2015–2020 年中國光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)集

吳彤，辛華劍，劉慧，胡波，劉子銳，劉廣仁

1.中國科學(xué)院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000

4.陜西省氣象臺，西安 710014

引 言

太陽輻射是地球生物生存所需的主要能源[1]，而植物進行光合作用所吸收的太陽光主要在波長400–700 nm 之間，這一部分太陽光譜被稱為光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）。光合有效輻射作為影響植物生理活動眾多因素中的關(guān)鍵因子[2]，不僅是植物合成自身所需要營養(yǎng)物質(zhì)的能量來源，還直接影響到植被的生長速度、發(fā)育狀況、分布范圍和物種豐富度[3]，進而影響整個陸地生態(tài)系統(tǒng)。而對海洋生態(tài)系統(tǒng)來說，光合有效輻射同樣也會直接影響海洋浮游植物的數(shù)量和生長范圍，導(dǎo)致海洋初級生產(chǎn)力變動，進而影響海洋魚類的數(shù)量和分布[4]。此外，光合有效輻射也是重要的氣候資源，對地表與大氣環(huán)境之間的物質(zhì)、能量交換有重要影響[5]。因此，精確的光合有效輻射時空數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的評估、全球農(nóng)作物產(chǎn)量及糧食安全問題、大氣CO2濃度變化情況、區(qū)域碳匯的計算等方面具有重要意義，對生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、資源與環(huán)境學(xué)、氣候?qū)W等領(lǐng)域的研究均能提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

目前，我國已有多種光合有效輻射的估算方法，包括傳統(tǒng)氣候?qū)W方法、遙感估算方法等，但存在一些不足，如遙感信息的瞬時性等[6]。也有基于日照時數(shù)進行的光合有效輻射估算研究，但結(jié)果表明在特殊天氣情況下會有較大誤差[7]。還有基于Himawari-8 衛(wèi)星構(gòu)建光合有輻射反演算法，但在創(chuàng)建代價函數(shù)時僅通過一個波段，可能獲取的信息不夠充分，導(dǎo)致衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)時間分辨率不高[8]。另外還有根據(jù)其他影響因子建立的估算模型，在不同區(qū)域內(nèi)均有其適用性[9-12]，但大尺度的光合有效輻射估算方法還有待研究。本文基于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）已有數(shù)據(jù)構(gòu)建估算公式，并結(jié)合CMA（China Meteorological Administration）等的歷史數(shù)據(jù)重構(gòu)全國范圍的光合有效輻射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)效果得到很好驗證[13]，具體方法將在后文介紹。

CERN 監(jiān)測中國資源和生態(tài)環(huán)境的各項數(shù)據(jù)，其中的氣象輻射觀測系統(tǒng)從2004 年開始觀測，監(jiān)測內(nèi)容包含溫度、風(fēng)速、氣壓、濕度等氣象要素以及總輻射、反射輻射、紫外輻射、光合有效輻射等，站點覆蓋了全國8 種典型的生態(tài)類型，具體包括城市（1 個）、農(nóng)田（15 個）、森林（10 個）、湖泊（2 個）、海灣（3 個）、草地（2 個）、荒漠（6 個）、濕地（1 個）。這些站點根據(jù)氣候條件和地貌狀況等因素，可歸類于我國的8 個氣候區(qū)，分別為西北地區(qū)（NWC）、青藏地區(qū)（TP）、中國北部（NC）、西南地區(qū)（SWC）、東北地區(qū)（NEC）、華北平原（NCP）、中國東部（EC）以及東南地區(qū)（SEC），分區(qū)參考神祥金等人的文獻[14]。站點基本信息如表1 所示。

表1 CERN 輻射觀測站的基本信息Table 1 Basic information about the CERN radiation observatory

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

重構(gòu)全國光合有效輻射歷史數(shù)據(jù)的具體過程為：首先采用陽坤建立的“混合模型”[15]，模型用到的參數(shù)具體包含CMA 的氣象要素數(shù)據(jù)（如氣溫、日照時數(shù)、氣壓、相對濕度）、渾濁度系數(shù)、臭氧柱總量等，通過以上數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得總輻射數(shù)據(jù)。其中，渾濁度系數(shù)根據(jù)?ngstr?m 指數(shù)定律結(jié)合由MODIS（moderate-resolution imaging spectrometer）提供的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD，Aerosol optical Depth）計算得到、臭氧柱總量由NASA/GSFC（National Aeronautics and Space Administration/Goddard Space Flight Center）獲得。其次是通過CERN 站點的觀測的PAR 和總輻射，按照氣候區(qū)域把我國分成8 個子氣候區(qū)域，分區(qū)域基于晴空指數(shù)建立光合有效輻射的重構(gòu)方法，并利用站點觀測數(shù)據(jù)對重構(gòu)精度進行檢驗。最后將重構(gòu)方法和重構(gòu)的總輻射進行耦合，進而獲得國家尺度的光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)。圖1 為此數(shù)據(jù)集生成方法的技術(shù)路線圖。

