Kaikki elävät ja elottomat kappaleet säteilevät pitkäaaltoista säteilyä. Säteilyn suuruus on verrannollinen kappaleen lämpötilaan (mitattuna kelvinasteina) korotettuna neljänteen potenssiin. Merkittäviä pitkäaaltosäteilyn lähteitä hydrologisissa sovelluksissa ovat itse ilmakehä ja ilmakehässä paikallisesti mahdollisesti esiintyvät pilvet. Pilvissä on yleensä suurempi lämpösisältö ja korkeampi lämpötila kuin kirkkaassa ilmakehässä, ja siksi alaspäin suuntautuva pitkäaaltosäteily lisääntyy pilvisinä päivinä. Se, ovatko ilmakehä ja pilvet pitkän aallon säteilyn nettolähde maanpinnalle, riippuu niiden lämpötilasta suhteessa maanpinnan lämpötilaan. Useimmissa tapauksissa nettomääräinen pitkäaaltosäteily on päivällä saapuvaa ja yöllä lähtevää.
Meteorologiseen malliin sisältyvä pitkäaaltosäteilymenetelmä on välttämätön vain silloin, kun käytetään energiatasapainomenetelmiä haihdutukseen tai lumen sulamiseen. Käytettävissä olevat vaihtoehdot kattavat yksityiskohtaisuuden yksinkertaisesta monimutkaiseen. Yksinkertaiset täsmennetyt menetelmät ovat käytettävissä myös aikasarjan tai ruudukon syöttämistä varten. Kukin vaihtoehto tuottaa maanpinnalle saapuvan alaspäin suuntautuvan pitkäaaltosäteilyn. Maanpinnan absorptio ja säteily lasketaan osavaluma-alueen elementissä. Kustakin menetelmästä kerrotaan tarkemmin seuraavissa kappaleissa.
FAO56-menetelmä toteuttaa Allenin, Pereiran, Raesin ja Smithin (1998) yksityiskohtaisen algoritmin. Algoritmi laskee auringon deklinaation ja aurinkokulman kullekin simulaation aikaväylälle käyttäen osavaluma-alueen koordinaatteja, vuoden juliaanista päivää ja kellonaikaa aikaväylän puolivälissä. Auringon arvoja käytetään kunkin osavaluma-alueen kirkkaan taivaan säteilyn laskemiseen. Laskettu lyhytaaltosäteily jaetaan sitten lasketulla kirkkaan taivaan säteilyllä, jotta voidaan arvioida maahan saapuvan lyhytaaltosäteilyn osuus. Lopuksi maahan saapuvan lyhytaaltosäteilyn osuus yhdistetään höyrynpaineeseen, jotta voidaan laskea alaspäin suuntautuvan pitkäaaltosäteilyn vähennys Stefan-Bolrzmanin yhtälön perusteella.
FAO56-menetelmään sisältyy komponenttieditori, jossa on parametritietoja kaikista meteorologisen mallin osa-altaista; samat tiedot jaetaan myös FAO56:n lyhyen aallon säteilymetodin kanssa. Kun FAO56-menetelmää käytetään sekä lyhytaalto- että pitkäaaltosäteilyyn, kuvake näyttää ensisijaisesti lyhytaaltosäteilyn kuvaketta. Mukana on myös komponenttieditori kutakin osavaluma-aluetta varten. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn pitkäaaltokomponenttieditoreihin käyttämällä pilven mustan kappaleen säteilyä kuvaavaa kuvaa (kuva 1).
Lämpötilamittari ja tuulennopeusmittari on valittava ilmakehämuuttujista kullekin osavaluma-alueelle. Vesihöyrymenetelmä vaatii suhteellisen kosteuden, kastepistelämpötilan tai ilman lämpötilamittarin riippuen valitusta höyrynpainetyypistä.
Kuva 1. FAO56:n pitkäaaltomenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kaikille osavaluma-alueille ja erillinen komponenttieditori kullekin yksittäiselle osavaluma-alueelle.
