全 文 ：典型森林生态系统总辐射和光合有效辐射长期
观测中的仪器性能衰变和数据校正*
朱治林1 摇 孙晓敏1**摇 于贵瑞1 摇 温学发1 摇 张一平2 摇 韩士杰3 摇 闫俊华4 摇 王辉民1
( 1中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101; 2中国科学院西双版纳热带植物
园, 云南勐仑 666303; 3中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110164; 4中国科学院华南植
物园, 广州 510650)
摘摇 要摇 利用中国通量网(ChinaFLUX)4 个森林台站(长白山、千烟洲、鼎湖山和西双版纳)
2003—2008 年总辐射和光合有效辐射(PAR)观测资料,研究了 CNR1 总辐射表和 Li鄄190SB
光量子仪在长期观测中可能出现的不确定性和仪器性能变化等问题.结果表明: 98%以上的
CNR1 总辐射观测精度满足技术标准,但在西双版纳站,CNR1 观测的总辐射(QCNR1)比高精度
短波辐射仪 CM11 观测的总辐射(QCM11)平均低 7% ;虽然温度对 CNR1 观测的总辐射有一定
影响,但其影响大都在仪器允许的精度范围内,在西双版纳站,CNR1 除了受温度影响外,还受
到热带雨林特有的季节性雾的影响;通过分析光合有效辐射数据(特别是其与总辐射比值)的
长期变化发现,光量子仪 Li鄄190SB 的性能衰减较明显,平均年衰减率达 4%左右. 为了校正
PAR仪器性能衰减产生的系统误差,本文尝试给出了 PAR 的后期补偿校正方法,该方法可基
本消除由于野外长期使用所造成的 Li鄄190SB性能衰减.
关键词摇 总辐射摇 光合有效辐射摇 观测误差摇 辐射仪器性能摇 中国通量网
*国家重点基础研究发展计划项目(2010CB833501鄄01)和国家自然科学基金项目(31070400)资助.
**通讯作者. E鄄mail: sunxm@ igsnrr. ac. cn
2011鄄04鄄02 收稿,2011鄄08鄄15 接受.
文章编号摇 1001-9332(2011)11-2954-09摇 中图分类号摇 P414摇 文献标识码摇 A
Radiometers performance attenuation and data correction in long鄄term observation of total ra鄄
diation and photosynthetically active radiation in typical forest ecosystems in China. ZHU Zhi鄄
lin1, SUN Xiao鄄min1, YU Gui鄄rui1, WEN Xue鄄fa1, ZHANG Yi鄄ping2, HAN Shi鄄jie3, YAN Jun鄄
hua4, WANG Hui鄄min1 (1Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of
Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,
China; 2Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Menglun 666303,
Yunnan, China; 3State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chi鄄
nese Academy of Sciences, Shenyang 110164, China; 4South China Botanical Garden, Chinese Acade鄄
my of Sciences, Guangzhou 510650, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(11): 2954-2962.
Abstract: Based on the total radiation and photosynthetically active radiation (PAR) observations
with net radiometer (CNR1) and quantum sensor (Li鄄190SB) in 4 ChinaFLUX forest sites (Chang鄄
baishan, Qianyanzhou, Dinghushan, and Xishuangbanna) in 2003-2008, this paper analyzed the
uncertainties and the radiometers performance changes in long鄄term and continuous field observa鄄
tion. The results showed that the 98% accuracy of the total radiation measured with CNR1 (QCNR1)
could satisfy the technical criterion for the sites except Xishuangbanna where the QCNR1 was average鄄
ly about 7% lower than QCM11, the radiation measured with high accuracy pyranometer CM11. For
most sites, though the temperature had definite effects on the performance of CNR1, the effects
were still within the allowable range of the accuracy of the instrument. Besides temperature, the
seasonal fog often occurred in tropical rain forests in Xishuangbanna also had effects on the perform鄄
ance of CNR1. Based on the long鄄term variations of PAR, especially its ratio to total radiation in
the 4 sites, it was found that quantum sensor ( Li鄄190SB) had obvious performance attenuation,
with the mean annual attenuation rate being about 4% . To correct the observation error caused by
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 11 月摇 第 22 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2011,22(11): 2954-2962
Li鄄190SB, an attempt was made to give a post鄄correction of the PAR observations, which could ba鄄
sically eliminate the quantum sensor爷s performance attenuation due to long鄄term field measurement.
