Spatial and temporal patterns of solar radiation based on topography and air temperature

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Abstract:

Incident solar radiation is a driving force for many ecological and hydrological processes. For this study, we developed TopoRad, a new radiation model, to describe spatial and temporal patterns of daily radiation based on topography and daily temperature regimes. The model was applied to the Mount Jumbong Forest, located in the mid-eastern area of the Korean peninsula; and the model calculations were evaluated by varying the spatial scales of the digital elevation models (DEMs). In the TopoRad, a clearness index was used to calculate global radiation on a horizontal surface and to partition direct and diffuse radiation. Topographic corrections were separately calculated for each direct and diffuse radiation, using daily topographic modifiers calculated from a DEM. TopoRad predicted daily global radiation of five weather stations with a mean absolute error of 3.1 MJ·m–2·day–1 and a mean bias of –0.3 MJ·m–2·day–1. In the spatial application for Mount Jumbong Forest, distinctively different patterns between direct and diffuse radiations were found where direct radiation (5.2 MJ·m–2·day–1) had more influence than diffuse radiation (4.6 MJ·m–2·day–1) on annual mean daily radiation. When the scaling effect was inspected across different spatial resolutions, the predicted global radiation was nonlinearly related to spatial resolutions. As the spatial resolution became more coarse, the predicted radiation decreased for south-facing slopes and increased for north-facing slopes, indicating that the predictions from the models cannot be generalized for gradients. TopoRad is better suited to predict daily radiation in rugged landscapes where fine-scale prediction is required.

Le rayonnement solaire incident est la source d'énergie de plusieurs processus écologiques et hydrologiques. Dans le cadre de cette étude, nous avons développé un nouveau modèle de rayonnement, TopoRad, pour décrire les variations spatiale et temporelle du rayonnement journalier sur la base de la topographie et du régime journalier de température. Le modèle a été utilisé à la forêt du mont Jumbong qui est située dans le centre-est de la péninsule coréenne. Les calculs effectués par le modèle ont été évalués en faisant varier l'échelle spatiale des modèles numériques d'altitude. TopoRad utilise un indice de clarté pour estimer le rayonnement global sur une surface horizontale et séparer les rayonnements direct et diffus. Les corrections topographiques ont été calculées séparément pour les rayonnements direct et diffus, en utilisant des modificateurs topographiques journaliers estimés au moyen d'un modèle numérique d'altitude. TopoRad a prédit le rayonnement global journalier pour cinq stations météorologiques avec une erreur absolue moyenne de 3,1 MJ·m–2·jour–1 et un biais moyen de –0,3 MJ·m–2·jour–1. Des patrons nettement différents ont été observés pour les rayonnements direct et diffus suite à l'application spatiale du modèle à la forêt du mont Jumbong. Le rayonnement direct (5,2 MJ·m–2·jour–1) avait plus d'influence sur la moyenne annuelle du rayonnement journalier que le rayonnement diffus (4,6 MJ·m–2·jour–1). Lorsque l'effet d'échelle a été examiné en ayant recours à différentes résolutions spatiales, le rayonnement journalier calculé était non linéairement relié à la résolution spatiale. À mesure que la résolution spatiale devient plus grossière, le rayonnement calculé diminue sur les pentes orientées au sud et augmente sur les pentes orientées au nord, indiquant que les prédictions des modèles ne peuvent pas être généralisées pour les gradients. TopoRad est mieux adapté pour prédire le rayonnement journalier pour les paysages accidentés où il est nécessaire d'obtenir une prédiction à petite échelle.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 2002

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