中國天山西部森林積雪短波輻射收支特征

范子昂 ，陸 恒 ，劉兆旭 ，李 帥 ，武泳柏

（1.中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室/新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆金鋒華云氣象科技有限公司，新疆 烏魯木齊830002；3.四川師范大學地理與資源科學學院，四川 成都610101）

積雪徑流作為干旱區(qū)徑流的重要組成部分，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和工農業(yè)生產具有十分重要和特殊的意義[1]。新疆是西北干旱區(qū)的主體，地表水資源匱乏，但季節(jié)性積雪水資源豐富，占全國季節(jié)性積雪水資源總量的三分之一[2]。積雪的積累和消融過程既受到溫度、濕度等氣象因子的影響，也受到植被類型和覆蓋度等下墊面因子的影響。在森林積雪中，由于林冠和地形的影響，林冠下積雪的輻射平衡[3-4]、積雪物理特性和雪層結構與開闊地積雪有明顯的不同[5-6]。這些區(qū)別影響著山地生態(tài)系統(tǒng)、氣候條件和凍土狀況以及冰雪水文過程[7-9]。短波輻射和長波輻射是林下積雪消融最重要的能量來源[10-11]。因此，開展森林下積雪表面的短波輻射特征觀測和研究，對開展與水資源管理、土地利用、洪水預警等密切相關的融雪徑流預測具有重要意義[12]。

由于植被冠層對短波輻射的吸收、反射和散射，削弱了林下雪面接受的短波輻射量[13～15]。在早前相對密閉森林的輻射傳輸研究中，通常簡單地考慮樹冠覆蓋度和立木密度[16]，如Beer定律可以很好地模擬直接輻射和散射在稀疏落葉林中的傳輸[17-19]。Ross[20]和Jarvis[21]等通過葉面積和樹葉角度的分布來描述短波輻射在冠層中的傳輸。Li[22]、Ni[23]、Roujean[24]和Pomeroy等[25]則結合幾何光學和輻射傳輸過程來描述植被對短波輻射的吸收和傳輸過程以及林下雪面短波輻射的空間分布。叢者福[26]、郝帥[27]、吉春容等[28]曾對天山林區(qū)小氣候進行過觀測，但是對太陽輻射的研究較少；吉春容等[15]對天山中段雪嶺云杉林區(qū)輻射特征進行了觀測研究，但是對天山森林下積雪短波輻射特征觀測分析較少。因此，本文根據(jù)中國科學院天山積雪與雪崩研究站（以下稱積雪站）不同開闊度森林下雪面的短波輻射觀測數(shù)據(jù)，分析森林積雪短波收支特征以及植被攔截降雪對林下積雪輻射的影響，可為森林積雪積累和消融等水文過程的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

積雪站（43°16′N，83°16′E，1776 m）位于天山西部鞏乃斯河谷的中山森林帶，站區(qū)多年平均氣溫為1.3℃，1月和7月的月平均溫度分別為-14.4℃和13.8℃，多年平均降水量為867.3 mm，其中冬季固態(tài)降水量占年降水量的30%以上，多年最大積雪深度平均值為78 cm，最大為152 cm（2000年），穩(wěn)定積雪期可長達半年。積雪站所在地是天山中山帶的典型代表，選擇該地區(qū)的積雪作為研究對象具有普遍意義。研究區(qū)域地形破碎，切割深度400～600 m，坡度較大，區(qū)域內森林主要分布在陰坡，陽坡為山地草原[29]。天山中山森林帶的主要樹種是雪嶺云杉（Picea schrenkiana），群落結構簡單，是以雪嶺云杉為建群種的單優(yōu)勢植物群落。主林層由天山雪嶺云杉構成，郁閉度大，由于光照限制，林下灌草層均不發(fā)達[30]。

圖1 研究區(qū)地形和觀測點示意圖

1.2 研究方法

2013年2月26 日—4月26日對積雪站陽坡（積雪站氣象觀測場）、陰坡開闊度分別為20%、80%的森林積雪表面短波輻射和反射輻射進行觀測，2012年11月2—4日對開闊度分別為20%、30%、40%和80%的森林林冠下短波輻射進行觀測。利用魚眼鏡頭拍攝林分全天空照片，對拍攝的照片應用Gap Light Analyzer（GLA Version 2.0）軟件進行分析，從而獲得林冠開闊度等參數(shù)。采用TRM-ZS2型自動氣象站（錦州陽光氣象科技有限公司）對陽坡和不同開闊度林冠下氣溫（精度為±0.1℃），濕度（精度為±0.2%），短波輻射和反射輻射（精度<5%）進行觀測，采樣間隔為10 min，陰坡林冠上方短波輻射觀測采用以下方法計算：