Key words: total radiation; photosynthetically active radiation; observation error; radiometer per鄄
formance; ChinaFLUX.
摇 摇 太阳辐射是地球能量的主要来源,是地球大气
圈、水圈和陆圈中各种物理过程(物质和能量交换
以及天气变化等)和各种生命活动的基本动力. 精
确测量太阳辐射对开展气候变化和生态系统能量和
物质转换机理等方面的研究具有非常重要的意
义[1] .在分析广泛应用于测量地鄄气能量和物质交换
的涡度相关技术的不确定性时,用能量平衡闭合程
度(即涡度相关直接观测的潜热和显热湍流通量之
和与净辐射通量、土壤热通量、冠层热储量三者之和
的不相等程度)来评价涡度相关数据可靠性已被广
泛接受[2-4] . Foken[4]总结了不同下垫面的能量闭合
状况,发现典型的能量闭合误差达到 10% ~ 30% ,
其中一个潜在的误差来源是净辐射的测量误差,净
辐射测量的不确定性有时可达 5% ~ 20% . 总辐射
是影响净辐射大小的最主要因子,因此,精确测量太
阳总辐射和客观评价其精度对研究涡度相关的能量
闭合问题非常重要.
光合有效辐射(PAR)作为一种气候资源,在作物
光合潜力、潜在产量的评价研究中被列为重要的科学
依据[5-7],也是生态系统碳通量研究中一个非常重要
的参数.大量研究表明,白天的生态系统 CO2通量与
光合有效辐射的关系最密切.当白天的 CO2通量数据
缺失并需要插补时,广泛应用的 Michaelisl鄄Menten 方
程的主要变量就是光合有效辐射[8-9] .精确测量大气
光合有效辐射在生态学研究中非常重要.
为了研究我国自然生态系统对 CO2吸收 /排放
的作用和功能,2002 年起中国通量网(ChinaFLUX)
在我国选择 8 个典型生态系统观测点(4 个森林生
态系统、3 个草原生态系统和 1 个农田生态系统)开
展了 CO2 / H2O 通量和其他项目(如微气象和辐射
等)的长期连续观测,取得了一系列重要成果和进
展[10-13] .数据质量是科学研究的基础,对于以长期
连续观测数据为主要依据的长期生态系统科学研究
而言,数据的质量评估和控制非常重要[14-15] .为此,
本文对中国通量网 4 个森林台站[长白山(CBS)、千
烟洲(QYZ)、鼎湖山(DHS)和西双版纳(XSBN)]
2003—2008 年太阳短波辐射仪器和光合有效辐射
的观测数据情况进行总体分析,并研究了仪器性能
的稳定性以及环境条件对辐射观测的影响,目的是
希望其他科研人员在利用这些辐射数据时,对数据
的质量状况和不确定性有一个总体认识,以便得出
更准确的科学结论.
1摇 仪器、数据和分析方法
中国通量网(ChinaFLUX)森林生态系统观测所
采用的仪器包括:1)涡度相关系统:由超声温度风
速仪(CSAT3, Campbell Sci郾 Ltd,美国)和 Li鄄7500
CO2 / H2O红外分析仪(Li鄄Cor Biosciences,美国)组
成;2)辐射观测系统:仪器包括 Kipp & Zonen 公司
(荷兰)生产的 CNR1 四分量净辐射观测仪、CM11
总辐射观测仪和美国 Li鄄Cor 公司生产的 PAR 光量
子测量仪(Li鄄190SB)等,其中,CNR1 是长期辐射观
测的基本仪器,其 4 个辐射传感器可分别测量上下
方向的短波和长波辐射. CNR1 辐射表属于中等精
度的仪器,CM11 为高精度仪器,是国际标准组织
(ISO)辐射测量的二级标准仪器(两种仪器的主要
技术指标见表 1). 此外,中国通量网(ChinaFLUX)
森林生态系统还进行了微气象观测,包括温湿度
(HMP45C,Vaisala,芬兰)、风速(A100R, Vector Ins郾 ,
英国)、土壤热通量(HFP01,HUKSEFLUX,荷兰)和土
壤温度(105T,Campbell Sci郾 Ltd, 美国) [10]等.
