西安浐灞生态区光合有效辐射变化规律研究及气候学计算

张宏利，张纳伟锐，魏俊涛，樊婷丽，杨胜利

（1.陕西省西安市气象局，西安710016；2.中山大学 地球科学系，广州510000）

光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation，PAR），是指太阳辐射能中可以被绿色植物用来进行光合作用的能量［1］，是植物生长所需的基本能源，波长400～700nm［2］。PAR的量度有光学、能量和量子3种系统［3］。国内外对PAR特征的研究主要集中在PAR及光合有效辐射系数（PAR与太阳总辐射Q之比，ηQ）的变化特征及影响因子的分析方面［4］。目前常规气象台站没有PAR的观测项目，所以对其估算还需借助于气候学计算［5］。而PAR的估算与ηQ关系密切，因此问题的焦点归结于ηQ的确定。前人对PAR及ηQ的区域研究较多，但对生态区、园林展会等区域的研究较少。西安乃至关中平原至今未见PAR的系统观测资料及相应研究。

本研究以西安2011年世园会期间浐灞生态区4—10月PAR的基本观测资料为准，对该地区主生长期的花卉苗木冠层上部光量子PAR及ηQ变化规律进行研究，对其日变化、季节变化及其影响因素进行深入分析，以期为总结西安世园会花卉苗木在浐灞良好生长、精彩展示以及以后其它城市举办世园会提供翔实的科学数据，也为西安生态系统平衡建设及有效发挥生态、气候资源效能提供理论依据。同时为PAR、ηQ数据在西安生态系统模型建立、气候变化监测、生态安全研究与决策等方面的推广与深入应用起到一定的作用。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

研究区域位于西安东北角的浐灞国家级生态区，属“长安八水”中的浐、灞水系区域，该区成立于2004年9月，规划总面积129km2，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均温13～14℃，最冷1月均温－2～0℃，最热7月均温26～27℃；年降水量520～720 mm，主要集中在4—9月。2008年初开始，全区以“绿色引领时尚”为理念筹办西安世园会，直至2011年4月开园。研究区域是我国西北生态建设、园林展会最具代表性的地区，发育并建设多种类型的生态系统。

1.2 数据来源

在研究区域的东南角后勤入口附近设有一气象塔，该塔地理位置为34°18′54″N、109°03′46″E，海拔高度385m。塔上设有28个气象要素探测设备，光合有效辐射表是其中之一，离地面高度为2.5m。使用华创风云集团生产的FPH－1型光合有效辐射表进行测定，光谱范围为400～700nm，灵敏度为5～50 μV／μmol／m2／s，响应时间为1s，余弦校正至80°入射角，余弦响应≤10%，每分钟取样一次；ηQ研究选用离西安世园会会址15km、海拔高度410m的泾河国家基准气候站同期太阳总辐射、水汽压观测资料。因在规定的范围内，引用资料不做差异处理［6］。研究资料时段为2011年4月15日—2011年10月31日，以西安日出—日落为界，取每日西安浐灞世园会址的光合有效辐射及泾河太阳总辐射、水汽压观测资料，春、夏、秋三季的界定为4—5月、6—8月、9—10月。

2 结果与分析

2.1 PAR变化规律

2.1.1 PAR季节变化 2011年4—10月西安世园会址的PAR为5 095.2mol／m2，平均每月、每日总量为727.9mol／m2、23.8mol／（m2·d）。春、夏、秋三季的月平均 PAR 分别为 795.3，834.7，500.4 mol／m2，PAR总量夏季大于春季，春季大于秋季。但夏季与春季只相差39.4mol／m2，差异不明显，这是由2011年春旱少雨多晴好天气所造成的。而春夏与秋季相差近300mol／m2，原因为2011年罕见秋霖，9月降水量为255.8mm，较西安站9月历史平均降雨量91.6mm偏多164.2mm（图1）。

图1 西安浐灞世园会址逐月PAR及降水量分布

2.1.2 PAR日变化 2011年4—10月浐灞PAR日变化分析，以4月、7月、10月分别代表春、夏、秋季，在各季节中选择典型晴天日（总云量≤3成）、阴天日（总云量≥8成）白天的各时平均瞬间值进行绘图（图2），典型晴天日为4月27日、7月8日、10月16日，典型阴天日为4月20日、7月3日、10月22日。由图2可见，晴天和阴天的PAR日变化与太阳高度角的日变化趋势是一致的，这反映了辐射通量与太阳高度的正弦成正比的变化趋势［7］，说明太阳高度角是影响太阳辐射的首要因子。旱晚PAR很弱，随着太阳高度角的升高，近地面总辐射增大，PAR亦迅速增大，在中午时PAR达到大值（阴天比晴天早一些或迟一些），之后又随太阳高度角的减小而迅速减小。尽管晴天和阴天PAR总的变化趋势相同，但它们之间的差异仍很大。显然，晴天时PAR变化是循序渐进的，曲线很平滑，在正午时刻达到一天中的最大值；阴天时，PAR的波动很大，极值出现的时间与晴天不一致，这主要与阴天条件下的各时刻的云量状况和大气透明度有关；在春、夏季，晴天日和阴天日的PAR日变化总量与振幅相当，但春、夏季明显高于秋季，晴天日为500～600mol／m2，阴天日为200～300 mol／m2。

