全 文 ：２０１２年春季千烟洲地区散射辐射的对比观测∗
韩佳音１，２　 李胜功１　 张雷明１∗∗　 温学发１　 李庆康１　 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中国科学院大学，北京 １０００４９）
摘　 要　 利用 ＣＭＰ１１（含遮光环）、ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ ３ 种辐射测定仪器，于 ２０１２ 年 ３—６月在中
国科学院千烟洲红壤丘陵试验站开展总辐射和散射辐射的平行对比观测．结果表明： 不同辐
射仪测定的总辐射和散射辐射都有很好的线性相关关系；相对于 ＣＭＰ１１ 而言，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３
测定的总辐射分别低 ３．０％和 ２０．５％；对于测定的散射辐射，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 较 ＣＭＰ１１ 的观测
结果分别低 ５．５％和 ７．９％；在晴朗、多云、阴天 ３种天气条件下，各仪器测量的散射辐射日变化
一致，并且在不同太阳高度角下观测的散射辐射结果相似．不同仪器测量的日尺度散射辐射
随时间的累积存在一定差异，３、４、５月的月尺度散射分数分别为 ０．５６、０．５９ 和 ０．７０．在我国南
方中亚热带地区，散射辐射在太阳总辐射中占据了较大比例，并且随时间变化存在明显的变
化特征．有必要对其开展长期连续测定，以准确把握其长期的动态变化特征．
关键词　 总辐射； 散射辐射； 对比观测； 晴空条件； 散射分数
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０３－０６９７－０７　 中图分类号　 Ｐ４１４．５， Ｐ４２２．３　 文献标识码　 Ａ
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｏｆ ２０１２． ＨＡＮ
Ｊｉａ⁃ｙｉｎ１，２， ＬＩ Ｓｈｅｎｇ⁃ｇｏｎｇ１， ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ⁃ｍｉｎｇ１， ＷＥＮ Ｘｕｅ⁃ｆａ１， ＬＩ Ｑｉｎｇ⁃ｋａｎｇ１， ＷＡＮＧ Ｈｕｉ⁃ｍｉｎ１
（１Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ
Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉ⁃
ｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（３）： ６９７－７０３．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｆｒｏｍ Ｍａｒｃｈ ｔｏ Ｊｕｎｅ ｏｆ ２０１２ ｉｎ
Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｄ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｈｉｌｌｙ Ｌａｎｄ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｂｙ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＣＭＰ１１ ａｔｔａｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｈａｄｏｗ ｒｉｎｇ， ＳＰＮ１ ａｎｄ
ＲＳＲ３， ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｐｌａｃｅｄ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ． Ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅ
ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅｓｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｈａｄ ａ ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓ⁃
ｕｒｅｄ ｂｙ ＳＰＮ１ ａｎｄ ＲＳＲ３ ｗａｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ３． ０％ ａｎｄ ２０． ５％ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
ＣＭＰ１１． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＳＰＮ１ ａｎｄ ＲＳＲ３ ｗａｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ５．５％ ａｎｄ ７．９％ ｌｏｗｅｒ
ｏｆ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＣＭＰ１１． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｕｎｎｙ， ｃｌｏｕｄｙ ａｎｄ ｏｖｅｒｃａｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｄａｉｌｙ
ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ， ａｎｄ ｈｅｎｃｅ， ｔｈｅ ｄｉｆ⁃
ｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ ａｔ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｏｌａｒ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ
ａｌｓｏ ｓｉｍｉｌａｒ． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｄａｉｌｙ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ． Ｍｏｎｔｈｌｙ ｄｉｆｆｕｓｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍａｒｃｈ， Ａｐｒｉｌ ａｎｄ Ｍａｙ ｗｅｒｅ ０．５６， ０．５９ ａｎｄ ０．７０， ｒｅ⁃
ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ａｒｅａ ｏｆ ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｃｈｉｎａ， ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ
ｌａｒｇｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ． Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ
ｃｏｎｄｕｃｔ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｄｉｆｆｅｒ⁃
ｅｎｔ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ； ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ； ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ； ｃｌｅａｒｎｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ； ｄｉｆ⁃
ｆｕｓｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ．
∗国家自然科学基金项目（３１１７０４２２）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｌｍ＠ ｉｇｓｎｒｒ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０５⁃１２收稿，２０１４⁃１１⁃２８接受．
　 　 太阳辐射是所有绿色植物进行光合作用不可或
缺的条件之一［１］，并且作为一个重要的生态学要
素，也是许多生态过程的重要驱动力［２］ ．到达地面的
太阳辐射包含直接辐射和散射辐射两部分，后者是
由于太阳辐射经过地球大气时，一部分被空气中分
子、云、气溶胶、灰尘等细小的颗粒物质折射并且无