表 1摇 CM11 总辐射观测仪和 CNR1 净辐射观测仪的主要
技术指标(摘自 Kipp & Zonne公司仪器手册)
Table 1 摇 Main specifications of pyranometer CM11 and
pyranometer in net radiometer CNR1 ( taken from the pyr鄄
anometer manuals of Kipp & Zonne[17] )
技术指标
Specification
总辐射仪 Pyranometer
CM11 CNR1(CM3)
光谱范围
Spectral arrange (nm)
310 ~ 2800 305 ~ 2800
灵敏度
Sensitivity (滋V·W-1·m-2)
7 ~ 14 10 ~ 35
响应时间
Response time (s)
<5 <18
零漂移
Zero offsets (W·m-2)
<2 依4
方向误差
Directional error (W·m-2)
<10 依25
温度对灵敏度的影响
Temperature dependence of sen鄄
sitivity (% )
<1 依6
非线性度 Non鄄linearity (% ) <0郾 6 依2郾 5
总体 ISO分类
Overall ISO classification
二级标准 Secondary
standard
(高质量 High quality)
二 类 Second class
(中等质量 Medium
quality)
559211 期摇 摇 摇 摇 摇 朱治林等: 典型森林生态系统总辐射和光合有效辐射长期观测中的仪器性能衰变和数据校正摇
摇 摇 本研究所用数据全部来自中国通量网 4 个森林
生态系统台站(长白山、千烟洲、鼎湖山和西双版
纳)2003—2008 年连续的 30 min 平均值(由于仪器
和其他故障,数据有少量缺失). 辐射数据包括用
CNR1 测量的总辐射、用 CM11 测量的总辐射和用光
量子观测仪(Li鄄190SB)测量的光量子通量等. 为了
研究环境条件对辐射测量的影响,本文所用气象数
据均为铁塔顶层的观测值. 为了减少夜间和早晚的
数据可能对结果产生影响,本文只选取 9:00—
15:00的数据进行统计.同时为了剔除部分异常值对
结果的影响,在进行统计时设置了数据的上下限.基
于所有的 30 min 平均值,根据不同精度需求,分别
按日和月统计了各自的平均值和方差.
为了比较和检验 CNR1 所测总辐射(QCNR1)的
精度及其不确定性,本研究以高精度的总辐射仪
CM11 所测数据(QCM11 )作为参照,分析了 QCNR1与
QCM11比值的稳定性及其对环境条件的响应.为便于
分析和描述,本文定义 K1为用两种仪器观测的太阳
短波总辐射之比,即:
K1 = QCNR1 / QCM11 (1)
对于光合有效辐射的描述,目前有 2 种最常用
的方法,即能量学系统和量子学系统.前者是取某一
特定波长范围即光合有效波段内的辐照度(W·
m-2)来表示, 后者是用该波段范围内的光量子通量
密度(滋mol·m-2·s-1)来表示,两种能量单位可以
互相换算. 用光量子仪 ( Li鄄190SB) 可观测波长
400 ~ 700 nm的光量子数量,根据普朗克定律,光子
的能量与其频率呈正比,所以,光合有效辐射的辐照
度与光量子通量密度并不是一种简单的线性关系.
