基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的西北地區(qū)太陽(yáng)輻射模擬及時(shí)空特征分析.pdf

1、太陽(yáng)輻射作為天氣、氣候形成和演變的基本動(dòng)力,它從根本上決定著地球大氣的能量平衡過(guò)程。太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可以用于模擬地表動(dòng)力和熱力過(guò)程,是生態(tài)、水文、作物、太陽(yáng)輻射傳輸、全球環(huán)流等模型的重要輸入?yún)?shù),定量模擬太陽(yáng)輻射對(duì)了解和認(rèn)識(shí)干旱半干旱地區(qū)氣候變化至關(guān)重要。西北地區(qū)輻射臺(tái)站稀少且分布不均,因此僅利用稀少的輻射站點(diǎn)資料進(jìn)行內(nèi)插或外推獲得的輻射數(shù)據(jù)具有很大不確定性,內(nèi)插或者外推在較大范圍得到的值太平滑,無(wú)法刻畫空間非均一性,而BP(Back pr

2、opagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)太陽(yáng)輻射具有很好的預(yù)測(cè)性,但以往的研究都是基于單個(gè)站點(diǎn)模擬太陽(yáng)輻射,且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型存在收斂速度慢、學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,為了克服BP算法存在的這些缺點(diǎn),本文采用LM(Levenberg-Marquardt)算法優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,利用西北地區(qū)159個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù),模擬了1990—2012年的太陽(yáng)總輻射月總量,結(jié)合25個(gè)輻射觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)空間插值得到了該區(qū)太陽(yáng)總輻

3、射的空間分布,并分析了其時(shí)空分布及變化特征。本文的研究結(jié)果可為西北地區(qū)太陽(yáng)輻射的研究及各類模型提供重要的理論參考和數(shù)據(jù)支持,同時(shí)也為無(wú)輻射觀測(cè)地區(qū)太陽(yáng)輻射的計(jì)算提供一種可靠的方法。具體內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分:
　　(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠較好地處理回歸模型不能解決的非線性問(wèn)題,但輸入變量信息的冗余使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的求解變得不穩(wěn)定且收斂速度較慢。通過(guò)定量分析各個(gè)輸入變量對(duì)輸出變量的影響程度,對(duì)所選的輸入變量進(jìn)行優(yōu)化約簡(jiǎn),剔除模型中存在的冗余

4、變量,從而降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入維數(shù),簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和學(xué)習(xí)效率。
　　(2)以MATLAB為計(jì)算平臺(tái),采用算法改進(jìn)后的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬了西北地區(qū)烏魯木齊、喀什、哈密、西寧、固原5個(gè)代表站點(diǎn)的太陽(yáng)總輻射月總量,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并與兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?基于日照百分率的A-P模型和基于溫度日較差的H-S模型)的模擬結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和誤差分析,得出LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬精度比較高。
　　(3)利用LM-BP神

5、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬了西北地區(qū)1990—2012年159個(gè)氣象站點(diǎn)的太陽(yáng)總輻射月總量,結(jié)合25個(gè)輻射觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)該區(qū)太陽(yáng)總輻射月總量進(jìn)行空間插值,研究了太陽(yáng)總輻射的時(shí)空分布及變化特征,并分析了影響太陽(yáng)總輻射變化的主要原因。
　　通過(guò)本文的研究得出以下結(jié)論:
　　(1)與傳統(tǒng)BP算法相比,利用LM算法改進(jìn)后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,即LM-BP模型具有更好的非線性映射能力,訓(xùn)練時(shí)間明顯縮短,訓(xùn)練誤差很小,表現(xiàn)出很好的擬合性。利用L

6、M-BP模型和兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e模擬了5個(gè)代表站點(diǎn)的太陽(yáng)總輻射,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)三種模型的模擬結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和誤差分析,結(jié)果表明,LM-BP模型模擬太陽(yáng)輻射的效果最佳,精度最高,模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度明顯優(yōu)于其他兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>　　(2)西北地區(qū)1990—2012年的年均總輻射月總量變化為262~643 MJ/m2,呈現(xiàn)“中間高,兩端低”的空間分布特征;該區(qū)幾乎所有地方的太陽(yáng)總輻射均呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì),傾向率變化為–88.9~3

7、0.1 MJ/(m2·10a);1961—2012年,太陽(yáng)總輻射以–74.8 MJ/(m2·10a)的速率呈遞減趨勢(shì),其變化分為兩個(gè)階段:1961—1989年為顯著減小階段,變化率為–237 MJ/(m2·10a),1990—2012年為緩慢的增大階段,但增大趨勢(shì)不明顯,變化率為14 MJ/(m2·10a)。
　　(3)太陽(yáng)總輻射的季節(jié)分布表明,四季的平均總輻射月總量的變化為170~830 MJ/m2;太陽(yáng)總輻射月總量的年內(nèi)分布表