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ３月　 第 ２６卷　 第 ３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｒ． ２０１５， ２６（３）： ６９７－７０３
方向地传播形成的［３］ ．作为决定植物光合作用的重
要因素，太阳辐射及其组分的动态变化受到了人们
的普遍关注．２０世纪 ５０ 年代以来，大气中气溶胶含
量因人为因素不断增加，导致全球范围的总辐射明
显下降，被称为“ ｇｌｏｂａｌ ｄｉｍｍｉｎｇ”现象［４－６］，９０ 年代
之后的“ｇｌｏｂａｌ ｂｒｉｇｈｔｅｎｉｎｇ”变化趋势［５－６］，势必会对
全球尺度的物质循环和能量流动过程产生重要
影响．
２０世纪 ９０ 年代以来，散射辐射在植被生理生
态过程（如陆地生态系统生产力）研究中的作用得
到人们的进一步关注．Ｇｕ等［７］基于观测资料的分析
发现，１９９１年 Ｐｉｎａｔｕｂｏ火山爆发产生大量火山气溶
胶，导致接下来的两年里世界范围内散射辐射增加，
使得 Ｈａｒｖａｒｄ北方落叶林生态系统在无云条件下正
午的光合作用在 １９９２ 和 １９９３ 年分别增加 ２３％和
８％．Ｍｅｒｃａｄｏ等［８］研究表明，冠层光合作用在散射光
下比在直射光下有着更显著的光能利用效率．
１９６０—１９９９年，散射分数（散射辐射占总辐射的比
例）的增加使全球陆地碳汇增加了 ２３． ７％． Ａｌｔｏｎ
等［９］研究显示，北方针叶疏林、温带阔叶林和热带
阔叶林的光能利用效率在散射光为优势的太阳辐射
条件下比直射光高 ６％～３３％．
长期以来，总辐射作为一个常规的气象观测指
标，在全球范围内进行了长期和连续的观测．相对而
言，散射辐射的直接观测相对滞后．由于直接观测数
据的缺乏，以往关于散射辐射对陆地生态系统生理
生态过程影响的研究大多是基于散射辐射模型推算
的结果［１０－１２］，从而在一定程度上限制了人们对散射
辐射在时间和空间上变异特征的认识．近年来，国内
外各类散射辐射精确观测仪器逐步得到应用和推
广．例如 Ｓａｎｃｈｅｚ⁃Ｌｏｒｅｎｚｏ等［１２］利用 Ｋｉｐｐ ＆ Ｚｏｎｅｎ 公
司的辐射仪开展了西班牙地区性的总辐射和散射辐
射联网观测．但是，由于不同厂家仪器测定的原理和
方式各有不同，在测量的准确度和精确度上会存在
一定偏差．虽然仪器厂商对仪器的测定效果或者不
同仪器的测定偏差进行了室内的短时间测试，但客
观上需要对不同仪器进行野外长时间平行观测，以
检验其在现实环境中的实际测定效果．
我国人工林面积居世界首位，其中 ５４．３％分布
在亚热带地区，中亚热带地区是南方人工林分布的
重要区域，也是我国重要的陆地碳汇区域［１３］ ．基于
模型的研究结果表明，散射辐射对该地区人工林的
生态系统碳交换过程具有不可忽视的作用［１４］ ．为了
更准确地评价散射辐射在不同时间尺度上的变化特
征及其对生态系统碳水循环过程的影响，本研究基
于在中国科学院千烟洲红壤丘陵综合试验站开展的
散射辐射平行观测试验，对比分析了不同仪器的散
射辐射测定结果，评价了其在野外的测定效果，以期
为认识该地区散射辐射的动态变化及其对生态系统
碳水交换过程的影响提供科学依据和基础数据．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 观测地点
在中国科学院生态系统研究网络（ＣＥＲＮ）千烟
洲红壤丘陵综合开发试验站开展平行观测研究．试验
站位于江西省吉安市泰和县灌溪镇（２６°４４′４８″ Ｎ，
１１５°０４′１３″ Ｅ），为南方代表性的红壤丘陵区．该区域
海拔在 １００ ｍ左右，相对高差 ２０～５０ ｍ，具有典型的
中亚热带季风气候特征，年均降水量 １３６０ ｍｍ，年均
气温 １８．６ ℃，但在夏季受副热带高压的影响，易出
现高温少雨的季节性干旱［１３，１５］，年无霜期（最低气
温＞２ ℃）２９０ ｄ，年太阳辐射总量 ４４８．９９ ｋＪ·ｃｍ－２，
年日照时数 １７８５ ｈ，日照率 ４４％［１６］ ．
１􀆰 ２　 观测仪器
２０１２年在试验站的综合气象观测场内安装了 ３
种型号的散射辐射仪器开展平行观测，包括带遮光
环的 ＣＭＰ１１（Ｋｉｐｐ ＆ Ｚｏｎｅｎ，荷兰）、ＳＰＮ１（Ｄｅｌｔａ⁃Ｔ
Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｌｔｄ，英国）和 ＲＳＲ３（华益瑞，中国）．观测区
域内场地开阔，下垫面平坦、均质，周围没有树木或
建筑物遮挡．观测仪器统一安装在距离地面高度 １．５
ｍ，间距 ２ ｍ以上．测定期内，人工方式检查和清洁各
传感器表面，以减少测定误差．同时，在距离气象观
