficiënt invoeren. Indien het bekkenmodel zich over meerdere tijdzones uitstrekt, voer dan de centrale meridiaan in van de tijdzone waarin het grootste deel van het afwateringsgebied van het bekkenmodel ligt. De centrale meridiaan is de lengtegraad in het midden van de plaatselijke tijdzone. Meridianen ten westen van nul lengtegraad moeten als negatief worden gespecificeerd, terwijl meridianen ten oosten van nul lengtegraad als positief moeten worden gespecificeerd. De meridiaan kan worden opgegeven in decimale graden of in graden, minuten en seconden, afhankelijk van de programma-instellingen. De standaard Hargreaves kortegolfcoëfficiënt is 0,17 per vierkantswortel van graden Celsius; dit komt overeen met 0,1267 per vierkantswortel van graden Fahrenheit. De standaard Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt van 0,17 per vierkantswortel van graad Celcsus is impliciet in de potentiële evapotranspiratieformule van Hargreaves en Samani (1985). De Hargreaves-kortgolvingscoëfficiënt kan door de gebruiker worden aangepast.
Figuur 9. Invoeren van de lengtegraad van de centrale meridiaan van de lokale tijdzone (US Pacific in dit geval) en de Hargreaves-kortegolfstralingscoëfficiënt.
Gespecificeerde pyranograaf
Een pyranometer is een instrument dat de inkomende kortegolfstraling van de zon kan meten. Zij maken geen deel uit van basisstations voor meteorologische waarnemingen, maar kunnen worden opgenomen in stations van de eerste orde. Deze methode kan worden gebruikt om waargenomen waarden van een pyranometer te importeren of om ramingen te importeren die door een extern model zijn geproduceerd. Dit is de aanbevolen keuze voor gebruik met de Priestley Taylor-verdampingsmethode, waarbij een effectieve straling wordt gebruikt die zowel kortgolvige als langgolvige straling omvat.
De gespecificeerde pyranografische methode omvat een Component Editor met parametergegevens voor alle subbekkens in het meteorologische model. De Watershed Explorer biedt toegang tot de componenteneditors voor de kortegolfstraling met behulp van een afbeelding van de zonnestraling (afbeelding 10).
De componenteneditor voor alle subbekkens in het meteorologische model bevat de tijdreeksmeter voor de kortegolfstraling voor elk subbekken (afbeelding 11). Voor een deelstroomgebied moet een meter voor zonnestraling worden geselecteerd. De huidige gages worden in de keuzelijst getoond.
Figuur 10. Een meteorologisch model dat gebruik maakt van de gespecificeerde pyranografische korte-golfmethode met een componenten-editor voor alle deelstroomgebieden.
Figuur 11. Opgave van de tijdreeks van de kortegolfstraling voor elk deelstroomgebied.