西安浐灞生態區光合有效輻射變化規律研究及氣候學計算

張宏利，張納偉銳，魏俊濤，樊婷麗，楊勝利

（1.陜西省西安市氣象局，西安710016；2.中山大學 地球科學系，廣州510000）

光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR），是指太陽輻射能中可以被綠色植物用來進行光合作用的能量［1］，是植物生長所需的基本能源，波長400～700nm［2］。PAR的量度有光學、能量和量子3種系統［3］。國內外對PAR特征的研究主要集中在PAR及光合有效輻射系數（PAR與太陽總輻射Q之比，ηQ）的變化特征及影響因子的分析方面［4］。目前常規氣象臺站沒有PAR的觀測項目，所以對其估算還需借助于氣候學計算［5］。而PAR的估算與ηQ關系密切，因此問題的焦點歸結于ηQ的確定。前人對PAR及ηQ的區域研究較多，但對生態區、園林展會等區域的研究較少。西安乃至關中平原至今未見PAR的系統觀測資料及相應研究。

本研究以西安2011年世園會期間浐灞生態區4—10月PAR的基本觀測資料為準，對該地區主生長期的花卉苗木冠層上部光量子PAR及ηQ變化規律進行研究，對其日變化、季節變化及其影響因素進行深入分析，以期為總結西安世園會花卉苗木在浐灞良好生長、精彩展示以及以后其它城市舉辦世園會提供翔實的科學數據，也為西安生態系統平衡建設及有效發揮生態、氣候資源效能提供理論依據。同時為PAR、ηQ數據在西安生態系統模型建立、氣候變化監測、生態安全研究與決策等方面的推廣與深入應用起到一定的作用。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

研究區域位于西安東北角的浐灞國家級生態區，屬“長安八水”中的浐、灞水系區域，該區成立于2004年9月，規劃總面積129km2，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均溫13～14℃，最冷1月均溫－2～0℃，最熱7月均溫26～27℃；年降水量520～720 mm，主要集中在4—9月。2008年初開始，全區以“綠色引領時尚”為理念籌辦西安世園會，直至2011年4月開園。研究區域是我國西北生態建設、園林展會最具代表性的地區，發育并建設多種類型的生態系統。

1.2 數據來源

在研究區域的東南角后勤入口附近設有一氣象塔，該塔地理位置為34°18′54″N、109°03′46″E，海拔高度385m。塔上設有28個氣象要素探測設備，光合有效輻射表是其中之一，離地面高度為2.5m。使用華創風云集團生產的FPH－1型光合有效輻射表進行測定，光譜范圍為400～700nm，靈敏度為5～50 μV／μmol／m2／s，響應時間為1s，余弦校正至80°入射角，余弦響應≤10%，每分鐘取樣一次；ηQ研究選用離西安世園會會址15km、海拔高度410m的涇河國家基準氣候站同期太陽總輻射、水汽壓觀測資料。因在規定的范圍內，引用資料不做差異處理［6］。研究資料時段為2011年4月15日—2011年10月31日，以西安日出—日落為界，取每日西安浐灞世園會址的光合有效輻射及涇河太陽總輻射、水汽壓觀測資料，春、夏、秋三季的界定為4—5月、6—8月、9—10月。

2 結果與分析

2.1 PAR變化規律

2.1.1 PAR季節變化 2011年4—10月西安世園會址的PAR為5 095.2mol／m2，平均每月、每日總量為727.9mol／m2、23.8mol／（m2·d）。春、夏、秋三季的月平均 PAR 分別為 795.3，834.7，500.4 mol／m2，PAR總量夏季大于春季，春季大于秋季。但夏季與春季只相差39.4mol／m2，差異不明顯，這是由2011年春旱少雨多晴好天氣所造成的。而春夏與秋季相差近300mol／m2，原因為2011年罕見秋霖，9月降水量為255.8mm，較西安站9月歷史平均降雨量91.6mm偏多164.2mm（圖1）。

圖1 西安浐灞世園會址逐月PAR及降水量分布

2.1.2 PAR日變化 2011年4—10月浐灞PAR日變化分析，以4月、7月、10月分別代表春、夏、秋季，在各季節中選擇典型晴天日（總云量≤3成）、陰天日（總云量≥8成）白天的各時平均瞬間值進行繪圖（圖2），典型晴天日為4月27日、7月8日、10月16日，典型陰天日為4月20日、7月3日、10月22日。由圖2可見，晴天和陰天的PAR日變化與太陽高度角的日變化趨勢是一致的，這反映了輻射通量與太陽高度的正弦成正比的變化趨勢［7］，說明太陽高度角是影響太陽輻射的首要因子。旱晚PAR很弱，隨著太陽高度角的升高，近地面總輻射增大，PAR亦迅速增大，在中午時PAR達到大值（陰天比晴天早一些或遲一些），之后又隨太陽高度角的減小而迅速減小。盡管晴天和陰天PAR總的變化趨勢相同，但它們之間的差異仍很大。顯然，晴天時PAR變化是循序漸進的，曲線很平滑，在正午時刻達到一天中的最大值；陰天時，PAR的波動很大，極值出現的時間與晴天不一致，這主要與陰天條件下的各時刻的云量狀況和大氣透明度有關；在春、夏季，晴天日和陰天日的PAR日變化總量與振幅相當，但春、夏季明顯高于秋季，晴天日為500～600mol／m2，陰天日為200～300 mol／m2。