测场 ６４０ ｍ 的通量观测塔上方安装 ＣＭ１１（Ｋｉｐｐ ＆
Ｚｏｎｅｎ，荷兰）以测定总辐射，ＣＭ１１ 的安装高度为
４１．６ ｍ．ＣＭＰ１１为 ＣＭ１１后续更新产品的型号之一，
测定原理与技术参数一致．
在上述辐射仪器中， ＣＭＰ１１ （包括同类产品
ＣＭ１１等）以其测定精度高和稳定性好而应用范围
较广［１７］，但无法基于单个辐射表同时测定总辐射和
散射辐射等辐射要素，并且其价格也相对较高．
ＳＰＮ１是 ２００７年推出的辐射测定仪器，可以同时测
定总辐射和散射辐射，价格相对 ＣＭＰ 系列传感器较
低，在国内外的应用也比较多． ＲＳＲ３ 是国内基于
ＬＩ２００Ｘ传感器开发的辐射测定系统，其优点是利用
ＬＩ２００Ｘ响应速度快的特点，可以同步测定总辐射和
散射辐射，并且价格相对前两种最低，目前在国内一
些行业部门有较多应用．表 １ 给出了各辐射仪器的
主要技术指标［１８－２０］ ．
８９６ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 １　 ＣＭＰ１１、ＳＰＮ１和 ＲＳＲ３辐射观测仪的主要技术指标
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ （ＣＭＰ１１， ＳＰＮ１ ａｎｄ ＲＳＲ３）
辐射仪器
Ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ
光谱范围
Ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｒａｎｇｅ
（ｎｍ）
灵敏度
Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
（μＶ·Ｗ－１
·ｍ－２）
响应时间
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｔｉｍｅ
（ｓ）
零漂移
Ｚｅｒｏ
ｏｆｆｓｅｔｓ
（Ｗ·ｍ－２）
方向误差
Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
ｅｒｒｏｒ
（Ｗ·ｍ－２）
运行温度
Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（℃）
温度对灵敏度
的影响
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ
ｏｆ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
（％）
非线性度
Ｎｏｎ⁃
ｌｉｎｅａｒｉｔｙ
（％）
总体 ＩＳＯ分类
Ｏｖｅｒａｌｌ
ＩＳＯ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ＣＭＰ１１ ２８５～２８００ ７～１４ ＜５ ＜７ ＜１０ －４０～８０ ＜１ ＜０．２ 二级标准
（高质量）
ＳＰＮ１ ４００～２７００ １∗ ０．１ ＜３ ±２０ －４０～７０ ±１ ＜１ 一级标准
（良好质量）
ＲＳＲ３ ４００～１１００ ２　 １０－５ － － －４０～６５ ０．１５ － 一级标准
（良好质量）
∗ ＳＰＮ１的灵敏度为模拟输出信号灵敏度（ｍＶ） Ａｎａｌｏｇｕｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＳＰＮ１， ｕｎｉｔ ｆｏｒ ｍＶ．
１􀆰 ２􀆰 １ ＣＭＰ１１　 该测定仪由辐射计 ＣＭＰ１１ 和遮光
环 ＣＭ１２１Ｂ（Ｋｉｐｐ ＆ Ｚｏｎｅｎ，荷兰）两部分组成．遮光
环直径 ６５０ ｍｍ，宽度 ５５ ｍｍ．测定散射辐射时，根据
太阳高度角的变化，人工调整和设定 ＣＭＰ１１ 上方
ＣＭ１２１Ｂ的位置，以全部遮盖辐射测定探头，从而测
定散射辐射．在拆下遮光环的情况下，可用于测定总
辐射．
为了比较 ３种仪器总辐射测定效果，２０１２ 年 ６
月 １４日将 ＣＭＰ１１ 上方的遮光环去掉，以连续观测
总辐射．
１􀆰 ２􀆰 ２ ＳＰＮ１　 ＳＰＮ１测定散射辐射的原理与 ＣＭＰ１１
系统不同．它是在测定探头上安装了多孔的半球形
遮光罩，开孔和非开孔的表面面积相同，每个开孔下
均有辐射传感器．利用散射辐射无方向性传播的特
点，观测时测定到的最小和最大辐射分别为散射辐
射和总辐射．ＳＰＮ１可以直接同时观测总辐射和散射
辐射，无需类似 ＣＭＰ１１系统的调整或拆下遮光环．
１􀆰 ２􀆰 ３ ＲＳＲ３　 ＲＳＲ３由辐射测定探头 ＬＩ２００Ｘ（Ｃａｍｐ⁃
ｂｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ， Ｉｎｃ．， 美国）和自动旋转遮光臂两部
分组成．在测定时，遮光臂每 １０ ｓ 旋转一次，每个测
定周期内选取最大值和最小值分别作为总辐射和散
射辐射．
１􀆰 ３　 数据处理
１􀆰 ３􀆰 １数据选取　 仪器安装和调试完成后，从 ２０１２
年 ２月底各仪器开始正常运行和连续观测．为了比
较 ３种不同仪器总辐射的测定差异，２０１２ 年 ６ 月 １４
日将 ＣＭＰ１１ 上方的遮光环去掉，以连续观测总辐
射．此后，ＣＭＰ１１用于气象观测场内总辐射的连续观
测，不再用于散射辐射测定．因此，本研究选取 ２０１２
年 ３月 １ 日至 ５ 月 ３１ 日 ３ 种不同仪器的散射辐射
观测数据，开展千烟洲地区春季散射辐射的对比分
析．为了比较 ３种不同仪器总辐射的测定差异，选取
２０１２年 ６月 １５—３０ 日的观测数据，对比分析不同
仪器总辐射观测结果．
为了便于比较，将获取的 ＣＭＰ１１、 ＳＰＮ１ 和
ＲＳＲ３的 １ ｍｉｎ尺度总辐射和散射辐射数据换算成
为 ３０ ｍｉｎ 尺度数据，同时选取通量塔上 ＣＭ１１ 同期
的 ３０ ｍｉｎ测定结果，进行对比分析．
１􀆰 ３􀆰 ２质量控制　 在获取观测数据时对数据进行必
要的质量控制［２１］ ．日出和日落时太阳高度角较小，
仪器容易出现余弦误差使测量值偏大．通常认为，剔
除太阳高度角在 ６° ～ １０°都为可接受的范围［２２］，所
以在后续处理数据时将太阳高度角小于 ７°时的测
量值全部剔除．同时，参照 ＣＭ１２１Ｂ 和 ＳＰＮ１ 仪器说
明书，校正 ＣＭＰ１１上方遮光环和 ＳＰＮ１ 遮光罩对其
测定散射辐射的影响，以减少仪器本身的测定误差．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 总辐射的对比观测
以 ＣＭＰ１１作为参照，对比分析 ＳＰＮ１、ＲＳＲ３ 和
ＣＭ１１的总辐射观测数据．由图 １ 可以看出，上述 ３
种仪器与 ＣＭＰ１１ 测定的总辐射具有很强的线性关
系，但不同仪器的测定结果之间存在一定差异．通量
塔上的 ＣＭ１１ 和气象观测场内的 ＣＭＰ１１ 采用同类
型的辐射传感器，尽管由于观测地点、下垫面和架设
高度不同造成部分观测值较离散，但从斜率来看，二
者的吻合度最高，ＣＭ１１ 仅比 ＣＭＰ１１ 低 １．４％．ＳＰＮ１
与 ＣＭＰ１１的测定结果基本一致，比后者偏低 ３．０％，
并与其产品说明书中的相关描述基本相同［１８］ ．但
ＲＳＲ３测定的总辐射明显偏低，相对于 ＣＭＰ１１，其测
定结果偏低 ２０．５％．这一方面由于其采用的 ＬＩ２００Ｘ
传感器测定光谱范围相对其他仪器偏小（表 １），超
出这一波长范围的辐射无法被准确测定；另一方面，
相对于 ＣＭＰ１１和 ＳＰＮ１传感器采用的热电偶方式，
虽然 ＬＩ２００Ｘ传感器的硅光电测定方式具有测定频
率高和响应速度快的特点，但在野外使用中易出现
９９６３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 韩佳音等： ２０１２年春季千烟洲地区散射辐射的对比观测　 　 　 　 　 　
图 １　 不同辐射仪器测定总辐射结果对比
Ｆｉｇ．１ 　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ （ｎ＝ ７６８）．
以气象观测场内 ＣＭＰ１１测定系统测定的总辐射为参照，图中横坐标
为 ＣＭＰ１１测定的总辐射，纵坐标为其他 ３ 种仪器测量的总辐射
Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ａ ＣＭＰ１１ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏ⁃
ｌｏｇｉｃａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｘｉｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ
ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＣＭＰ１１． Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｔｈｒｅｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ （Ｐ＜０．００１） ．
老化和不稳定现象，也可能导致测定结果出现偏差．
基于本研究的野外对比观测，相对于应用较多
