全 文 ：第 10卷 第 3期
2 0 0 2年 9月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
＼’L)1．10 NO．3
Sept ， 2002
黄淮海冬小麦冠层消光系数农业气象数值模拟
刘建栋
(中 国气 象科 学研 究 院农 业 气象 中心 北 京 100081)
于 强 刘 昌 明
(中国科学院地理科学 与资源研究所 北 京 100101)(中国科学 院石家庄农业现代化研究所 石家庄 050021)
摘 要 利 用美 国 Licor一188B辐 射 量 子照 度仪 测 定 了黄 淮 海 冬 小 麦 冠 层 消 七 系 数 ，建 立 了冠 层 消 七 系数模 型 ，验
证 表 明模 型具 有较 高 准确 度 。数 值 分析 表 明 ，直接 辐 射 消 七系 数 目变 化 非 常 明显 ，散 射 辐 射 消 光 系数 目变 化 幅度
较 小 ，总辐 射 目平 均 消 七 系数随 纬度 增 加 而增 大 ；当 LAj=5时，黄 淮 海地 区冬 小 麦抽 穗 期 消七 系 数 理论 值 变化 范
围 为 0 6865～0．6969。
关键 词 黄 准海 冬 小 麦 消 光系 数 数 值模 拟
Simulation study on the extinction coefficient of winter wheat in Huang—Huai—Hai Plain of China．LIU Jian—Dong(Chi—
nese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081)，YU Qiang(Institute of Geographical Sciences and Natural
Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，LIU Chang Ming(Shijiazhuang Institute of Agricultural
Modernization，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050021)，CJEA ，2002，10(3)：47～5O
Abstract Based on the data m easured with Licor一188B radiation—quantum—illum ination analyzer， a num erical m odel to
simulate the extinction coefficient of winter wheat canopy was established．Validation of the model showed that the model
could simulate extinction coefficient fairly well with higher significant levels．Numerical analysis with the m odel suggest
that the extinction coefficient of direct solar radiation is m uch higher than that of scattered radiation．The daily extinction
coefficients of winter wheat canopy are enhanced with latitude increasing with a variation from 0．6865 to 0 6969 in
H uang Huai—Hai Plain of China in heading stage．
Key words Huang—Huai—Hai Plain，W inter wheat，Extinction coefficient，Num erical simulation
1965年 De Wit C．T．首 次提 出作物生 长计算机数 值模拟理论 。 ，近 年来作物生 长数值模拟得 以迅速发
展 ，目前 已建立 了许多有 影 响 的作物 模 型如 英 国 的 AFRCwHEAT 和 荷兰 的 SUCROS 等 。作物 生 长数
值模 型 中消光 系数 是模 型的重要 参数之 一 ，直 接影响冠层 光分布计算 值并进而影 响到冠 层 日同化量模 拟值 。
由于 目前 的作物模 型大多 以 日为步长 ，因此无 法对消光 系数求理论解 ，仅 以 固定参数 给出 。然而 同一种作物
的消光 系数在不 同模 型 中取值 却存在较 大差异 ，消光 系数 的不 同取 值可 能使 作物生 长数 值模 拟 的科学 性受
到不 应有的怀疑 。因此研究冠层 消光 系数 ，并 给 出适用 于 我 国 的作 物 生 长模 型参 数成 为 重要 研究课 题 。
