Kortvågig strålning är en strålningsenergi som produceras av solen med våglängder som sträcker sig från infrarött via synligt till ultraviolett. Kortvågig strålning är därför uteslutande förknippad med dagsljustimmar för en viss plats på jordytan. Energin anländer till toppen av jordens atmosfär med ett flöde (watt per kvadratmeter) som varierar mycket lite under året och mellan åren. Följaktligen tas flödet vanligtvis som en konstant för hydrologiska simuleringar. En del av den inkommande strålningen reflekteras av atmosfärens topp och en del reflekteras av moln. En del av den inkommande strålningen absorberas av atmosfären och en del absorberas av moln. Albedo är den del av den kortvågiga strålning som når markytan som reflekteras tillbaka till atmosfären. Den kortvågiga strålning som inte reflekteras eller absorberas ovanför markytan, och som inte reflekteras av markytan, är tillgänglig för att driva hydrologiska processer som evapotranspiration och smältning av snötäcken.
Metoden för kortvågig strålning som ingår i den meteorologiska modellen är endast nödvändig när energibalansmetoder används för evapotranspiration eller snösmältning. De tillgängliga alternativen täcker en rad detaljer från enkla till komplexa. Enkla specificerade metoder finns också tillgängliga för inmatning av en tidsseriemätare eller ett nät. Varje alternativ producerar den kortvågiga nettostrålning som anländer till markytan där den kan reflekteras eller absorberas. Mer information om varje metod finns i följande avsnitt.
Bristow-Campell-metoden (Bristow och Campbell, 1984) använder ett konceptuellt tillvägagångssätt för att uppskatta den kortvågiga strålningen vid markytan. Under dagtid blockerar eventuella moln i atmosfären en del av den inkommande solstrålningen, vilket minskar solvärmen och resulterar i en lägre temperatur. Omvänt tillåter avsaknad av moln att en mycket större del av solstrålningen passerar genom atmosfären, vilket ger större uppvärmning och generellt sett högre lufttemperaturer. I teorin bör det dagliga temperaturintervallet vara litet under molniga dagar och stort under molnfria dagar. Denna korrelation mellan temperaturintervall och inkommande solstrålning utnyttjas som ett enkelt sätt att beräkna kortvågsstrålning med hjälp av enbart lufttemperaturen.
Bristow-Campbells metod innehåller en Component Editor med parameterdata för varje delavrinningsområde i den meteorologiska modellen. Watershed Explorer ger tillgång till komponenten för kortvågsstrålning med hjälp av en bild av solstrålning (figur 1).
En lufttemperaturmätare måste väljas i de atmosfäriska variablerna för varje delavrinningsområde.
Figur 1. En meteorologisk modell som använder Bristow Campbells metod för kortvågsstrålning med en komponentredigerare för varje enskilt delavrinningsområde.
Komponentredigeraren för varje delavrinningsområde i den meteorologiska modellen används för att mata in parameterdata (figur 2). Transmittansen representerar de maximala egenskaperna för klar himmel över avrinningsområdet. Standardvärdet för transmittansen är 0,70. Exponenten styr tidpunkten för den högsta temperaturen och kan variera från fuktiga till torra miljöer. Standardvärdet för exponenten är 2,4.
Det genomsnittliga månatliga temperaturintervallet måste anges. Detta värde är skillnaden mellan den genomsnittliga höga månadstemperaturen och den genomsnittliga låga månadstemperaturen.
Figur 2. Inmatning av atmosfärs- och temperaturdata för ett delavrinningsområde med hjälp av Bristow-Campbells metod för kortvågsstrålning.
FAO56
FAO56-metoden implementerar den algoritm som beskrivs i detalj av Allen, Pereira, Raes och Smith (1998). Algoritmen beräknar soldeklinationen och solvinkeln för varje tidsintervall i simuleringen med hjälp av delavrinningsområdets koordinater, det julianska årets dag och tiden i mitten av intervallet. Solvärdena används för att beräkna den utomjordiska strålningen för varje delavrinningsområde. De totala dagsljustimmarna beräknas utifrån den julianska dagen och jämförs med antalet faktiska soltimmar. Kortvågsstrålning som når markytan beräknas sedan med hjälp av det vanligaste förhållandet som tar hänsyn till minskningen av soltimmar på grund av molntäckning.
The Watershed Explorer ger tillgång till redaktörerna för den kortvågiga komponenten med hjälp av en bild av solstrålning (figur 3). FAO56-metoden innehåller en komponentredigerare med parameterdata för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen (figur 4). En Component Editor ingår också för varje delavrinningsområde (figur 5).
