Wszystkie ciała żywe i nieożywione emitują promieniowanie długofalowe. Wielkość tego promieniowania jest proporcjonalna do temperatury (mierzonej w stopniach Kelvina) ciała podniesionej do czwartej potęgi. Istotne źródła promieniowania długofalowego w zastosowaniach hydrologicznych obejmują samą atmosferę oraz wszelkie chmury, które mogą być obecne lokalnie w atmosferze. Chmury zazwyczaj mają większą zawartość ciepła i wyższą temperaturę niż czysta atmosfera, dlatego w pochmurne dni występuje zwiększone ujemne promieniowanie długofalowe. To, czy atmosfera i chmury są źródłem netto promieniowania długofalowego do powierzchni ziemi, zależy od ich temperatury w stosunku do temperatury powierzchni ziemi. W większości przypadków, promieniowanie długofalowe netto jest przychodzące w godzinach dziennych, a wychodzące w godzinach nocnych.
Metoda promieniowania długofalowego zawarta w modelu meteorologicznym jest konieczna tylko wtedy, gdy metody bilansu energetycznego są stosowane do ewapotranspiracji lub topnienia śniegu. Dostępne opcje obejmują zakres szczegółowości od prostych do złożonych. Proste, określone metody są również dostępne w przypadku wprowadzania szeregu czasowego lub siatki. Każda opcja wytwarza unoszące się w dół promieniowanie długofalowe docierające do powierzchni ziemi. Absorpcja i promieniowanie przez powierzchnię ziemi jest obliczane w ramach elementu zlewni. Więcej szczegółów na temat każdej z metod podano w następujących sekcjach.
Metoda FAO56 implementuje algorytm opisany szczegółowo przez Allena, Pereirę, Raesa i Smitha (1998). Algorytm ten oblicza deklinację słoneczną i kąt słoneczny dla każdego przedziału czasowego symulacji, wykorzystując współrzędne zlewni, dzień juliański roku i czas w połowie przedziału. Wartości słoneczne są wykorzystywane do obliczania promieniowania czystego nieba dla każdej zlewni. Obliczone promieniowanie krótkofalowe jest następnie dzielone przez obliczone promieniowanie czystego nieba, aby oszacować frakcję promieniowania krótkofalowego docierającego do ziemi. Wreszcie, frakcja promieniowania krótkofalowego docierającego do ziemi jest łączona z ciśnieniem pary wodnej w celu obliczenia redukcji promieniowania długofalowego unoszącego się w dół w oparciu o równanie Stefana-Bolrzmana.
Metoda FAO56 zawiera edytor komponentów z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym; te same dane są również współdzielone z metodą promieniowania krótkofalowego FAO56. Gdy FAO56 jest używana zarówno dla promieniowania krótkofalowego jak i długofalowego, ikona będzie preferencyjnie pokazywać ikonę fal krótkich. Edytor komponentów jest również dołączony dla każdej zlewni. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytorów składowych fal długich za pomocą obrazu promieniowania ciała czarnego chmur (Rysunek 1).
W zmiennych atmosferycznych dla każdej zlewni należy wybrać miernik temperatury powietrza i miernik prędkości wiatru. Metoda pary wodnej będzie wymagała wilgotności względnej, temperatury punktu rosy lub temperatury powietrza w zależności od wybranego typu ciśnienia pary wodnej.
Rysunek 1. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę fal długich FAO56 z edytorem komponentów dla wszystkich zlewni i osobnym edytorem komponentów dla każdej zlewni.
Edytor komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera środkowy południk strefy czasowej (Rysunek 2). Obecnie nie ma specyfikacji dla strefy czasowej, więc południk musi być określony ręcznie. Południk centralny jest zwykle długością geograficzną w środku lokalnej strefy czasowej. Południki na zachód od zera długości geograficznej powinny być określane jako ujemne, natomiast południki na wschód od zera długości geograficznej powinny być określane jako dodatnie. Południk może być podany w stopniach dziesiętnych lub stopniach, minutach i sekundach w zależności od ustawień programu.
Rysunek 2. Metoda fal długich FAO56 wymaga podania południka centralnego strefy czasowej.
Edytor komponentów dla każdej zlewni w modelu meteorologicznym służy do wyboru typu prężności pary i wprowadzenia danych parametrów niezbędnych do uwzględnienia różnic w stosunku do promieniowania ciała czarnego na czystym niebie (Rysunek 3). Rzeczywiste ciśnienie pary wodnej jest wykorzystywane jako poprawka wilgotnościowa dla emitowanego promieniowania długofalowego. Rzeczywiste ciśnienie pary wodnej może być obliczane na podstawie temperatury punktu rosy, wilgotności względnej lub minimalnej temperatury dobowej. Opcja minimalnej temperatury dobowej powinna być stosowana, gdy nie są dostępne dane dotyczące wilgotności względnej lub punktu rosy; opcja minimalnej temperatury dobowej zakłada, że temperatura punktu rosy jest równa minimalnej temperaturze dobowej. Obecnie jedyną metodą obliczania różnic w stosunku do promieniowania czystego nieba jest metoda oparta na wysokości nad poziomem morza. Należy wprowadzić reprezentatywne wzniesienie dla każdej zlewni.
