一种基于MEA-BP的太阳辐射反演算法
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第 ４６卷第 ５期 ２０１８年 １０月
气 象 科 技
Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨ Ｎ０ＬｏＧＹ
Ｖ ｏ１．４６．Ｎ Ｏ．５ Ｏ ｃｔ． ２０１８
一 种基 于 ＭＥＡ—ＢＰ的 太 阳辐 射 反 演 算 法
郑 丹 马 尚 昌 张 素娟
（１成 都 信 息 工 程 大 学 电子 工 程 学 院 ，成 都 ６１０２２５；２中 国 气 象 局 大 气 探 测 重 点 开 放 实 验 室 ，成 都 ６１０２２５）
四川 省 科 技 厅 科 技 支 撑 项 目“２０１５ＧＺ０２７８”资 助 作 者 简 介 ：郑 丹 ，女 ，１９９１年 生 ，硕 士 ，从 事 气 象 探 测 技 术 研 究 ，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｄａｎｌ０２０＠ １６３．ｃｏｒｎ 收稿 日期 ：２０１７年 １０月 ２８日 ；定 稿 日期 ：２ｏ１８年 ５月 １８ 日
摘 要 基 于光 电原 理 的 日照计 即 将 在 全 国 推 广 应 用 ，以 光 照 度 观 测 数 据 为 主 反 演 太 阳 辐 射 数 据 可 以 有 效 弥 补 太 阳 辐 射 观测 站数 量 不 足 的 现 状 。针 对 现 有 的 太 阳辐 射 反 演 方 法 的 不 足 ，提 出 一 种 融 合 主 成 分 分 析 （ＰＣＡ）、思 维 进 化 算 法 （ＭＥＡ）和 ＢＰ神 经 网 络 的 复 合模 型 ，利 用 太 阳 光 照 度 、太 阳 高 度 角 、温 度 和 湿 度 观 测 分 钟 数 据 反 演 太 阳 辐 照 度 。首 先 ，以晴 空 指 数 为 依 据 ，基 于 概 率 神 经 网络 （ＰＮＮ）分 类 法 ，将 天 气 类 型 分 为 晴 、云 、阴 ３类 ，分 类 准 确 率 达 到 ９６．６９４８ 。再 利 用 ＰＣＡ 降 维后 的 ４个 影 响 因 子 ，对 ３类 天 气 分 别 采 用 ＢＰ、ＧＡ－ＢＰ和 ＭＥＡ—ＢＰ法 反 演 太 阳 辐 照 度 ，与 标 准 辐 射 表 的实 测 数 据 对 比 。结 果 表 明 ：晴 、云 、阴 的 ＭＥＡ－ＢＰ模 型 的决 定 系 数 最 高 达 到 ０．９９５８，与 单 一 ＢＰ 模 型 相 比 ，ＲＭＳＥ分 别 降 低 了 ４９ 、３２．４５ 和 １Ｏ．６４ ；相 比 于 ＧＡ—ＢＰ模 型 误 差 ，ＭＡＰＥ最 高 减 少 了 ４２．５４ 。本 文所 提 出 的 ＭＥＡ—ＢＰ复 合 模 型 的泛 化 能 力得 到 了 有效 提 高 。 关 键 词 太 阳辐 射 ；晴 空 指 数 ；ＰＮＮ；ＰＣＡ；ＭＥＡ—ＢＰ；误 差 分 析 中 图 分 类 号 ：Ｐ４１２．１４ ＤＯＩ：１Ｏ．１９５１７／ｊ．１６７１－６３４５．２０１７０６４２ 文献 标 识 码 ：Ａ
引 言
气 象 、农 业 、太 阳能 等 领 域 都 需 要 高 精 度 、有 针 对性 的太 阳辐射观测数据 。然而 国内的地面气象 台站 ２４２３个 ，太 阳能 辐射 观测站 却 只有 ９８个 ，无 法满 足 以 大量太 阳辐射数据为基础的定 量化分析 与研究应用 。
２Ｏ１３年启 动 光 电式 日照 计 计 划 ，依 据 ２０１６年 中 国气象 局综 合观 测 司完成 的光 电式 数字 日照计 的 功能 规格 需 求 对 设 备 进 行研 制口］。 目前 ，中 国华 云 气象科技集 团公 司 、江苏无线 电科 学研 究所 有 限公 司 和 中环天仪 （天津 ）气象 仪 器有 限公 司都 已各 自推 出 光 电式 日照计并完 成产 品设计 定型及 测试 ，即将 开展 业务化 使 用 。光 电式 日照 计 采 用 ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ Ｓ１１３３—０１型光 电探 测 器 ，该 光 电 二 极 管 每 ｉ００ Ｌｘ （光 照度 单位 ）可 产生 ５．６ Ａ 电流 ，经 Ｉ—Ｕ 转 换器 后 所 得 电压与 光 照度 成 线性 关 系 ，通 过光 电管 本 身 参 数 推算 出实 时光 照 度 数据 ，从 而 将得 到 的光 照 度 反 演 成辐 照度 后 ，根 据 日照 时数 定 义 （Ｓ≥ １２０ Ｗ ／ｍ 所 累积 的时间 总和 ）计算 出 日照 ，最终 实现 同时对 辐 射 、日照 的观测 。光 电式 日照计 预 计于 ２０１８年在 全
