基于日照時數(shù)的光合有效輻射估算方法研究

盧偉萍，譚宗琨*，劉志平，謝 映，陳瑜琨

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學研究所，南寧 530022；2.南寧市武鳴區(qū)氣象局，南寧 530109）

引言

光合有效輻射（Photosynthetically active radiation，簡稱PAR）是植物進行光合作用不可或缺的能量來源，也是估算區(qū)域光合生產(chǎn)潛力、碳匯等重要因子。隨著天氣、氣候對農作物生長影響機理及農作物生長模擬研究的逐漸深入，PAR 觀測資料的缺乏在一定程度上限制了區(qū)域氣候資源的充分利用［1］。因此，通過構建區(qū)域氣候估算模型來反演不同時間尺度的PAR 值一直為國內外相關學者所關注［2－16］。如國內學者張運林等［17］以總云量、低云量等為主要因子構建太湖地區(qū)PAR 值估算氣候經(jīng)驗模型；韓曉陽、季國良等［19-20］則認為水汽壓或訂正后的水汽壓等對長武塬區(qū)、張掖地區(qū)的PAR 值估算起主導作用；白建輝等［20－21］在估算深圳地區(qū)PAR 值時引入了大氣成分、溫濕度和太陽天頂角等因子，但在估算華北地區(qū)的PAR 值時則以水汽、散射等因子為主。針對光合有效系數(shù)（ηPAR=PAR/Qt）受不同區(qū)域氣溶膠、天氣現(xiàn)象、云狀云量、水汽含量等［3－4］氣候因素的影響較大，且云量云狀等因素難以量化，使得眾多區(qū)域PAR 值氣候估算經(jīng)驗模型缺乏普適性等不足問題，朱旭東、蔣沖等［22-23］基于Angstrom A［2］的太陽輻射估算模型為基礎，擴展了光合有效系數(shù)與晴空指數(shù)的關系模型，以此估算我國大陸地區(qū)、秦嶺南北不同年代的PAR 值并分析其時空變化規(guī)律，為各地利用易獲取的日照百分率來估算區(qū)域不同時間尺度的PAR 值提供了借鑒。如張廣奇等［24］嘗試應用日照時數(shù)估算遼寧錦州PAR 時數(shù)，獲得超過一定閾值（≥300μmol·m-2·s-1）PAR 時數(shù)的估算值與實測值無顯著差異的結論。但需要指出的是，大部分農作物、林果的光合補償點多在60～80μmol·m-2·s-1，遠低于PAR 時數(shù)的估算閾值300μmol·m-2·s-1，且不同種類農作物、林果的生長周期及產(chǎn)量、品質形成關鍵期起止日期及相應的光飽和點存在一定差異，而月、季、年尺度PAR 值的估算卻難以應用于農林作物產(chǎn)量、品質形成的機理分析。因此，構建可較好地估算日序及其各時次PAR 值的經(jīng)驗估算模型，解決區(qū)域日序、時序PAR 值缺測的難題，對揭示光合有效輻射對農作物、林果生長發(fā)育進程、產(chǎn)量與品質構成影響等機理的研究具有十分重要的意義。為此，選擇我國沃柑種植面積較大區(qū)域的南寧市武鳴區(qū)2018 年10月至2020 年3 月逐日、逐時太陽輻射、光合有效輻射和日照等實測資料為數(shù)據(jù)源，擬通過分析日序、時序PAR 實測值與其對應的日照實測值變化關系，建立基于日照時數(shù)的光合有效輻射估算經(jīng)驗模型，探索應用日照時數(shù)等數(shù)據(jù)來估算區(qū)域日序及各時次PAR 值可行性，期待為區(qū)域氣候資源充分利用提供參照。

1 研究區(qū)概況

南寧市武鳴區(qū)是典型的南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫22.1℃，年平均雨量1280mm，年日照時數(shù)1600h；主要農作物、林果為糖料蔗、柑橘等。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