的 ＣＭＰ１１辐射仪，ＳＰＮ１ 可以满足地面太阳总辐射
野外连续测定的需要，而采用 ＲＳＲ３ 观测总辐射时
需要谨慎考虑其测定光谱范围、传感器老化和稳定
性等问题，在条件允许时，需用其他传感器对其测定
结果进行比对和修正，以免测定结果出现明显偏差．
２􀆰 ２　 散射辐射的对比观测
以 ＣＭＰ１１ 作为参照，对比分析 ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３
的散射辐射同期观测数据．由图 ２ 可以看出，ＳＰＮ１
和 ＲＳＲ３与 ＣＭＰ１１ 测定的散射辐射均有很好的线
性相关关系，但不同仪器的偏差程度略有不同．从斜
率来看， ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 测定的散射辐射结果比
ＣＭＰ１１分别偏低 ５．５％和 ７．９％．虽然 ＳＰＮ１的测定效
果与其产品说明书中存在差异［１８］，但考虑到本研究
是基于野外观测结果，受外界干扰较大，其结果仍然
在可以接受范围之内．
随着散射辐射强度的不断增大，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３
相对 ＣＭＰ１１偏小的程度有增大趋势．即在高散射辐
射情况下，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 在测量散射辐射时偏低．
但总体来看，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 均可以用于野外观测，
以揭示散射辐射的动态变化．ＳＰＮ１ 的观测效果优于
ＲＳＲ３，这在一定程度上反映出 ＲＳＲ３ 传感器在散射
辐射测定方面可能存在与其总辐射测定类似的偏
差，需要在野外观测中予以注意．
图 ２　 不同辐射仪器测定散射辐射结果对比
Ｆｉｇ．２ 　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ （ｎ＝ ４４１６）．
以气象观测场内 ＣＭＰ１１测定系统测定的散射辐射为参照，图中横坐
标为 ＣＭＰ１１测定的散射辐射，纵坐标为其他两种仪器测量的散射辐
射 Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ａ ＣＭＰ１１ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏ⁃
ｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｘｉｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｄｉｆ⁃
ｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＣＭＰ１１． Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉ⁃
ａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｔｗｏ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ （Ｐ＜０．００１） ．
　 　 图 ３ 显示了 ３ 种仪器测量的 ３—５月千烟洲地
区日尺度散射辐射变化特征．３ 种仪器测量散射辐
射的变化进程相同，均可以满足散射辐射的测量要
求．当散射辐射日值达到 １２ ＭＪ·ｍ－２以上时，ＣＭＰ１１
的测定结果比 ＲＳＲ３和 ＳＰＮ１略高．这与图 ２ 显示的
测定结果一致．
２􀆰 ３　 不同晴空条件下散射辐射日变化的对比观测
为了检验观测仪器在不同晴空条件下的观测效
果，基于晴空指数（ｋｔ）来区分不同天气条件．ｋｔ是地
表水平面总辐射与地外大气上界水平面太阳辐射
的比值，可以用来反映天气状况［２３］ ．通过计算得出
图 ３　 千烟洲地区日尺度散射辐射变化
Ｆｉｇ． ３ 　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ
（２０１２）．
００７ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
２０１２年 ４月 ３ 日、７ 日、５ 日的 ｋｔ分别为 ０．６３、０．４２、
０．０６．参考 Ｒｅｉｎｄｌ等［２４］提出的 ｋｔ＞０．６为晴天、ｋｔ＜０．２
为阴天、ｋｔ 处于 ０．２～０．６为多云的标准，同时辅以总