Komponenttieditori kaikille osavaluma-alueille meteorologisessa mallissa sisältää aikavyöhykkeen keskimeridiaanin (kuva 2). Aikavyöhykkeelle ei ole tällä hetkellä määritelmää, joten pituuspiiri on määritettävä manuaalisesti. Keskusmeridiaani on yleensä paikallisen aikavyöhykkeen keskipisteen pituusaste. Nollan pituuspiirin länsipuolella olevat pituuspiirit olisi määritettävä negatiivisina, kun taas nollan pituuspiirin itäpuolella olevat pituuspiirit olisi määritettävä positiivisina. Meridiaani voidaan määrittää desimaaliasteina tai asteina, minuutteina ja sekunteina ohjelman asetuksista riippuen.
Kuvio 2. Meridiaani. FAO56:n pitkäaaltomenetelmä vaatii aikavyöhykkeen keskimeridiaanin.
Meteorologisen mallin kunkin osavaluma-alueen komponenttieditoria käytetään höyrynpainetyypin valitsemiseen ja parametritietojen syöttämiseen, jotka ovat tarpeen kirkkaan taivaan mustan kappaleen säteilyn erojen huomioimiseksi (kuva 3). Todellista höyrynpainetta käytetään kosteuskorjauksena säteilevälle pitkäaaltosäteilylle. Todellinen höyrynpaine voidaan laskea kastepistelämpötilan, suhteellisen kosteuden tai päivittäisen minimilämpötilan avulla. Päivittäistä vähimmäislämpötilavaihtoehtoa olisi käytettävä silloin, kun suhteellista kosteutta tai kastepistettä koskevia tietoja ei ole saatavilla; päivittäinen vähimmäislämpötilavaihtoehto olettaa kastepistelämpötilan olevan yhtä suuri kuin päivittäinen vähimmäislämpötila. Tällä hetkellä ainoa menetelmä kirkkaan taivaan säteilyn erojen laskemiseksi perustuu korkeuteen. Kullekin osavaluma-alueelle olisi syötettävä edustava korkeusasema.
Kuvio 3. Korkeusasema. Höyrynpainetyypin ja edustavan korkeusaseman määrittäminen osavaluma-alueelle FAO56:n pitkän aallon osavaluma-aluekomponenttieditorissa.
Ruudukkomuotoinen pitkäaalto
Ruudukkomuotoinen pitkäaaltomenetelmä on suunniteltu toimimaan ModClark-ruutumuuntimen kanssa. Sitä voidaan kuitenkin käyttää myös muiden aluekeskiarvomuunnosmenetelmien kanssa. Menetelmän yleisin käyttötapa on käyttää ulkopuolisen mallin, esimerkiksi dynaamisen ilmakehämallin, tuottamia rasteroituja pitkäaaltosäteilyestimaatteja. Jos sitä käytetään muun muunnosmenetelmän kuin ModClarkin kanssa, käytetään pinta-alapainotettua keskiarvoa osavaluma-alueen ruudukkosoluista kunkin osavaluma-alueen pitkäaaltosäteilyn aikasarjan laskemiseen.
Ruudukkomuotoisen pitkäaaltosäteilyn menetelmä sisältää komponenttieditorin (Component Editor), jossa on parametritietoja kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn pitkäaaltokomponenttieditoriin käyttämällä kuvaa pilvien alaspäin suuntautuvasta säteilystä (kuva 4).
Kuva 4. Rasteroitua pitkäaaltomenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille.
Komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille sisältää tietolähteen valinnan (kuva 5). Säteilyverkkosarja on valittava kaikille osavaluma-alueille. Nykyiset gridsetit näkyvät valintaluettelossa. Jos käytettävissä on monia eri gridseettejä, voit valita gridsetin valintaluettelon vieressä olevalla grid-painikkeella käytettävästä valitsimesta. Valitsin näyttää kunkin gridsetin kuvauksen, mikä helpottaa oikean gridsetin valitsemista.