为了将光量子数量变成能量单位,必须知道光谱集
度[15] .然而对于太阳光,两者之间可以近似为线性
关系.光合有效辐射平均波长(550 nm)的光量子与
能量的相互关系为:1 W·m-2 = 4郾 57 滋mol·m-2·
s-1或 1 滋mol·m-2·s-1 = 0郾 22 W·m-2 [15-16] .根据
上述关系将观测的光量子密度(PAR)换算成能量
单位.
定义 K2 为用 PAR 测量的光合有效辐射能
(EPAR,W·m-2)与用 CM11 观测辐射能(QCM11)之
比,即:
K2 =EPAR / QCM11 =0郾 22PAR / QCM11 (2)
2摇 结果与分析
2郾 1摇 用 CNR1 和 CM11 分别观测的总辐射
为了明确 CNR1 的总辐射仪在长期观测中可能
产生的变化,本文以连续使用 6 a 后的辐射数据为
例,分析了用 CNR1 和 CM11 观测的总辐射之间的
关系. 2008 年用两个辐射仪器分别观测的长白山、
千烟洲和鼎湖山白天总辐射半小时平均值非常一
致,几乎所有的数据都在 1 颐 1 线附近,两种方法所
观测总辐射的线性回归直线的斜率都非常接近 1,
且截距接近零(图 1).鼎湖山(DHS)、千烟洲(QYZ)
和长白山(CBS)的数据一致性较好,西双版纳(XS鄄
BN)数据的一致性稍差.
摇 摇 由图 2 可以看出,2003—2008 年,4 个台站的 K1
(QCNR1 / QCM11)值均存在明显的月变化特征,表现为
夏季低、冬季高,说明 CNR1 的长期稳定性较好,但
不同台站的月变化表现形式不完全相同.千烟洲,长
白山和鼎湖山的 K1平均值均在(1郾 00依0郾 05)以内,
其中,鼎湖山的 K1 值最接近 1,平均方差最小
(1郾 3% ),千烟洲和长白山站用 CNR1 观测的结果
比 CM11 观测的结果略高 2% ,季节变化稍大(平均
方差分别为 6郾 6%和 2郾 6% ),西双版纳站两种辐射
仪器观测结果之间的差别较大,QCNR1比 QCM11平均值
约低 7% ,且两者之间的一致性不好,平均标准差达
11% (表 2).
2郾 2摇 CNR1 观测结果的误差分析
在分别分析不同环境要素对仪器性能变化的影
响后发现,温度对 K1的影响最明显. 4 个森林站 K1
值与气温(T)均呈负相关关系,当气温在 20 益左右
时,K1值最接近 1(图 3).在长白山站,CNR1 的性能
随气温的变化最明显,相关系数最大,QCNR1与QCM11
表 2摇 4 个森林台站 QCNR1、QCM11、K1的平均值依标准差以及 K1与温度的关系
Table 2摇 Mean and standard deviation of QCNR1, QCM11 and K1 as well as the relationship between K1 and temperature in 4
forest sites
台站
Site
QCM11
(W·m-2)
QCNR1
(W·m-2)
K1 K1(y)与温度(x)的关系
Relationship between K1(y)and temperature (x)
R2
长白山 CBS 468依203 476依199 1郾 02依0郾 03 y=-0郾 1498x+1郾 0359 0郾 52
千烟洲 QYZ 421依258 425依254 1郾 03依0郾 05 y=-0郾 2898x+1郾 0879 0郾 34
鼎湖山 DHS 427依239 422依234 1郾 00依0郾 03 y=-0郾 0012x+1郾 0193 0郾 11
西双版纳 XSBN 471依157 430依139 0郾 93依0郾 12 y=-0郾 0028x2 +0郾 1017x+0郾 1049 0郾 47
6592 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 1摇 4 个森林台站仪器 CNR1 和 CM11 分别观测的白天总辐射 (QCNR1和 QCM11 )半小时平均值
Fig. 1摇 30 min鄄averaged daytime global radiations (QCNR1 and QCM11 ) measured with CNR1 and CM11 respectively at 4 forest sites
(2008).
