西安浐灞生態(tài)區(qū)光合有效輻射變化規(guī)律研究及氣候?qū)W計(jì)算

張宏利，張納偉銳，魏俊濤，樊婷麗，楊勝利

（1.陜西省西安市氣象局，西安710016；2.中山大學(xué) 地球科學(xué)系，廣州510000）

光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR），是指太陽輻射能中可以被綠色植物用來進(jìn)行光合作用的能量［1］，是植物生長(zhǎng)所需的基本能源，波長(zhǎng)400～700nm［2］。PAR的量度有光學(xué)、能量和量子3種系統(tǒng)［3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)PAR特征的研究主要集中在PAR及光合有效輻射系數(shù)（PAR與太陽總輻射Q之比，ηQ）的變化特征及影響因子的分析方面［4］。目前常規(guī)氣象臺(tái)站沒有PAR的觀測(cè)項(xiàng)目，所以對(duì)其估算還需借助于氣候?qū)W計(jì)算［5］。而PAR的估算與ηQ關(guān)系密切，因此問題的焦點(diǎn)歸結(jié)于ηQ的確定。前人對(duì)PAR及ηQ的區(qū)域研究較多，但對(duì)生態(tài)區(qū)、園林展會(huì)等區(qū)域的研究較少。西安乃至關(guān)中平原至今未見PAR的系統(tǒng)觀測(cè)資料及相應(yīng)研究。

本研究以西安2011年世園會(huì)期間浐灞生態(tài)區(qū)4—10月PAR的基本觀測(cè)資料為準(zhǔn)，對(duì)該地區(qū)主生長(zhǎng)期的花卉苗木冠層上部光量子PAR及ηQ變化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)其日變化、季節(jié)變化及其影響因素進(jìn)行深入分析，以期為總結(jié)西安世園會(huì)花卉苗木在浐灞良好生長(zhǎng)、精彩展示以及以后其它城市舉辦世園會(huì)提供翔實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù)，也為西安生態(tài)系統(tǒng)平衡建設(shè)及有效發(fā)揮生態(tài)、氣候資源效能提供理論依據(jù)。同時(shí)為PAR、ηQ數(shù)據(jù)在西安生態(tài)系統(tǒng)模型建立、氣候變化監(jiān)測(cè)、生態(tài)安全研究與決策等方面的推廣與深入應(yīng)用起到一定的作用。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于西安東北角的浐灞國(guó)家級(jí)生態(tài)區(qū)，屬“長(zhǎng)安八水”中的浐、灞水系區(qū)域，該區(qū)成立于2004年9月，規(guī)劃總面積129km2，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均溫13～14℃，最冷1月均溫－2～0℃，最熱7月均溫26～27℃；年降水量520～720 mm，主要集中在4—9月。2008年初開始，全區(qū)以“綠色引領(lǐng)時(shí)尚”為理念籌辦西安世園會(huì)，直至2011年4月開園。研究區(qū)域是我國(guó)西北生態(tài)建設(shè)、園林展會(huì)最具代表性的地區(qū)，發(fā)育并建設(shè)多種類型的生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

在研究區(qū)域的東南角后勤入口附近設(shè)有一氣象塔，該塔地理位置為34°18′54″N、109°03′46″E，海拔高度385m。塔上設(shè)有28個(gè)氣象要素探測(cè)設(shè)備，光合有效輻射表是其中之一，離地面高度為2.5m。使用華創(chuàng)風(fēng)云集團(tuán)生產(chǎn)的FPH－1型光合有效輻射表進(jìn)行測(cè)定，光譜范圍為400～700nm，靈敏度為5～50 μV／μmol／m2／s，響應(yīng)時(shí)間為1s，余弦校正至80°入射角，余弦響應(yīng)≤10%，每分鐘取樣一次；ηQ研究選用離西安世園會(huì)會(huì)址15km、海拔高度410m的涇河國(guó)家基準(zhǔn)氣候站同期太陽總輻射、水汽壓觀測(cè)資料。因在規(guī)定的范圍內(nèi)，引用資料不做差異處理［6］。研究資料時(shí)段為2011年4月15日—2011年10月31日，以西安日出—日落為界，取每日西安浐灞世園會(huì)址的光合有效輻射及涇河太陽總輻射、水汽壓觀測(cè)資料，春、夏、秋三季的界定為4—5月、6—8月、9—10月。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAR變化規(guī)律