辐射的变化特征曲线，选择 ４ 月 ３ 日、５ 日和 ７ 日分
别为晴天、阴天和多云的代表性天气条件．由图 ４ 可
以看出，在不同天气条件下，不同仪器观测的散射辐
射的日变化进程相同．在晴天和多云条件下，正午直
接辐射较高，受传感器类型不同的影响，会导致仪器
间的测量散射辐射值有微小差异；在阴天条件下，不
同仪器测量的散射辐射的日变化一致．
　 　 散射辐射的日变化与总辐射的日变化趋势同
步，但散射辐射在晴天和多云条件下单位时间内的
变化程度没有总辐射大．而在阴天条件下，受天空云
层的影响，辐射基本上均为散射辐射，各个仪器间测
图 ４　 千烟洲地区不同晴空条件下各仪器测定总辐射和散
射辐射日变化
Ｆｉｇ．４　 Ｄａｉｌｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａ⁃
ｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ ｃｏｎｄｉ⁃
ｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ （２０１２）．
ａ）晴天 Ｓｕｎｎｙ （０４⁃０３）； ｂ）多云 Ｃｌｏｕｄｙ （ ０４⁃０７）； ｃ）阴天 Ｏｖｅｒｃａｓｔ
（０４⁃０５） ． ＳＰＮ１＿Ｇ为测定的总辐射， ＣＭＰ１１、ＲＳＲ３、ＳＰＮ１ 均为测定
的散射辐射 ＳＰＮ１ ＿ Ｇ ｗａｓ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＳＰＮ１；
ＣＭＰ１１， ＲＳＲ３， ＳＰＮ１ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ
ＣＭＰ１１， ＲＳＲ３ ａｎｄ ＳＰＮ１， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
量的散射辐射也十分接近，因此，阴天中散射辐射和
总辐射的变化程度十分吻合，４ 条曲线几乎完全重
合（图 ４）．
同时使用 ３ 种天气条件下的数据，比较不同仪
器测定散射辐射随太阳高度角的变化．４ 月上旬，研
究区的太阳高度角最大值还没有达到 ７０°，所以图 ５
的横坐标没有太阳高度角在 ７５°和 ８５°的数据．由图
５可以看出，不同天气条件下，不同仪器在各个太阳
高度角范围内的测量结果基本一致．多云条件下，太
阳高度角在 ２５°以上的测量数据标准差大于晴朗和
阴天条件下的标准差．这可能是在多云的天气条件
下，云的改变和移动对太阳辐射产生了重要影响，导
致测定的散射辐射值也出现较大波动．
２􀆰 ４　 散射辐射的累积变化特征
由图 ６可以看出，３ 月 ３ 种仪器测量的日尺度
散射辐射累积量差异并不明显，ＣＭＰ１１、ＲＳＲ３ 和
ＳＰＮ １测量的散射辐射累计值分别为１４９．０９、１４７．９５
图 ５　 千烟洲地区不同晴空条件下不同仪器测量散射辐射
随太阳高度角的变化
Ｆｉｇ．５　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｙｒａ⁃
ｎｏｍｅｔｅｒｓ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｓｏｌａｒ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ （ｍｅａｎ±ＳＤ） （２０１２）．
１０７３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 韩佳音等： ２０１２年春季千烟洲地区散射辐射的对比观测　 　 　 　 　 　
图 ６　 千烟洲地区散射辐射累积量的变化
Ｆｉｇ．６　 Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｑｉａｎｙａｎｚｈｏｕ （２０１２）．
和 １４２．２１ ＭＪ·ｍ－２，ＲＳＲ３ 和 ＳＰＮ１ 较 ＣＭＰ１１ 分别
低 ０．８％和 ４．６％．进入 ４月后，ＣＭＰ１１、ＲＳＲ３和 ＳＰＮ１
测量的散射辐射累计值分别为 ２１３． ８７、１９８． ６４ 和
２００．１３ ＭＪ·ｍ－２，ＲＳＲ３ 和 ＳＰＮ１ 较 ＣＭＰ１１ 分别低
７􀆰 １％和 ６．４％．ＣＭＰ１１、ＲＳＲ３和 ＳＰＮ１ 在 ５ 月测量的
日尺度散射辐射累计值分别为 ２８２． ４４、２４８． ２７ 和
２６３．３９ ＭＪ·ｍ－２，ＲＳＲ３ 和 ＳＰＮ１ 较 ＣＭＰ１１ 分别低
１２．１％和 ６．７％．ＣＭＰ１１、ＲＳＲ３ 和 ＳＰＮ１ 在 ３—５ 月散
