Promieniowanie krótkofalowe to energia promieniowania wytwarzana przez Słońce o długości fali od podczerwieni przez widzialną do ultrafioletu. Promieniowanie krótkofalowe jest więc związane wyłącznie z godzinami dziennymi dla danego miejsca na powierzchni Ziemi. Energia dociera do górnej części atmosfery ziemskiej ze strumieniem (Wat na metr kwadratowy), który zmienia się w bardzo niewielkim stopniu w ciągu roku i pomiędzy latami. W związku z tym strumień ten jest zwykle przyjmowany jako stały dla celów symulacji hydrologicznych. Część przychodzącego promieniowania jest odbijana przez górną warstwę atmosfery, a część przez chmury. Część przychodzącego promieniowania jest pochłaniana przez atmosferę, a część przez chmury. Albedo to ułamek promieniowania krótkofalowego docierającego do powierzchni ziemi, który jest odbijany z powrotem do atmosfery. Promieniowanie krótkofalowe, które nie jest odbijane lub pochłaniane nad powierzchnią ziemi i nie jest odbijane przez powierzchnię ziemi, jest dostępne do napędzania procesów hydrologicznych, takich jak ewapotranspiracja i topnienie pokrywy śnieżnej.
Metoda promieniowania krótkofalowego zawarta w modelu meteorologicznym jest konieczna tylko wtedy, gdy metody bilansu energetycznego są stosowane do ewapotranspiracji lub topnienia śniegu. Dostępne opcje obejmują zakres szczegółowości od prostych do złożonych. Proste określone metody są również dostępne dla danych wejściowych z pomiarów czasowych lub siatki. Każda opcja wytwarza promieniowanie krótkofalowe netto docierające do powierzchni ziemi, gdzie może zostać odbite lub zaabsorbowane. Metoda Bristow Campbell (Bristow i Campbell, 1984) wykorzystuje koncepcyjne podejście do szacowania promieniowania krótkofalowego na powierzchni ziemi. Podczas godzin dziennych, chmury obecne w atmosferze blokują część docierającego promieniowania słonecznego, co zmniejsza ogrzewanie słoneczne i skutkuje niższą temperaturą. I odwrotnie, brak chmur pozwala na przedostanie się większej ilości promieniowania słonecznego przez atmosferę, co umożliwia większe nagrzewanie i generalnie wyższe temperatury powietrza. Teoretycznie, dzienny zakres temperatur powinien być mały w dni pochmurne i duży w dni bezchmurne. Ta korelacja pomiędzy zakresem temperatur i przychodzącym promieniowaniem słonecznym jest wykorzystywana jako prosty sposób na obliczenie promieniowania krótkofalowego przy użyciu tylko temperatury powietrza.
Metoda Bristow Campbell zawiera Edytor komponentów z danymi parametrów dla każdego zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytora komponentów krótkofalowych za pomocą obrazu promieniowania słonecznego (Rysunek 1).
W zmiennych atmosferycznych dla każdej zlewni należy wybrać pomiar temperatury powietrza.
Rysunek 1. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę promieniowania krótkofalowego Bristowa Campbella z edytorem komponentów dla poszczególnych zlewni.
Edytor komponentów dla każdej zlewni w modelu meteorologicznym służy do wprowadzania danych parametrów (Rysunek 2). Transmitancja reprezentuje maksymalną charakterystykę czystego nieba nad działem wodnym. Domyślna wartość transmitancji wynosi 0,70. Wykładnik kontroluje czas wystąpienia maksymalnej temperatury i może być różny dla środowisk od wilgotnych do suchych. Domyślna wartość wykładnika wynosi 2,4.
Należy wprowadzić zakres średniej temperatury miesięcznej. Wartość ta jest różnicą między średnią miesięczną temperaturą wysoką a średnią miesięczną temperaturą niską.
Rysunek 2. Wprowadzanie danych o atmosferze i temperaturze dla zlewni przy użyciu metody promieniowania krótkofalowego Bristowa Campbella.
FAO56
Metoda FAO56 implementuje algorytm wyszczególniony przez Allena, Pereirę, Raesa i Smitha (1998). Algorytm oblicza deklinację słoneczną i kąt słoneczny dla każdego przedziału czasowego symulacji, wykorzystując współrzędne zlewni, dzień juliański roku i czas w połowie przedziału. Wartości słoneczne są wykorzystywane do obliczania promieniowania pozaziemskiego dla każdej zlewni. Całkowita liczba godzin dziennych jest obliczana na podstawie dnia juliańskiego i porównywana z liczbą rzeczywistych godzin słonecznych. Promieniowanie krótkofalowe docierające do powierzchni ziemi jest następnie obliczane przy użyciu najbardziej powszechnej relacji uwzględniającej redukcję godzin słonecznych z powodu zachmurzenia.
The Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytorów składowej krótkofalowej przy użyciu obrazu promieniowania słonecznego (Rysunek 3). Metoda FAO56 zawiera Component Editor z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym (Rysunek 4). Dołączony jest również Component Editor dla każdej zlewni (Rysunek 5).
