香河地区光合有效辐射的测量和计算

图１ ２ ０ ０ ４ —２ ０ ０ ６年香河太阳辐射小时累计月平均值变化曲线
月和 ９月有测量的时间段分别为 １ —１ １日和 １ ３ —３ ０ 日， 得到的平均值仅供参考。香河各个辐射量的月 变化比较复杂， ２ ０ ０ ５年和 ２ ０ ０ ６年夏季各辐射量均没 有表现出年最高值。另外还发现一个非常明显的现 象， ２ ０ ０ ５年 ４月后和 ２ ０ ０ ６年 ３月后各个辐射量均表 现出一致的下降趋势， 即春—夏—秋各辐射量整体 Ｑ则表现为上升， 以２ ０ ０ ６年表现 下降， 散射因子 Ｄ／ 更为突出。２ ０ ０ ６年和 ２ ０ ０ ５年季平均 Ｄ／ Ｑ均为夏季 高于春秋季。这表明香河的大气状况近年来越来越 差， 特别是夏季， 本应为一年最强的辐射状态不但达 ９ ９ ０年香河的辐射状 不到， 反而呈下降态势， 并与 １ ［ １ ３ ］ 况形成鲜明对照 。 图 ２给出 ２ ０ ０ ５年和 ２ ０ ０ ６年 Ｄ／ Ｑ和云量的月平 均值， 其中 ２ ０ ０ ５年 １月 １日—１ ２月 １日期间， 云量 ７ ： ０ ０ —０ ８ ： ０ ０ （ ２ ０ ０ ５年 ７月和 ９月云量 记录为每日 ０ 记录的时间与辐射观测时间相同） ； ２ ０ ０ ５年 １ ２月 １ 日后， 每日早晨、 中午和 傍 晚 分 ３次 记 录 云 量。从 ２ ０ ０ ５年 １ ２月开始， 每日云量取 ３次记录的平均值， 并在此基础上计算月平均值。观测表明， ２ ０ ０ ５年和 ２ ０ ０ ６年的 ４ —１ ０月（ 特别是夏季） ， 绝大部分天气均
差较大） ； 不合理的数据（ 如各个辐射量比值异常） 。 为方便， 将以辐照度为单位的可见光辐射表示为 Ｖ Ｉ Ｓ 。本文主要介绍 Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ 、 总辐射 Ｑ 、 水平面直接 辐射 Ｓ 和散射辐射 Ｄ等的观测结果和 Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ 时累 值的算法。
３ 结果分析
３ １ 近年辐射和大气状况 晴天， 各个辐射量（ Ｑ 、 Ｓ 、 Ｄ和 Ｖ Ｉ Ｓ等） 表现出典 型的日 变 化 特 征， 早 晚 弱、 中 午 强。受 一 些 因 素 影 响， 如云、 雾、 霾、 雨、 雪、 霜和沙尘等， 各个辐射量将 表现出复杂多变的日、 逐日变化特征。对于太阳辐 射在 各 地 共 有 的 特 征 本 文 不 再 赘 述。 图 １给 出 ２ ０ ０ ４ —２ ０ ０ ６ 年辐射量时累的月平均值， 其中２ ０ ０ ５ 年７
－ １ － １ Ｐ Ａ Ｒ ／ Ｖ Ｉ Ｓ 相对稳定， ２ ０ ０ ４ —２ ０ ０ ６年的平均值分别为 ２ １ ６ ４ｍ ｏ ｌ · ＭＪ ， ０ ４ ３ ４和 ４ ９ ６ ７ｍ ｏ ｌ · ＭＪ ， 同时它们均表现出明显的
日、 逐日和季节变化特征， 并受到水汽、 气溶胶和云等因素的影响。建立了实际天气条件计算 Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ 小时累计值的经验公式 以及 Ｐ Ａ Ｒ与 Ｖ Ｉ Ｓ 转换关系式， 计算值与观测值符合较好。在考虑水汽和散射因子时， Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ计算值与观测值的相对偏差分 别为 ９ ９ ％和 １ ０ ８ ％。