三江平原稻田地表輻射平衡研究

張丹丹，羅 霄，羅 恒，呂昆坤

（1.湖南湘西自治州氣象局，湖南416000；2.湘西自治州鳳凰縣氣象局，湖南416200）

三江平原稻田地表輻射平衡研究

張丹丹1，羅 霄1，羅 恒2，呂昆坤1

（1.湖南湘西自治州氣象局，湖南416000；2.湘西自治州鳳凰縣氣象局，湖南416200）

研究農(nóng)田中的輻射平衡特征，對揭示農(nóng)田熱狀況，特別是溫度狀況的形成具有重要的意義.本研究使用的地表輻射觀測資料是2005～ 2007通過布置在中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站在稻田內(nèi)的小氣候自動觀測系統(tǒng)得來的，通過研究得出：不同天氣條件下三江平原水稻田下墊面輻射平衡各分量日變化規(guī)律不同。晴天時，輻射平衡各項日變化規(guī)則，總輻射、凈輻射的變化趨勢一致，中午13點左右達到最大值920w·m-2。陰天和降水天時，輻射平衡各分量變化遠沒有晴天時規(guī)則。除向上短波輻射和向上長波輻射外，都有不同程度的減小。陰天時總輻射是晴天時的3/5左右，降水天時總輻射是晴天時的3/10。向下長波輻射晴天、陰天、降水天依次略增?？傒椛渑c凈輻射呈線性正相關(guān)。

地表輻射平衡；三江平原；稻田生態(tài)試驗；日變化，季節(jié)變化，反照率

1 引言

太陽輻射是氣候系統(tǒng)中各種物理過程和生命活動的動力，地表輻射平衡又是地-氣相互作用的主要研究內(nèi)容之一，受到科研工作者的極大關(guān)注。但以往的研究區(qū)域主要集中在青藏高原和干旱區(qū)的荒漠、戈壁、綠洲等地，對三江平原稻田的地表輻射平衡研究還不多[1～3]。在農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)中，觀測和研究農(nóng)田中和森林內(nèi)的輻射狀況，對了解農(nóng)田小氣候和森林小氣候形成有重要意義。

2 資料和方法

觀測系統(tǒng)布置在中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站（47°35′N，133°31′E）附近稻田內(nèi)。試驗區(qū)水稻生長期近5個月，一般5月中下旬移栽，9月中旬成熟，10月初收割。生長季日照時數(shù)在1000～1200h。年總輻射量4100～4700（MJ·m-2· y-1），≥10℃時期的光合有效輻射900～1100（MJ·m-2·y-1）。溫度、雨量和光照條件的分布與水稻生長同步，基本能滿足水稻發(fā)育的要求。

該區(qū)水稻輻射傳輸各項以及凈輻射數(shù)據(jù)來自于設(shè)置在稻田內(nèi)的小氣候自動觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)觀測項目包括：離地面約2m高處的凈輻射、光合有效輻射；2m、4m和8m處的空氣溫濕度、風速以及8m處風向等。CNR1凈輻射傳感器由一對CM3短波輻射傳感器和一對CG3長波輻射傳感器組成，分別測量向下、向上短波輻射和向下、向上長波輻射。氣象數(shù)據(jù)的采樣頻率為0.5Hz，計算這些變量的30min平均值并保存在數(shù)據(jù)采集器，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)下載到計算機內(nèi)。由于電力不足導致的凈輻射缺測數(shù)據(jù)依據(jù)凈輻射與太陽總輻射的線性相關(guān)性進行推算。小氣候系統(tǒng)觀測過程中缺測的凈輻射數(shù)值依據(jù)其與太陽輻射的顯著線性關(guān)系進行查補，而太陽輻射來自于附近氣象站內(nèi)的自動輻射觀測系統(tǒng)。