式中，S0↓為林冠上方短波輻射，Es為地面接收的直接輻射，Ed為地面接收的散射輻射，Eadj為由于周圍地形的反射作用產生的附加輻射，以上3量的單位為W·m-2。當觀測（計算）地點與山脊線的仰角小于太陽高度角時，觀測地點Es=0，其它情況則根據(jù)太陽常數(shù)、大氣透明度系數(shù)、太陽赤緯、觀測點緯度、太陽時角、太陽天頂角、方位角、坡度、坡向和云量等參數(shù)計算[31]，其中云量fc公式如下：

式中，RH700為700 hPa高度大氣相對濕度。

式中，I0為太陽常數(shù)，dr為地球軌道偏心率訂正因子[32]，Zs為太陽天頂角，θ為地面接收散射輻射比例，根據(jù)晴空指數(shù)、大氣溫度和大氣相對濕度計算[33]，Vf為天空視角因子。

式中，Asky為天空視角。根據(jù)本研究區(qū)的地形特征，假設本研究區(qū)的地形為陽坡和陰坡的坡度相等的“V”型河谷。根據(jù)Yokoyama[34]等人提出的天空視角計算方法：

周圍地形產生的附加輻射與地形和周圍地形的反射率有密切關系，采用Dozier[30]的簡化近似計算方法，只考慮地形坡度、天空視角因子和周圍地形的平均反射率作用。

式中，Ci為地形結構參數(shù)，ρmean為周圍地形平均反射率。

圖2顯示了積雪站陽坡在2012年10月29日—11月9日，2013年2月26日—4月30日的計算小時瞬時短波輻射和實測小時瞬時短波輻射。結果表明上述方法能較好地模擬復雜地形的短波輻射。模擬誤差主要是由于云量計算所導致的，由于研究區(qū)地形復雜，云量對輻射的影響尤為顯著。

2 結果與分析

2.1 森林積雪日平均短波輻射特征

圖3顯示研究區(qū)復雜地形和植被等特征使不同下墊面雪面短波輻射收支具有明顯差異。隨太陽高度角增加，雪面入射短波輻射不斷增加，但受天氣影響，雪面入射短波輻射日際變化顯著。由于研究區(qū)谷地狹窄[29]，使陽坡入射短波輻射明顯大于陰坡樹冠上的短波輻射（圖3a），如2013年2月26日—4月26日，陽坡和陰坡林冠上方的瞬時短波輻射平均值分別為219.29、180.52 W·m-2。但是隨太陽高度的增加以及太陽方位角與坡向相對關系的變化，陽坡和陰坡林冠上方短波輻射差值逐漸減小。植被冠層對短波輻射的吸收、反射和散射等作用，使林下雪面入射短波輻射差異大于林冠上方。例如，在觀測期，80%和20%開闊度森林積雪表面接收的瞬時短波輻射平均值分別為62.26、14.43 W·m-2。受入射短波輻射的影響，不同地點雪面反射輻射和入射短波輻射有相同的關系和變化趨勢。陽坡和陰坡森林積雪表面的反射輻射均隨時間逐漸減小，且都有相同的變化特征（圖3b～3d）。陽坡、80%和20%開闊度森林的累積凈短波輻射平均值分別為9.72、2.56、0.70 MJ·m-2·d-1。隨天文輻射增加以及雪面反射率的減小，雪面的凈短波輻射不斷增加。陽坡、80%和20%開闊度林下雪面累積凈短波輻射增加速率分別為0.318 8、0.130 4、0.033 6 MJ·m-2·d-1（圖4），進而使得陽坡的融雪開始時間早于林下，同時3個觀測點的融雪速率差異隨時間也逐漸增大。

