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天气发生器是许多地表过程模型如水文模型、土壤侵蚀模型等的重要组成部分,也是进行气候变化影响评价的重要工具之一.CLIGEN模型是其中应用较广的一个天气发生器。天气发生器是基于对长时间序列气候要素统计特征分析的随机模拟模型,由于不同地区气候要素的统计特征各不相同,需要根据当地的气候资料进行参数估计,并对模型有效性加以验证。本研究利用我国54个日射站1961-2000年的日太阳总辐射资料,首先对太阳总辐射气候计算方法进行了研究,然后利用其中1961-1990年的日太阳总辐射资料,评估了CLIGEN模型模拟太阳辐射的能力,并对其进行了修订。同时,利用我国566个气象站1961-2000年的日最高、最低气温资料,分析了CLIGEN模型对气温的模拟效果.主要结论如下:
(1)建立了分别以天文辐射、晴天太阳总辐射和理想大气总辐射为起始值的东部和西部两区、以及全国统一的太阳总辐射气候学计算公式。通过对不同起始值公式的对比分析表明,无论是分区还是全国统一公式,都是以天文辐射为起始值时的计算结果好,其中分区公式比全国统一公式的计算结果精度高一些,但差别不大。相同起始值情况下,西部地区的模拟误差最小。与其他学者的研究结果相比,本文所建立公式模拟结果明显要好。建议采取以天文辐射为起始值的全国公式或分区公式。
(2)对54个日射站1961-1990年各月日太阳辐射的统计分布特征分析表明,我国大部分地区日太阳辐射服从偏正态分布,这与季风气候特征有密切关系。而CLIGEN模型模拟日太阳辐射时,假设其服从正态分布,因此本研究将其修订为服从偏正态分布,同时改进了日天文辐射的估算方法。修订后的模型模拟精度明显高于原模型:对均值的模拟误差由原来的0.2-7.0%降为0.2-3.4%,对标准差的模拟误差由原来的10.9-52.7%降为1.1-9.3%。如以相对误差平均值计算,对均值的模拟精度提高了25%,对标准差的模拟精度提高了87.4%.解决了许多研究者提到的CLIGEN模型在我国对日太阳辐射标准差模拟不好的问题。从模拟精度改进效果的空间分布看,对均值的模拟效果在南方地区改进不明显,在其它大部分地区改进效果显著;对标准差的模拟效果在全国各地区都大幅度提高,相对误差均小于10%,尤以东部地区提高显著。修订模型对均值和标准差的模拟精度均是西部地区高于东部地区,长江中下游地区较其它地区偏低。这种空间分布特征显然受到当地大气状况尤其是水汽含量的明显影响。从各月模拟效果看,全年12个月的模拟精度均有提高,而且各月差异不大。Wilcoxon非参数秩和检验表明,在P=0.01的显著性水平上,51个站(94.4%)的日太阳辐射实测数据序列和模拟数据序列的累积分布没有显著性差异,表明两组数据来自于同一分布。
(3)对566个气象站1961-2000年的日最高、最低气温的统计特征分析表明,我国日最高、最低气温基本服从正态分布,与CLIGEN模型的假设一致,因此CLIGEN对日最高、最低气温的模拟效果都比较好,日最高气温的模拟效果相对更好一些。从t检验和F检验看,除9个站的日最低气温实测值和模拟值的均值在p=0.01的显著性水平上有显著差异外,其他所有站点日最高、最低气温实测值和模拟值的均值与标准差在p=0.01水平上都没有显著性差异。从1:1线检验结果看,80%以上的站点日最高、最低气温实测值和模拟值的均值与标准差通过了1:1线检验。从相对误差看,日最高气温均值与标准差的相对误差都小于2%,日最低气温均值与标准差的相对误差除个别站大于2%外,其他各站都小于2%。从空间分布看,日最高气温均值的相对误差空间差异不大,日最低气温均值的相对误差是西部、北部站点比较大,日最高、最低气温标准差的相对误差是东南部站点大。Wilcoxon非参数秩和检验表明,在P=0.01的显著性水平上,80%以上站点的日最高、最低气温实测数据序列和模拟数据序列的累积分布没有显著性差异,两组数据来自于同一分布。