南寧市武鳴區(qū)歷年逐日、逐時日照等數(shù)據(jù)來源于武鳴區(qū)氣象局。2018 年10 月1 日至2020 年3 月31 日地表太陽輻射Q、光合有效輻射PAR 等數(shù)據(jù)來源于南寧市武鳴區(qū)城廂鎮(zhèn)農業(yè)氣象自動觀測站（108°7′25″E，23°11′45″N）。該站利用江蘇省無線電科學研究所有限公司生產(chǎn)的分光光譜輻射傳感器。分光光譜輻射傳感器等儀器觀測期間經(jīng)過設備供應商校準。采樣頻率和記錄樣本為每分鐘瞬時值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）剔除光合有效輻射PAR＜60μmol·m-2·s-1（喜陽植被光補償點）的時次觀測值。

（2）將逐日地表太陽輻射Qmin、PARmin分鐘瞬時平均值整理為1h 累計值（Qh、PARh）。

（3）將日出至日沒各時次的Qh、PARh整理為1d 累計值（Qd、PARd）。

（4）選取2019 年1—12 月逐日、逐時PAR 等觀測數(shù)據(jù)為樣本，構建區(qū)域PAR 值氣候估算經(jīng)驗模型。2018 年10—12 月和2020 年1—3 月的逐日、逐時PAR 等觀測數(shù)據(jù)用于檢驗模型效果。

2.3 研究方法

2.3.1 日序、時序地表太陽輻射擴展

日序及各時次大氣層頂太陽輻射及日序可照時數(shù)計算參照曾燕［3］等計算公式（1）—（6）：

式中Qac—日序大氣層頂太陽輻射值，Qac-t—日序時次大氣層頂太陽輻射值，G0—太陽常數(shù)，取值為1367W·m－2·d－1，dr—地球繞日軌道偏心率，ωs—日落時角，φ—研究區(qū)地理緯度，δ—太陽傾角（赤緯角），J—日序，t—時角，h—太陽高度角，n—實際日照時數(shù)；N—日序可照時數(shù)。

基于日序、時序地表太陽總輻射實測數(shù)據(jù)及其對應的日照百分率數(shù)據(jù)，分別構建日序、時序晴空指數(shù)kt＝Qt/Qac與日照百分率（n/N）的線性、非線性關系模型，選擇擬合效果較好的模型作為區(qū)域日序、時序地面太陽總輻射估算擴展模型。

2.3.2 日序、時序光合有效輻射的擴展

基于南寧市武鳴區(qū)2019 年1—12 月逐日、逐時PAR 等觀測數(shù)據(jù)，分別采用線性、非線性分析法構建光合有效系數(shù)ηPAR＝PARt/Qt與其對應晴空指數(shù)變化關系模型，選擇擬合效果較好的模型作為區(qū)域日序、時序光合有效輻射估算擴展模型。

3 結果與分析

3.1 時序日照對PARh 的影響

為了揭示時序日照對時序光合有效輻射影響的季節(jié)性差異，選擇全年最冷月1 月、最熱月7 月逐日逐時光合有效輻射隨對應時次日照變化進行比較。從南寧市武鳴區(qū)最冷1 月、最熱7 月逐日逐時PARh與對應時次的日照變化曲線可以看出：PARh值時序變化大致呈現(xiàn)單峰型曲線，早、晚PARh很弱，峰值多出現(xiàn)在中午前后；月內的PARh時值大小變化與日照出現(xiàn)的時次、時長變化大致同步。

實測數(shù)據(jù)表明：相同的日照時次、時長，夏季7月的PARh值均大于冬季1 月的PARh值。這與夏季太陽直射北半球時，地表太陽輻射值、光合有效輻射值相對較高，而冬季太陽直射南半球，地表太陽輻射值、光合有效輻射值相對較低是一致的。換言之，PARh值隨季節(jié)、日照時長和日照出現(xiàn)的時次而變。

3.2 日照時長對PARd 的影響

日照時長是指太陽直接輻射量≥120w·m-2的時間累計（單位：0.1h），而太陽直接輻射量主要要集中于可見光區(qū)（波段380～710nm），太陽可見光總輻射量即為光合有效輻射量［12］。為了揭示不同日照時長下光合有效輻射的差異，統(tǒng)計不同日照時長對應的PARd日值，結果發(fā)現(xiàn)，PARd日值隨日照時長變化明顯，日照時長越長，PARd日值越大，隨季節(jié)變化顯著。其中晴天情形下（日照時數(shù)≥8.1h）的PARd日值時序變化近似單峰型，夏季PARd日值為全年最大，冬季PARd日值為全年最小，春秋兩季PARd日值則介于夏冬日值之間（圖1）。而多云轉晴或晴轉多云、多云或陰天情形下（日照時長為5.1～8.0h 或以下）的PARd值時序峰值變化則呈現(xiàn)非線性關系（圖2），這可能是不同月份之間日照出現(xiàn)的時序與時長、云量云狀等存在差異所致。