3 地表輻射平衡

地表輻射的分類以及各項的意義：

地表輻射可以分為四類，分別為：總輻射，向下長波輻射（亦稱大氣逆輻射），向上短波輻射，向上長波輻射，凈輻射。

總輻射是地面和大氣熱量交換和傳輸?shù)哪芰縼碓?，是?qū)動地氣相互作用的原動力，是影響其他分量變化的基本特征因子。他的變化特征主要取決于當?shù)氐奶柛叨?。在假設(shè)大氣完全透明的情況下，北半球的總輻射的最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在12月；中午時刻最強，夜間為0。但實際上由于各地的海拔高度、大氣透明度以及云量等因素的不同，總輻射也存在一定的差異。

向下長波輻射的變化主要受氣溫、云以及空氣中的水汽、氣溶膠的含量等因素決定，計算公式為：

式中：εac為大氣熱輻射系數(shù)，σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數(shù)，（5.6697×10-8wm-2k4），TK為氣溫。

向上短波輻射隨季節(jié)的變化基本同總輻射的變化規(guī)律相一致，這是因為前者是地表對后者的反射，所以二者幾乎同位相。但是，由于向上短波輻射還要受到地表反照率的影響，所以變化并不完全一致。向上長波輻射計算公式為：

式中：ε為比輻射率，σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數(shù)，T0為地表溫度。根據(jù)此公式可以看出，向上長波輻射主要取決于地表溫度。

凈輻射是由天空（包括太陽和大氣）向下投射的和由地表（包括土壤、植物、水面等）向上投射的全波段輻射量之差，它的計算公式也可以記為：

式中：S↓、L↓、S↑、L↑分別為短波向下輻射，長波向下輻射，短波向上輻射，向上長波輻射。凈輻射的大小決定著地表能量平衡中各分量的可分配額。

4 地表輻射的總體特征

4.1 地表輻射平衡各項的日變化特征

如圖1所示：分別為晴天，陰天和下雨天情況下地表輻射平衡各項在一天當中隨時間的變化圖，以及總輻射與凈輻射的線性相關(guān)圖。圖1a是2005～2007年夏季輻射資料中選取的一個典型晴天，總輻射與凈輻射在一天當中的最大值出現(xiàn)在13點左右，總輻射的最大值約為920w·m-2，凈輻射最大值約為700w·m-2?？傒椛浜拖蛏隙滩ㄝ椛錇?，凈輻射數(shù)值為負的時間段為凌晨0～4點之間和傍晚19點30之后。向下長波輻射和向上長波輻射始終不為0，因為總輻射總有一部分通過反射、散射等作用于地表。正午12點左右，總輻射與凈輻射有所減小，其原因是由于此時空中有少量的云。

圖1 典型晴天（a）、陰天（b）、雨天（c）輻射平衡各項日變化

典型陰天時（圖1b），總輻射與凈輻射相對于晴天時的最大值要小了很多，不過它們的最大值仍然是出現(xiàn)在中午13點左右，總輻射的最大值約為590w·m-2是晴天時的3/5左右，凈輻射最大值約為450w·m-2也是晴天時的3/5左右。而向下長波輻射和向上長波輻射的值在陰天約為：400w·m-2左右，相對于晴天時只是略高。凈輻射為負的時間段與晴天時一樣。在傍晚19點至第二天中午12點之前的時間段內(nèi)，總輻射與凈輻射的數(shù)值幾乎相等。這是由于陰天時空中多云，并且云厚，使得射向地面的總輻射大大減少，而射到地表的輻射基本都被云所反射回來的原因。

典型降水天總輻射與凈輻射的最大值相對于晴天和陰天時都要小了很多（圖1c），并且小于向下長波輻射和向上長波輻射。它們的最大值相近，都約為：300w·m-2，分別為晴天時的3/10和3/7，陰天時的1/2和3/5。向下長波輻射和向上長波輻射的值相對于晴天和陰天變化不大，約為：400w·m-2。這是由于降水天里能夠到達地面的總輻射非常的少。對于向上短波輻射，不論是在哪種天氣情況下的數(shù)值都差不多，這是因為都是在同一下墊面下觀測的。