（1）總輻射數(shù)據(jù)的計算

太陽輻射在到達地面的過程中，主要受臭氧吸收、Rayleigh 散射、云的吸收及散射等方面的衰減作用。根據(jù)陽坤等人的研究，可由式（1）氣壓、渾濁度系數(shù)等參數(shù)計算得到太陽輻射直接輻射透過率和散射輻射透過率，云的透過率可由日照時數(shù)得到（晴空大氣狀況下云的透過率以100%計算），則到達地面的太陽輻射日累計值Rs可由式（2）得出：

其中：λ（μm）為波長，δ(λ)為AOD 值， 為渾濁度系數(shù)， 為?ngstr?m 指數(shù)。Rs為地面總輻射；τc為云的透過率，可通過日照時數(shù)獲得；t1、t2分別表示日出和日落時刻；τb為直接輻射透過率；τd為散射輻射透過率；R0為大氣層頂總輻射。

（2）晴空指數(shù)的計算

結(jié)合同一地理位置的地面總輻射及大氣層頂天文輻射數(shù)據(jù)即可得出：

其中：Ks為晴空指數(shù)。

（3）光合有效輻射重構(gòu)的參數(shù)化方案

按照氣候區(qū)劃，我們在每個子氣候區(qū)域內(nèi)選擇代表性較好，且連續(xù)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好的臺站建立光合有效輻射重構(gòu)的參數(shù)化方案，具體構(gòu)建過程以拉薩站的重構(gòu)為例進行詳細(xì)說明：

將拉薩站已有的觀測數(shù)據(jù)隨機分為兩組，一組用于擬合形成經(jīng)驗化公式，另一組用于檢驗公式精確程度。

在不同晴空指數(shù)范圍內(nèi)，光合有效輻射隨太陽高度角正弦值變化為：

將計算得出的拉薩站不同時間的晴空指數(shù)分為若干區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)對應(yīng)PAR的值，得到PARm關(guān)于Ks的散點圖，可以看出其滿足三次函數(shù)關(guān)系，即：

其中：PARm是指單位太陽高度角正弦值時光合有效輻射的值，μ為太陽高度角正弦值，n為光合有效輻射隨太陽高度角變化的程度，a、b、c、 為相關(guān)參數(shù)。

將已有數(shù)據(jù)代入公式（4）和（5），可得出a、b、c、 和n的值。最終，光合有效輻射小時值PAR?url和光合有效輻射日累計值PARdail為：

重構(gòu)結(jié)果通過了顯著性檢驗，即證明此公式可用于拉薩站點。而拉薩站點在分區(qū)內(nèi)位于青藏地區(qū)（TP），隨機選取青藏地區(qū)中的另一站點（本文選取站點為海北站），利用此公式得出該站點的光合有效輻射重構(gòu)值，再與此站點的光合有效輻射觀測值加以比對，通過顯著性檢驗表明可以很好地應(yīng)用到青藏地區(qū)[16]。用同樣的方法，在另外7 個氣候區(qū)選取代表性站點，分別為西北地區(qū)（阜康站）、中國北部（沙坡頭站）、西南地區(qū)（鹽亭站）、東北地區(qū)（海倫站）、華北平原（北京站）、中國東部（東湖站）及東南地區(qū)（鼎湖山站），最終形成在全國范圍內(nèi)適用的光合有效輻射估算公式，如表2所示。

表2 不同氣候區(qū)的光合有效輻射估算公式Table2 Estimation formula of photosynthetically active radiation in different climate zones

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容描述

“光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)集.rar”由705 個站點的光合有效輻射文本文件構(gòu)成，文本文件名為“*.txt”，*是指站點編號。壓縮包內(nèi)文件夾“光合有效輻射2015–2020”中，各列數(shù)據(jù)分別代表年、月、日、大氣層頂天文輻射（MJ·m-2·d-1）、地面總輻射（MJ·m-2·d-1）和光合有效輻射（mol·m-2·d-1）。

2.2 數(shù)據(jù)樣本描述

以重構(gòu)的50756 站點（CMA 黑龍江海倫站）數(shù)據(jù)為例，光合有效輻射日累計值的數(shù)據(jù)樣本如表3 所示，圖2 為該站近年來光合有效輻射日變化趨勢圖，總體而言夏高冬低，逐年最高值和最低值差異不大。

圖2 50756 站點2015–2020 光合有效輻射日變化趨勢圖Figure 2 Diurnal trend of photosynthetically active radiation at Site 50756 from 2015 to 2020