圖2 2019 年1—12 月日逐時晴空指數(shù)隨對應時次日照時長

3.3 地表太陽輻射Q 估算模型的擴展

較長序列的太陽總輻射觀測數(shù)據(jù)是區(qū)域太陽能資源開發(fā)利用的重要基礎。為了有效彌補區(qū)域太陽總輻射觀測站點稀少、觀測年限有限等不足，國內外不少學者采用地表太陽總數(shù)輻射與日照百分率的線性關系來推算區(qū)域太陽總輻射［13］。但從2019 年1—12 月日晴空指數(shù)（k=Qd/Qac）與對應的日照百分率（n/N）、日各時次晴空指數(shù)（Kt=Qh/Qac-t）與對應時次日照時長（nt）變化關系可以看出：盡管日晴空指數(shù)、日各時次晴空指數(shù)總體隨對應的日照百分率、對應時次日照時長呈現(xiàn)增大趨勢，但不同季節(jié)、不同日期，因日照出現(xiàn)的時次、時長存在一定差異，導致相同日照百分率或相同日照時長所對應的晴空指數(shù)差異明顯（圖1、2）。

圖1 2019 年1—12 月逐日晴空指數(shù)隨日照百分率變化

為客觀反映晴空指數(shù)隨日照變化，應用最小二乘法分別構建日、時次晴空指數(shù)與日照百分率、時長的一階、二階、三階和指數(shù)關系模型。結果表明：日晴空指數(shù)K 與日照百分率（n/N）、時次晴空指數(shù)Kt與時次日照nt的二階函數(shù)關系式，其模型回代、樣本檢驗效果最優(yōu)（圖略）。

根據(jù)晴空指數(shù)定義，南寧市武鳴區(qū)逐日地面太陽輻射估算模型可轉換為：

式中a、b、c 為待定系數(shù)?；趯崪y數(shù)據(jù)統(tǒng)計，南寧市武鳴區(qū)日地面太陽輻射估算模型的待定系數(shù)分別為0.1526、1.1673、-0.739。模型復相關系數(shù)R2＝0.8940，達到置信度a＝0.001 的顯著性水平檢驗。

南寧市武鳴區(qū)日出至日沒的各時次地面太陽輻射估算模型可轉換為：

式中d、e、f 為待定系數(shù)?；趯崪y數(shù)據(jù)統(tǒng)計，南寧市武鳴區(qū)時次地面太陽輻射估算模型的待定系數(shù)取值分別為0.0328、0.1042、-0.0367。模型復相關系數(shù)R2＝0.7255，達到置信度a＝0.001 的顯著性水平檢驗。

3.4 光合有效輻射PAR 估算模型的構建

以南寧市武鳴區(qū)2019 年1—12 月逐日、逐時太陽輻射、光合有效輻射和日照等實測資料為數(shù)據(jù)源，分析日序光合有效系數(shù)（ηPAR-d=PARd/Qd）、時次光合有效系數(shù)（ηPAR-t=PARh/Qh）與其對應晴空指數(shù)的線性、非線性變化關系，結果發(fā)現(xiàn)：日序光合有效系數(shù)、日序逐時光合有效系數(shù)與其對應的晴空指數(shù)的自然對數(shù)呈現(xiàn)良好的線性變化關系（圖略）。其關系式為：

式中i 為日或時次。

基于實測數(shù)據(jù)，應用最小二乘法構建的日序光合有效輻射PARd估算模型為：

模型復相關系數(shù)R2＝0.6082，達到置信度a＝0.001 的顯著性水平檢驗。

日序時次光合有效輻射PARt估算模型為：

模型復相關系數(shù)R2＝0.5526，達到置信度a＝0.001 的顯著性水平檢驗）。

日序、時次模型參數(shù)與朱旭東等［23］給出的參數(shù)（0.38，-0.04）、何洪林［25］給出的參數(shù)（0.40，-0.03）存在一定差異。這可能與研究區(qū)域、統(tǒng)計樣本的時間尺度等存在差異有關。

