三江平原稻田地表辐射平衡研究

张丹丹，罗 霄，罗 恒，吕昆坤

（1.湖南湘西自治州气象局，湖南416000；2.湘西自治州凤凰县气象局，湖南416200）

三江平原稻田地表辐射平衡研究

张丹丹1，罗 霄1，罗 恒2，吕昆坤1

（1.湖南湘西自治州气象局，湖南416000；2.湘西自治州凤凰县气象局，湖南416200）

研究农田中的辐射平衡特征，对揭示农田热状况，特别是温度状况的形成具有重要的意义.本研究使用的地表辐射观测资料是2005～ 2007通过布置在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站在稻田内的小气候自动观测系统得来的，通过研究得出：不同天气条件下三江平原水稻田下墊面辐射平衡各分量日变化规律不同。晴天时，辐射平衡各项日变化规则，总辐射、净辐射的变化趋势一致，中午13点左右达到最大值920w·m-2。阴天和降水天时，辐射平衡各分量变化远没有晴天时规则。除向上短波辐射和向上长波辐射外，都有不同程度的减小。阴天时总辐射是晴天时的3/5左右，降水天时总辐射是晴天时的3/10。向下长波辐射晴天、阴天、降水天依次略增。总辐射与净辐射呈线性正相关。

地表辐射平衡；三江平原；稻田生态试验；日变化，季节变化，反照率

1 引言

太阳辐射是气候系统中各种物理过程和生命活动的动力，地表辐射平衡又是地-气相互作用的主要研究内容之一，受到科研工作者的极大关注。但以往的研究区域主要集中在青藏高原和干旱区的荒漠、戈壁、绿洲等地，对三江平原稻田的地表辐射平衡研究还不多[1～3]。在农、林业生产中，观测和研究农田中和森林内的辐射状况，对了解农田小气候和森林小气候形成有重要意义。

2 资料和方法

观测系统布置在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站（47°35′N，133°31′E）附近稻田内。试验区水稻生长期近5个月，一般5月中下旬移栽，9月中旬成熟，10月初收割。生长季日照时数在1000～1200h。年总辐射量4100～4700（MJ·m-2· y-1），≥10℃时期的光合有效辐射900～1100（MJ·m-2·y-1）。温度、雨量和光照条件的分布与水稻生长同步，基本能满足水稻发育的要求。

该区水稻辐射传输各项以及净辐射数据来自于设置在稻田内的小气候自动观测系统。该系统观测项目包括：离地面约2m高处的净辐射、光合有效辐射；2m、4m和8m处的空气温湿度、风速以及8m处风向等。CNR1净辐射传感器由一对CM3短波辐射传感器和一对CG3长波辐射传感器组成，分别测量向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射。气象数据的采样频率为0.5Hz，计算这些变量的30min平均值并保存在数据采集器，最后通过无线网络下载到计算机内。由于电力不足导致的净辐射缺测数据依据净辐射与太阳总辐射的线性相关性进行推算。小气候系统观测过程中缺测的净辐射数值依据其与太阳辐射的显著线性关系进行查补，而太阳辐射来自于附近气象站内的自动辐射观测系统。

3 地表辐射平衡

地表辐射的分类以及各项的意义：

地表辐射可以分为四类，分别为：总辐射，向下长波辐射（亦称大气逆辐射），向上短波辐射，向上长波辐射，净辐射。

总辐射是地面和大气热量交换和传输的能量来源，是驱动地气相互作用的原动力，是影响其他分量变化的基本特征因子。他的变化特征主要取决于当地的太阳高度。在假设大气完全透明的情况下，北半球的总辐射的最大值出现在6月，最小值出现在12月；中午时刻最强，夜间为0。但实际上由于各地的海拔高度、大气透明度以及云量等因素的不同，总辐射也存在一定的差异。

向下长波辐射的变化主要受气温、云以及空气中的水汽、气溶胶的含量等因素决定，计算公式为：

式中：εac为大气热辐射系数，σ为斯蒂芬·波尔兹曼常数，（5.6697×10-8wm-2k4），TK为气温。

向上短波辐射随季节的变化基本同总辐射的变化规律相一致，这是因为前者是地表对后者的反射，所以二者几乎同位相。但是，由于向上短波辐射还要受到地表反照率的影响，所以变化并不完全一致。向上长波辐射计算公式为：

式中：ε为比辐射率，σ为斯蒂芬·波尔兹曼常数，T0为地表温度。根据此公式可以看出，向上长波辐射主要取决于地表温度。

净辐射是由天空（包括太阳和大气）向下投射的和由地表（包括土壤、植物、水面等）向上投射的全波段辐射量之差，它的计算公式也可以记为：

式中：S↓、L↓、S↑、L↑分别为短波向下辐射，长波向下辐射，短波向上辐射，向上长波辐射。净辐射的大小决定着地表能量平衡中各分量的可分配额。

4 地表辐射的总体特征

4.1 地表辐射平衡各项的日变化特征

如图1所示：分别为晴天，阴天和下雨天情况下地表辐射平衡各项在一天当中随时间的变化图，以及总辐射与净辐射的线性相关图。图1a是2005～2007年夏季辐射资料中选取的一个典型晴天，总辐射与净辐射在一天当中的最大值出现在13点左右，总辐射的最大值约为920w·m-2，净辐射最大值约为700w·m-2。总辐射和向上短波辐射为0，净辐射数值为负的时间段为凌晨0～4点之间和傍晚19点30之后。向下长波辐射和向上长波辐射始终不为0，因为总辐射总有一部分通过反射、散射等作用于地表。正午12点左右，总辐射与净辐射有所减小，其原因是由于此时空中有少量的云。