射辐射总的累计值分别为 ６４５．４０、５９４．８６ 和 ６０５．７３
ＭＪ·ｍ－２ ．相对 ＣＭＰ１１ 而言，ＲＳＲ３ 和 ＳＰＮ１ 在这 ３
个月测量的散射辐射总量分别偏低 ７．８％和 ６．２％．
这一方面是因为 ５月时积累了 ３月和 ４月的散射辐
射累积量，另一方面进入 ５月后，日尺度散射辐射的
最大值逐渐增大，在高散射辐射强度下，差异更
显著．
以 ＳＰＮ１ 测量的总辐射和散射辐射为例，计算
出 ３、４、５月的散射分数分别为 ０．５６、０．５９ 和 ０．７０．表
明千烟洲地区散射辐射占总辐射的比例较多，并且
散射辐射随时间变化呈现出明显的变化特征，客观
上需要对其进行长期连续观测．
３　 结　 　 论
利用 ＣＭＰ１１（含遮光环）、ＳＰＮ１和 ＲＳＲ３ ３种辐
射测定仪器对千烟洲地区的总辐射和散射辐射进行
平行观测，结果表明：不同仪器对总辐射的测定存在
显著的线性关系，但在测量值大小上存在一定差异．
从斜率上来看，ＣＭ１１、ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 测定的总辐射
结果比 ＣＭＰ１１ 测定的总辐射结果分别低 １． ４％、
３􀆰 ０％和 ２０．５％．ＲＳＲ３ 偏差较大的原因可能是传感
器性能（如光谱范围）和测定方式的差异．
不同仪器对散射辐射的测定存在显著的线性关
系．但在测量值大小上存在一定差异．从斜率上来
看，ＳＰＮ１ 和 ＲＳＲ３ 测定的散射辐射结果比 ＣＭＰ１１
测定的散射辐射结果分别低 ５．５％和 ７．９％，其原因
与测定原理有关．
在晴朗、多云和阴天 ３ 种天气条件下，不同仪器
测量的散射辐射日变化进程基本相同，并且在不同太
阳高度角下的测量值无明显差异．说明各仪器可以有
效测定野外不同天气条件下散射辐射的动态变化．
各辐射仪器测量散射辐射的累积量随时间的积
累而变化明显，３、４、５ 月的月尺度散射分数分别为
０．５６、０．５９ 和 ０． ７０．这表明在我国南方中亚热带地
区，散射辐射在太阳总辐射中占据了较大比例，并且
存在明显的时间变化特征，所以有必要对其开展长
期连续的测定，以准确把握其长期的动态变化特征．
相对 ＣＭＰ１１而言，尽管 ＲＳＲ３ 的测定数据存在
一定偏差，但考虑到仪器的价格优势，在一定的观测
精度条件下，其测定结果可满足散射辐射测定要求．
由于所安装仪器的测量时间较短，没有考虑仪
器在长时间野外观测中传感器性能衰减等问题，但
在今后长期的连续观测中应该加以考虑．此外，应定
期及时对测量仪器进行检查和必要的维护，以获取
高质量的观测数据．
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２０７ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
ｔｈｅｔｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｎｅｔ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｆｏｒｅｓｔ
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ａｎｄ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ ａｃｔｉｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｏｒｅｓｔ
ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ
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ｚｏｎｅｎ． ｃｏｍ ／ Ｐｒｏｄｕｃｔ ／ １３ ／ ＣＭＰ⁃１１⁃Ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ ＃． Ｕ０ＳｐＱ⁃
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作者简介　 韩佳音，男，１９８９ 年生，博士研究生．主要从事生
态系统生态学研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈａｎｊｙ．１２ｓ＠ ｉｇｓｎｒｒ．ａｃ．ｃｎ
责任编辑　 杨　 弘
３０７３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 韩佳音等： ２０１２年春季千烟洲地区散射辐射的对比观测