散射辐射比例对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响

【目的】在全球辐射总量及其组成显著变化的背景下,明确散射辐射比例(F_(dif))对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响,为准确评估杨树人工林的生态服务功能和进一步完善生态系统过程模型提供科学依据。【方法】利用涡度相关技术和小气候观测,对2019、2021年生长季(DOY 91~304)杨树人工林生态系统的能量通量和环境因子开展研究。【结果】华北平原杨树人工林生态系统能量分配在生长季中期(DOY 152~243)以潜热通量(LE)为主,在生长季初期(DOY 91~151)和末期(DOY 244~304)以显热通量(H)为主。F_(dif)与波文比(β)呈显著负相关(P<0.01),与冠层导度(G_(s);P<0.01)、冠层分离指数(Ω;P<0.05)和Priestley-Taylor系数(α;P<0.01)呈显著正相关。通径分析结果表明,Gs是调节华北平原杨树人工林生态系统能量分配的主要因子,F_(dif)下降时,Gs降低,饱和水汽压差(VPD)增大,生态系统的β显著增大,进而改变生态系统能量分配模式。【结论】F_(dif)变化影响华北平原杨树人工林生态系统能量分配,F_(dif)下降会导致能量平衡中的LE所占比例增加、H所占比例相应减小。在气候变化背景下,本研究不仅可深入揭示华北平原杨树人工林生态系统能量分配机制,同时也对准确评估森林生态系统服务功能起到至关重要的作用。

散射辐射比例与冬小麦光能利用率和总初级生产力的关系

利用冬小麦拔节-乳熟期(2004-04-01—05-20和2005-04-10—05-31)在田间观测的每30min涡度相关和小气候数据,计算散射辐射比例(DF)与光能利用率(LUE)和总初级生产力(GPP)之间的数量关系,以期为提高LUE模型和作物模型的模拟准确度提供依据。结果表明:冬小麦拔节-乳熟期DF与LUE间呈极显著的线性正相关关系(P<0.001),DF与GPP间为极显著的抛物线关系(P<0.001),即随着DF的增加,LUE呈线性增长,而GPP呈先增加后降低的变化趋势。2004年和2005年观测实验表明,中等太阳辐射条件下,即DF和光合有效辐射(PAR)的均值分别为0.57和27.7mol?m-2?d-1时,冬小麦GPP达到最高。2004年与2005年相比较,DF与LUE、DF与GPP关系均存在较大差异,这主要归因于两年间冬小麦拔节-乳熟期PAR水平和DF分布频率的差异。

弱光条件下散射辐射比例增加对冬小麦籽粒灌浆进程的影响

长江中下游地区太阳辐射呈现总辐射降低并伴随散射辐射比例升高的特点,到达地表的太阳辐射强度及其成分变化影响冬小麦的生长和发育。为阐明太阳总辐射减弱条件下散射辐射比例增加对冬小麦籽粒灌浆进程的影响,于冬小麦三叶期-成熟期在田间设置相同遮光率下散射辐射比例不同的2个处理,T1:遮光率14.10%,遮阴环境中散射辐射占总辐射比例31.09%;T2:遮光率14.42%,遮阴环境中散射辐射占总辐射比例39.98%,以不遮光为对照(CK)。小麦开花后每隔7d采样一次,至收获期共采样5次,测量其千粒重,并采用Logistic模型拟合籽粒灌浆过程,分析粒重增长动态和灌浆参数。结果表明:太阳辐射变化对籽粒灌浆时间无显著影响,主要通过影响小麦籽粒的灌浆速率从而影响千粒重。弱光下(T1处理)小麦籽粒灌浆过程中最大灌浆速率、平均灌浆速率以及渐增期、快增期和缓增期灌浆速率均减小,千粒重降低。弱光条件下散射辐射比例增加(T2处理),提高了籽粒最大灌浆速率、平均灌浆速率以及渐增期、快增期和缓增期灌浆速率,促进籽粒粒重增加。本研究的结果表明散射辐射比例增加能部分抵消太阳总辐射降低对籽粒粒重的负面影响。