4.2 總輻射和凈輻射變化

對2005～2007年的總輻射和凈輻射做散點圖進一步進行回歸分析結(jié)果顯示（圖略），總輻射與凈輻射是正相關(guān)關(guān)系，即凈輻射隨著總輻射的增加而增加，這說明總輻射是影響凈輻射的主要因子，總輻射與凈輻射的變化規(guī)律具有一致性。

在圖2中，橫坐標表示的是時間其中1～172代表的是2005年5月6日至10月24日的172d，174～350代表的是2006年5月2日至10月24日的176d，351～524代表的是2007年5月1日至10月23日的173d，豎坐標表示的是總輻射，每一個點表示一天的總輻射。6、7、8月是太陽高度角在全年中最大的時間，一天最高的總輻射可達17000w·m-2。而隨著太陽直射點逐步南移，太陽高度角減小，總輻射也逐步減小，到了9月中旬總輻射日總量觀測值在2000～9000w·m-2范圍浮動。整個趨勢是左高右低，而年際之間差異不大，變化規(guī)律相似。至于在太陽高度角變化過程中總輻射突然減少，這是由于影響太陽輻射的因子有很多，除了太陽高度角外還有大氣透明度、云量、云狀、大氣溫度、濕度等。

圖2 2005～2007年5～10月太陽總輻射（a）、凈輻射季節(jié)和年際變化（b）

凈輻射的季節(jié)變化整體趨勢是中間高兩邊低。最大值為11000w·m-2左右（圖2b）。最低值為1000w·m-2左右。凈輻射的季節(jié)變化從5～7月逐步上升，7月之后逐步下降，也就是說凈輻射的最大值在7月份。由于凈輻射與總輻射具有一致性，故而可知在太陽高度角變化過程中總輻射突然減少的原因與總輻射的一致。

4.3 地表反照率的季節(jié)變化特征及其主控因子

（5）式中：α代表地表反照率，S↑代表向上短波輻射，S↓代表總輻射，地表反照率的季節(jié)變化如圖3所示：隨著時間的增加地表反照率在增加。反照率隨著時間的增加而增大實質(zhì)上就是由于太陽高度角的減小而增大。因為在這段時間內(nèi)太陽直射點逐步南移，太陽高度角減小。

圖3 5～10月反照率季節(jié)變化

對葉面積指數(shù)與地表反照率做散點圖進一步回歸分析，結(jié)果如圖4所示，地表反照率隨著葉面積指數(shù)的增加而增加，二者呈顯著線性正相關(guān)。

圖4 反照率與葉面積指數(shù)LAI的關(guān)系

5 結(jié)束語

（1）不同天氣條件下三江平原水稻田下墊面輻射平衡各分量日變化規(guī)律不同。晴天時，輻射平衡各項日變化規(guī)則，總輻射、凈輻射的變化趨勢一致。中午13點左右達到最大值，陰天和降水天時，輻射平衡各分量變化遠沒有晴天時規(guī)則。除向上短波輻射和向上長波輻射外，都有不同程度的減小。陰天時總輻射是晴天時的3/5左右，降水天時總輻射是晴天時的3/ 10。向下長波輻射晴天、陰天、降水天依次略增。總輻射與凈輻射呈線性正相關(guān)。

（2）地表反照與太陽高度角呈負相關(guān)與水稻葉面積指數(shù)呈正相關(guān)。即地表反照率隨著太陽高度角的增大而減小，隨著葉面積指數(shù)的增大而增大。

[1]張 強，曹曉彥.敦煌地區(qū)荒漠戈壁地表熱量和輻射平衡特征的研究[J].大氣科學，2003，27（2）：245～254.

[2]錢澤雨，胡澤勇，杜 萍，等.藏北高原典型草甸下墊面與HEIFE沙漠區(qū)輻射平衡氣候?qū)W特征對比分析[J].太陽能學報，2003，24（4）：453～ 460.

S161.4

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2095-2066（2016）33-0278-02

2016-11-10