全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2002) 01-0033-07
海北高寒草甸地区太阳总辐射、
植被反射辐射的有关特征*
李英年, 赵新全, 曹广民, 师生波
(中国科学院西北高原生物研究所, 西宁 810001)
摘要: 祁连山海北高寒草甸地区, 有较强的太阳总辐射及地表反射辐射。通过 2000年观测结果表明, 在植物生长
期的 4～10月, 太阳总辐射和地表反辐射总量分别达 4227. 049MJ·m- 2和 973. 556MJ·m- 2。二者有明显的日变化
规律, 瞬时最高值出现于北京时间 13～14h 左右,日瞬时最大值分别可达1200W·m- 2和 220W·m- 2以上。植物生
长期间太阳总辐射变化受太阳高度角及其当地气候环境的影响, 太阳高度角高或气候干燥时太阳总辐射值大,而
地表反辅射依太阳总辐射的变化而变化, 二者均在 7 月最高, 5 月次高。植物生长后期, 气候湿润,太阳总辐射和地
表反射辐射均较低。地表反射率不论在日间还是植物生长的季节间,均表现一“U”型变化过程, 其中日间在中午前
后最低, 最低可达 0. 19,季节变化以 6～7月最低,约为 0. 21,当然受土壤潮湿程度及地表性质等影响, 其它时间也
可降到 0. 21。就整个植物生长期内来看, 祁连山海北高寒草甸地区地表反射率平均约为 0. 23。
关键词: 植物生长期; 祁连山海北地区; 高寒草甸; 反射辐射; 反射率
中图分类号: S812. 1　　文献标识码: A
The Study of Reflective Radiation and
Surface Albedo of Alpine Meadow Vegetation
LI Ying-nian, ZHAO Xin-quan, CAO Guang-m in, SHI Sheng-bo
( Northw est Plateau Inst itute of Biology, the Chin es e Academy of S ciences, Xinin g Qing hai 810001, China)
Abstract: T he Sun total radiat ion ( Eg ) and surface ref lect iv e radiat ion ( Er ) were higher in Haibei alpine
meadow area of Qilian mountain. T he Eg and Er w ere 4227. 049 M J· m - 2, 973. 556 M J· m - 2
respect iv ely , during plant g row ing season ( f rom Apr il to October ) by the analysis o f observed data in
2000. T he Eg and Er had obvious diur nal change pat ter n. T he instant maximum of Eg and Er appeared
about from 13: 00 to 14: 00, and w ere mo re than 1200 W·m- 2 and 220 W·m - 2, respect ively. T he change
of Eg w as inf luenced not only by suns alt itude but also by weather and climate in seasonal change during
plant g row ing period. T he Eg w as higher if suns alt itude was more and climate w as dry, w hereas the
change of Er w as follow ed by change of Eg . The Eg and Er reached the max imum in July, then in M ay .
The Eg and Er were low er because of w et climate during the later plant g row ing period. T he so il surface
albedo ( A ) showed as a "U " type change not only in a day but in seasonal change dur ing plant g row ing
period. The minimum o f the soil sur face albedo w as 0. 19, appear ed at noon about in a day . T he minimum
of the soil surface albedo was about 0. 21, appeared f rom M ay to June during the process of seasonal
change, and it w il l decreased to 0. 21, too , in other seasons if soil mo istur e w as dif ferent . The average soil
surface albedo w as about 0. 23 in Haibei alpine meadow area of Q ilian mountain druing w hole plant
gr ow ing period.
