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(duì)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(cè)資料是2005～ 2007通過(guò)布置在中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站在稻田內(nèi)的小氣候自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)得來(lái)的，通過(guò)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(shí)，輻射平衡各項(xiàng)日變化規(guī)則，總輻射、凈輻射的變化趨勢(shì)一致，中午13點(diǎn)左右達(dá)到最大值920w·m-2。陰天和降水天時(shí)，輻射平衡各分量變化遠(yuǎn)沒(méi)有晴天時(shí)規(guī)則。除向上短波輻射和向上長(zhǎng)波輻射外，都有不同程度的減小。陰天時(shí)總輻射是晴天時(shí)的3/5左右，降水天時(shí)總輻射是晴天時(shí)的3/10。向下長(zhǎng)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)。

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

1 引言

太陽(yáng)輻射是氣候系統(tǒng)中各種物理過(guò)程和生命活動(dòng)的動(dòng)力，地表輻射平衡又是地-氣相互作用的主要研究?jī)?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(duì)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(cè)和研究農(nóng)田中和森林內(nèi)的輻射狀況，對(duì)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(cè)系統(tǒng)布置在中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站（47°35′N(xiāo)，133°31′E）附近稻田內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)水稻生長(zhǎng)期近5個(gè)月，一般5月中下旬移栽，9月中旬成熟，10月初收割。生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)在1000～1200h。年總輻射量4100～4700（MJ·m-2· y-1），≥10℃時(shí)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(zhǎng)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(xiàng)以及凈輻射數(shù)據(jù)來(lái)自于設(shè)置在稻田內(nèi)的小氣候自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)觀測(cè)項(xiàng)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(fēng)速以及8m處風(fēng)向等。CNR1凈輻射傳感器由一對(duì)CM3短波輻射傳感器和一對(duì)CG3長(zhǎng)波輻射傳感器組成，分別測(cè)量向下、向上短波輻射和向下、向上長(zhǎng)波輻射。氣象數(shù)據(jù)的采樣頻率為0.5Hz，計(jì)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(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載到計(jì)算機(jī)內(nèi)。由于電力不足導(dǎo)致的凈輻射缺測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)凈輻射與太陽(yáng)總輻射的線性相關(guān)性進(jìn)行推算。小氣候系統(tǒng)觀測(cè)過(guò)程中缺測(cè)的凈輻射數(shù)值依據(jù)其與太陽(yáng)輻射的顯著線性關(guān)系進(jìn)行查補(bǔ)，而太陽(yáng)輻射來(lái)自于附近氣象站內(nèi)的自動(dòng)輻射觀測(cè)系統(tǒng)。

3 地表輻射平衡

地表輻射的分類(lèi)以及各項(xiàng)的意義：

地表輻射可以分為四類(lèi)，分別為：總輻射，向下長(zhǎng)波輻射（亦稱(chēng)大氣逆輻射），向上短波輻射，向上長(zhǎng)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?lái)源，是驅(qū)動(dòng)地氣相互作用的原動(dòng)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(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度。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(shí)刻最強(qiáng)，夜間為0。但實(shí)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(zhǎng)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(jì)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?yàn)榍罢呤堑乇韺?duì)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(zhǎng)波輻射計(jì)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(zhǎng)波輻射主要取決于地表溫度。

凈輻射是由天空（包括太陽(yáng)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(jì)算公式也可以記為：

式中：S↓、L↓、S↑、L↑分別為短波向下輻射，長(zhǎng)波向下輻射，短波向上輻射，向上長(zhǎng)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(xiàng)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(xiàng)在一天當(dāng)中隨時(shí)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(gè)典型晴天，總輻射與凈輻射在一天當(dāng)中的最大值出現(xiàn)在13點(diǎn)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(fù)的時(shí)間段為凌晨0～4點(diǎn)之間和傍晚19點(diǎn)30之后。向下長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射始終不為0，因?yàn)榭傒椛淇傆幸徊糠滞ㄟ^(guò)反射、散射等作用于地表。正午12點(diǎn)左右，總輻射與凈輻射有所減小，其原因是由于此時(shí)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(xiàng)日變化

典型陰天時(shí)（圖1b），總輻射與凈輻射相對(duì)于晴天時(shí)的最大值要小了很多，不過(guò)它們的最大值仍然是出現(xiàn)在中午13點(diǎn)左右，總輻射的最大值約為590w·m-2是晴天時(shí)的3/5左右，凈輻射最大值約為450w·m-2也是晴天時(shí)的3/5左右。而向下長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射的值在陰天約為：400w·m-2左右，相對(duì)于晴天時(shí)只是略高。凈輻射為負(fù)的時(shí)間段與晴天時(shí)一樣。在傍晚19點(diǎn)至第二天中午12點(diǎn)之前的時(shí)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(shí)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(lái)的原因。

典型降水天總輻射與凈輻射的最大值相對(duì)于晴天和陰天時(shí)都要小了很多（圖1c），并且小于向下長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射。它們的最大值相近，都約為：300w·m-2，分別為晴天時(shí)的3/10和3/7，陰天時(shí)的1/2和3/5。向下長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射的值相對(duì)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(dá)地面的總輻射非常的少。對(duì)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?yàn)槎际窃谕幌聣|面下觀測(cè)的。

4.2 總輻射和凈輻射變化

對(duì)2005～2007年的總輻射和凈輻射做散點(diǎn)圖進(jìn)一步進(jìn)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(shuō)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(biāo)表示的是時(shí)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(biāo)表示的是總輻射，每一個(gè)點(diǎn)表示一天的總輻射。6、7、8月是太陽(yáng)高度角在全年中最大的時(shí)間，一天最高的總輻射可達(dá)17000w·m-2。而隨著太陽(yáng)直射點(diǎn)逐步南移，太陽(yáng)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(cè)值在2000～9000w·m-2范圍浮動(dòng)。整個(gè)趨勢(shì)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(yáng)高度角變化過(guò)程中總輻射突然減少，這是由于影響太陽(yáng)輻射的因子有很多，除了太陽(yáng)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(yáng)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(shì)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(shuō)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(yáng)高度角變化過(guò)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(shí)間的增加地表反照率在增加。反照率隨著時(shí)間的增加而增大實(shí)質(zhì)上就是由于太陽(yáng)高度角的減小而增大。因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)直射點(diǎn)逐步南移，太陽(yáng)高度角減小。

圖3 5～10月反照率季節(jié)變化

對(duì)葉面積指數(shù)與地表反照率做散點(diǎn)圖進(jìn)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(yǔ)

（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(shí)，輻射平衡各項(xiàng)日變化規(guī)則，總輻射、凈輻射的變化趨勢(shì)一致。中午13點(diǎn)左右達(dá)到最大值，陰天和降水天時(shí)，輻射平衡各分量變化遠(yuǎn)沒(méi)有晴天時(shí)規(guī)則。除向上短波輻射和向上長(zhǎng)波輻射外，都有不同程度的減小。陰天時(shí)總輻射是晴天時(shí)的3/5左右，降水天時(shí)總輻射是晴天時(shí)的3/ 10。向下長(zhǎng)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)。

（2）地表反照與太陽(yáng)高度角呈負(fù)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(yáng)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(qiáng)，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(xué)，2003，27（2）：245～254.

[2]錢(qián)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(duì)比分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（4）：453～ 460.

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2095-2066（2016）33-0278-02

2016-11-10