自从 Mosi和 Siko提 出作 物冠层 消光系数概念 以来 ，许 多学者对 冠层辐射传输 进行 了深 入研究 ，其 中 Ross提
出的随机几何模式 对辐射在 冠层 中的传输 过程进行 了较好 的理论 解 释。我 国项 月琴 等‘ 对冠层光分 布 已进
行 了多次测定 和理论 探讨 ，本文拟在 前人研究 基础上 ，在 实测数 据 支持下建 立 冠层 消光 系数模 型 ，然后 给 出
适 用于我 国黄淮 海地 区的消光 系数值 。
1 模 型 的 建立
辐射 日变化模 拟 。1d中任一时刻直 接辐射 S( )和散 射辐射 D( )可表示为 ：
s( )= ±! ! ! ! ! ! ×Sr(co0 sinXFsin8+cos XFcosSsinco 0) (1) 【 ) — — l，
嘶 =名 ×D
*中国科学院“百人计划”项 目及中国气象科学研究院博士后基金项 目资助
收稿 日期 ：200卜04—02 改 回 日期 ：200卜06—26
维普资讯 http://www.cqvip.com
中 国 生 态 农 业 学 报 第 l0卷
式 中 ， 为地理纬 度 ， 为时角 ， 为 日没时角 ，z．为 日长 ， 为赤纬 。
消光 系数模式 。辐 射传输 中叶片方位 的重 要特征之 一是 G 函数 ，在太 阳光 线 方 向上： ：
)= G A )： ／2
g )1 COSr／St／L (3)
式 中，tl为太阳高度角 ，A 为太 阳方 位 角 ，g(0 ， )是 叶方 位 角为 、叶倾角 为 0 的 叶倾 角分 布 函数 ，
为 叶片法线 方 向的单位 矢量 ，COS 7l z 为太 阳光线方 向和 叶片法 线方 向夹角的余 弦 ，可表 示为 ：
COS 7ls”L= sinh cos0L+cosh sin0L COS(A 一 声f_) (4)
由此 可知太阳光线 直接辐射部 分在 叶面积 深度 L 处水 平 面辐 射强 度 S(L )，那 么 直射 光消 光 系数
(K )为 ：
K ： (5)
直射 光穿透 函数 r 和散射光 穿透函数 ( )为 ：
rs(L，7z s)： e一 ‘KS (6)
r ，(L)= i If 一r (L，”)c。s sin d d (7)
其 中，r (L， )为倾 角 0和方位 角 所定 矢量 方 向的直 射辐 射透 过 函数 。所 以当 太阳时 角 为 时 ，叶面积
深 度 L处水平 面直接辐射 s(L， )和散 射辐射 D(L， )为 ：
S(L， )= S(∞)r (L， z ) (8)
D(L，60)= D(60) (L) (9)
由此 可得时角 为 时刻 的叶面积深 度 L处 的水平面 总辐射 Q(L， )：
Q(L，∞)= S(L， )+ D(L， ) (10)
按佐 伯一门司公式 中的消光 系数定义 ，叶面积深 度 L处 的水平 面辐 射强 度为 j，冠层 上方辐射 为 J ，消光
系数为 K，则有 f=j。e ，因此 直接辐射 消光系数 K (L， )、散 射辐射 消光 系数 K (L，∞)和总辐 射消光
系数 K (L， )分 别为 ：
)： ⋯ )
K (L， )：～ (12)
Q(L， )
K。(L， )：～ 1_ (13)
日均消光系数并不是消光系数的简单平均 ，而是首先对时角 ∞进行积分 ，求算出叶面积深度 L处的直
接 辐射 日总量 S(L)、散 射辐射 日总 量 D(L)和总辐射 日总量 Q(L)，然 后求算 日均 消光系数 ，对于总辐射 日
均 消光系数 KⅢ ：
KP。(L)： (14)
类似 可以求算 出 叶面积 深度 L处 的直 接辐 射 日均 消光 系数 K 和散射 辐 射 日均 消光 系数 K ，将 叶倾
角分为 6份 ，叶方 位角分为 8份 ，进 行积分运算 。
2 模型参数确定及验证
2．1 实验场地及研究方法
实 验在 山东农业大学农学 系实验农 场进行 ，1998年 3月 8日～5月 12日利用 美 国 Licor公司生 产的 Li—
cot一188B辐 射量子照度 仪对“鲁麦 23号”冬小麦 冠层 辐射分 布进行测 定 ，测 定时利 用探头测 定冠层上 方总辐
射及散 射辐射 以及冠层 下方总辐 射和散射 辐射 。利用 SB一170探头水平 放置测定总 辐射 ，然后用纸 片遮挡测
定散射辐射。同时对冠层叶面积密度分布进行 了测定。
一
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 3期 刘建 栋 等 ：黄 淮海 冬 小麦 冠 层消 光 系数 农业 气 象 数值 模 拟
2．2 参数确定及验证
表 1 冬 小 麦冠 层 叶倾 角面 积 分布 密 度
Tab l Area density of leaf inclination in wheat canopv
叶 面积深 度 叶倾 角／(。)1．caf inclination 叶面 积深 度 叶倾 角／(。)Leaf inclination
Accumulated LA 0～15 15～30 30～45 45～60 60～75 75～90【AccumulaIed LA 0～15 15～30 30～45 45～60 60～75 75～90
