中国陆地高分辨率太阳散射辐射数据集重建及其变化特征分析

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地表太阳散射辐射作为地表太阳辐射的重要组成部分,是陆地生态系统的碳交换、光伏发电和可再生能源生产的关键要素。由于观测站点分布稀疏、仪器设备价格昂贵以及维护成本高等因素,当前国内散射辐射观测数据尚不能满足太阳辐射研究和实际应用的需求。针对我国缺乏长时间序列、高质量的散射辐射观测数据的现状,本研究拟发展一套集成化的广义相加模型(GAM),以ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis)和MERRA-2(The Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications-Version 2)再分析产品的陆地和大气参数为集成模型的输入变量,构建中国区域1982~2020年日均地表太阳散射辐射数据集(10km×10km)。首先,利用观测数据和输入变量匹配而成的样本数据对模型进行训练,再利用中国气象局17个台站的散射辐射观测数据对模型估算值进行精度验证,并采用精度指标来评估集成模型的精度和适用性。然后,选取国内外应用较为广泛的四种地表太阳散射辐射产品,包括CERES(Clouds And The Earth’s Radiant Energy System),ERA5,Ji EA和CHSSDR(High Resolution(10km×10km)Daily Surface Solar Diffuse Radiation Dataset in China),利用地面观测数据进行全方位、多角度的精度评估和误差分析。最后,对中国区域地表太阳散射辐射的时空变化特征进行分析。本研究既能为地表太阳散射辐射的估算方法提供借鉴,也有利于进一步精细化理解中国区域地表太阳散射辐射量的变化趋势。本研究所构建的中国区域地表太阳散射辐射数据集已发布在https://doi.org/10.6084/m9.figshare.19352036.v1,用户可通过该链接获取数据。本研究主要结论如下:(1)六种基础机器学习模型(卷积神经网络模型、深度神经网络模型、梯度增强决策树、极限梯度增强算法、随机森林和支持向量机)和集成模型(GAM)的十折交叉验证结果表明:集成模型的性能最佳,其R、RMSE(均方根误差)和MAE(平均绝对误差)值分别是0.88,19.54 W m-2和14.87 W m-2。同时,集成模型对六种基础机器学习模型出现的低值高估和高值低估现象有一定改善。(2)四种散射辐射产品与地面观测数据的直接验证结果表明:CERES和ERA5的散射辐射数据精度较差;CERES存在较明显的高估现象(MBE=20.74 Wm-2);ERA5则严重低估了散射辐射值(MBE=-15.47 Wm-2);Ji EA存在微弱的低估现象(MBE=-5.49 Wm-2)。CHSSDR表现最佳(MBE=2.58 Wm-2),R值和GPI值最高且偏差最小。CHSSDR的总体相关系数R值为0.87,MAE值为15.06 Wm-2,RMSE值为24.77 Wm-2,GPI值为5.14。在站点尺度上的验证结果表明:CHSSDR在所有站点的R值最高和偏差最小(Rmax=0.93,MAE=11.97 Wm-2和RMSE=15.98 Wm-2)。除CHSSDR之外,精度由高到低的产品分别为Ji EA、CERES和ERA5。在不同干湿分区对四种产品进行精度验证,CERES和CHSSDR在半湿润地区的表现最佳,在半干旱地区表现欠佳;而ERA5则在半干旱地区的精度最高,在半湿润地区的表现较差。在不同干湿分区,CHSSDR的精度最佳(MAE=12.34 Wm-2和RMSE=16.77 Wm-2)。在季节尺度上的验证结果表明:CERES、ERA5、Ji EA和CHSSDR在冬季表现尚可,在夏季表现较差。就产品整体精度而言,CHSSDR的精度最佳(SDmin=23.38 Wm-2,MAEmin=9.93 Wm-2和RMSEmin=13.22 Wm-2)。本研究在不同云量覆盖和气溶胶浓度条件下对四种散射辐射产品进行误差分析,CHSSDR的散射辐射产品的相关性是随着云量的增加而降低,其他的产品相关性随着云量的增加产生了一定的波动。四种散射辐射产品的偏差(MAE和RMSE)均随着云量和气溶胶浓度的增加而增加的。相较于其他产品,CHSSDR的R值最高和偏差最低。由此可见,CHSSDR数据整体的稳定性较好。本研究利用交叉验证的方法探究产品之间的差异,四种产品之间的相关性在东北平原地区、西北地区、内蒙古地区和华北地区普遍较高。在中国东南部地区相关性较差,这可能和该地区濒临海洋,水源充足,云雨活动频繁等原因有关,这样会导致产品的精度降低。(3)中国区域地表太阳散射辐射值的年均值变化范围在59.13 W m-2~104.65 W m-2之间;1982~2020年的地表太阳散射辐射的总年均值为79.39 Wm-2。散射辐射值的相对高值区主要分布在华南地区、云南及周边地区、长江中下游地区、华北地区、青藏地区和四川盆地;低值区分布在东北平原和内蒙古地区。由于太阳高度角的变化,中国区域散射辐射在空间上具有较明显的季节变化特征:从春季到夏季呈现递增趋势,夏季到冬季呈现递减趋势。(4)1982~2020年,中国区域地表太阳散射辐射值呈现轻微的下降趋势(-0.127W m-2yr-1)。从空间上看,呈下降趋势的地区主要分布在云南及周边地区、黄土高原地区、青藏高原地区和东北地区的散射辐射;东部地区的地表太阳辐射趋势变化显著度大于西部地区;华南地区和长江中下游地区的上升趋势较明显,其MK值分别为2.51和2.65,Sen’s slope值分别为0.11 W m-2yr-1和0.13 W m-2yr-1。
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