Key words : Plant grow ing period; Haibei area of Qilian mountain; Alpine meadow ; Ref lect ive radiat ion;
Albedo
收稿日期: 2001-05-31; 修回日期: 2001-11-22
* 本研究得到国家基础研究规划项目( 1998040800) ,中国科学院知识创新工程项目( KSCX2-1-07) ,以及中国生态网络研究长期监测和
中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站基金资助
作者简介: 李英年( 1962-) ,男,青海乐都人,高级工程师,主要从事生物气象研究工作
第 10卷　第 1期
　Vo l. 10　　No. 1
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2002 年　3月
March 　2002
　　生态系统中, 作为非生命亚系统的微气候环境,
通过对植物的生理生化作用过程, 直接或间接地影
响植物群落分布、层次层片结构、以及植被生产力的
形成,是生态系统结构、功能的主要外源驱动力。因
此,研究微气候变化特征,探讨在植物生长过程中的
生理作用,是研究生态系统的重要内容之一。高寒草
甸是青藏高原寒冷高湿环境下形成的特殊植被类
型,占整个青藏高原总面积的 40%。多分布在黄河、
长江的发源地,在北部祁连山地亦有大面积分布。其
牧草优质,牲畜喜食,支撑着青藏高原地区的畜牧业
发展。如何合理利用和保护该类草甸,将起到涵养水
源,有效控制水土流失,防止土地荒漠化的作用,为
我国工农业可持续发展提供保证。
在高寒草甸生态系统中, 太阳短波总辐射
( Eg ) , 及植被表面对其所产生的反射辐射( Er)的大
小,反映了植物群落对太阳辐射能吸收的多少, 在系
统能量流动及其物质循环过程中占据极为重要的作
用。研究高寒草甸植被表面的Eg、Er 及植被反射率
( A ) ,不仅可认识其能量的分配过程,而且也将对了
解高寒草甸生态系统中生命与非生命系统间的关
系,揭示系统间内部运行规律等具有重要的意义。过
去对高寒地区的反射辐射等研究部有报道[ 1～6] , 但
条件限制多为零星的路线性考察资料。本文以 2000
年的实际测定数据, 对祁连山海北高寒草甸地区在
植物生长期内的Eg、Er 及A 给予系统分析。目的在
于揭示高寒草甸生态系统中下垫面热量平衡中能量
分配差异,找出局地小气候形成的机制及其分布规
律,发挥其交叉学科的研究功能,为深入研究高寒草
甸生态系统的物质交换和能量流动提供科学依据。
1　材料与方法
1. 1　自然概况
本研究在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位
站(海北站)进行。地处青藏高原东北隅,祁连山北支冷
龙岭东段南麓的大通河河谷地区, 位于 101°19′E、37°
37′N, 3240mMSL。植被以寒冷中生、多年生地下芽草
本植物矮嵩草( K obresia humilis)为建群种的典型高
寒草甸。地势平坦, 植被分布均匀。土壤为高山草甸土,
土层浅薄,土壤含水量为38%～45% [ 7]。
1. 2　材料
辐射及各分光辐射观测在该站气象站进行, 观
测高度于离植被冠丛上方1. 5m 处。本文以 2000年
植物生长期间 4～10月观测资料进行分析。观测采
用北京时间,以 20h 划分日界。数据系每 h正点前后
5min 自动采集并输出其 10min 平均值及其 h 累计
值。仪器由长春气象仪器研究所提供, 上年度 10月
由中国科学院大气物理研究所中国生态研究网络大
气分中心统一安排进行技术标定。
2　结果与分析
2. 1　太阳总辐射( Eg)、植被反射辐射( Er)及植被
反射率(A)日变化特征
生态系统的一切能量源自太阳辐射,地表能量转
换分配过程都从吸收太阳辐射开始,并向外部空间以
长波辐射而结束。到达植被表面的太阳辐射除一部分
用在植物光合和呼吸作用上,一部分将被下垫面所反
射,还有一部分以感热、潜热及土壤热传导的形式传
输到大气和土壤。辐射能量的差异既决定地～气流的
不同, 也决定异地的气候差异状况, 因而也影响着植
被、土壤分布类型,以及植物的生长发育和自然景观
格局的分异。生态系统中能量流动及物质循环的物理
过程,最终归结于辐射能量收支差异的分配。如果说
Eg 的大小反映一个地区接受光能力多少,而 Er 大小
则反映该地由于下垫面性质差异对太阳辐射的反射
能力,从而也决定植物群落能量再分配的过程。