2.1.1 PAR季節(jié)變化 2011年4—10月西安世園會(huì)址的PAR為5 095.2mol／m2，平均每月、每日總量為727.9mol／m2、23.8mol／（m2·d）。春、夏、秋三季的月平均 PAR 分別為 795.3，834.7，500.4 mol／m2，PAR總量夏季大于春季，春季大于秋季。但夏季與春季只相差39.4mol／m2，差異不明顯，這是由2011年春旱少雨多晴好天氣所造成的。而春夏與秋季相差近300mol／m2，原因?yàn)?011年罕見秋霖，9月降水量為255.8mm，較西安站9月歷史平均降雨量91.6mm偏多164.2mm（圖1）。

圖1 西安浐灞世園會(huì)址逐月PAR及降水量分布

2.1.2 PAR日變化 2011年4—10月浐灞PAR日變化分析，以4月、7月、10月分別代表春、夏、秋季，在各季節(jié)中選擇典型晴天日（總云量≤3成）、陰天日（總云量≥8成）白天的各時(shí)平均瞬間值進(jìn)行繪圖（圖2），典型晴天日為4月27日、7月8日、10月16日，典型陰天日為4月20日、7月3日、10月22日。由圖2可見，晴天和陰天的PAR日變化與太陽高度角的日變化趨勢(shì)是一致的，這反映了輻射通量與太陽高度的正弦成正比的變化趨勢(shì)［7］，說明太陽高度角是影響太陽輻射的首要因子。旱晚PAR很弱，隨著太陽高度角的升高，近地面總輻射增大，PAR亦迅速增大，在中午時(shí)PAR達(dá)到大值（陰天比晴天早一些或遲一些），之后又隨太陽高度角的減小而迅速減小。盡管晴天和陰天PAR總的變化趨勢(shì)相同，但它們之間的差異仍很大。顯然，晴天時(shí)PAR變化是循序漸進(jìn)的，曲線很平滑，在正午時(shí)刻達(dá)到一天中的最大值；陰天時(shí)，PAR的波動(dòng)很大，極值出現(xiàn)的時(shí)間與晴天不一致，這主要與陰天條件下的各時(shí)刻的云量狀況和大氣透明度有關(guān)；在春、夏季，晴天日和陰天日的PAR日變化總量與振幅相當(dāng)，但春、夏季明顯高于秋季，晴天日為500～600mol／m2，陰天日為200～300 mol／m2。

圖2 西安浐灞世園會(huì)址春、夏、秋典型晴天日、陰天日各時(shí)PAR變化

2.2 ηQ變化特點(diǎn)

2.2.1 ηQ季節(jié)變化 圖3為世園會(huì)址2011年4—10月每日ηQ變化散點(diǎn)圖，并通過4次多項(xiàng)式進(jìn)行了擬合。從圖3可知，ηQ具有明顯的月份和季節(jié)變化特征。擬合曲線呈雙峰型，7月和10月為峰值月，5月和9月為谷值月。季節(jié)分布上以夏季值為最大，達(dá)1.75mol／MJ；秋季次之，為1.73mol／MJ；春季最小，為 1.56mol／MJ。4—10 月 ηQ值 平 均 為 1.69 mol／MJ，8月最大，4月最?。幻咳掌骄荙最大值為2.48mol／MJ，出現(xiàn)在7月22日。ηQ最小值為1.00 mol／MJ，9月出現(xiàn)次數(shù)最多，達(dá)6次。

2.2.2 ηQ日變化 表1說明，陰天日的ηQ值明顯高于晴天日，兩者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表現(xiàn)得更為明顯，陰天日的ηQ比晴天日高出0.67 mol／MJ，其次是春、秋，差值分別為0.49，0.27mol／MJ。這是因?yàn)殛幪烊盏目諝庀鄬?duì)濕度明顯高于晴天日（圖4），在白天的10時(shí)到18時(shí)，陰天日的相對(duì)濕度比晴天日平均高出56%，最高差值達(dá)62%。而水汽對(duì)太陽輻射中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紅外輻射有很強(qiáng)的吸收作用，對(duì)波長(zhǎng)較短的太陽輻射的吸收作用較小。PAR屬于波長(zhǎng)較短的部分，因此水汽的吸收作用使得近紅外輻射的衰減量多于PAR的衰減量，使得對(duì)ηQ的削弱量高于PAR，則ηQ增大。此外，隨著水汽和云量的增多，吸收的紅外輻射增多，空氣分子和氣溶膠離子對(duì)散射的貢獻(xiàn)相對(duì)減少，則造成ηQ隨云量的增加而增大［1，8］。