CBS:长白山 Changbaishan; QYZ:千烟洲 Qianyanzhou; DHS:鼎湖山 Dinghushan; XSBN:西双版纳 Xishuangbanna. 下同 The same below.
图 2摇 4 个森林台站 K1月平均值的变化
Fig. 2摇 Variations of monthly鄄averaged K1 in 4 forest sites (2003-2008).
的相对误差与气温的线性关系最明显,气温每降低
10 益,K1值或 CNR1 的灵敏度约升高 1郾 5% .在千烟
洲站,K1与气温的关系比较离散,说明可能还有其他
环境要素影响 CNR1 的灵敏度;该站点 CNR1 的温
度敏感性比长白山站高,气温每降低 10 益,CNR1
的灵敏度约升高 3% .在鼎湖山站,K1值受气温的影
响不明显,相关系数仅 0郾 11,K1值在大部分时间都
接近且略小于1 . 在西双版纳站,QCNR1与QCM11的相
759211 期摇 摇 摇 摇 摇 朱治林等: 典型森林生态系统总辐射和光合有效辐射长期观测中的仪器性能衰变和数据校正摇
图 3摇 4 个森林台站 K1值与气温的关系
Fig. 3摇 Relationship between the K1 and temperature in 4 forest sites (2003-2008).
对误差与气温的关系不是线性,而呈抛物线型,并且
相关关系也比较离散.在 20 益左右,西双版纳站的
K1达到最大值,高于或低于 20 益,用 CNR1 观测的
总辐射均偏低.所以,在使用西双版纳站的 CNR1 辐
射数据时须特别注意,QCNR1与 QCM11间存在较大的不
确定性. QCNR1与 QCM11间存在较大误差的原因可能既
在于仪器本身,也有天气状况等方面的原因:西双版
纳站两种仪器的性能和放置高度不一样,CM11(有
除湿功能)安装高度为 69郾 8 m,而 CNR1(没有除湿
功能)安装高度为 41郾 6 m;另外,该地区属热带雨林
气候,雾日较多,年均雾日达 186郾 4 d[18] . 由于仪器
的除湿功能对西双版纳站辐射观测的作用非常重
要,因此没有除湿功能的 CNR1 受水汽的影响大于
有除湿功能的 CM11,造成 CNR1 的观测结果偏低.
由于本文没有关于雾的可以量化的分析数据,故未
涉及对雾的讨论,所以在分析时假设这种影响主要
由温度所致.
摇 摇 根据以上分析,结合仪器的精度和随机误差认
为,鼎湖山、千烟洲和长白山 3 个台站用 CNR1 观测
的总辐射数据可以不进行气温对仪器性能影响的校
正,但要得到更高精度的净辐射数据,则有必要对用
CNR1 观测的数据进行校正;而西双版纳站用 CNR1
观测的总辐射数据不理想,必须进行校正.在消除气
温对 CNR1 性能的影响后,2006 年长白山站 QCNR1与
QCM11的差值(QCNR1-QCM11)明显变小,其差值在 0 附
近波动,可认为是随机误差所致(图 4).在西双版纳
图 4摇 长白山站和西双版纳站温度影响校正前后的 QCNR1 -
QCM11日均值
Fig. 4摇 Daily鄄average of QCNR1-QCM11 before and after correction
for air temperature influence at Changbaishan site and Xishuang鄄
banna site (2006).
玉:校正前值 Uncorrected value; 域:校正后值 Corrected value. 下同
The same below.
8592 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
站,4—7 月辐射校正效果的表现非常明显,校正前
QCNR1-QCM11值达 150 ~ 200 W·m-2,校正后约 50
W·m-2 .如果直接使用西双版纳站的 CNR1 辐射观
测结果,可能产生较大误差.
2郾 3摇 光合有效辐射与总辐射的关系
光合有效辐射(PAR)在植物进行光合作用过
程中起着重要作用,是影响光合过程的关键因子.如
果长时间不进行仪器标定,仪器随使用时间的衰减
问题可能被忽略,从而使观测数据偏低. Ross 和 Su鄄
lev[15]分析比较了目前市场上主要的 PAR仪器的精
度和可能产生误差的原因. 但他们只对不同仪器进
行了短时间的对比,而没有考虑仪器在野外长期使
用时可能形成的仪器性能衰减问题.因此,非常有必
要研究 PAR仪器在长期观测过程中可能出现的衰
减问题.