表3 50756 站點數(shù)據(jù)示例（部分）Table 3 Sample data of Site 50756 (partial)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

CERN 輻射數(shù)據(jù)中，總輻射標(biāo)準(zhǔn)組儀器采用交替法進行標(biāo)定，標(biāo)定精度為±3%，符合WMO 總輻射表標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)。光合有效輻射表采用光譜儀傳遞輻射標(biāo)準(zhǔn)燈的方案，標(biāo)定精度在5%以內(nèi)。而且，CERN 輻射觀測網(wǎng)的傳感器每2 年進行一次標(biāo)定，整個輻射觀測系統(tǒng)每5 年進行一次輻射基準(zhǔn)傳遞。此外，對所需使用的輻射值進行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，具體包括：剔除所有太陽高度角小于5°時刻的數(shù)據(jù)；地面太陽輻射觀測值與大氣層頂比值大于0.03；選擇光合有效輻射與總輻射的比值介于1.3-2.8 之間的數(shù)據(jù)。通過以上方式，可有效減小儀器余弦效應(yīng)及其他方面引起的誤差。

根據(jù)質(zhì)量控制后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合前文方法可得出CMA 各站點的光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與CERN 站點的觀測數(shù)據(jù)加以比對，可進一步驗證其精度，如57306 站點（CMA）與鹽亭（CERN）、55591 站點（CMA）與拉薩（CERN）、54285 站點（CMA）和長白山（CERN）等。本文以海倫和東湖的驗證方法為例，將重構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)置為X 軸，觀測數(shù)據(jù)設(shè)置為Y 軸，統(tǒng)計結(jié)果精度以相關(guān)系數(shù)R2（correlation coefficient）、平均偏差誤差MBE（Mean Bias Error）和均方根誤差RMSE（Root Mean Square Error）表征，具體計算方法如下：

其中：Ci表示第i個重構(gòu)值，Oi表示第i個觀測值，Cae表示重構(gòu)平均值，Oae表示觀測平均值，N為樣本數(shù)。

擬合結(jié)果如圖3、圖4 所示，表明本數(shù)據(jù)集精度較高，可為其他領(lǐng)域研究提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 海倫與50756 站點對比結(jié)果Figure 3 Results of the comparison between Hailun and Site 50756

圖4 東湖與57594 站點對比結(jié)果Figure 4 Results of the comparison between Donghu and Site 57594

4 數(shù)據(jù)使用方法及建議

光合有效輻射數(shù)據(jù)在農(nóng)作物產(chǎn)量、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評估、碳匯計算精度、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局及糧食安全問題等重大科學(xué)問題中均有重要作用。本數(shù)據(jù)將為上述的相關(guān)研究提供長期可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過機器學(xué)習(xí)可將本數(shù)據(jù)集進行空間插值，形成更高時空分辨率的數(shù)據(jù)，服務(wù)于光合有效輻射時空變化格局、精細(xì)化的碳源匯以及生產(chǎn)力評估等研究。數(shù)據(jù)上傳于科學(xué)數(shù)據(jù)銀行（Science Date Bank，http://doi.org/10.11922/sciencedb.01642），點擊鏈接即可進入界面下載完整版數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為文本格式，方便打開，如有需要也可打開到EXCEL 中。此外，本數(shù)據(jù)集單位為：大氣層頂天文輻射（MJ·m-2·d-1）、地面總輻射（MJ·m-2·d-1）和光合有效輻射（mol·m-2·d-1）。

致 謝

感謝中國生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）提供的光合有效輻射及其他各項觀測數(shù)據(jù)，以及中國氣象局（CMA）提供的總輻射及常規(guī)氣象要素的觀測數(shù)據(jù)。感謝CERN 監(jiān)測站點工作人員在數(shù)據(jù)采集以及對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制中的努力。最后感謝MODIS 團隊提供的AOD 數(shù)據(jù)和NASA/GSFC 臭氧處理團隊提供的臭氧數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

吳彤（1996—），男，山西人，碩士，研究方向為大氣輻射。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理及論文撰寫。辛華劍（1997—），男，黑龍江人，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)與氣象變化。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)審核與質(zhì)量控制。

劉慧（1989—）女，山西人，博士，研究方向為大氣輻射與遙感。主要承擔(dān)工作：輻射傳輸模式，重構(gòu)方法構(gòu)建及數(shù)據(jù)獲取。

胡波（1974—）男，云南人，博士，研究方向為大氣輻射。主要承擔(dān)工作：重構(gòu)方法框架搭建，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

劉子銳（1982—）男，湖南人，博士，研究方向為氣溶膠理化特性及其對環(huán)境的影響。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

劉廣仁（1950—）男，北京人，本科，研究方向為通信工程。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。