国范 围 内推广使 用 ，届 时将有 ２４００多个 台站 的 日照 计 可 用于 光照 度 的观测 。如 何利 用易 获得 的可靠 气 象要 素数 据反 演太 阳辐 照度 ，对 天气 预报 、太 阳能利 用等 具有 重要 理论 与实 践 意义 。
国内外学 者针 对太 阳辐 射 的Hale Waihona Puke Baidu算 做 了大量 研究 工作 ，主要分 为两 类 ：一 是从 线性 关 系 出发 ，如 ：以光 谱 面积法 建立 Ｅ一（１．０４×１０ ）Ｌ正 比关 系进 行 光 照度 与辐 照 度 的 互 算 ］，针 对 不 同天 气 类 型下 Ｅ—Ｌ 回归 线性 关 系 的 建立 ［３］，及 以 晴空 指 数 和 太 阳高 度 角 进 行 区 间 划 分 提 出 分 段 式 线 性 关 系 ］，还 有 Ｏｒｇｉｌｌ和 Ｈｏｌｌａｎｄｓ模 型 、Ｌａｍ 和 Ｌｉ模 型 等 典 型 线 性模 型 ，这类 研究 侧 重 从 线 性 角 度把 握 太 阳辐 照 度 的计算 ］。二 是从 非线 性着 手 ，经典模 型 有 Ｌｉｕ和 Ｊｏｒｄａｎ模 型 、ＡＳＨＲＡＥ 模 型 等 ～｝。近 年 来 ，具 有 较 强 学 习推广 能力 、能 非 线 性 建 模 等优 势 的智 能 学 习法 在太 阳辐 射反 演 应 用 中 得 到广 泛 推 广 ，如利 用 回归 ＢＰ神经 网络 预 测 太 阳辐 射 ，采 用 小 波 神 经 网 络 、引入蚁 群 算 法 改 进 ＢＰ网 络 以 提 高 太 阳辐 射 模 型精 度¨ｇ 。因受 到天 气 突变 、环 境 状 况 等 随机 条 件 的制约 ，太 阳辐 照 度 的反 演 是 多 因素 综 合 作 用 的
气 象 科 技
Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨ Ｎ０ＬｏＧＹ
Ｖ ｏ１．４６．Ｎ Ｏ．５ Ｏ ｃｔ． ２０１８
一 种基 于 ＭＥＡ—ＢＰ的 太 阳辐 射 反 演 算 法
郑 丹 马 尚 昌 张 素娟
（１成 都 信 息 工 程 大 学 电子 工 程 学 院 ，成 都 ６１０２２５；２中 国 气 象 局 大 气 探 测 重 点 开 放 实 验 室 ，成 都 ６１０２２５）
四川 省 科 技 厅 科 技 支 撑 项 目“２０１５ＧＺ０２７８”资 助 作 者 简 介 ：郑 丹 ，女 ，１９９１年 生 ，硕 士 ，从 事 气 象 探 测 技 术 研 究 ，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｄａｎｌ０２０＠ １６３．ｃｏｒｎ 收稿 日期 ：２０１７年 １０月 ２８日 ；定 稿 日期 ：２ｏ１８年 ５月 １８ 日
摘 要 基 于光 电原 理 的 日照计 即 将 在 全 国 推 广 应 用 ，以 光 照 度 观 测 数 据 为 主 反 演 太 阳 辐 射 数 据 可 以 有 效 弥 补 太 阳 辐 射 观测 站数 量 不 足 的 现 状 。针 对 现 有 的 太 阳辐 射 反 演 方 法 的 不 足 ，提 出 一 种 融 合 主 成 分 分 析 （ＰＣＡ）、思 维 进 化 算 法 （ＭＥＡ）和 ＢＰ神 经 网 络 的 复 合模 型 ，利 用 太 阳 光 照 度 、太 阳 高 度 角 、温 度 和 湿 度 观 测 分 钟 数 据 反 演 太 阳 辐 照 度 。首 先 ，以晴 空 指 数 为 依 据 ，基 于 概 率 神 经 网络 （ＰＮＮ）分 类 法 ，将 天 气 类 型 分 为 晴 、云 、阴 ３类 ，分 类 准 确 率 达 到 ９６．６９４８ 。