The capability of some global solar radiation empirical models as the input of the other hydro-climatic processes

Document Type : Research Article

Author

Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran. E-mail: y.khoshkho@uok.ac.ir

Abstract

The extent of the energy received from the sun to the earth is one of the main and important input parameters in the agricultural, ecological, hydrological, climatological, and environmental models. It has also a key role in most processes related to the soil-plant-atmosphere system such as net radiation, reference evapotranspiration, soil temperature, moisture, and snow melt. In this research, the efficiency of three categories of the global radiation empirical models including sunshine-based, air temperature-based, and cloudiness-based models was evaluated during the 1997-2021 period for the Sanandaj synoptic station and after these model’s calibration procedure, the better models were recognized. By adopting the estimated global radiation by better models as the input of modeling some processes including net radiation, reference evapotranspiration, soil temperature, and moisture and snow melt, the model outputs were compared with the case that the measured global radiation had been adopted as these models input. After the calibration of global radiation models and optimizing the empirical parameters of them, which were performed based on minimizing the RMSE index between the left and right sides of these equations, finally, three models including Angstrom–Prescott model, the Bristow-Campbell model, and the Black model were selected as the representative of each of the three mentioned categories.
In the next step, cross validation was applied to these three models based on the MAE، MBE، R2 and Reff indices. The results showed a reasonable agreement between the measured and estimated global radiation based on all of these three selected models. The MAE index for Angstrom–Prescott, Bristow-Campbell, and Black models was 138.5, 227.14, and 251.3 kj.m-2.day-1, respectively which can be considered as the acceptable extent. The MBE index led to obtaining good results with no considerable bias for Angstrom–Prescott model (-3.9 kj.m-2.day-1) and the Bristow-Campbell model (+11.9 kj.m-2.day-1) but a positive overestimating bias using the Black model (+159 kj.m-2.day-1). For all three models, the R2 and Reff were respectively greater than 0.83 and 0.78 values. The best values of these two indices were obtained for the Angstrom–Prescott model.
Regarding comparison of the outcome of estimated and measured global radiation when applying as the input of some models, the histogram of the errors (the difference between outputs of some of the processes models based on the estimated and measured global radiation inputs) for net radiation calculation showed the error range mostly from -50 to +50 kj.m-2.day-1 for all of the three global radiation model inputs, which as seemed to be a narrow difference between these two cases. For reference evapotranspiration calculation, the histogram of errors was mainly between very low values of -0.2 to 0.1 mm.day-1 for all of the three global radiation models. Regarding l temperature modeling, the Angstrom–Prescott model (with error range between -0.5 to 0.2 ˚C) showed a better performance than the Bristow-Campbell and Black models (with error range between -1 to 1 ˚C). For soil moisture modeling, the Angstrom–Prescott model showed very suitable performance with the most error values close to zero and the Bristow-Campbell and Black models showed relatively suitable and similar performance. The snow modeling performed based on some few snowy days, the Angstrom–Prescott model with focusing the histogram error between -2 to 0.5 cm can be considered as the best model and the Bristow-Campbell and Black models showed similar but not as good performance.
On the whole, the results indicated that the appropriate outcomes were obtained when applying the global radiation estimated by Angstrom–Prescott model as the input of all of the processes models. Regarding Bristow-Campbell and Black methods, which led to obtaining relatively similar results, applying them as the inputs of different models led to a diversity of results including very appropriate (for reference evapotranspiration), appropriate (for net radiation), relatively appropriate (soil temperature and moisture) and not-appropriate (for snow).