图1 典型晴天（a）、阴天（b）、雨天（c）辐射平衡各项日变化

典型阴天时（图1b），总辐射与净辐射相对于晴天时的最大值要小了很多，不过它们的最大值仍然是出现在中午13点左右，总辐射的最大值约为590w·m-2是晴天时的3/5左右，净辐射最大值约为450w·m-2也是晴天时的3/5左右。而向下长波辐射和向上长波辐射的值在阴天约为：400w·m-2左右，相对于晴天时只是略高。净辐射为负的时间段与晴天时一样。在傍晚19点至第二天中午12点之前的时间段内，总辐射与净辐射的数值几乎相等。这是由于阴天时空中多云，并且云厚，使得射向地面的总辐射大大减少，而射到地表的辐射基本都被云所反射回来的原因。

典型降水天总辐射与净辐射的最大值相对于晴天和阴天时都要小了很多（图1c），并且小于向下长波辐射和向上长波辐射。它们的最大值相近，都约为：300w·m-2，分别为晴天时的3/10和3/7，阴天时的1/2和3/5。向下长波辐射和向上长波辐射的值相对于晴天和阴天变化不大，约为：400w·m-2。这是由于降水天里能够到达地面的总辐射非常的少。对于向上短波辐射，不论是在哪种天气情况下的数值都差不多，这是因为都是在同一下墊面下观测的。

4.2 总辐射和净辐射变化

对2005～2007年的总辐射和净辐射做散点图进一步进行回归分析结果显示（图略），总辐射与净辐射是正相关关系，即净辐射随着总辐射的增加而增加，这说明总辐射是影响净辐射的主要因子，总辐射与净辐射的变化规律具有一致性。

在图2中，横坐标表示的是时间其中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，竖坐标表示的是总辐射，每一个点表示一天的总辐射。6、7、8月是太阳高度角在全年中最大的时间，一天最高的总辐射可达17000w·m-2。而随着太阳直射点逐步南移，太阳高度角减小，总辐射也逐步减小，到了9月中旬总辐射日总量观测值在2000～9000w·m-2范围浮动。整个趋势是左高右低，而年际之间差异不大，变化规律相似。至于在太阳高度角变化过程中总辐射突然减少，这是由于影响太阳辐射的因子有很多，除了太阳高度角外还有大气透明度、云量、云状、大气温度、湿度等。

图2 2005～2007年5～10月太阳总辐射（a）、净辐射季节和年际变化（b）

净辐射的季节变化整体趋势是中间高两边低。最大值为11000w·m-2左右（图2b）。最低值为1000w·m-2左右。净辐射的季节变化从5～7月逐步上升，7月之后逐步下降，也就是说净辐射的最大值在7月份。由于净辐射与总辐射具有一致性，故而可知在太阳高度角变化过程中总辐射突然减少的原因与总辐射的一致。

4.3 地表反照率的季节变化特征及其主控因子

（5）式中：α代表地表反照率，S↑代表向上短波辐射，S↓代表总辐射，地表反照率的季节变化如图3所示：随着时间的增加地表反照率在增加。反照率随着时间的增加而增大实质上就是由于太阳高度角的减小而增大。因为在这段时间内太阳直射点逐步南移，太阳高度角减小。

图3 5～10月反照率季节变化

对叶面积指数与地表反照率做散点图进一步回归分析，结果如图4所示，地表反照率随着叶面积指数的增加而增加，二者呈显著线性正相关。

图4 反照率与叶面积指数LAI的关系

5 结束语

（1）不同天气条件下三江平原水稻田下墊面辐射平衡各分量日变化规律不同。晴天时，辐射平衡各项日变化规则，总辐射、净辐射的变化趋势一致。中午13点左右达到最大值，阴天和降水天时，辐射平衡各分量变化远没有晴天时规则。除向上短波辐射和向上长波辐射外，都有不同程度的减小。阴天时总辐射是晴天时的3/5左右，降水天时总辐射是晴天时的3/ 10。向下长波辐射晴天、阴天、降水天依次略增。总辐射与净辐射呈线性正相关。

（2）地表反照与太阳高度角呈负相关与水稻叶面积指数呈正相关。即地表反照率随着太阳高度角的增大而减小，随着叶面积指数的增大而增大。

[1]张 强，曹晓彦.敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究[J].大气科学，2003，27（2）：245～254.

[2]钱泽雨，胡泽勇，杜 萍，等.藏北高原典型草甸下垫面与HEIFE沙漠区辐射平衡气候学特征对比分析[J].太阳能学报，2003，24（4）：453～ 460.

S161.4

A

2095-2066（2016）33-0278-02

2016-11-10