限于实际情况， 也可以只考虑水汽因子的作用来计算 Ｐ Ａ Ｒ和 Ｖ Ｉ Ｓ小时累计值， 它们的相对偏差分别为 １ １ １ ％和 １ １ ８ ％。对于 Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ 的传输和计算来说， 水汽因子的作用至关重要。散射因子的作用虽然弱于水汽因子， 但它的 作用不容忽视。 关键词： 太阳辐射； 光合有效辐射； 可见光辐射； 水汽； 散射因子； 测量； 计算 中图分类号： Ｐ ４ ２ ２ １ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ６ ７ ３－ ５ ０ ３ Ｘ （ ２ ０ ０ ９ ） ０ １－ ０ ０ ０ ６－ ０ ９
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气象与环境学报
第２ ５卷
气中各种成分对辐射的衰减增加， 加上云对辐射的 衰减， 共同 造 成 了 ２ ０ ０ ６年 ４ —１ ０月 各 辐 射 量 的 下
降。从测量频率和客观性而言， Ｄ／ Ｑ 比云量的数据 更为客观和准确， 代表性更好， 建议推广使用。
图２ ２ ０ ０ ４ —２ ０ ０ ６年香河云量和 Ｄ／ Ｑ月平均值变化曲线
［ １ ， ５ － １ ３ ］ － ２ － １ － ２
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， 但实际应用中对 Ｐ Ａ Ｒ小时值的需求越
Ａ Ｒ与总辐射的比例 η 来越迫切。由于 Ｐ Ｑ 在世界各 地相对稳定（ 从气候学角度） ， 因而一些科学家经常 将η 及本研究结果） 表明， Ｑ 取为常数。大量的观测（ 特别是小时值） 受到多种因素影响， 并有时间、 空 η Ｑ（ 间的变化。目前， 不同领域使用不同的计量单位给 Ｐ Ａ Ｒ数据的使用和共享带来很多不便， 而且 Ｐ Ａ Ｒ的 测量还 不 如 总 辐 射 测 量 那 样 普 及， 卫星对与地面 Ｐ Ａ Ｒ的反演也需地面高精度 Ｐ Ａ Ｒ的验证。考虑到实 际应用， 以台站易得的实测资料为基础， 建立某一地 Ａ Ｒ的实用算法、 Ｐ Ａ Ｒ在 ２种计量 区、 实际天气条件 Ｐ
１ 引言
光合有效辐射（ Ｐ Ａ Ｒ ） 是一种气候资源， 在评价 作物光合潜力、 潜在产量研究中被作为重要的科学
１ ］ 。Ｐ Ａ Ｒ （ 波段一般取 ４ ０ ０ —７ ０ ０ｎ ｍ） 在植物进 依据 ［
系统下的转换关系已非常必要， 并以此来满足不同 领域对 Ｐ Ａ Ｒ小时值日益增长的需求。
２ 资料与方法
行光合作用过程中起着重要作用， 是影响光合过程
２ ］ 。Ｐ Ａ Ｒ还是植物挥发性有机物（ Ｖ Ｏ Ｃ ） 的关键因子 ［
排放的主要影响因子
［ ３ － ４ ］
， 而Ｖ Ｏ Ｃ是对流层光化学
过程产生臭氧的重要前体物。因此， Ｐ Ａ Ｒ在农学、 林 学、 生态学和大气化学等领域都具有重要作用。目 前普遍使用的 Ｐ Ａ Ｒ计量方法主要有： 辐照度 （ Ｗ· ｍ ） ， 主要用于辐射、 气象、 气候等领域； 量子通量密 ｍ ｏ ｌ ·ｍ · ｓ ） ， 主要用于农学、 生态学和大 度（ μ 气化学等领域。国内外大量的 Ｐ Ａ Ｒ实验和算法研究 多集中于气候学方面， 包括 Ｐ Ａ Ｒ日总量、 月总量的估 算等