与总辐射的变化情况一样,PAR 也存在明显的
季节变化特征(图 5). 2003—2008 年,4 个站点各季
节的 PAR均存在缓慢下降趋势,为了分析这种趋势
是光合有效辐射的正常年际波动还是由于仪器原因
所造成的低估,有必要分析 PAR与总辐射比值(K2)
的长期变化.
从气候学角度来看,世界各地的 K2值相对稳
定,因而一些科学家经常将其取为常数.但有研究表
明,K2值存在明显的日变化和季节变化,其季节性变
化的主要原因在于水汽压和天空中云量的影
响[19-20] .从图 6 可以看出,4 个台站 K2值的年内变
化均表现为冬季低、夏季高,从长期的变化趋势来
看,其值存在明显的下降趋势.如果所有辐射仪器性
能没有衰减,K2值的变化应以年为基本周期,围绕一
个平均值在不同月份有一定的波动,月均值在不同
年之间不应该有明显的趋势变化. 根据上述对两个
独立的总辐射值的分析,总辐射的观测应该相对准
确,可以认为 CM11 是精确的,这说明观测 PAR 的
仪器(Li鄄190SB)的性能随着时间有明显的衰减现
象.在实际应用中,由于缺乏对太阳辐射仪器真正意
义上的仪器标定工作,对光合有效辐射的标定更是
缺乏可以实践操作的直接标定方法.为了弥补 PAR
仪器在长期观测中存在的性能明显衰减可能对观测
结果产生的系统误差,有必要采用合理、有效的替代
方法对其进行校正,尽可能消除由于仪器在长期的
观测过程中导致的系统误差.
2郾 4摇 PAR仪器性能衰减及其后期校正
仪器性能的衰减是影响 PAR 结果的重要因子.
为了定量描述 PAR仪器的衰减情况,本文对 4 个台
站的 K2值随着累计月份(从 2003 年 1 月开始)的变
化趋势进行回归分析,并根据回归方程,计算了仪器
性能的月和年衰减率(表 3),结果表明,4 个台站
PAR仪器的年衰减率平均为4郾 1% ,最大为4郾 7%
图 5摇 4 个森林台站用 Li鄄190SB光量子仪测量的光合有效辐射(PAR)月均值变化
Fig. 5摇 Variations of monthly鄄averaged photosynthetically active radiation (PAR) measured with Li鄄190SB quantum sensors in 4 forest
sites (2003-2008).
959211 期摇 摇 摇 摇 摇 朱治林等: 典型森林生态系统总辐射和光合有效辐射长期观测中的仪器性能衰变和数据校正摇
图 6摇 4 个森林台站 K2月均值的变化
Fig. 6摇 Variations of monthly鄄averaged K2 value at 4 forest sites (2003-2008).
图 7摇 校正后 4 个森林台站 K2月均值的变化
Fig. 7摇 Variations of corrected monthly鄄averaged K2 at 4 forest sites (2003-2008).
(鼎湖山站).
为了对 PAR数据的校正过程进行简化,首先假
设观测 PAR仪器的性能随时间是线性变化,并且以
月为基本时间单位(认为仪器的性能一个月一样),
那么,PAR就可以用以下公式进行校正:
PARcor =PAR / [1-(n-1)a] (3)
式中:PAR和 PARcor分别为校正前、后的光合有效辐
射;n为从 2003 年 1 月开始的累计月数;a为仪器性
能的月衰减系数(表 3).