Rysunek 3. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę promieniowania krótkofalowego FAO56 z edytorem komponentów dla poszczególnych zlewni.
Edytor komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera środkowy południk strefy czasowej (Rysunek 4). Obecnie nie ma specyfikacji dla strefy czasowej, więc południk musi być określony ręcznie. Południk centralny jest zwykle długością geograficzną w środku lokalnej strefy czasowej. Południki na zachód od zera długości geograficznej powinny być określane jako ujemne, natomiast południki na wschód od zera długości geograficznej powinny być określane jako dodatnie. Południk może być określony w stopniach dziesiętnych lub stopniach, minutach i sekundach, w zależności od ustawień programu.
Rysunek 4. Wprowadzanie długości geograficznej środkowego południka lokalnej strefy czasowej.
Edytor komponentów dla każdej zlewni w modelu meteorologicznym jest używany do wprowadzania danych parametrów niezbędnych do uwzględnienia różnic w zachmurzeniu w całym dziale wodnym (Rysunek 5). Zachmurzenie jest rozpatrywane za pomocą szeregu czasowego godzin nasłonecznienia. Godziny nasłonecznienia definiuje się jako liczbę godzin dziesiętnych na pełną godzinę, w której promieniowanie krótkofalowe przekracza 120 watów na metr kwadratowy (WMO, 2008).
Rysunek 5. Wybór miernika szeregu czasowego dla godzin nasłonecznienia.
Siatkowana metoda Hargreavesa
Siatkowana metoda Hargreavesa jest taka sama jak zwykła metoda Hargreavesa (opisana w dalszej części rozdziału) z tą różnicą, że równania Hargreavesa są stosowane do każdej komórki siatki przy użyciu oddzielnych warunków brzegowych zamiast wartości uśrednionych obszarowo dla całej zlewni.
Siatkowana metoda krótkofalowa Hargreavesa zawiera edytor komponentów z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytora komponentów krótkofalowych za pomocą obrazu promieniowania słonecznego (Rysunek 6).
Rysunek 6. Model meteorologiczny wykorzystujący gridowaną metodę krótkofalową Hargreavesa z edytorem składowych dla wszystkich zlewni.
Edytor składowych wymaga wybrania gridu temperatury dla wszystkich zlewni (Rysunek 7). Aktualny zestaw siatek jest wyświetlany na liście wyboru. Jeśli dostępnych jest wiele różnych zestawów siatek, można wybrać zestaw siatek z selektora dostępnego za pomocą przycisku siatki obok listy wyboru.
Edytor komponentów wymaga wybrania środkowego południka strefy czasowej. Jeśli model zlewni obejmuje wiele stref czasowych, należy wprowadzić południk centralny dla strefy czasowej obejmującej większą część zlewni modelu zlewni. Południkiem centralnym jest długość geograficzna w środku lokalnej strefy czasowej. Południki na zachód od zera długości geograficznej powinny być określone jako ujemne, natomiast południki na wschód od zera długości geograficznej powinny być określone jako dodatnie. Południk może być określony w stopniach dziesiętnych lub stopniach, minutach i sekundach w zależności od ustawień programu.
Edytor komponentów wymaga współczynnika fal krótkich Hargreavesa. Domyślny współczynnik fal krótkich Hargreavesa wynosi 0,17 na pierwiastek kwadratowy ze stopni Celsjusza; jest to równoważne 0,1267 na pierwiastek kwadratowy ze stopni Fahrenheita. Domyślny współczynnik fal krótkich Hargreavesa wynoszący 0,17 na pierwiastek kwadratowy ze stopnia Celsjusza jest uwzględniony w formule ewapotranspiracji potencjalnej Hargreavesa i Samaniego (1985). Współczynnik fal krótkich Hargreavesa może być dostosowany przez użytkownika.
Rysunek 7. Edytor komponentów dla metody gridded Hargreaves shortwave.
Gridded Shortwave
Metoda gridded shortwave została zaprojektowana do pracy z transformacją gridded ModClark. Jednakże, może być ona również używana z innymi metodami transformacji średnich obszarowych. Najczęstszym zastosowaniem tej metody jest wykorzystanie szacunków gridded promieniowania krótkofalowego wyprodukowanego przez model zewnętrzny, na przykład dynamiczny model atmosferyczny. Jeśli jest ona używana z metodą transformacji inną niż ModClark, do obliczenia szeregu czasowego promieniowania krótkofalowego dla każdej zlewni używana jest średnia ważona obszaru komórek siatki w zlewni.
Metoda gridded shortwave zawiera Component Editor z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytora komponentów krótkofalowych za pomocą obrazu promieniowania słonecznego (Rysunek 6).
Rysunek 6. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę gridded shortwave z edytorem komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym.