散射辐射对鄱阳湖平原典型稻田总初级生产力的影响

探明散射辐射变化对稻田生态系统总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)的影响可为稻田碳汇能力评估和产量估算提供参考。本研究以鄱阳湖平原双季稻田为研究对象,利用涡度相关(Eddy covariance,EC)系统对稻田CO_(2)通量进行了连续两年(2017—2018年)的定位观测,选取水稻生育中期数据,按照散射辐射比例(Diffuse fraction,DF)进行分段,分析了散射辐射对稻田GPP的影响,探明并量化了不同DF条件下散射辐射与其他气象因素对稻田GPP的影响机制。结果表明:不同类型辐射对GPP的影响存在差异,GPP随着直接光合有效辐射(Direct photosynthetically active radiation,PAR_(dir))的增加先迅速增长,随后达到饱和;在不同DF条件下,早晚稻GPP随着散射光合有效辐射(Diffuse photosynthetically active radiation,PAR_(dif))的变化趋势存在差异,当DF为0.1~0.4时,早稻GPP随PAR_(dif)无明显变化趋势,晚稻GPP随PARdif呈上升趋势(决定系数R^(2)为0.23),当DF为0.4~0.7时,早晚稻GPP随PAR_(dif)呈下降趋势(R^(2)为0.38、0.02),当DF为0.7~1.0时,早晚稻GPP随PAR_(dif)呈明显上升趋势(R2为0.32、0.89),可见PAR_(dif)是影响水稻GPP的重要因素。早晚稻GPP与DF呈二次曲线关系(R^(2)为0.45、0.67),早晚稻光能利用效率(Light use efficiency,LUE)则与DF呈显著的线性正相关关系(R^(2)为0.68、0.82),早晚稻最优DF为0.48和0.40。DF变化同时引起气温(Air temperature,T_(a))和饱和水汽压差(Water vapor pressure deficit,VPD)的变化,进而对水稻GPP产生协同影响。气象因素与水稻GPP的通径分析结果表明:不同DF条件下,气象因素对水稻GPP的影响存在明显差异。总体而言,T_(a)和VPD升高分别对水稻GPP起促进和抑制作用,当DF为0.1~0.4、0.4~0.7和0.7~1.0时,影响早稻GPP的主要气象因素为T_(a)、PAR_(dir)和PAR_(dif),影响晚稻GPP的主要气象因素则为PAR_(dif)、PAR_(dir)和PAR_(dif)。

极低水平γ射线辐射场散射辐射研究

为了搭建极低水平γ射线辐射场及其量值传递系统,基于中国锦屏地下实验室实验条件,对辐射场中不同机械装置结构带来的散射贡献进行研究。本研究利用蒙特卡罗模拟软件建立照射装置、量值传递探测器和屏蔽箱及内部传动结构的蒙特卡罗模型;对照射装置射线出射角度、探-边距和源-探距三种空间变量引起的散射贡献进行模拟研究,得出较优的装置设计和布局方案。设计20°、30°、40°的辐射出射张角,并且在三种源探距的情况下,分别计算有、无屏蔽箱时探测器灵敏体积中的能量沉积;分析三种照射装置位置改变带来的能量沉积的变化;在更多种源-探距下,模拟计算灵敏区域的能量沉积。结果表明,在辐射出射张角为20°和照射装置远离屏蔽箱的内侧面时,散射辐射对探测器灵敏体积内的能量沉积影响最小。本研究得到和分析了多种照射条件下散射辐射引起的能量沉积,优化了辐射场中装置设计和布局,为极低本底辐射场的建立提供了设计思路,并完成了中国锦屏地下实验室的实地测量。

基于天气分型的水平面总辐射及散射辐射建模分析

为获得无太阳辐射观测地区的水平面总辐射及散射辐射量提出一种组合模型。首先通过日照百分率将天气情况分成3类,在此基础上,探究总云量、气溶胶等气象环境因子对水平面总辐射的影响,构建水平面总辐射线性模型;其次,考虑不同天气类型下气象环境因子的特征,建立基于高斯过程回归(GPR)的散射比和散射系数模型,进而获得散射辐射量;最后,得到每种天气类型下最优水平面总辐射模型与散射辐射模型构成的组合模型。结果表明,所提组合模型可有效提高水平面总辐射与散射辐射的预测精度。