0～1 0 00 0 04 0 12 0 16 0 30 0 38 l 0～4 0 07 0 l3 0 09 0 14 0 25 0 32
0～2 0 00 0 03 0 10 0 1 9 0 32 0 36 0～5 0．10 0 12 0 l1 0 1 3 ()23 0 31
0～3 0 03 0 06 0 1 1 0 17 0 29 0 34 i1
冬 小 麦 叶倾 角 面 积 分 布 密 度 见
表 l，对不 同 时刻 冠层 消 光 系数 进 行
模 拟 ，实测值 与模拟值 相 关系 数 为显
著相关 (见图 1)，其模 型 具 有较 高 准
确度 。
3 模型 的应用
为利用模 型进 行数 值分析 ，首先
设定 了数 值分 析 的 BASE值 ，即直 射
辐射 日总 量 为 1．2MJ／m ，散 射 辐 射
日总量 为 0．6MJ／m ，是 黄 淮 海 地 区
夏季较 典型的晴天辐 射状况 。
3．1 消光系数日变化的数值分析
萋
2 00
萋 。
囊lOo
番
0 50
遥
雕
拭
妊 O 65
察
接 0 60
驿
O 55
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0 55 0 60 0 65 0 70
直射辐射消光系数模拟值 散射辐射消光系数模拟值
图 l 消光 系 数 实测值 与 模拟 值 的 比较
Fig．1 Comparison of the simulation value with the observation
value of extinction coefficient
6 7 8 9 10 11 1 2 13 14 1 5 16 1 7 18 6 7 8 9 10 11 1 2 13 14 1 5 16 1 7 1 8
时 间，h 时 间，h
图 2 消 光 系数 日变 化 的数 值 分析
Fig．2 Numerical analysis of diurnal variation of extinction coefficient
令 纬 度 为 36．2。N，
LA』=5并保持不变 ，模拟
了 BASE辐射 状况下 消光
系数 日变 化 过 程 ，实 际 上
随着 日序 的变 化 ，LAJ发
生很 大 的变 化 ，且 天 文 日
总 辐 射 量 也 发 生 相 应 变
化 ，从 而 引 起 实 际 晴天 日
总辐 射 量 的 变化 ，但 如 果
同时考虑众多 因子 的交 互
变 化则难 以揭示 出消光 系
数 日变化究竟 由何 因素所引起 ，故 数值分析 中令 LAI、辐 射 日总量 以及纬 度保持 不 变 ，就能较 直观地 揭示 出
在 同样 LAI和 BASE辐射状 况下消光 系数 的 日变化过程 以及这种 日变化过程在 1年 中随 日序 的变化状 况。
数值分析表 明 ，直 射辐射 和散 射辐射 均存在 明显 日变化过程 (见 图 2)，冬小麦 冠层 直射 辐射消光 系数 在
早 晚时刻最大 (本文模 拟 中当直 射辐射消光 系数大 于 l时 ，令 直射辐 射消光 系数 为 1)，随着 太 阳高 度角 的增
加 而直 射辐 射 消光 系 数逐 渐 变小 ，在 中午 时刻 达 到最 小值 ，然后 又
随太 阳高 度角 的降低迅 速上升 。散 射辐射 消光系数 具有 同样 的 日变
化 规律 ，但散射辐 射消光 系数 日变化 幅度相对较小 ，作 物数值模拟 研
究 中将散射辐 射消光 系数取 为 固定 值 的处理 方法是恰 当的 。
3．2 日均消光系数 随纬度变化规律
将 日期固定为 5月 10日，叶面积系数 LAI=5并保持不变 ，改
变纬度 ，由黄淮海地 区南部 的 30。N 逐 渐增 加 到北 部 的 40。N 左 右 ，
得到消光 系数随纬 度分布状况 。图 3表 明 ，黄淮 海地 区 5月 10日左
右冬小麦 冠层 日均 消光 系 数 变化 范 围 为 0．6865～0．6969，20世 纪
90年代初 我 国部分 学者 经 过实 验测 定 的结 论 是 冬小 麦抽 穗 期 消光
系数值变化在 0．5～0．6左右 ，本文在 实测资料基 础上利用模 型推算
O 76
O 72
o 68
萋0l64
O 6O
O 56
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
纬 度
图 3 日均 消光 系数 随 纬度 变化 状 况
Fig．3 Variation of extinction
coeficient with Iatitude
O 5 O 5 O 5 O 加 ∞ ” "
O O O O O O O
赫 器亲骠朵箍
0 9 8 7 6
O O O O
鞴垛 要杂霹苌铷
维普资讯 http://www.cqvip.com
50 中 国 生 态 农 业 学 报 第 lO卷
结果偏大 的原因可能 与 目前所研 究的品种截 光能力较强 有关 (见 图 3)。