从图7可以看出,校正后的K2随时间衰减而产
0692 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 3摇 4 个森林台站的 PAR衰减率
Table 3摇 Attenuation rate of PAR in 4 forest sites
台站
Site
月衰减率
Monthly
attenuation
rate (% )
年衰减率
Annual
attenuation
rate (% )
长白山 CBS 0郾 3 3郾 5
千烟洲 QYZ 0郾 3 3郾 6
鼎湖山 DHS 0郾 4 4郾 7
西双版纳 XSBN 0郾 4 4郾 6
图 8摇 校正前后长白山站和西双版纳站 PAR月均值的比较
Fig. 8 摇 Comparison of the monthly鄄averaged PAR before and
after correction in Changbaishan site and Xishuangbanna site
(2003-2008).
生的系统误差基本消除,但其值随季节的变化仍然
存在.为了直观地表现出 PAR 的校正效果,对长白
山站和西双版纳站 PAR 月均值的变化情况进行分
析,结果表明,校正后的 PAR数据大于校正前,并且
随着仪器使用的累计时间越长,校正后 PAR与校正
前 PAR的差值越大(图 8).虽然使用本文所用方法
进行校正可能存在其他问题,但校正后数据没有出
现明显的下降趋势,补偿效果非常明显.
3摇 结摇 摇 论
辐射仪器是获得生态系统辐射观测数据的唯一
手段.由于该类仪器长期在野外使用,环境条件(如
空气温湿度、空气中的杂质和化学成分等)对仪器
运行状况必然会造成一定影响. 为了分析仪器的运
行状况,本研究以高精度的总辐射仪 CM11 为相对
标准,利用中国通量网(ChinaFLUX)4 个森林台站
(长白山、千烟洲、鼎湖山和西双版纳)2003—2008
年的总辐射和光合有效辐射观测资料,重点研究了
净辐射仪器 CNR1 和 Li鄄190SB 光合有效辐射仪器
在长期观测中可能出现的不确定性和仪器性能变化
等问题. 结果表明:1)对于 CNR1 观测的总辐射,
98%以上的观测精度满足仪器的技术标准. 但在西
双版纳站,两种总辐射仪器观测的结果差别较大,
CNR1 观测的总辐射比 CM11 的平均值低约 7% ,平
均标准差达 12郾 1% . 2)CNR1 的辐射仪器属于中等
质量标准的仪器,虽然温度对 CNR1 观测的总辐射
性能有一定影响,但其影响大都在仪器允许的精度
范围内. 在低温时,CNR1 观测的总辐射普遍高于
CM11 的观测结果.而在西双版纳站,两者之间的关
系受温度变化的影响较大并且关系较复杂. 本文认
为在实际应用中千烟洲、长白山和鼎湖山 3 个站点
的净辐射数据不需要进行特别校正,而对于西双版
纳站的 CNR1 辐射数据而言,部分数据明显偏低,数
据可信度较差,所以在使用这些数据时,必须考虑仪
器状况和天气条件. 3)通过分析光合有效辐射数据
(特别是与总辐射的比值)的长期变化,发现光量子
仪器(Li鄄190SB)的性能衰减较明显,长白山站、千烟
洲站、鼎湖山站和西双版纳站 PAR仪器的年衰减率
平均分别为 3郾 5% 、3郾 6% 、4郾 7% 和 4郾 6% ,平均为
4郾 1% . 1 年内仪器精度产生 4%的变化是仪器允许
的误差范围,但多年的积累误差会使观测结果产生
很大误差,必须对 PAR 进行合理的补偿和校正. 4)
为了校正 PAR仪器性能衰减产生的系统误差,本研
究假定仪器性能随时间的衰减为线性变化,在此基
础上,本文尝试给出了一个 PAR的后期补偿校正方
法,该方法基本消除了由于野外长期使用造成的仪
器性能衰减.随着时间的推移,仪器性能的真正变化
可能是非线性的,对此需根据今后的观测资料进一
步分析.
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作者简介摇 朱治林,男,1963 年生,副研究员.主要从事生态
系统能量和物质交换的观测和数据分析以及遥感尺度转化
等研究,发表论文 20 余篇. E鄄mail: zhuzl@ igsnrr. ac. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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