Keywords

Main Subjects

References

ابراهیمی، ح.، آقاشریعتمداری، ز.، حجابی، س. و قمشلو، ن. (1399). ارزیابی کارایی سامانه استنتاج تطبیقی عصبی-فازی (ANFIS) در برآورد تابش کل خورشیدی. هواشناسی کشاورزی، 8(1)، 3-14.
احمدی باصری، ن.، سبزی پرور، ع.ا.، خدامرادپور، م.، گررو راسکادو، خ.ل. و آلادوس آربولداس، ل. (1399الف). ارزیابی محصولات مختلف ماهواره‌ای تابش سطح زمین با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده‌ی زمینی در اقلیم‌های مختلف ایران. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 52(3)، 429-443.
احمدی باصری، ن.، سبزی پرور، ع.ا.، خدامرادپور، م.، گررو راسکادو، خ.ل. و آلادوس آربولداس، ل. (1399ب). ارزیابی کارایی سامانه GLDAS در برآورد تابش سطح روزانه در ایران. آب و خاک، 34(2)، 501-513.
اسمعیلی، س.، خوشخو، ی.، بابایی، خ. و اسعدی اسکوئی، ا. (1396). برآورد تبخیر و تعرق واقعی محصول برنج با به‌کارگیری الگوریتم METRIC در بخشی از شمال ایران. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 24(6)،105-122.
اسمعیلی، س.، خوشخو، ی. و عبداللهی، م. (1397). برآورد پارامترهای روزانه و ماهانه دمای هوا در استان کردستان با به‌کارگیری تصاویر سنجنده MODIS. تحقیقات آب و خاک ایران، 49(2)، 413-423.
آقاشریعتمداری، ز.، خلیلی، ع.، ایران نژاد، پ. و لیاقت، ع. (1390). واسنجی و تغییرات سالانه ضرایب رابطه آنگستروم-پرسکات. نشریه آب و خاک، 25(4)، 905-911.
جانباز قبادی، غ. (1396). واسنجی و اعتبارسنجی مدل برآورد میزان تابش خورشید جهانی و پهنه‌بندی میزان آن از داده های ایستگاه‌های هواشناسی استان مازندران. فصلنامه جغرافیا و برنامه ریزی منطقه ای، 8(1)، 237-249.
حیدری تاشه کبود، ش. و خوشخو، ی. (1398). تصویرسازی و پیش‌بینی تغییرات آتی تبخیر و تعرق مرجع در مقیاس‌های فصلی و سالانه در غرب ایران بر اساس سناریوهای انتشار RCP. مجله تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، 53، 157-176.
خلیلی، ع. و رضایی صدر، ح. (1376). برآورد تابش کلی خورشید در گستره ایران بر مبنای داده‌های اقلیمی. مجله تحقیقات جغرافیایی، 46، 15-35.
خوشخو، ی.، خلیلی، ع.، رحیمی، ح. و ایران نژاد، پ. (1388). شبیه‌سازی عددی و بررسی آزمایشگاهی ضریب پخشیدگی گرمایی خاک یخ‌زده در شرایط رطوبتی مختلف. مجله فیزیک زمین و فضا، 35(1)، 89-99.
خوشخو، ی.، ایران نژاد، پ.، خلیلی، ع.، رحیمی، ح. و لیاقت، ع. (1392). ارزیابی مدل COUP برای شبیه‌سازی عمق نفوذ یخبندان خاک در ایستگاه سینوپتیک بیجار. مجله هواشناسی کشاورزی، 1، 11-20.
خوشخو، ی. (1395). واسنجی و اعتبارسنجی مدل برف تک لایه (SLSM) برای شبیه‌سازی عمق برف در ایستگاه سینوپتیک سقز. مجله تحقیقات آب و خاک ایران، 47(3)، 517-527.
خوشخو، ی. (1397). ارزیابی دو روش بیلان انرژی در سطح خاک و استفاده از تصاویر ماهواره­ای جهت برآورد میانگین شبانه­روزی دمای سطح خاک. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 25(3)، 177-192.
رودری، آ. و زندپارسا، ش. (1393). برآورد تابش خورشیدی ساعتی رسیده به گیاه گندم. هواشناسی کشاورزی، 1(2)، 1-10.
سبزی پرور، ع.ا.، تفضلی، ف.، زارع ابیانه، ح.، بانژاد، ح.، موسوی بایگی، م.، غفوری، م.، محسنی موحد، ا. و مریانجی، ز. (1387). مقایسه چند مدل برآورد تبخیر-تعرق گیاه مرجع در یک اقلیم سرد نیمه خشک به منظور استفاده بهینه از مدل‌های تابش. آب و خاک، 22(2)، 327-340.
سبزی پرور، ع.ا.، عاقل پور، پ. و ورشاویان، و. (1398). مقایسه‌ی عملکرد رگرسیون خطی چندمتغیره و مدل‌های هوش مصنوعی در تخمین تابش کل خورشیدی. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 51(2)، 353-372.
شفیعی، م.، بذرافشان، ج. و ایران نژاد، پ. (1398). مقایسه چهار روش تحلیل حساسیت پارامترهای مدل مفهومی HBV برای حوضه آبریز کرخه و زیرحوضه های آن. مجله فیزیک زمین و فضا، 45(1)، 89-105.
صداقت مصعبی، ب.، آقا شریعتمداری، ز.، قربانی، خ. و حجابی، س. (1398). ارزیابی کارایی مدل‌های برآورد تابش خورشید در سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای. تحقیقات آب و خاک ایران، 50(8)، 1963-1973.
عطایی، ف.، ایران نژاد، پ.، مزرعه­ئی فراهانی، م. و علیزاده، ا. (1395). شبیه‌سازی توزیع ذرات گردوخاک در مقیاس جهانی و تاثیرشان بر شارش‌های‌ تابشی با استفاده از مدل WRF/Chem. فیزیک زمین و فضا، 42(3)، 619-632.
قهرمان، ن.، ایران نژاد، پ. و نوروز ولاشدی، ر. (1393). مقایسه عملکرد دو مدل شبیه‌سازی فیزیکی و رگرسیونی برای برآورد دمای خاک زیر پوشش چمن در اقلیم کرج. تحقیقات آب و خاک ایران، 45، 243-253.
مشایخی، ر.، ایران نژاد، پ. و علی اکبری بیدختی، ع. (1389). شبیه­سازی هواویزها و واداشت تابشی ناشی از آن‌ها با استفاده از مدل جفت شده هواویز HAM و مدل میان مقیاس پیش­بینی وضع هوا WRF. فیزیک زمین و فضا، 36 (2)، 91-107.
نوروز ولاشدی، ر.، قهرمان، ن. و ایران نژاد، پ. (1391). ارزیابی مدل شبیه‌­سازی COUP جهت برآورد رطوبت و دمای خاک با پوشش گیاهی‌ ذرت و خاک بدون پوشش. پژوهش­های خاک، 26(1)، 55-66.
Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., & Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements. Irrigation and Drainage Paper, 56, FAO, Rome. 300p.
