直散辐射分离模型的修正及在干旱区斜面太阳辐射计算中的应用

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-06-0987

干旱气象 ›› 2025, Vol. 43 ›› Issue (6): 987-996.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639-2025-06-0987

直散辐射分离模型的修正及在干旱区斜面太阳辐射计算中的应用

李遥¹(), 程鹏¹, 景慧¹(), 杨扬², 张圆园¹, 安晓东³, 闫晓敏¹, 贾莹¹

1.甘肃省气象服务中心，甘肃兰州 730020
2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃兰州 730020
3.甘肃麦克气象信息技术有限公司，甘肃兰州 730020

收稿日期:2025-07-24 修回日期:2025-10-28 出版日期:2025-12-31 发布日期:2026-01-19
通讯作者: 景慧（1993—），女，甘肃临洮人，工程师，主要从事新能源气象服务及算法研究。E-mail： 295111348@qq.com。
作者简介:李遥（1989—），女，甘肃兰州人，工程师，主要从事风电、光伏功率预测技术研究。E-mail： liyaoyao0718@126.com。
基金资助:
甘肃省重点研发计划工业类项目(23YFGA0016);甘肃省科技计划青年科技基金项目(22JR5RA757);甘肃省气象局“飞天风云”项目(2425rczx-C-QNBJRC-03)

Correction of solar direct and diffuse radiation separation models and its application in calculating solar radiation on inclined surface in arid region

LI Yao¹(), CHENG Peng¹, JING Hui¹(), YANG Yang², ZHANG Yuanyuan¹, AN Xiaodong³, YAN Xiaomin¹, JIA Ying¹

1. Gansu Provincial Meteorological Service Center， Lanzhou 730020， China
2. Lanzhou Institute of Arid Meteorology， China Meteorological Administration， Lanzhou 730020， China
3. Gansu Mike Meteorological Information Technology limited Company， Lanzhou 730020， China

Received:2025-07-24 Revised:2025-10-28 Online:2025-12-31 Published:2026-01-19

摘要/Abstract

摘要：

准确估算太阳直接辐射和散射辐射对于辐射观测匮乏地区生态系统平衡及太阳能资源开发与利用具有重要意义。基于2004—2021年甘肃榆中气象观测站辐射观测资料及2021年3月—2022年2月甘肃张掖和酒泉光伏电站的实际运行观测数据，对3种典型直散分离模型（Erbs、Orgill-Hollands和Liu-Jordan）的参数进行本地化修正，并对修正模型在光伏阵列斜面辐射及发电功率计算中的应用效果进行检验和评估。结果表明，3种模型经本地化修正后计算精度均明显提高，其中Erbs、Orgill-Hollands和Liu-Jordan模型修正后平均绝对百分比误差分别为14.91%、16.07%和16.57%，较修正前分别降低6.72%、4.01%和9.65%，Erbs修正模型整体计算效果最优。修正模型在斜面辐射及发电功率的计算中均表现出较好的适用性，3种修正模型计算得到的月平均发电功率与实际发电功率较为相近，在分析斜面辐射及发电功率月（年）尺度变化特征时，可选取任意一种修正模型。在计算精度和时序变化刻画方面，Erbs修正模型优于另外两种模型，对发电功率日变化特征的再现能力更强，在功率平滑变化或显著波动条件下均与实测值更为接近。因此，在开展斜面辐射及发电功率日尺度变化研究，或进行光伏电站分钟级发电功率预测时，优先推荐采用Erbs修正模型。

关键词: 太阳辐射, 散射辐射, 斜面辐射, 误差分析

Abstract:

Accurate estimation of direct and diffuse solar radiation is of great importance for studies on ecosystem balance and the development and utilization of solar energy resources in regions with scarce radiation observations. Based on radiation observation data from the Yuzhong meteorological station during 2004-2021 and actual operational data from photovoltaic (PV) power stations in Zhangye and Jiuquan from March 2021 to February 2022, the parameters of three typical direct-diffuse radiation separation models (Erbs, Orgill-Hollands, and Liu-Jordan) were locally calibrated. The performance of the revised models was then verified and evaluated in the calculation of solar radiation on inclined PV array surfaces and corresponding power generation. The results show that the calculation accuracy of all three models was significantly improved after local calibration. The mean absolute percentage errors (MAPE) of the revised Erbs, Orgill-Hollands, and Liu-Jordan models were 14.91%, 16.07%, and 16.57%, respectively, representing reductions of 6.72%, 4.01%, and 9.65% compared with those before calibration, with the revised Erbs model exhibiting the best overall performance. The revised models all demonstrated good applicability in estimating inclined surface radiation and power generation, and the monthly mean power calculated by the three revised models was close to the actual measured power. Therefore, any of the revised models can be used to analyze the monthly and annual variation characteristics of inclined surface radiation and power generation. In terms of calculation accuracy and representation of temporal variations, the revised Erbs model outperformed the other two models and showed a stronger ability to reproduce the daily variation characteristics of power generation. Its results were closer to observations under both smooth and strongly fluctuating power conditions. Consequently, the revised Erbs model is recommended for studies on daily scale variations of inclined surface radiation and power generation, as well as for minute level power forecasting in photovoltaic power stations.