圖3 世園會(huì)址2011年4－10月每日ηQ變化散點(diǎn)圖

表1 西安浐灞世園會(huì)址晴天日、陰天日的PAR、Q、ηQ比較

圖4 西安浐灞世園會(huì)址晴天日與陰天日相對(duì)濕度對(duì)比

2.3 PAR的氣候?qū)W計(jì)算與檢驗(yàn)

由于PAR與ηQ關(guān)系密切，PAR的氣候?qū)W計(jì)算實(shí)質(zhì)就是計(jì)算ηQ。通過上述分析可知，ηQ并不是一個(gè)常量，ηQ的變化受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地理特性、水汽、云量及大氣氣溶膠等因素的影響。相關(guān)研究表明，與ηQ許多大氣參數(shù)（如水汽壓、低云量等）呈正相關(guān)關(guān)系，與晴空指數(shù)、日照百分率、大氣渾濁度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［9］。總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)ηQ及PAR計(jì)算的研究成果［3］發(fā)現(xiàn)，影響PAR的因素較多，但ηQ的計(jì)算方法基本一致（考慮水汽壓，日照百分率、太陽天頂角等因子，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)回歸擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式），各地的擬合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有差異。

通過對(duì)西安世園會(huì)址ηQ的變化特征的分析可知，該地區(qū)的水汽對(duì)ηQ具有重要影響，因此，進(jìn)行西安世園會(huì)址ηQ的計(jì)算時(shí)只考慮水汽因子。本研究參考季國(guó)良等［8］、周允華等［10］的研究中ηQ與水汽壓E的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來確定量子系統(tǒng)下ηQ的關(guān)系式，其函數(shù)關(guān)系式如下：

式中：E——經(jīng)過氣壓（高度）訂正后的水汽壓，E＝P0E0／P，P0、P——海平面及測(cè)站的月平均氣壓；E0——月平均水汽壓；a，b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用（1）式，以旬為單位，將2011年4—10月西安世園會(huì)址ηQ與涇河E進(jìn)行回歸分析，得到PAR及ηQ的經(jīng)驗(yàn)公式：

經(jīng)計(jì)算，式（3）的相關(guān)系數(shù)r≈0.47。西安世園會(huì)址及涇河旬平均樣本只有20個(gè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)大樣本定理［11］，需計(jì)算無偏相關(guān)系數(shù)加以校正：

r＊≈0.48。用t檢驗(yàn)來對(duì)r＊進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)［12］，統(tǒng)計(jì)量為：

t≈2.33。給定顯著性水平α＝0.05，查t分布表得tα＝2.10，由于t＞tα，認(rèn)為西安世園會(huì)址ηQ與涇河E之間的相關(guān)系數(shù)是顯著的，說明式（2），（3）對(duì)于計(jì)算西安的PAR及ηQ是可行的。

3 結(jié)論

（1）2011年4—10月西安浐灞的PAR為5 095.2 mol／m2，平均月、日總量分別為727.9mol／m2，23.8 mol／（m2·d）。PAR總量夏季大于春季，春季大于秋季，秋季明顯小于夏、春季，原因?yàn)楹币娗锪厮隆?/p>

（2）PAR的日變化為中午大，早晚小。晴天的日變化曲線呈單峰型且比較平滑，陰天的日變化曲線波動(dòng)比較大。晴天日、陰天日總量與振幅變化特點(diǎn)為春、夏季相當(dāng)，春、夏季明顯高于秋季，晴天日多為500～600mol／m2，陰天日多為200～300mol／m2。

（3）ηQ具有明顯的月份和季節(jié)變化特征，擬合曲線呈雙峰型，7月和10月為峰值月，5月和9月為谷值月。季節(jié)分布上以夏季為最大，秋季次之，春季最小。日平均ηQ峰值為2.48mol／MJ，出現(xiàn)在7月，ηQ谷值為1.00mol／MJ，9月出現(xiàn)最多。

（4）ηQ日變化特點(diǎn)為陰天日的ηQ值明顯高于晴天日，兩者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表現(xiàn)得更為明顯，陰天日的ηQ比晴天日高出0.67mol／MJ，其次是春、秋，差值分別為0.49，0.27mol／MJ。

（5）ηQ的氣候?qū)W計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：ηQ＝1.20＋0.42lgE，經(jīng)檢驗(yàn)，該式適應(yīng)于西安地區(qū)。

（6）由于節(jié)會(huì)的特殊性，研究區(qū)得到的資料時(shí)間較短，分析結(jié)論還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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