圖2 實測小時瞬時短波輻射與計算瞬時短波輻射對比

2.2 森林積雪短波輻射日變化特征

由于受地形遮擋、大氣散射，同時由于林冠對短波輻射的吸收和反射等作用，改變了森林積雪表面短波輻射日變化特征。尤其到融雪后期，隨著夜間氣溫和雪層含水率的增加，雪面短波輻射的日變化將顯著影響融雪速率的日變化特征。圖5顯示了不同時期各觀測點積雪表面入射短波輻射日變化特征。晴天陽坡和陰坡森林積雪的短波輻射隨時間增加（圖3，圖5），陽坡、林冠上方以及80%開闊度森林積雪表面短波輻射日變化呈單峰型。陽坡短波輻射在14時出現(xiàn)峰值，陰坡林冠上方除3月2日外，峰值時間也均為14時（圖5a），這是由于天空散射輻射在短波輻射中比例較大。除4月21日外，大氣和植被冠層的散射作用，使80%開闊度林下積雪表面短波輻射峰值出現(xiàn)時間均為16時。隨太陽高度角增加，陰坡直接輻射在短波輻射中的比例不斷增加，使4月21日80%開闊度林下積雪表面短波輻射峰值時間提前到15時。20%開闊度林下雪面短波輻射的日變化特征與陽坡和80%開闊度林下明顯不同，其短波輻射較小，且日變化較復雜，從3月29日開始呈現(xiàn)為明顯的雙峰或者三峰型（圖5）。出現(xiàn)這種情況可能是由于20%開闊度森林植被茂密，林下積雪表面的太陽直接照射出現(xiàn)光斑，而在本實驗中林下只有一只短波輻射表進行測量，因此短波輻射的小時值出現(xiàn)較大波動。在3月2日和3月17日，陰坡林冠上方接收直接輻射較少，20%開闊度林下雪面短波輻射主要受大氣的散射輻射和周圍地形的反射輻射影響，因此未出現(xiàn)明顯峰值。隨太陽高度和太陽方位角的變化，陽坡、陰坡林冠上方以及80%開闊度林下雪面的短波輻射與陽坡雪面短波輻射差異逐漸減小，尤其是3月29日之后，其瞬時最大短波輻射能超過500 W·m-2（圖 5c）。20%開闊度林下短波輻射雖隨時間增加，但與80%開闊度林下和陽坡雪面短波輻射差異逐漸增大，如4月5日其瞬時短波輻射最大值為151.17 W·m-2，分別比80%開闊度林下和陽坡低 116.65、430.33 W·m-2。

圖3 不同地點短波輻射收支日平均變化特征

圖4 不同森林覆蓋度下雪面凈短波輻射增加速率

多云天入射短波輻射明顯小于晴天。云量的增加導致直接輻射減少和散射輻射增加從而改變雪面接收的短波輻射及其日變化特征。雪面短波輻射的日變化特征和云量有密切的關系，例如3月4日12—18時為陰天（云量=10），沒有形成明顯的峰值（圖6a），而4月1日中午的云量=6，所以短波輻射雖減小，但日變化仍為單峰型（圖6c）。在多云天氣，在20%開闊度森林積雪表面短波輻射的日變化特征明顯區(qū)別于晴天，由于林下光斑減少，其日變化未呈現(xiàn)雙峰或三峰型，而是與太陽直接輻射影響較小的晴天一致（圖5a～5b，圖6）。