散射辐射对杨树人工林生态系统总初级生产力的影响

【目的】在量化生态系统阳冠层和阴冠层光合参数的基础上,通过探究其季节动态变化和主要生物物理调控因子,揭示散射辐射变化对杨树人工林生态系统总初级生产力(GPP)的影响,为人工林生态系统服务功能和碳汇能力的准确评估提供参考。【方法】以北京顺义区共青林场的杨树人工林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术和微气象观测系统,对生态系统碳循环过程和生物物理因素进行了连续4年(2015—2018年)的定位观测;采用非线性拟合方法将生态系统最大光合速率(A_(max))和表观量子效率(α)拆分为受直接辐射(A_(max),dir、αdir)和散射辐射(A_(max,dif)、α_(dif))影响的两部分。由于直角双曲线模型(Michaelis-Menten model)在模拟GPP时会出现不饱和现象,本研究采用PAR为2000μmol·m^(–2)s^(–1)时的GPP作为最大光合速率(A_(2000))。【结果】采用晴空指数和太阳高度角模拟的散射辐射与实测值接近(斜率为0.82,R^(2)=0.87,RMSE=51.67 W·m^(–2),P<0.01)。2015—2018年生长季杨树人工林的α_(dif)、A_(2000,dir)和A_(2000,dif)呈先增加后减小的变化趋势,α_(dif)和A_(2000,dif)显著高于αdir和A_(2000,dir)(pα=0.02;p A_(2000)=0.03),α_(dif)/αdir和A_(2000,dif)/A_(2000,dir)分别为5.6和6.1,二者的比例在夏季表现出明显差异。生长季GPP呈单峰变化模式,且GPP与A_(2000,dif)显著相关(P<0.01),随着PAR_(dif)/PAR_(dir)的增加,GPP显著增加(P<0.01)。在夏季,A_(2000,dif)主要受Ta的影响,随着Ta的增加而增加(偏相关系数为0.74,R^(2)=0.49,P<0.05);在春季和秋季,LAI主导着A_(2000,dif)的变化(偏相关系数为0.69,R^(2)=0.53,P<0.01),而PrestleyTaylor系数(η)和晴空指数(CI)无论是在春秋还是夏季,对A_(2000,dif)都无显著影响。【结论】α和A_(2000)会随季节发生变化,散射辐射对A_(2000)和α的影响要显著高于直接辐射的影响,且在生长季中期更加明显,A_(2000,dif)在春秋季和夏季的变化分别主要受生物因素(LAI)和环境因素(Ta)主导。A_(2000,dif)是调控GPP变化的最关键因素,因此,散射辐射是影响该人工林生态系统光合生产力的重要环境因素。

散射辐射对光伏发电系统的影响

光资源对组件选型和发电系统的影响显著。针对我国典型区域,研究了散射辐射对光伏发电系统的影响,通过分析太阳对光伏组件辐射机理,探究散射辐射对光伏系统最佳倾角、发电量及系统效率的影响。研究表明,光伏最佳倾角小于当地纬度值,且冬季总辐射量越小,散射辐射占比越大,倾角相比纬度值小越多;散射辐射量增加,光伏系统发电量降低,双面组件背面增益提高,单面组件系统效率降低,双面组件系统效率提高。当冬季辐照量较小且散射辐射量大时,建议选取较小的组件倾角;当散射辐射占比较大时,选择双面组件可获得更高的电量收益。

光合有效辐射总量及其散射辐射比例变化对森林GPP影响的模拟

研究利用基于冠层辐射传输与植物生理过程的MAESTRA模型,结合中国东部鼎湖山、千烟洲及长白山3个典型森林生态系统的CO2通量观测数据,对光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation,PAR）总量及其散射辐射比例变化影响下生态系统总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）的变化进行了模拟与敏感性分析,从而探讨这两者的变化对森林生态系统GPP的综合影响。研究结果表明：PAR总量变化对GPP的影响程度由PAR总量变化幅度以及GPP对PAR总量变化的敏感程度所决定,较低的PAR总量与较高的温度条件下GPP对PAR总量变化较敏感;散射辐射比例增大可以提高森林冠层对入射PAR的吸收和利用效率,其对GPP的影响程度由散射辐射量的变化以及散射辐射与直射辐射在吸收与利用效率上的差别所决定,较高温度与叶面积条件下该差别较大;PAR总量与散射辐射比例共同变化对GPP的综合影响取决于上述两个过程的抵消结果,入射PAR较强时两者抵消作用通常更明显,在全年总量上,散射辐射比例变化对GPP的影响能抵消PAR总量变化影响的1/3~1/2。

大气污染加剧对中国区域散射辐射比例的影响

利用我国47个站点的晴空散射辐射比例(sunny diffuse radiation fraction,SDRF)资料,结合CO2排放、气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)和日照时数等对我国地区的SDRF时空分布、区域特征及其成因做了分析,结果表明:(1)我国SDRF有明显的区域性特征,大值区主要分布在我国中部的四川盆地,而在云南、新疆、西藏和东北等地SDRF值偏小;(2)大部分的站点SDRF呈显著上升趋势,其中以我国中东部地区的站点上升更为显著;(3)区域特征分析表明华北、华东和华中等地区SDRF上升较为显著,而华南、东北、西北和西南地区SDRF上升幅度相对较轻;(4)日照时数与散射辐射比例高度相关.其中在大气污染较为严重的华东、华中和华北地区,其相关系数均超过-0.8,大气中气溶胶粒子浓度升高对日照时数和散射辐射比例有重大的影响.