图2 西安浐灞世园会址春、夏、秋典型晴天日、阴天日各时PAR变化

2.2 ηQ变化特点

2.2.1 ηQ季节变化 图3为世园会址2011年4—10月每日ηQ变化散点图，并通过4次多项式进行了拟合。从图3可知，ηQ具有明显的月份和季节变化特征。拟合曲线呈双峰型，7月和10月为峰值月，5月和9月为谷值月。季节分布上以夏季值为最大，达1.75mol／MJ；秋季次之，为1.73mol／MJ；春季最小，为 1.56mol／MJ。4—10 月 ηQ值 平 均 为 1.69 mol／MJ，8月最大，4月最小；每日平均ηQ最大值为2.48mol／MJ，出现在7月22日。ηQ最小值为1.00 mol／MJ，9月出现次数最多，达6次。

2.2.2 ηQ日变化 表1说明，阴天日的ηQ值明显高于晴天日，两者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表现得更为明显，阴天日的ηQ比晴天日高出0.67 mol／MJ，其次是春、秋，差值分别为0.49，0.27mol／MJ。这是因为阴天日的空气相对湿度明显高于晴天日（图4），在白天的10时到18时，阴天日的相对湿度比晴天日平均高出56%，最高差值达62%。而水汽对太阳辐射中波长较长的近红外辐射有很强的吸收作用，对波长较短的太阳辐射的吸收作用较小。PAR属于波长较短的部分，因此水汽的吸收作用使得近红外辐射的衰减量多于PAR的衰减量，使得对ηQ的削弱量高于PAR，则ηQ增大。此外，随着水汽和云量的增多，吸收的红外辐射增多，空气分子和气溶胶离子对散射的贡献相对减少，则造成ηQ随云量的增加而增大［1，8］。

图3 世园会址2011年4－10月每日ηQ变化散点图

表1 西安浐灞世园会址晴天日、阴天日的PAR、Q、ηQ比较

图4 西安浐灞世园会址晴天日与阴天日相对湿度对比

2.3 PAR的气候学计算与检验

由于PAR与ηQ关系密切，PAR的气候学计算实质就是计算ηQ。通过上述分析可知，ηQ并不是一个常量，ηQ的变化受当地气候条件、地理特性、水汽、云量及大气气溶胶等因素的影响。相关研究表明，与ηQ许多大气参数（如水汽压、低云量等）呈正相关关系，与晴空指数、日照百分率、大气浑浊度呈负相关关系［9］。总结国内外对ηQ及PAR计算的研究成果［3］发现，影响PAR的因素较多，但ηQ的计算方法基本一致（考虑水汽压，日照百分率、太阳天顶角等因子，利用观测数据回归拟合经验关系式），各地的拟合经验系数有差异。

通过对西安世园会址ηQ的变化特征的分析可知，该地区的水汽对ηQ具有重要影响，因此，进行西安世园会址ηQ的计算时只考虑水汽因子。本研究参考季国良等［8］、周允华等［10］的研究中ηQ与水汽压E的经验关系式来确定量子系统下ηQ的关系式，其函数关系式如下：

式中：E——经过气压（高度）订正后的水汽压，E＝P0E0／P，P0、P——海平面及测站的月平均气压；E0——月平均水汽压；a，b——经验系数。

利用（1）式，以旬为单位，将2011年4—10月西安世园会址ηQ与泾河E进行回归分析，得到PAR及ηQ的经验公式：

经计算，式（3）的相关系数r≈0.47。西安世园会址及泾河旬平均样本只有20个，据统计学大样本定理［11］，需计算无偏相关系数加以校正：

r＊≈0.48。用t检验来对r＊进行显著性检验［12］，统计量为：

t≈2.33。给定显著性水平α＝0.05，查t分布表得tα＝2.10，由于t＞tα，认为西安世园会址ηQ与泾河E之间的相关系数是显著的，说明式（2），（3）对于计算西安的PAR及ηQ是可行的。

3 结论

（1）2011年4—10月西安浐灞的PAR为5 095.2 mol／m2，平均月、日总量分别为727.9mol／m2，23.8 mol／（m2·d）。PAR总量夏季大于春季，春季大于秋季，秋季明显小于夏、春季，原因为罕见秋霖所致。

（2）PAR的日变化为中午大，早晚小。晴天的日变化曲线呈单峰型且比较平滑，阴天的日变化曲线波动比较大。晴天日、阴天日总量与振幅变化特点为春、夏季相当，春、夏季明显高于秋季，晴天日多为500～600mol／m2，阴天日多为200～300mol／m2。

（3）ηQ具有明显的月份和季节变化特征，拟合曲线呈双峰型，7月和10月为峰值月，5月和9月为谷值月。季节分布上以夏季为最大，秋季次之，春季最小。日平均ηQ峰值为2.48mol／MJ，出现在7月，ηQ谷值为1.00mol／MJ，9月出现最多。

（4）ηQ日变化特点为阴天日的ηQ值明显高于晴天日，两者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表现得更为明显，阴天日的ηQ比晴天日高出0.67mol／MJ，其次是春、秋，差值分别为0.49，0.27mol／MJ。

（5）ηQ的气候学计算经验公式为：ηQ＝1.20＋0.42lgE，经检验，该式适应于西安地区。

（6）由于节会的特殊性，研究区得到的资料时间较短，分析结论还有待于进一步验证。

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