收稿日期： ２ ０ ０ ８－ ０ ９－ ２ ４ ； 修订日期： ２ ０ ０ ８－ １ ０－ ２ ３ 。 基金项目： 中国科学院野外台站研究基金项目资助。 作者简介： 白建辉， 男， １ ９ ６ ４年生， 研究员， 主要从事太阳辐射和大气化学方面的研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｂ ｊ ｈ ＠ｍ ａ ｉ ｌ ． ｉ ａ ｐ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ 。
（ 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ） 摘 要： ２ ０ ０ ４年 ９月 １ ２日—２ ０ ０ ６年 １ ０月 ３ １日， 在河北省香河县对太阳辐射（ 包括光合有效辐射 Ｐ Ａ Ｒ 、 可见光辐射 Ｖ Ｉ Ｓ 和 总辐射 Ｑ等） 、 气象参数等进行了综合测量， 初步得到了 Ｐ Ａ Ｒ 、 Ｖ Ｉ Ｓ 等的变化特征。观测结果表明， 小时累计比 Ｐ Ａ Ｒ ／ Ｑ 、 Ｖ Ｉ Ｓ ／ Ｑ 、
第 １期
白建辉等： 香河地区光合有效辐射的测量和计算
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象仪器研究所） Ｈ Ｂ Ｗ 型铂电阻温度传感器、 Ｂ Ｓ Ｃ－ ２ 型相对湿度传感器、 Ｅ Ｃ ９－ １型高动态性能测风传感 器 和 ＭＳ ５ ５ ３ ４ Ａ型压力传感器（ 美国 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｅ ｍ ａ公 司） ， 其数据由另一个数据采集器（ 型号 Ｃ Ｒ ２ ３ Ｘ ） 进 行采集和存储。 ２ ０ ０ ４年 ９月 １ ２日—２ ０ ０ ６年 １ ０月 ３ １日， 在香河 站开展了太阳辐射、 气象参数、 云量和能见度等的综 合观测（ 其中 ２ ０ ０ ５年 ７月 １ ２日—２ ０ ０ ５年 ９月 １ ２日 无观测） ， 获得了各辐射量的小时平均值和小时累计 值（ 简称时累， 取某时刻前 １ｈ 的累计值） 。 ２ ２ 分析方法 在统一剔除某些数据后得到了各个辐射量（ 时 累） ： ２ ０ ０ ４ —２ ０ ０ ５年 ２ ３ ６ ８组、 ２ ０ ０ ６年 ２ ７ ５ ３组。数据 剔除标准为： 日出后和日落前的一些时段（ 因测量误
利用20042005年的实验数据建立算法并进行检验结果见表7parvis和par只考虑水汽因子时利用20042005年实验数据建立种算法的计算结果项目parvispar920系数常数52158909011712851382只考虑水汽因子时的3种计算方法计算偏差分布项目parvispar10522034的计算结果比较好绝大多数大于80parvis种方法取水汽因子比取2个因子的max均略有增加较大所占比例也略有增加其中以方法3最大这主要是因为观测误差上vis另外3种方法计算值与观测值的线性关系有明显变化
为雾霾天气， 天空云量、 云状难以分辨， 云量记为 １ ０ 。 ２ ０ ０ ５年， 部 分 日 期 还 可 以 分 辨 出 云 量 和 云 状， 而 ２ ０ ０ ６年则很难分辨。２ ０ ０ ６年 ４ —１ ０月， 全天有霾的 天数占总天数的 ９ ３ ９ ％ 。２ ０ ０ ５年 ４ —１ ０月观测期 ７ ０ ％。２ ０ ０ ６年雾霾伴有 间， 有霾天数占总天数的 ７ ， ５月 １ｄ ， ６月沙尘 １ｄ 、 沙尘的月份分别为 ４月 ６ｄ 烟尘３ｄ 。