几种散射辐射模型精度的对比

通过对既有散射辐射模型的分析,结合上海地区太阳辐射实测数据,建立了各向异性散射辐射新模型,其后从天气类型、朝向、季节和倾角等方面对新模型及既有模型的精度进行了对比分析.对天气类型的研究表明,阴天或多云天时,Klucher模型、Hay模型及Skartveit和Olseth模型与实测值较为吻合;但晴天时,Perez模型和新各向异性散射辐射(NADR)模型更佳.对朝向的研究表明,对于东向和北向,Perez模型和NADR模型较为准确;而对于南向和西向,Liu和Jordan模型,NADR模型较为准确.对季节的研究表明,夏秋季Perez模型和NADR模型较为准确;秋冬季Liu和Jordan模型,NADR模型较为准确.对于倾角的研究表明,Klucher模型与实测值较为吻合,各类散射辐射模型在计算倾角较小的倾斜面散射辐射精度优于倾角较大的情况.对天气、朝向、季节和倾角等多因素的综合考虑表明,Temps和Coulson模型,Gueymard模型准确性相对较低,而NADR模型的准确性最高.

起伏地形下黄河流域太阳散射辐射分布式模拟研究

针对天文、大气、宏观地理与局地地形等因子对起伏地形下太阳散射辐射的复杂作用,将影响起伏地形下太阳散射辐射的天空因素与地面因素分开处理.通过基于数字高程模型(DEM)数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,综合考虑地面因素对散射辐射的影响;基于常规地面气象站观测资料建立的水平面散射辐射模型考虑天空因素对散射辐射的影响;依据各向异性散射机理,建立了起伏地形下太阳散射辐射分布式计算模型,探索出一条利用DEM数据和常规气象观测资料实现山区太阳散射辐射定量模拟的技术路线.以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,实现了起伏地形下黄河流域1 km×1 km分辨率的太阳散射辐射分布式模拟.

水平面日太阳散射辐射模型对比研究

将常见的18个水平面日太阳散射辐射模型分为5类，利用上海气象台站数据，通过统计学参数、残差直方图比较18个模型的准确性。分析结果表明，文献中的Lam＆Li模型、苏华和田胜元模型、Liu＆Jordan模型、CLIMED1模型、Boland模型2＊计算出的散射辐射较为准确，更适合上海地区使用。同时，根据这5类方程的构建方法，用上海地区近20a实测辐射数据建立5个相应的拟合方程（MDF1-MDF5）。用30a的辐射数据对比分析这些模型的准确性，结果表明CLIMED1模型和MDF2模型与实测值更吻合，其中MDF2模型的准确度最高。对于上海及相似地区，在缺少长期辐射观测数据的前提下，建议采用CLIMED1模型进行散射辐射计算；否则建议根据该文结果自建拟合方程，这样精度更高。

青藏高原的散射辐射特征

利用大量连续观测数据阐明了青藏高原散射辐射的时间变化特征,揭示了晴空指数(R_s/R_o)与散射辐射的关系,以及不同晴空指数条件下散射辐射随太阳高度角的变化.散射辐射日最高值出现在午后,年最高值出现在4月份.日晴空指数小于0.3时,太阳辐射基本以散射辐射形式到达地面,日晴空指数大于0.3时,散射辐射占总辐射的比例随晴空指数的增加而呈线性递减.日晴空指数达到0.45左右时,散射辐射占大气外界太阳辐射日总量的比例最高.散射辐射随太阳高度角的升高呈指数递增,但晴空指数在0.3～0.7范围内时,散射辐射随太阳高度角的变化最为明显.

基于DEM的复杂地形下太阳散射辐射分布式模拟——以贵州高原为例

由于坡度、坡向和地形之间相互遮蔽等局地地形因子的影响,确定实际复杂地形下太阳散射辐射是比较困难的。本文在前人研究的基础上,对以前的模型进行了一些改进,考虑了坡度、坡向和地形相互遮蔽作用对复杂地形下天文辐射的影响,基于数字高程模型(DEM)数据,研制了以复杂地形下天文辐射为起始数据的复杂地形下太阳散射辐射的分布式模型,在模型中还考虑了散射辐射的各向异性。以地形复杂的贵州高原为例,应用100 m×100 m分辨率的DEM数据及气象站常规观测气象资料,计算了贵州高原复杂地形下各月及年的太阳散射辐射精细空间分布。结果表明:(1)局地地形因子(如坡度、坡向和地形遮蔽)对贵州高原复杂地形下太阳散射辐射的空间分布影响较大,随着地形的起伏变化,太阳散射辐射的空间分布明显不同,纬向分布特征不明显。(2)对于太阳散射辐射而言,地形对其的影响仍然很大,在太阳散射辐射计算时也是不容忽视的。