再 利 用 ＰＣＡ 降 维后 的 ４个 影 响 因 子 ，对 ３类 天 气 分 别 采 用 ＢＰ、ＧＡ－ＢＰ和 ＭＥＡ—ＢＰ法 反 演 太 阳 辐 照 度 ，与 标 准 辐 射 表 的实 测 数 据 对 比 。结 果 表 明 ：晴 、云 、阴 的 ＭＥＡ－ＢＰ模 型 的决 定 系 数 最 高 达 到 ０．９９５８，与 单 一 ＢＰ 模 型 相 比 ，ＲＭＳＥ分 别 降 低 了 ４９ 、３２．４５ 和 １Ｏ．６４ ；相 比 于 ＧＡ—ＢＰ模 型 误 差 ，ＭＡＰＥ最 高 减 少 了 ４２．５４ 。本 文所 提 出 的 ＭＥＡ—ＢＰ复 合 模 型 的泛 化 能 力得 到 了 有效 提 高 。 关 键 词 太 阳辐 射 ；晴 空 指 数 ；ＰＮＮ；ＰＣＡ；ＭＥＡ—ＢＰ；误 差 分 析 中 图 分 类 号 ：Ｐ４１２．１４ ＤＯＩ：１Ｏ．１９５１７／ｊ．１６７１－６３４５．２０１７０６４２ 文献 标 识 码 ：Ａ
引 言
气 象 、农 业 、太 阳能 等 领 域 都 需 要 高 精 度 、有 针 对性 的太 阳辐射观测数据 。然而 国内的地面气象 台站 ２４２３个 ，太 阳能 辐射 观测站 却 只有 ９８个 ，无 法满 足 以 大量太 阳辐射数据为基础的定 量化分析 与研究应用 。
２Ｏ１３年启 动 光 电式 日照 计 计 划 ，依 据 ２０１６年 中 国气象 局综 合观 测 司完成 的光 电式 数字 日照计 的 功能 规格 需 求 对 设 备 进 行研 制口］。 目前 ，中 国华 云 气象科技集 团公 司 、江苏无线 电科 学研 究所 有 限公 司 和 中环天仪 （天津 ）气象 仪 器有 限公 司都 已各 自推 出 光 电式 日照计并完 成产 品设计 定型及 测试 ，即将 开展 业务化 使 用 。光 电式 日照 计 采 用 ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ Ｓ１１３３—０１型光 电探 测 器 ，该 光 电 二 极 管 每 ｉ００ Ｌｘ （光 照度 单位 ）可 产生 ５．６ Ａ 电流 ，经 Ｉ—Ｕ 转 换器 后 所 得 电压与 光 照度 成 线性 关 系 ，通 过光 电管 本 身 参 数 推算 出实 时光 照 度 数据 ，从 而 将得 到 的光 照 度 反 演 成辐 照度 后 ，根 据 日照 时数 定 义 （Ｓ≥ １２０ Ｗ ／ｍ 所 累积 的时间 总和 ）计算 出 日照 ，最终 实现 同时对 辐 射 、日照 的观测 。光 电式 日照计 预 计于 ２０１８年在 全
国范 围 内推广使 用 ，届 时将有 ２４００多个 台站 的 日照 计 可 用于 光照 度 的观测 。如 何利 用易 获得 的可靠 气 象要 素数 据反 演太 阳辐 照度 ，对 天气 预报 、太 阳能利 用等 具有 重要 理论 与实 践 意义 。
国内外学 者针 对太 阳辐 射 的Hale Waihona Puke Baidu算 做 了大量 研究 工作 ，主要分 为两 类 ：一 是从 线性 关 系 出发 ，如 ：以光 谱 面积法 建立 Ｅ一（１．０４×１０ ）Ｌ正 比关 系进 行 光 照度 与辐 照 度 的 互 算 ］，针 对 不 同天 气 类 型下 Ｅ—Ｌ 回归 线性 关 系 的 建立 ［３］，及 以 晴空 指 数 和 太 阳高 度 角 进 行 区 间 划 分 提 出 分 段 式 线 性 关 系 ］，还 有 Ｏｒｇｉｌｌ和 Ｈｏｌｌａｎｄｓ模 型 、Ｌａｍ 和 Ｌｉ模 型 等 典 型 线 性模 型 ，这类 研究 侧 重 从 线 性 角 度把 握 太 阳辐 照 度 的计算 ］。二 是从 非线 性着 手 ，经典模 型 有 Ｌｉｕ和 Ｊｏｒｄａｎ模 型 、ＡＳＨＲＡＥ 模 型 等 ～｝。近 年 来 ，具 有 较 强 学 习推广 能力 、能 非 线 性 建 模 等优 势 的智 能 学 习法 在太 阳辐 射反 演 应 用 中 得 到广 泛 推 广 ，如利 用 回归 ＢＰ神经 网络 预 测 太 阳辐 射 ，采 用 小 波 神 经 网 络 、引入蚁 群 算 法 改 进 ＢＰ网 络 以 提 高 太 阳辐 射 模 型精 度¨ｇ 。因受 到天 气 突变 、环 境 状 况 等 随机 条 件 的制约 ，太 阳辐 照 度 的反 演 是 多 因素 综 合 作 用 的