圖2 西安浐灞世園會址春、夏、秋典型晴天日、陰天日各時PAR變化

2.2 ηQ變化特點

2.2.1 ηQ季節變化 圖3為世園會址2011年4—10月每日ηQ變化散點圖，并通過4次多項式進行了擬合。從圖3可知，ηQ具有明顯的月份和季節變化特征。擬合曲線呈雙峰型，7月和10月為峰值月，5月和9月為谷值月。季節分布上以夏季值為最大，達1.75mol／MJ；秋季次之，為1.73mol／MJ；春季最小，為 1.56mol／MJ。4—10 月 ηQ值 平 均 為 1.69 mol／MJ，8月最大，4月最小；每日平均ηQ最大值為2.48mol／MJ，出現在7月22日。ηQ最小值為1.00 mol／MJ，9月出現次數最多，達6次。

2.2.2 ηQ日變化 表1說明，陰天日的ηQ值明顯高于晴天日，兩者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表現得更為明顯，陰天日的ηQ比晴天日高出0.67 mol／MJ，其次是春、秋，差值分別為0.49，0.27mol／MJ。這是因為陰天日的空氣相對濕度明顯高于晴天日（圖4），在白天的10時到18時，陰天日的相對濕度比晴天日平均高出56%，最高差值達62%。而水汽對太陽輻射中波長較長的近紅外輻射有很強的吸收作用，對波長較短的太陽輻射的吸收作用較小。PAR屬于波長較短的部分，因此水汽的吸收作用使得近紅外輻射的衰減量多于PAR的衰減量，使得對ηQ的削弱量高于PAR，則ηQ增大。此外，隨著水汽和云量的增多，吸收的紅外輻射增多，空氣分子和氣溶膠離子對散射的貢獻相對減少，則造成ηQ隨云量的增加而增大［1，8］。

圖3 世園會址2011年4－10月每日ηQ變化散點圖

表1 西安浐灞世園會址晴天日、陰天日的PAR、Q、ηQ比較

圖4 西安浐灞世園會址晴天日與陰天日相對濕度對比

2.3 PAR的氣候學計算與檢驗

由于PAR與ηQ關系密切，PAR的氣候學計算實質就是計算ηQ。通過上述分析可知，ηQ并不是一個常量，ηQ的變化受當地氣候條件、地理特性、水汽、云量及大氣氣溶膠等因素的影響。相關研究表明，與ηQ許多大氣參數（如水汽壓、低云量等）呈正相關關系，與晴空指數、日照百分率、大氣渾濁度呈負相關關系［9］。總結國內外對ηQ及PAR計算的研究成果［3］發現，影響PAR的因素較多，但ηQ的計算方法基本一致（考慮水汽壓，日照百分率、太陽天頂角等因子，利用觀測數據回歸擬合經驗關系式），各地的擬合經驗系數有差異。

通過對西安世園會址ηQ的變化特征的分析可知，該地區的水汽對ηQ具有重要影響，因此，進行西安世園會址ηQ的計算時只考慮水汽因子。本研究參考季國良等［8］、周允華等［10］的研究中ηQ與水汽壓E的經驗關系式來確定量子系統下ηQ的關系式，其函數關系式如下：

式中：E——經過氣壓（高度）訂正后的水汽壓，E＝P0E0／P，P0、P——海平面及測站的月平均氣壓；E0——月平均水汽壓；a，b——經驗系數。

利用（1）式，以旬為單位，將2011年4—10月西安世園會址ηQ與涇河E進行回歸分析，得到PAR及ηQ的經驗公式：

經計算，式（3）的相關系數r≈0.47。西安世園會址及涇河旬平均樣本只有20個，據統計學大樣本定理［11］，需計算無偏相關系數加以校正：

r＊≈0.48。用t檢驗來對r＊進行顯著性檢驗［12］，統計量為：

t≈2.33。給定顯著性水平α＝0.05，查t分布表得tα＝2.10，由于t＞tα，認為西安世園會址ηQ與涇河E之間的相關系數是顯著的，說明式（2），（3）對于計算西安的PAR及ηQ是可行的。

3 結論

（1）2011年4—10月西安浐灞的PAR為5 095.2 mol／m2，平均月、日總量分別為727.9mol／m2，23.8 mol／（m2·d）。PAR總量夏季大于春季，春季大于秋季，秋季明顯小于夏、春季，原因為罕見秋霖所致。

（2）PAR的日變化為中午大，早晚小。晴天的日變化曲線呈單峰型且比較平滑，陰天的日變化曲線波動比較大。晴天日、陰天日總量與振幅變化特點為春、夏季相當，春、夏季明顯高于秋季，晴天日多為500～600mol／m2，陰天日多為200～300mol／m2。

（3）ηQ具有明顯的月份和季節變化特征，擬合曲線呈雙峰型，7月和10月為峰值月，5月和9月為谷值月。季節分布上以夏季為最大，秋季次之，春季最小。日平均ηQ峰值為2.48mol／MJ，出現在7月，ηQ谷值為1.00mol／MJ，9月出現最多。

（4）ηQ日變化特點為陰天日的ηQ值明顯高于晴天日，兩者平均相差0.47mol／MJ，且在夏天表現得更為明顯，陰天日的ηQ比晴天日高出0.67mol／MJ，其次是春、秋，差值分別為0.49，0.27mol／MJ。

（5）ηQ的氣候學計算經驗公式為：ηQ＝1.20＋0.42lgE，經檢驗，該式適應于西安地區。

（6）由于節會的特殊性，研究區得到的資料時間較短，分析結論還有待于進一步驗證。

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