Rysunek 3. Określanie typu ciśnienia pary wodnej i reprezentatywnej wysokości dla zlewni w edytorze komponentu FAO56 longwave subbasin.
Gridded Longwave
Metoda gridded longwave została zaprojektowana do pracy z transformacją gridded ModClark. Jednakże, może być ona również używana z innymi metodami transformacji średnich obszarowych. Najczęstszym zastosowaniem tej metody jest wykorzystanie szacunków gridded longwave radiation wyprodukowanych przez model zewnętrzny, na przykład, dynamiczny model atmosferyczny. Jeśli jest ona używana z metodą transformacji inną niż ModClark, do obliczenia szeregu czasowego promieniowania długofalowego dla każdej zlewni używana jest średnia ważona obszaru komórek siatki w zlewni.
Kratkowana metoda fal długich zawiera edytor komponentów z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytora składowych fal długich za pomocą obrazu promieniowania spływającego z chmur (Rysunek 4).
Rysunek 4. Model meteorologiczny wykorzystujący gridded longwave method z edytorem komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym.
Edytor komponentów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera wybór źródła danych (Rysunek 5). Dla wszystkich zlewni musi być wybrany zestaw siatek radiacyjnych. Bieżące zestawy siatek są wyświetlane na liście wyboru. Jeśli dostępnych jest wiele różnych siatek, można wybrać siatkę z selektora dostępnego za pomocą przycisku siatki obok listy wyboru. Selektor wyświetla opis każdego zestawu siatek, ułatwiając wybór właściwego zestawu.
Rysunek 5. Określanie źródła danych promieniowania długofalowego dla gridded longwave method.
Satterlund
Metoda Satterlunda (Satterlund, 1979) wykorzystuje temperaturę i ciśnienie pary wodnej do oszacowania przychodzącego promieniowania długofalowego. Chociaż pewne fizyczne ograniczenia są narzucone, podejście jest zasadniczo empiryczne. Zapewnia ono dobre oszacowania przy przeważnie bezchmurnym niebie i nadal działa dobrze, nawet gdy temperatura spada poniżej punktu zamarzania. Ma tę zaletę, że wymaga tylko łatwo dostępnych danych meteorologicznych.
Metoda Satterlunda zawiera edytor komponentów z danymi parametrów dla każdej zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytorów składowych fal długich za pomocą obrazu promieniowania cieplnego z chmury (Rysunek 6).
W zmiennych atmosferycznych dla każdego zlewni należy wybrać miernik temperatury powietrza i miernik prędkości wiatru. Dodatkowo, para wodna musi być określona za pomocą wilgotności względnej lub temperatury punktu rosy.
Rysunek 6. Model meteorologiczny wykorzystujący metodę długofalową Satterlunda z edytorem składowych dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym.
Wpływające promieniowanie długofalowe jest obliczane przy użyciu zmodyfikowanej formy równania dla idealnego promieniowania ciała czarnego. Emisyjność jest obliczana jako funkcja temperatury, gdzie współczynnik temperatury ma domyślną wartość 2016 Kelwinów. Współczynnik emisyjności jest dołączony do kalibracji, choć domyślna wartość 1,08 jest powszechnie stosowana. Współczynniki emisyjności i temperatury można wprowadzić w edytorze komponentów, jak pokazano na rysunku 7.
Rysunek 7. Określenie właściwości termodynamicznych dla każdej zlewni.
Specyfikowany pyrgeograf
Pyrgeometr jest przyrządem, który może mierzyć unoszące się w dół promieniowanie długofalowe. Nie są one częścią podstawowych meteorologicznych stacji obserwacyjnych, ale mogą być włączone do stacji pierwszego rzędu. Ta metoda może być użyta do importu obserwowanych wartości z pyrgeometru lub może być użyta do importu szacunków wytworzonych przez model zewnętrzny.
Podana metoda pyrgeografu zawiera Component Editor z danymi parametrów dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym. Watershed Explorer zapewnia dostęp do edytorów składowych fal długich za pomocą obrazu promieniowania cieplnego z chmury (Rysunek 8).
Edytor składowych dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym zawiera szereg czasowy pomiarów promieniowania długofalowego dla każdej zlewni (Rysunek 9). Dla zlewni musi być wybrany wskaźnik promieniowania. Na liście wyboru wyświetlane są aktualne rejestry.
Rysunek 8. Model meteorologiczny wykorzystujący określoną metodę długofalową pyrgeografu z edytorem składowych dla wszystkich zlewni w modelu meteorologicznym.
Rysunek 9. Określenie miernika serii czasowej promieniowania długofalowego dla każdej zlewni.
.