4 小结与讨论
对 黄淮 海地 区冬小 麦冠层 消光系数进行 实际测定 ，并在 此基础上 建立 了数值 模型 ，直射辐射 消光系数模
拟值和实测值的相关系数为 0．97795(N=12)，散射辐射消光系数模拟值与实测值 的相关系数为 0．93044
(N=12)，均通过相关显著检验，表明模型具有较高的准确度。数值分析表明，直射辐射消光系数 日变化非
常明显 ，散射辐射 消光 系数 日变 化幅度远小 于直射辐 射 。 日均消光系数 理论值 随纬度增加 而增 大 ，在 黄淮海
地区理论值变化范围为0．6865～0．6969之间。作物模型中的消光系数应 以实测为基础 ，并进行理论推算 ，
强调实验是农业气象的最根本基础 ，在研制复杂农业气象数值模式的同时，一些农业气象观测等最基础的工
作 仍需得到完善 和加强 。
参 考 文 献
1 项月琴 管状辐射表对植物冠层辐射透过率的测量 农业生态环境研究．北京：气象出版社，1989 297～302
2 刘建栋 ，于 强，吴乃元 大豆晴天群体光合作用农业气象数值模拟．应用气象学报 ，2001，12(1)：14～20
3 McMaster G S ，W ilheim W W ，Morgen J A Simulating winter wheat shoot apex phenology J Agric Sci．，1992，1 19：1～2
4 Passioura J B Simulation models：science，snake oil，education or engineering?Agron J，1 996，88：690～ 694
5 De W it C T Ph0tosynthesis of leaf canopies Agricultural Research Report．W ageningen：Pudoc ，1965 1～ 38
6 Porter J R AFRCW HEAT2：A model of the growth and development of wheat incorporating respo nse to water and nitrogen Europ J
Agron ， 1993，2：69～ 82
7 Ross J The radiation regime and architecture of plant stands Junk：Hague，l981．21～ 65
《中国生态农业学报》征稿启事
《中国生态农业学报》(原刊名《生态农业研究》)由中国科学院石家庄农业现代化研究所和 中国生态经济
学会主 办 ，中国科 学院科学 出版 基金资 助 、科 学 出版社 出版 ，系 中国科技论文统 计源期刊 、中国科 学引文数据
库来源期刊和全 国 中文核心 期刊 。本 刊为 季 刊 ，2003年 始季 初 月 出版 ，国际标 准 大 16开本 ，144页 ，刊 号 ：
等 ， 零 号：8．2一? 寻， Q寻等由石家庄市报刊发行局发行略 枣市撂 零 昂零z亍，攀译
广大读者订户 届时请在报 ：FIJ发行 目录 中北京 地 区部分 寻找订 购本 刊 ，国外 发行 代号 ：Q1625。本刊 旨在探 索
与研 究生态农业 的理论 、方 法、技 术创新及 其研 究进展 等 ，推 动 学科发展 ，主要 刊登 生 态学 、生 态经 济 学、农 、
林 、牧 、副、渔及 资源与环境保 护等领 域具有创新 性 的研 究学术论 文 、研 究技术报告 (包括 理论与应 用研 究 、农
业 生态工程技 术 与 实用生物技 术 、生物 多样性保 护 、湿地保护 、资源优 化 配置与开发及其 效益研 究 ，城镇绿地
生 态建设 、无公 害农产 品生产技 术 、农 业环 境 污染 防治技 术及 农业 可持 续发展 研 究等方 面 )、研 究 简报 及 综
述 、生态农业 建设 和生 态示范 区典 型模 式与典 型经验 等 ，欢迎 国 内外从 事 生 态 学、生 态经 济学 、农林 牧 副渔 、
资源 与环境保 护等领域科 技人 员 、教 学和管理 工作者 以及 基层 从 事 生态农 业建设 的技 术与 管理人 员踊跃投
稿 。来稿请按 国家标 准 GB7713—87《科 学技 术报 告 、学位论 文 和学 术论 文 的编 写格 式》撰 写 。来稿 请 注 明科
研项 目来源 ，本刊 对 国家 自然科 学基金 资助项 目、863项 目、973项 目、省(部 )级 以上 重 大攻 关 项 目和 国家开
放 实验 室研 究项 目等论 文将优 先发表 ，凡 获省 (部 )级 以上成 果 奖者请 注 明 ，并提 供 获 奖复 印件及 单位证 明。
来稿请 寄 ：石 家庄 市槐 中路 286号《中国生态农业 学报》编辑部 ；邮政编 码 ：050021；电话 ：(0311)5818007 7网
址 ：W W W ：http：∥ www．sjziam．ac．cn E—mail：editor@ ms．sjziam．ac、cn
维普资讯 http://www.cqvip.com