考虑气溶胶三维空间分布的新疆地区晴空精确化地表太阳辐射时空分布特征研究

There are plenty of clear sky days and great potential for exploitation and utilization of solar energy resources in Xinjiang with arid and semi-arid climate. However, the sparse ground observation and deviated satellite remote sensing radiation data seriously restrict the scientific understanding of the temporal and spatial distribution characteristics of the surface solar radiation in this area. Radiative transfer mode is the most commonly used method to obtain the high-resolution surface solar radiation data at present, but the accuracy of key parameters, such as aerosol profile and surface albedo, are very important to the simulation results. But there is a lack of the vertical observations of aerosols and the verification of surface albedo from satellite in this area. Therefore, in order to obtain the spatial and temporal distribution characteristics of solar radiation in the clear sky in this area, the following research is to be carried out: (1) combining the advantages of surface and satellite remote sensing, active and passive remote sensing, the three-dimensional aerosol model is constructed; (2) using the surface station data to calculate the surface albedo and correct the error of the satellite product; (3) based on the AccuRT radiative transfer model, the inversion model of localized surface solar radiation for clear sky is constructed, and the surface solar radiation flux in Xinjiang is calculated. The research results are helpful to improve the exploitation and utilization potential of solar energy resources, and provide new scientific basis and technical methods for improving solar radiation prediction methods, climate and environment research.

干旱半干旱的新疆云量少晴天多，太阳能资源丰富且开发利用潜力大。然而稀疏的地面观测与存在偏差的卫星辐射资料严重制约了对该地区地表太阳辐射时空分布特征的科学认识。辐射传输模式是目前获取高时、空分辨率的太阳辐射资料最常用的手段，但关键输入参数如气溶胶廓线和地表反照率等的准确性对模拟结果至关重要。而该地区缺少气溶胶的精细化立体观测和地表反照率卫星产品的验证，因此，为了获得该地区晴空精细化的太阳辐射时空分布特征，拟开展以下研究：（1）结合地基遥感与卫星遥感、主动遥感与被动遥感的优势，构建该地区气溶胶三维空间模型；（2）利用地面辐射站资料计算得到的地表反照率，修正卫星产品的误差；（3）基于AccuRT精确辐射传输模式，构建本地化晴空地表太阳辐射反演模型，计算全疆网格化的地表太阳辐射通量。该成果将为提高该地区太阳能资源开发利用潜力提供新的事实依据，为改进太阳辐射预报方法、气候环境研究等提供新的技术方法。

太阳辐射是地球生态系统的主要能量来源，也是地气系统变化的主要影响因子。新疆是国家战略和经济发展重地，云量少晴天多且太阳能资源丰富，全年太阳辐射总量仅次于青藏高原，但该地区有效辐射利用率远低于全国水平，太阳能开发潜力巨大，该地区精确的太阳辐射预报对光伏发电等新能源建设具有重要的现实意义。目前对于该地区地表太阳辐射资源的了解主要依赖于地面观测站、卫星遥感和中尺度数值模式预报。然而稀疏的地面观测、存在偏差的卫星遥感和较粗空间分辨率的中尺度数值模式都严重制约了对地表太阳辐射资源时空分布特征系统而准确的科学认识。为了解决这一难题，本项目提出基于高时、空分辨率的辐射传输模式，针对引起辐射反演误差的因素进行修正，构建了新疆地区气溶胶三维空间模型和适用于该地区的晴空地表太阳辐射反演模型，最终获得该地区精细化的地表太阳辐射时空分布特征。这为改进短波辐射卫星反演算法和提高其数值预报水平等提供了新的依据和科学方法。主要结论：1）从气溶胶垂直分布来看，气溶胶消光系数主要分布在 0~0.4 km-1，近地面的值大于对流层高层的值，秋季的消光系数最大值出现在2~3 km处，其他季节的最大值出现在近地面。2）在几种常用的气溶胶光学厚度遥感产品中，C6.1 MYD AOD在新疆喀什地区的适用性更高。存在误差的地表反射率、与实测数据存有偏差的气溶胶模型、气溶胶负荷和粒子大小，共同造成了C6.1 MYD AOD产品的反演误差。3）通过研究建立的自动流程图算法反演得到的ERA5气溶胶层高度（ALH）与MPL/ALH的整体拟合结果较好，将ERA5/PBLH与ERA5/ALH相结合，建立了格点化的气溶胶双层模型。4）依次对5个关键输入参数（气溶胶光学厚度、单次散射反照率、不对称因子、水汽柱浓度、地表反照率）进行对比、筛选和订正，确定了模拟晴空下行地表短波辐射所需输入参数的最优组合，并结合气溶胶双层模型进一步提高了模式模拟结果准确度（R = 0.996，MAE = 12.413，RMB = 1.009，RMSE = 13.351），达到了改进反演晴空下行地表短波辐射精度的目的。