將（7）式代入（9）式，可得到區(qū)域基于日照百分率的日序估算通用模型為：

同理，將（8）入（9）式，可獲得基于時次日照時長的日序時次PARt估算通用模型為：

3.5 估算模型效果檢驗

分析逐月的日序地表太陽輻射、光合有效輻射估算模型回代檢驗和模擬檢驗效果，結果顯示：5～11 月的日序地表太陽輻射、光合有效輻射估算值與實測值的平均相對誤差為7.9%～20.2%，估算效果最好；4 月、12 月的平均相對誤差為22.3%～30.75%；而冬春銜接的1 月、2 月、3 月份，估算效果最差，平均相對誤差36.77%～65.65%，尤其是當日照時數(shù)為0、且白天時段08—20 時降水≥1.0 情形下，日值相對誤差高達113.0%～316.0%。原因可能是2—4 月期間靜止鋒長期停滯在華南上空，多為低溫、陰雨寡照天氣，使得儀器儀表對地表太陽輻射和光合有效輻射觀測響應緩慢而導致模擬值明顯偏高）。此外，對盛夏的雨后、尤其是夜間出現(xiàn)明顯降雨后的第二天或第三天的日太陽輻射曝輻量、光合有效曝輻量出現(xiàn)跳躍性增大情形下，模擬值與實測值的相對誤差也較大，最高有達50%以上。盡管如此，估算模型效果仍優(yōu)于Angstrom［2］和周允華［5］、朱旭東［22］、蔣沖［23］、張廣奇［28］等給出的氣候學估算模型。

日序各時次的地表太陽輻射、光合有效輻射估算模型月份回代、檢驗效果與日序的月份變化大致同步。但時次的平均相對誤差變幅明顯大于日值，這可能是不同日序間日照的時次、時長變化幅度明顯大于日序日照時數(shù)所致。

從表1 給出的2019 年1—12 月的日及其各時次地表太陽輻射、光合有效輻射估算模型回代平均絕對誤差、平均相對誤差，以及2018 年10—12 月、2020 年1—3 月日及其各時次地表太陽輻射、光合有效輻射估算模型檢驗平均絕對誤差、平均相對誤差，可以看出：基于日序日照時數(shù)的地表太陽輻射、光合有效輻射估算模型回代、檢驗效果總體優(yōu)于基于時次日照時長的估算模型。

表1 基于日照時數(shù)的表太陽輻射、光合有效輻射估算模型效果檢驗

4 結論與討論

日序的日照百分率大小及日序時次的日照時長與地表太陽輻射演變具有很好的一致性。因此，應用易獲得的日照百分率等觀測數(shù)據(jù)來構建區(qū)域日序及其時次的光合有效輻射經(jīng)驗估算模型，能較好地反演不同日照時長的光合有效輻射值，尤其是對大宗糧食、經(jīng)濟作物及主要林果的主要生長季多集中在4—11 月而言，期間的日序及其時次的光合有效輻射值與實測值的誤差范圍相對較小，完全可滿足農林生長季光合生產(chǎn)力估算及揭示光合有效輻射對農林產(chǎn)量、品質構成影響機理等研究對光合有效輻射等數(shù)據(jù)源的需求。

需要指出的是，模型對雨后、尤其是夜間出現(xiàn)明顯降雨后的第二天或第三天的日太陽輻射曝輻量、光合有效曝輻量出現(xiàn)跳躍性增大現(xiàn)象，以及冬末至早春的持續(xù)低溫、陰雨、寡照天氣，輻射曝輻量、光合有效曝輻量處于明顯低值情形下，其模型的擬合或檢驗值與實測值相差甚大。如何量化不同時段降水、氣溫、濕度等因素對晴空指數(shù)的影響，尚需更多的觀測資料佐證。此外，日序時次的大氣層頂太陽輻射值隨太陽高度角變化，取日序各時次對應的大氣層頂太陽輻射整點的瞬時值、時次的均值，是否影響到地面太陽輻射、光合有效輻射估算模型的構建與擬合、檢驗效果尚有待進一步驗證。