仔细对比夏季各月的 Ｄ／ Ｑ 和云量， ２ ０ ０ ６ 年均比 ２ ０ ０ ５年大一些， 同时， ４ —６月， ２ ０ ０ ６年雾霾 ０ ０ ５年。２ ０ ０ ５年 ４ 、 ５ 、 ６月和 ７月云 的天数也多于 ２ 量的变化比较平缓， 而各辐射量（ 如Ｑ ） 的逐月变化 相对较大； ９ 、 １ ０月和 １ １月云量持续下降， 辐射量并 未逐渐增大。因而在月平均方面， 影响辐射最主要 Ｑ 和云量在 ２ ０ ０ ５年 ５ —７月、 的因子并不是云。 Ｄ／ １ ０月—２ ０ ０ ６年 １月， ２ ０ ０ ６年 １ —３月、 ３ —７月、 ７ —９ 月、 ９ —１ ０月期间比较一致的变化以及它们与各辐射 量之间 的 反 相 变 化 关 系， 揭示了大气中各种成分 （ 固、 液和气相， 包含云） 对于辐射量（ 如Ｑ 、 Ｐ Ａ Ｒ和 Ｓ 等） 的衰减作用。因此， 大气中的各种成分对 Ｄ／ Ｑ 的贡献最大、 作用最为重要。综上所述， ２ ０ ０ ６年 ４ — １ ０月， 雾霾的天数以及每日持续时数的增加， 使得大
２ １ 观测方法 实验地点设在中国科学院大气物理研究所香河 ３ ９ ° ４ ７ ′ Ｎ ， １ １ ６ ° ５ ７ ′ Ｅ ， 海拔高度为 ９ ５ｍ） 。辐射和 站（ 气象观测均设在专门的气象观测场内， 地面平坦， 并 铺设草坪， 中间留有观测用的小道。辐射仪器支架 高度 １ ２ｍ， 周围没有高大建筑物。太阳辐射仪器包 括： 国产 直 接 辐 射 表 （ Ｔ Ｂ Ｓ－２型 ） ， 感应波段为 ２ ７ ０ —３２ ０ ０ｎ ｍ； 散射辐射为国产的 Ｔ Ｂ Ｄ－ １型散射 装置和 Ｔ Ｂ Ｑ－ ２总辐射表； 国产分光辐射表（ Ｔ Ｂ Ｑ－ ４－１ 型 ） ， 感应波段分别为 ２ ７ ０ —３ ２ ０ ０ 、 ４ ０ ０ — ３２ ０ ０ｎ ｍ和 ７ ０ ０ —３２ ０ ０ｎ ｍ， 灵敏度为 ５ —１ ０ｍ Ｖ／ （ ｋ Ｗ·ｍ－２） ， 时间响应均为小于等于 １ｓ （ １ ／ ｅ ） ， 稳定 性均为小于等于（± ） ２ ％； 进口 Ｐ Ａ Ｒ表， Ｌ Ｉ － １ ９ ０ Ｓ Ａ Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍＳ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ， 相对误差小于（±） ５ ％。可见光辐 射的测量值为 ４ ０ ０ —３２ ０ ０ｎ ｍ和 ７ ０ ０ —３２ ０ ０ｎ ｍ测 量值之差。国产辐射表在使用前均作了标定。进口 表与国产表同时开始观测， 其中直接辐射观测开始 于２ ０ ０ ５年 ９月 ２ １日。辐射数据由专用数据采集器 Ｒ ２ ３ Ｘ ） 和计算机自动采集并存储， 采样频率 （ 型号 Ｃ 为１Ｈ ｚ 。太阳辐射观测从每日日出到日落， 且每日 对温湿度、 云和天气状况等进行观测和记录。气象 参数（ 温、 湿、 压和风等） 的测量采用了国产（ 长春气
第２ ５卷 第 １期 ２ ０ ０ ９年 ２月
气象与环境学报 Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＥ Ｎ Ｖ Ｉ Ｒ Ｏ Ｎ ＭＥ Ｎ Ｔ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５Ｎ ｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ２ ０ ０ ９
香河地区光合有效辐射的测量和计算
白建辉 陈洪滨 王勇 王庚辰