选取 2000年 4～10月( 4 月下旬到 10 月上中
旬)各月典型晴天状况下, 4 月 21日(返青初期) , 5
月 19日(生长初期)、6月 19日(近夏至日, 强度生
长期)、7月 14日(开花期)、8月 22日(成熟初期)、9
月 15日(枯黄初期) , 10月 17日(枯黄期)为研究个
例。7d日平均云量分别为 1. 3、2. 7、1. 0、0. 3、3. 0、
1. 7和 4. 0 成, 且云系多分布于四周高山附近, 对太
阳遮蔽较少。通过上述 7d的 Eg、Er 测定结果,给出
祁连山海北高寒草甸地区晴天状况下植物生长期间
Eg、Er 和 A 的日变化状况(见图 1)。
34 草　地　学　报 第 10卷
图 1　晴天状况下 Eg( W·m- 2)、Er (W·m- 2)与 A 值日变化
Fig . 1　The diurnal change of Eg (W·m- 2) , Er (W·m- 2) a nd A under sunny conditions
2. 1. 1　海北高寒草甸地区由于海拔高, 大气水汽、
气溶胶等含量明显减少, 空气清洁,大气透明,太阳
总辐射较低海拔地区强而丰富。5月 19日 14h 瞬时
最大值为 1207W·m - 2, 仅比太阳常数 ( 1360W·
m
- 2
)小 153W·m - 2。较大值出现常在天空有中高
云存在,且未遮蔽太阳的天气状况下,致使辐射仪不
仅接受太阳的直接照射, 而且也易接受较高云的散
射照射作用(图 1)。7月 6日天空多云(图 2) ,在 14h
瞬时最大达 1253W·m- 2, 仅比太阳常数小 107W
·m - 2,另外,在 6 月 2日曾出现 1276W·m- 2的高
35第 1期 李英年等:海北高寒草甸地区太阳总辐射、植被反射辐射的有关特征
值。瞬时高值与五道梁地区的测定结果( 1228W·
m
- 2
)基本一致 [ 2, 6]。同时表明,植物生长期向 Eg 日
瞬时最高值不仅按太阳高度角的变化而变化,而且
与天空云系分配、气溶胶含量等有关。1d间呈现单
峰式曲线变化过程, 上午日出后随太阳照射的时间
推移急剧升高,下午依太阳高度角的降低迅速急剧
下降。但在植物生长期内的不同时期,所表现的日变
化略有不同, 一般在降水较少的 5～6月瞬时最大值
较高,在太阳高度角相对低, 雨水充沛的 8～10月
稍低。
2. 1. 2　Er 日变化规律与 Eg 同步,只是量值较小。
在太阳高度角相对较低的 4月 21日和 10月 17日
显得较低, 日瞬时最大值分别为 238W·m- 2和
145W·m - 2, 出现于 13h, 2d 对应总量分别为
5. 855M J·m- 2和3. 783M J·m- 2。在太阳高度角较
高,天气凉爽的 6月 19日和 7月 14日, Er 日瞬时
最大值分别为 216W·m - 2和 194W·m- 2 ,分别出
现于 12h 和 13h, 2d 日总量分别达 6. 579M J·m- 2
和 6. 979M J·m- 2。
2. 1. 3　晴天状况下, A 变化在不同时期所表现的趋
势一致,在早晚高,中午前后低。日间呈“U”型分布
状况。其分布主要与太阳高度角的变化有关。太阳
高度角的改变,可使太阳光线的入射角和辐射光谱
成分发生变化。首先,到达地表面的太阳光光谱组成
由于在地球大气所通过的路线长短发生变化;另外,
太阳光线在不同时间其入射角发生变化, 当太阳高
度角低时,太阳辐射光谱中长波部分占有较大比重,
而地表对长波(红外)辐射部分的反射能力总是很
强,当太阳高度角低时,到达地表的入射角大,其反
射能力就强。因而,在太阳高度角低的早晚,地表反
射率大。反之,随太阳高度角的增加,太阳辐射中短
波的波长部分所占的比重增大, 入射角减小,导致 A
的减小,这种影响在太阳高度角低时更为显著[ 8]。
植物生长期间, 在中午 A 值较低,在不同时期
略有差异,主要因受下垫面性质的改变而不同。在4
月 21日, 由于冬春放牧及季节干燥、强劲风速等影
响,地表近似裸露, 土壤表层干燥,使 A 值增高, 最
低为 0. 24,且从 12～17h持续近 6h,日均 0. 26。当
生长加快, 植被盖度加大,中午前后的 A 值较小,如
6月 19日和 7月 14日, 该期为海北站牧草旺盛生
长期,植被盖度约在 80%左右。此时尚未开花, 植被
多呈深绿色, 致使 A 值分布较低, 两日最低为 0. 19,
从 12～15h间 0. 19 值持续近 4h, 2d 日平均分别为
0. 25和 0. 26。其中, 8～18h为 0. 21,比 4月 21日同