Key words: solar radiation, diffuse radiation, radiation on inclined surface, error analysis

中图分类号:

李遥, 程鹏, 景慧, 杨扬, 张圆园, 安晓东, 闫晓敏, 贾莹. 直散辐射分离模型的修正及在干旱区斜面太阳辐射计算中的应用[J]. 干旱气象, 2025, 43(6): 987-996.

LI Yao, CHENG Peng, JING Hui, YANG Yang, ZHANG Yuanyuan, AN Xiaodong, YAN Xiaomin, JIA Ying. Correction of solar direct and diffuse radiation separation models and its application in calculating solar radiation on inclined surface in arid region[J]. Journal of Arid Meteorology, 2025, 43(6): 987-996.

图/表 10

图1 2004—2021年酒泉、榆中站总辐射（a）及总日照时数（b）的多年月平均

Fig.1 Multi-year monthly average of total radiation (a) and total sunshine duration (b) during 2004-2021 at Jiuquan and Yuzhong stations

图2 2004—2021年酒泉（a）、榆中（b）站n/N和Kt拟合曲线

Fig.2 Fitting curves of n/N and Kt at Jiuquan (a) and Yuzhong (b) stations during 2004-2021

图3 榆中站2004—2021年Kt、DF散点图及辐射数据异常值判定

Fig.3 Scatter plot of Kt and DF and radiation data outlier determination at Yuzhong Station during 2004-2021

图4 ω<81.4°（a）和ω≥81.4°（b）时2004—2020年榆中站Kt、DF拟合曲线

Fig.4 Fitting curves of Kt and DF when ω<81.4° (a) and ω≥81.4° (b) at Yuzhong Station during 2004-2020

表1 2021年榆中站3种直散分离模型散射辐射修正效果检验

Tab.1 Observational verification of the diffuse radiation correction performance of three solar direct-diffuse radiation separation models at Yuzhong Station in 2021

模型	MAE/（kJ·m^-2）	MAPE/%	CORR
Erbs	1 203.20	21.63	0.876*
Erbs修正	867.79	14.91	0.895*
Orgill	1 156.56	20.08	0.887*
Orgill修正	945.17	16.07	0.894*
Liu	1 811.90	26.22	0.851*
Liu修正	988.14	16.57	0.894*

图5 2021年榆中站散射辐射Erbs模型（a）、Orgill模型（b）及Liu模型（c）修正前后MAPE月际变化

Fig.5 Monthly variation of MAPE before and after revise of the diffuse radiation for Erbs (a), Orgill (b) and Liu (c) models at Yuzhong Station in 2021

图6 2021年3月—2022年2月张掖（a）、酒泉（b）电站实际发电功率与3种修正模型计算功率月均值的变化

Fig.6 Monthly variation in actual power and power calculated by three revised models at Zhangye (a) and Jiuquan (b) power stations from March 2021 to February 2022

表2 张掖和酒泉电站3种修正模型发电功率计算结果检验

Tab.2 Verification of power generation calculated by three revised models at Zhangye and Jiuquan power stations

电站	Erbs修正			Orgill修正			Liu修正
电站	RRMSE/%	MAPE/%	CORR	RRMSE/%	MAPE/%	CORR	RRMSE/%	MAPE/%	CORR
张掖	5.38	3.41	0.975*	5.47	3.44	0.972*	5.46	3.41	0.973*
酒泉	6.08	4.39	0.976*	6.19	4.40	0.969*	6.19	4.40	0.969*

图7 2021年3月—2022年2月张掖（a）、酒泉（b）电站3种修正模型计算功率RRMSE月变化

Fig.7 Monthly variation of RRMSE in power generation calculated by three revised models at Zhangye (a) and Jiuquan (b) power stations from March 2021 to February 2022

图8 张掖（a、b）、酒泉（c、d）电站2021年10—11月晴天（a、c）、多云天（b、d）06:00—21:00实际发电功率与3种修正模型计算功率变化特征

Fig.8 Variation of actual power and power calculated by three revised models under sunny day (a, c) and cloudy day (b, d) at Zhangye (a, b) and Jiuquan (c, d) power stations during 06:00-21:00 from October to November 2021

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Correction of solar direct and diffuse radiation separation models and its application in calculating solar radiation on inclined surface in arid region

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