Kuvio 5. Gridsetin valinta. Pitkäaaltosäteilyn tietolähteen määrittäminen gridded longwave -menetelmää varten.
Satterlund
Satterlundin menetelmä (Satterlund, 1979) käyttää lämpötilaa ja höyrynpainetta saapuvan pitkäaaltosäteilyn arviointiin. Vaikka tietyt fysikaaliset rajat on asetettu, lähestymistapa on pohjimmiltaan empiirinen. Se antaa hyviä arvioita useimmiten kirkkaalla taivaalla ja toimii edelleen hyvin, vaikka lämpötila laskee alle jäätymispisteen. Sen etuna on, että se vaatii vain helposti saatavilla olevia meteorologisia tietoja.
Satterlundin menetelmään sisältyy komponenttieditori, jossa on parametritiedot jokaiselle meteorologisen mallin osavaluma-alueelle. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn pitkäaaltokomponenttieditoreihin käyttämällä kuvaa pilvestä lähtevästä lämpösäteilystä (kuva 6).
Lämpötilamittarista on valittava ilman lämpötilamittari ja tuulennopeusmittari kunkin osavaluma-alueen ilmakehämuuttujista. Lisäksi vesihöyry on määritettävä joko suhteellisen kosteuden tai kastepistelämpötilamittarin avulla.
Kuva 6. Vesihöyryn määrittäminen. Satterlundin pitkäaaltomenetelmää käyttävä meteorologinen malli, jossa on komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille.
Sisään tuleva pitkäaaltosäteily lasketaan käyttäen ideaalisen mustan kappaleen säteilyn yhtälön muunnettua muotoa. Emissiivisyys lasketaan lämpötilan funktiona, jossa lämpötilakertoimen oletusarvo on 2016 Kelvin. Emissiivisyyskerroin on mukana kalibrointia varten, vaikka oletusarvoa 1,08 käytetään yleisesti. Emissiviteetti- ja lämpötilakerroin voidaan syöttää komponenttieditoriin kuvan 7 mukaisesti.
Kuva 7. Emissiviteetti- ja lämpötilakerroin. Termodynaamisten ominaisuuksien määrittäminen kullekin osavaluma-alueelle.
Specified Pyrgeograph
Pyrgeometri on laite, jolla voidaan mitata alaspäin suuntautuvaa pitkäaaltoista säteilyä. Ne eivät kuulu säähavainnon perusasemiin, mutta voivat olla mukana ensimmäisen luokan asemilla. Tätä menetelmää voidaan käyttää pyrgeometrin havaintoarvojen tuontiin tai sitä voidaan käyttää ulkoisen mallin tuottamien estimaattien tuontiin.
Editoituun pyrgeografiamenetelmään sisältyy komponenttieditori, jossa on parametritiedot kaikille meteorologisen mallin osa-alueille. Watershed Explorer tarjoaa pääsyn pitkäaaltokomponenttieditoriin käyttämällä kuvaa pilvestä tulevasta lämpösäteilystä (kuva 8).
Komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osa-altaille sisältää pitkäaaltosäteilyn aikasarjamittauksen kullekin osa-altaalle (kuva 9). Säteilymittari on valittava osa-altaalle. Nykyiset mittarit näkyvät valintaluettelossa.
Kuvio 8. Säteilymittarit. Meteorologinen malli, jossa käytetään määritettyä pyrgeografista pitkäaaltomenetelmää, ja komponenttieditori kaikille meteorologisen mallin osavaluma-alueille.
Kuva 9. Meteorologinen malli, jossa käytetään määritettyä pyrgeografista pitkäaaltomenetelmää. Pitkäaaltosäteilyn aikasarjan mittarin määrittäminen kullekin osavaluma-alueelle.