Almorox, J., & Hontoria, C. (2004). Global solar radiation estimation using sunshine duration in Spain. Energy Conversion and Management, 45, 1529-1535.
Alvenas, G., & Jansson, P.E. (1997). Model for evaporation, moisture and temperature of bare soil: Calibration and sensitivity analysis. Agricultural and Forest Meteorology, 88, 47-56.
Angstrom, A. (1924). Solar and terrestrial radiation. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 50, 121-126.
Bahel, V., Bakhsh, H., & Srinivasan, R. (1987). A correlation for estimation of global solar radiation. Energy, 12, 131–135.
Bakirci, K. (2009). Correlations for estimation of daily global solar radiation with hours of bright sunshine in Turkey. Energy, 34, 485–501.
Besharat, F., Dehghan, A., & Faghih, A.R. (2013). Empirical models for estimating global solar radiation: a review and case study. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21, 798–821.
Black, J.N. (1956). The distribution of solar radiation over the earth's surface, Archives for Meteorology. Geophysics, and Bioclimatology, 7, 89-156.
Bristow, K.L., & Campbell, G.S. (1984). On the relationship between incoming solar radiation and daily maximum and minimum temperature. Agricultural and Forest Meteorology, 31, 66-159.
Chukwujindu, N.S. (2017). A comprehensive review of empirical models for estimating global solar radiation in Africa. Renewable and sustainable energy reviews, 78, 955-995.
Elagib, N., & Mansell, M.G. (2000). New approaches for estimating global solar radiation across Sudan. Energy Conversion and Management, 41, 419-434.
Ghahreman, N., & Bakhtiari, B. (2009). Solar radiation estimation from rainfall and temperature data in arid and semi-arid climates of Iran. Desert, 14(2), 141-150.
Garcia, J.V. (1994). Physical principles of climatology, National Agrarian University Press, Lima, Peru, 650 p.
Gustafsson, D., Stahli, M., & Jansson, P.E. (2000). The surface energy balance of a snow cover: comparing measurements to two different simulation models. Theoretical and Applied Climatology, 70, 81-96.
Hargreaves, G.L., & Riley, J.P. (1985). Irrigation water requirements for Senegal river basin. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 111, 265-275.
Hunt, L.A., Kuchar, L., & Swanton, C.J. (1998). Estimation of solar radiation for use in crop modeling. Agricultural and Forest Meteorology, 91(3-4), 293-300.
Jansson, P.E., & Karlberg, L. (2001). Coupled heat and mass transfer model for soil-plant-atmosphere systems. Dept. of Land and Water Resource Engineering, Royal Inst. of Technology, Stockholm, 321 p.
Khoshkhoo, Y., Jansson, P.E., Irannejad, P., Khalili, A., & Rahimi, H. (2015). Calibration of an energy balance model to simulate wintertime soil temperature, soil frost depth, and snow depth for a 14-year period in a highland area of Iran, Cold Regions Science and Technology, 119, 47-60.
Konzelmann, T., Van de Wal, R.S.W., Greuell, W., Bintanja, R., Henneken, E.A.C., & Abe-Ouchi, A. (1994). Parameterization of global ad long wave incoming radiation for the Greenland Ice Sheet. Global and Planetary Change, 9, 143-164.
Li, M.F., Tang, X.P., Wu, W., & Liu, H.B. (2013). General models for estimating daily global solar radiation for different solar radiation zones in mainland China. Energy conversion and management, 70, 139-148.
Ogelman, H., Ecevit, A., & Tasemiroglu, E. (1984). A new method for estimating solar radiation from bright sunshine data. Solar Energy, 33, 619–625.
Prieto, J.I., & García, D. (2021). Global solar radiation models: A critical review from the point of view of homogeneity and case study. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 155, 1-21.
Prescott, J.A. (1940). Evaporation from water surface in relation to solar radiation. Transactions of the Royal Society of South Australia, 64, 114–118.
Teke, A., & Yildirim, H.B. (2014). Estimating the monthly global solar radiation for Eastern Mediterranean Region. Energy Conversion and Management, 87, 628–35.
Togrul, I.T., & Onat, E. (1999). A study for estimating solar radiation in Elazig using geographical and meteorological data. Energy Conversion and Management, 40(14), 1577–1584.
Urraca, R., Martinez-de-Pison, E., Sanz-Garcia, A., Antonanzas, J., & Antonanzas-Torres, F. (2017). Estimation methods for global solar radiation: Case study evaluation of five different approaches in central Spain. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 1098-1113.
Journal of the Earth and Space Physics
Volume 49, Issue 1
online publication date: 14 June 2023
June 2023
Pages 137-152

Files

Share

How to cite

Statistics