Figur 3. En meteorologisk modell som använder FAO56-metoden för kortvågsstrålning med en komponentredigerare för varje enskilt delavrinningsområde.
En komponentredigerare för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen omfattar den centrala meridianen i tidszonen (figur 4). Det finns för närvarande ingen specifikation för tidszonen så meridianen måste anges manuellt. Den centrala meridianen är vanligen längden i mitten av den lokala tidszonen. Meridianer väster om noll-längden ska anges som negativa medan meridianer öster om noll-längden ska anges som positiva. Meridianen kan anges i decimalgrader eller grader, minuter och sekunder beroende på programmets inställningar.
Figur 4. Inmatning av longitud för den centrala meridianen i den lokala tidszonen.
Komponentredigeraren för varje delavrinningsområde i den meteorologiska modellen används för att mata in de parameterdata som behövs för att ta hänsyn till skillnader i molntäckningen över avrinningsområdet (figur 5). Molntäckningen beaktas genom en tidsserie av solskenstimmar. Solskenstimmar definieras som antalet decimaltimmar per heltimme där den kortvågiga strålningen överstiger 120 watt per kvadratmeter (WMO, 2008).
Figur 5. Val av tidsseriemätare för solskenstimmar.
Grided Hargreaves
Den gridade Hargreaves-metoden är densamma som den vanliga Hargreaves-metoden (som beskrivs i ett senare avsnitt) förutom att Hargreaves-ekvationerna tillämpas på varje gridcell med hjälp av separata randvillkor i stället för områdesmedelvärden över hela delavrinningsområdet.
Den griddade Hargreaves-kortvågsmetoden innehåller en Component Editor med parameterdata för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen. Watershed Explorer ger tillgång till komponentredigeraren för kortvågsmetoden med hjälp av en bild av solstrålning (figur 6).
Figur 6. En meteorologisk modell som använder Hargreaves kortvågsmetod med rutnät med en komponentredigerare för alla delavrinningsområden.
Komponentredigeraren kräver att ett temperaturrutnät väljs för alla delavrinningsområden (figur 7). Det aktuella nätnätet visas i urvalslistan. Om det finns många olika rutnät tillgängliga kan det vara lämpligt att välja ett rutnät från valfältet som nås med rutnätsknappen bredvid urvalslistan.
Komponentredigeraren kräver den centrala meridianen för tidszonen. Om avrinningsmodellen sträcker sig över flera tidszoner anger du den centrala meridianen för den tidszon som innehåller den största delen av avrinningsområdet för avrinningsmodellen. Den centrala meridianen är longitud i mitten av den lokala tidszonen. Meridianer väster om noll-längden ska anges som negativa medan meridianer öster om noll-längden ska anges som positiva. Meridianen kan anges i decimalgrader eller grader, minuter och sekunder beroende på programmets inställningar.
Component Editor kräver en Hargreaves kortvågskoefficient. Hargreaves kortvågskoefficient är som standard 0,17 per kvadratrot av grader Celsius; detta motsvarar 0,1267 per kvadratrot av grader Fahrenheit. Standardkoefficienten för Hargreaves kortvågskoefficient på 0,17 per kvadratroten av grader Celsius är implicit i formuleringen av Hargreaves och Samani (1985) för potentiell evapotranspiration. Hargreaves kortvågskoefficient kan justeras av användaren.
Figur 7. Komponentredigerare för den griddade Hargreaves-kortvågsmetoden.
Gridded Shortwave
Den griddade kortvågsmetoden är utformad för att fungera med ModClarks griddade transformator. Den kan dock även användas med andra metoder för arealgenomsnittstransformation. Det vanligaste användningsområdet för metoden är att använda rutnätsbaserade uppskattningar av kortvågsstrålning som tagits fram av en extern modell, t.ex. en dynamisk atmosfärisk modell. Om den används med en annan transformationsmetod än ModClark används ett områdesvägt medelvärde av rutnätscellerna i delbäckenet för att beräkna tidsserien för kortvågsstrålning för varje delbäcken.
Metoden för kortvågsstrålning med rutnät innehåller en Component Editor med parameterdata för alla delbäcken i den meteorologiska modellen. Watershed Explorer ger tillgång till komponentredigeraren för kortvågsinformation med hjälp av en bild av solstrålning (figur 6).
Figur 6. En meteorologisk modell som använder den gridade kortvågsmetoden med en komponentredigerare för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen.