2.3 植被對短波輻射透射的影響

通常用短波輻射透射率（τ）表示植被對短波輻射的削弱作用，其值用林冠上方的入射短波輻射和林下雪面入射短波輻射的比值表示：

式中Su↓為森林下雪面入射短波輻射，S0↓為林冠上方入射短波輻射，Su↓和S0↓的單位均為W·m-2。

圖5 不同時期晴天森林積雪短波輻射特征

圖6 不同時期多云天森林積雪短波輻射特征

圖7a顯示了2012年11月2—4日20%、30%、40%和80%開闊度森林的短波輻射透射率的日變化。該時期陰坡直接輻射較小，即使晴天直接輻射也小于散射輻射。例如11月2—4日林冠上方最大瞬時直接輻射為159.48 W·m-2，瞬時散射輻射為235.19 W·m-2，林下幾乎無直接輻射，光斑導致的測量誤差較小，林下雪面短波輻射日變化均呈現(xiàn)單峰型，因此林下雪面短波輻射和植被短波輻射透射率的日變化能反映其基本變化規(guī)律。林冠的短波透射率隨植被開闊度的增加而增加，20%、30%、40%和80%開闊度森林的平均短波輻射透射率分別為0.036 4、0.079 8、0.096 3 和 0.213 0。 早晚短波輻射透射率高于中午，日變化呈“U”型。11月3日12—17時4個地點的短波輻射透射率均小于0.11，80%開闊度森林早晨和傍晚的短波輻射透射率均＞0.4，30%和40%最大超過0.2。其原因可能是由于早晚受地形作用的影響，陰坡沒有太陽直接輻射，陰坡林冠上方短波輻射只有大氣散射和臨近地表的反射輻射，使得短波輻射值較小；12—17時陰坡直接輻射和散射輻射均明顯增加，短波輻射顯著增加（圖5～6）。例如11月2日11時和18時陰坡林冠上方瞬時短波輻射分別為31.20、26.49 W·m-2，12時和17時其短波輻射分別為236.92、210.40 W·m-2。此外，早晚太陽輻射在林冠中的穿透路徑長度大于正午時刻，也是早晚短波輻射透射率高于中午的原因之一。隨著太陽高度角的增加，陰坡林冠上方的直接輻射和短波輻射逐漸增加，林下積雪表面接收的短波輻射也逐漸增加，更多的直接輻射能透過空隙直接到達雪面，同時隨著陰坡短波輻射中直接輻射的比例不斷增加，植被短波輻射透射率也逐漸增加。圖7b顯示了80%和20%開闊度森林日平均短波輻射透射率隨時間逐漸增加，其增加速率分別為0.002 8、0.000 8 MJ·m-2d-1。 不同森林開闊度日平均短波輻射透射率增加速率的差異，也是導致了該時期不同開闊度林下積雪表面入射短波輻射以及融雪期融雪速率差異增加的原因之一。

圖7 2012年11月2—4日不同森林林冠開闊度短波輻射透射率（a）和2013年3月26日—4月26日短波輻射透射率日變化（b）

3 結論

基于中國科學院天山積雪與雪崩研究站不同開闊度森林下積雪表面短波輻射的觀測資料，分析了森林積雪短波輻射收支、短波輻射透射率特征。得出如下結論：

（1）陽坡的短波輻射明顯大于陰坡樹冠上的短波輻射，但隨著太陽高度角的增加差異逐漸減小。由于植被冠層對短波輻射的吸收、反射和散射等作用，林下積雪表面入射短波輻射遠小于陽坡和冠層上方，森林開闊度越大，林下雪面入射短波輻射越大。陽坡和陰坡林下積雪表面反射輻射均隨時間逐漸減小。隨天文輻射的增加以及雪面反射率的減小，雪面的凈短波輻射不斷增加。雖然森林開闊度越大，雪面反射率越高，但陽坡、80%和20%開闊度森林的累積凈短波輻射增加速率分別為0.318 8、0.130 4、0.033 6 MJ·m-2d-1。

（2）晴天陽坡和森林積雪的短波輻射隨時間逐漸增加，陽坡、林冠上方以及80%開闊度森林積雪表面短波輻射均呈單峰型，陽坡峰值出現(xiàn)時間和直接輻射出現(xiàn)時間一致，而陰坡和林下積雪表面短波輻射峰值出現(xiàn)時間則由直接輻射和散射輻射的大小關系而決定。由于儀器觀測誤差導致20%開闊度林下積雪入射短波輻射日變化呈現(xiàn)復雜的雙峰或者三峰型。隨著太陽高度角增加，陽坡、陰坡林冠上方和80%開闊度林下積雪表面短波輻射的差異逐漸減小，但與20%開闊度森林卻不斷增加。在多云天氣，陽坡和森林積雪表面入射短波輻射小于晴天，其日變化特征主要取決于云量的變化，不一定表現(xiàn)為單峰型。

（3）短波輻射透射率隨林冠開闊度增加而增加；由于研究區(qū)地形對直接輻射的遮擋作用導致短波輻射中直接輻射、散射輻射和周圍地表反射輻射占比日變化特征，以及短波輻射在林冠中穿透路徑長度日變化特征，使透射率的日變化呈“U”形；日平均短波輻射透射率隨太陽輻射的增加而增加，且開闊度越大增加速率越大。