上海地区太阳能资源评估与散射辐射推算方法研究

准确评估上海地区的太阳能资源状况对于当地太阳能资源的开发利用有重要意义。根据中国气象局提供的上海地区多年太阳辐射观测数据,评估当地太阳能资源,结果表明上海地区光伏资源丰富、稳定度较高,适合建设光伏电站。为满足缺乏直接辐射和散射辐射数据的地区推算总辐射中直、散分量的需要,结合2001~2010年上海地区经过严格质量控制的总、直、散观测样本序列,针对三种经典＂直散分离＂模型,通过拟合散射比Hd/H与清晰度指数Kt的函数关系,修正得到适合上海市及周边地区的散射辐射量推算方法,并利用2011年的实测数据对该方法进行独立样本预报验证,其平均百分比误差小于5%,可为光伏发电系统设计、功率预报提供指导和借鉴。

敦煌地区晴空散射辐射影响因子的统计特征

利用敦煌地区1981—1983年全年及1984年与1985年1～2月的日射观测资料,统计分析了敦煌地区晴空下散射辐射与太阳高度角、大气柱气溶胶垂直光学厚度等影响因子的关系,用最小二乘法拟合得到了相应的函数关系式。拟合结果表明:晴空下散射辐射与太阳高度角符合幂函数关系;晴空下散射辐射随大气柱气溶胶光学厚度线性增长。

利用TOVS资料计算我国东南地区的太阳直接辐射和散射辐射

根据多次散射理论—离散纵标法 ,将极轨卫星产品资料 ( TOVS资料 )作为初始资料 ,利用中分辨率大气传输模式 MODTRAN3分别计算出晴空和有云情况下5个层次的观测波段的太阳直接辐射和散射辐射 ,与国家一级探空站探测的大气温、湿廓线计算出的辐射值进行比较。发现晴空状况下基本一致 ,有云时存在一定误差 ,表明由卫星的 TOVS资料估算我国东部地区的晴空辐射资料 ,可以弥补我国辐射资料的不足。

散射辐射对青藏高原高寒草地总初级生产力模拟的影响

太阳辐射的散射组分能够增强植被冠层LUE(light use efficiency,光能利用率),因此需要在生产力模型中显式地加入散射辐射的影响,从而更准确地模拟植被冠层光合作用.以青藏高原高寒草地为研究对象,改进光能利用率模型,增加散射辐射模块,利用站点通量观测数据估计模型关键参数;结合区域尺度气象数据和遥感数据,模拟了2003—2008年青藏高原高寒草地区域尺度GPP(gross primary production,总初级生产力),并量化了GPP模拟的不确定性,进而通过分析模型改进前后GPP空间分布及其不确定性的差异量化了散射辐射的作用.结果表明:考虑散射辐射对LUE的影响后,模型参数优化效果明显提升,青藏高原高寒草地GPP的模拟效果得到提升;2003—2008年青藏高原高寒草地GPP模拟值呈现东南部较大,西北部较小的空间格局,与不考虑散射辐射的结果一致,但GPP平均值由312.3 g/(m^2·a)增至341.7 g/(m^2·a),增幅约9.4%,说明不考虑散射辐射会低估青藏高原高寒草地GPP;GPP模拟值不确定性的空间分布与不考虑散射辐射的结果一致,但是平均不确定性大小有所降低,从9.15%降至8.66%.研究显示,若在青藏高原高寒草地的GPP模拟中不考虑散射辐射,虽不会影响其空间格局,但会低估GPP模拟值的大小,同时增加其不确定性.

由卫星资料估算晴空大气太阳直接辐射和散射辐射

根据光的多次散射理论 ,对水汽、气溶胶、臭氧、混合气体等实行辐射参数化处理 ;利用中国探空站资料和诺阿 ( NOAA)气象卫星垂直业务探测器 ( TOVS)资料反演的探空资料 ,由离散纵标法计算了大气各高度上的太阳直接辐射和散射辐射 ,并与此同时的和同站点位置的卫星可见光、红外测值进行统计回归拟合 ,建立卫星测值与大气中太阳直接辐射和散射辐射的计算模式 ,据此可以利用卫星资料估算太阳直接辐射和太阳散射辐射 ,这对于大气环境光学特性和大气环流、气候变化的研究有重要意义。