En komponentredigerare för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen omfattar val av datakälla (figur 7). Ett strålningsnät måste väljas för alla delavrinningsområden. De aktuella nätverken visas i urvalslistan. Om det finns många olika nätuppsättningar tillgängliga kan det vara lämpligt att välja en nätuppsättning från den valmöjlighet som nås med rutnätsknappen bredvid urvalslistan. I valboken visas beskrivningen för varje gridset, vilket gör det lättare att välja rätt.
Figur 7. Specificering av datakällan för kortvågsstrålning för den gridade kortvågsmetoden.
Hargreaves
Hargreaves kortvågsmetod implementerar den algoritm för kortvågsstrålning som beskrivs av Hargreaves och Samani (1982). Metoden beräknar soldeklinationen och solvinkeln för varje tidsintervall i simuleringen med hjälp av delavrinningsområdets koordinater, det julianska årets dag och tiden i mitten av beräkningsintervallet. Solvärdena används för att beräkna den utomjordiska strålningen för varje delavrinningsområde. Det dagliga temperaturintervallet, den dagliga maximitemperaturen minus den dagliga minimitemperaturen, fungerar som en indikator för molntäckningen. Kortvågsstrålning som når markytan beräknas som en funktion av utomjordisk strålning och det dagliga temperaturintervallet.
Hargreaves kortvågsmetod är parametriserad för alla delavrinningsområden i bassängmodellen. Välj noden Hargreaves shortwave i Watershed Explorer (Figur 8) för att komma åt Hargreaves shortwave Component Editor (Figur 9). En lufttemperaturmätare måste väljas i de atmosfäriska variablerna för varje delavrinningsområde. Temperaturmätaren bör ha subdagliga mätningar så att dagliga minimi- och maximitemperaturer kan analyseras. Redigeraren för atmosfäriska variabler för delavrinningsområden nås genom att klicka på en nod för ett delavrinningsområde i Watershed Explorer.
Figur 8. En meteorologisk modell som använder Hargreaves kortvågsstrålningsmetod med en komponentredigerare för avrinningsområdet.
Den kortvågiga Hargreaves-komponentredigeraren visas i figur 9. Användaren måste ange den centrala meridianen för tidszonen och Hargreaves kortvågskoefficient. Om avrinningsmodellen sträcker sig över flera tidszoner, ange den centrala meridianen för den tidszon som innehåller den största delen av avrinningsområdet för avrinningsmodellen. Den centrala meridianen är longituden i mitten av den lokala tidszonen. Meridianer väster om noll-längden ska anges som negativa medan meridianer öster om noll-längden ska anges som positiva. Meridianen kan anges i decimalgrader eller grader, minuter och sekunder beroende på programmets inställningar. Hargreaves kortvågskoefficient är som standard 0,17 per kvadratrot av grader Celsius, vilket motsvarar 0,1267 per kvadratrot av grader Fahrenheit. Standardkoefficienten för Hargreaves kortvågskoefficient på 0,17 per kvadratrot av grader Celsius är implicit i formuleringen av Hargreaves och Samani (1985) för potentiell evapotranspiration. Hargreaves kortvågskoefficient kan justeras av användaren.
Figur 9. Inmatning av longitud för den centrala meridianen i den lokala tidszonen (US Pacific i det här fallet) och Hargreaves kortvågsstrålningskoefficient.
Specificerad pyranograf
En pyranometer är ett instrument som kan mäta inkommande kortvågsstrålning från solen. De ingår inte i grundläggande meteorologiska observationsstationer, men kan ingå i stationer av första ordningen. Denna metod kan användas för att importera observerade värden från en pyranometer eller för att importera uppskattningar som tagits fram av en extern modell. Detta är det rekommenderade valet för användning med Priestley Taylor evapotranspirationsmetoden, där en effektiv strålning används som inkluderar både kortvågig och långvågig strålning.
Den specificerade pyranografimetoden inkluderar en Component Editor med parameterdata för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen. Watershed Explorer ger åtkomst till redigerarna för den kortvågiga komponenten med hjälp av en bild av solstrålning (figur 10).
Komponentredigeraren för alla delavrinningsområden i den meteorologiska modellen innehåller tidsserier av kortvågig strålning för varje delavrinningsområde (figur 11). En mätare för solstrålning måste väljas för ett delavrinningsområde. De aktuella mätarna visas i urvalslistan.
Figur 10. En meteorologisk modell som använder den angivna pyranografiska kortvågsmetoden med en komponentredigerare för alla delavrinningsområden.
Figur 11. Specificering av tidsserier för kortvågsstrålning för varje delavrinningsområde.