Edytor komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera wybór źródła danych (Rysunek 7). Dla wszystkich zlewni musi być wybrany zestaw siatek radiacyjnych. Bieżące zestawy siatek są wyświetlane na liście wyboru. Jeśli dostępnych jest wiele różnych siatek, można wybrać siatkę z selektora dostępnego za pomocą przycisku siatki znajdującego się obok listy wyboru. Selektor wyświetla opis dla każdego zestawu, ułatwiając wybór właściwego zestawu.
Rysunek 7. Określanie źródła danych o promieniowaniu krótkofalowym dla gridded shortwave method.
Hargreaves
Metoda krótkofalowa Hargreavesa implementuje algorytm promieniowania krótkofalowego opisany przez Hargreavesa i Samaniego (1982). Metoda ta oblicza deklinację słoneczną i kąt słoneczny dla każdego przedziału czasowego symulacji, wykorzystując współrzędne zlewni, dzień juliański roku i czas w połowie przedziału obliczeniowego. Wartości słoneczne są wykorzystywane do obliczania promieniowania pozaziemskiego dla każdej zlewni. Dzienny zakres temperatur, dzienna temperatura maksymalna minus dzienna temperatura minimalna, funkcjonuje jako przybliżenie dla pokrycia chmur. Promieniowanie krótkofalowe docierające do powierzchni ziemi jest obliczane jako funkcja promieniowania pozaziemskiego i dziennego zakresu temperatur.
Metoda krótkofalowa Hargreavesa jest parametryzowana dla wszystkich zlewni w modelu zlewni. Wybierz węzeł fal krótkich Hargreavesa w Watershed Explorer (Rysunek 8), aby uzyskać dostęp do edytora komponentów fal krótkich Hargreavesa (Rysunek 9). W zmiennych atmosferycznych dla każdej zlewni należy wybrać miernik temperatury powietrza. Miernik temperatury powinien mieć pomiary sub-dobowe, aby można było analizować dzienne temperatury minimalne i maksymalne. Dostęp do edytora komponentu zmiennych atmosferycznych dla zlewni uzyskuje się poprzez kliknięcie na węzeł zlewni w Watershed Explorer.
Rysunek 8. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę promieniowania krótkofalowego Hargreavesa z edytorem komponentów dla zlewni.
Edytor komponentów krótkofalowych Hargreavesa przedstawiono na rysunku 9. Użytkownik musi wprowadzić południk centralny strefy czasowej oraz współczynnik fal krótkich Hargreavesa. Jeśli model zlewni obejmuje wiele stref czasowych, należy wprowadzić południk centralny dla strefy czasowej obejmującej większość obszaru zlewni modelu zlewni. Południkiem centralnym jest długość geograficzna w środku lokalnej strefy czasowej. Południki na zachód od zera długości geograficznej powinny być określone jako ujemne, natomiast południki na wschód od zera długości geograficznej powinny być określone jako dodatnie. Południk może być podany w stopniach dziesiętnych lub stopniach, minutach i sekundach, w zależności od ustawień programu. Domyślny współczynnik fal krótkich Hargreavesa wynosi 0,17 na pierwiastek kwadratowy ze stopnia Celsjusza; jest to równoważne 0,1267 na pierwiastek kwadratowy ze stopnia Fahrenheita. Domyślny współczynnik fal krótkich Hargreavesa wynoszący 0,17 na pierwiastek kwadratowy ze stopnia Celsjusza jest implikowany w sformułowaniu ewapotranspiracji potencjalnej Hargreavesa i Samaniego (1985). Współczynnik fal krótkich Hargreavesa może być dostosowany przez użytkownika.
Rysunek 9. Wprowadzanie długości południka centralnego lokalnej strefy czasowej (w tym przypadku US Pacific) i współczynnika promieniowania krótkofalowego Hargreavesa.
Specyfikowany piranograf
Piranometr jest przyrządem, który może mierzyć przychodzące słoneczne promieniowanie krótkofalowe. Nie są one częścią podstawowych meteorologicznych stacji obserwacyjnych, ale mogą być włączone do stacji pierwszego rzędu. Ta metoda może być użyta do importu obserwowanych wartości z pyranometru lub może być użyta do importu oszacowań wyprodukowanych przez model zewnętrzny. Jest to zalecany wybór do stosowania z metodą ewapotranspiracji Priestleya Taylora, gdzie stosowane jest promieniowanie efektywne, które obejmuje zarówno promieniowanie krótkofalowe, jak i długofalowe.
Podana metoda pyranograficzna zawiera Edytor komponentów z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytorów komponentów krótkofalowych za pomocą obrazu promieniowania słonecznego (Rysunek 10).
Edytor komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera szereg czasowy pomiarów promieniowania krótkofalowego dla każdej zlewni (Rysunek 11). Dla zlewni musi być wybrany wskaźnik promieniowania słonecznego. Na liście wyboru wyświetlane są aktualne pomiary.
Rysunek 10. Model meteorologiczny wykorzystujący określoną metodę krótkofalową pyranograficzną z edytorem składowych dla wszystkich zlewni.
Rysunek 11. Określenie miernika serii czasowej promieniowania krótkofalowego dla każdej zlewni.
.