时间( 0. 25)低 0. 04。从成熟期到枯黄期阶段, A 值
由于受牧草鲜艳花色、成熟后植被颜色等形态的改
变(向浅色发展)等, 造成地表 A 值增大。如 8月 22
日、9月 15日和 10月 17日, 日间 A 值最低分别为
0. 19、0. 20和 0. 19(本年度 10 月由于降水多, 土壤
潮湿, A 值在 10月显得相对较低) , 3d8～18h 分别
为 0. 22、0. 21和 0. 21。
上述分析表明, 植物生长期间, A 值随季节变
化,呈以下特征:
2. 1. 3. 1　受下垫面裸露及地表干燥等影响, 在牧草
返青初期 A 值高。
2. 1. 3. 2　牧草旺盛生长期,由于植被颜色深, 加之
太阳高度角度, A值较低。
2. 1. 3. 3　植物生长后期, 由于受花色、植被枯黄后
下垫面颜色改变等影响, A 值较高。但 2000年在该
期降水丰沛,土壤湿度较高, 致使 A 值也出现较低
量值。
2. 1. 3. 4　从 7个典型代表日看出,太阳高度角低的
春秋季, A 的日平均值高于植物旺盛生长、植被盖度
大、太阳高度角高的夏季。
2. 1. 4　为了比较阴天多云天状况下Eg、Er 及 A 的
变化情况,笔者选择全天为阴天的 6月 23日和 7月
27日, 及多云的 6月 20日和 7月 6日,分析阴天及
多云天状况下海北地区 Eg、Er 及 A 的变化情况(图
2)。结果表明, 阴天状况下, Er 是依Eg 的变化而变
化,但阴天时, Eg 主要由云系分布、空气水汽含量等
对直接辐射散射作用后的散射辐射起作用。
　　6月 23日和 7月 27日,整日为蔽光高层云, 云
层厚而稳定,日均云量为 10. 0成。其中 6月 23日在
19～19: 25h 有微量降水( 0. 0mm ) , 7月 27 日在后
半夜及 8: 00～9: 08h、17: 46～20: 00h 有较多降水
(夜间 20. 3mm ,白天 3. 3mm )。上述2d瞬时最高分
别为 221W·m - 2和 106W·m- 2 , 出现于 12h 和
14h,日变化均随 Eg 的变化而变化(图 2) ,峰值只是
随云层的厚薄所产生散射辐射强度不同而异, 云层
较薄时Er 比云层厚时高,多云天也有相同的变化规
律。图 2还可看到,阴天或多云天状况下 A 值的日
变化(特别是上午)与晴天状况有所不同,在晴天 A
的“U”型分布较为明显,而阴天或多云天, A 的日变
化较为复杂,甚至不产生“U”型分布, 只是在下午变
36 草　地　学　报 第 10卷
化趋势一致, 表现有所提高。这种变化的不同, 是由
于晴天条件下,早晨温度往往较阴云天低, 在海北站
地区最暖的 7月常出现最低气温小于 0℃的可能,
早晨易出现露水、结霜等现象, 致使植被表面形成
“水”的“镜面”作用,从而提高了下垫面的 A 值。在
阴云天气, 早晨温度不是很低,植被表面相对干燥,
加之云对太阳光线的遮蔽作用较大, 太阳直接辐射
弱于散射辐射, 总辐射以散射辐射作用为主, 因而不
受或少受太阳高度的控制,使 A 值变化相对平稳,
而且量值亦较低。
图 2　阴天( a)或多云( b)状况下 Eg( W·m- 2)、Er( W·m- 2)与 A 值日变化
F ig . 2　The diurnal change of Eg (W·m- 2) , Er (W·m- 2)
and A under over cast( a ) and cloudy ( b) conditions
2. 2　实际天气状况下 Eg、Er 及 A值季节变化
2. 2. 1　4～10月(包括雨天)观测结果,海北高寒草
甸地区 Eg 季节变化较复杂,最高在 7月( 747. 783
WJ·m- 2 ) (表 1) , 5月次之( 708. 725WJ·m - 2) ,最
低在10月( 447. 491WJ·m- 2 )。该变化一则与 2000
年 7月的干旱有关,二则与 9～10月降水较多, 太阳
高度角较低等有关。4～10月,植物生长期间总辐射
量为 4227. 049WJ·m - 2, 占该期理想总辐射量的
58%左右。另外按不同太阳光谱的分布来看, 300～
400nm 的紫外辐射、400～700nm 的光合有效辐射、
大于 700nm 的红外辐射,这三段占 Eg 的百分率分
别为 5. 2、39. 6和 55. 2。
2. 2. 2　植物生长期间测定结果(表 1) ,海北地区在
5月由于降水较低, 空气干燥, Er 值月总量最高, 为
179. 374WJ·m- 2 ,在 7月上中旬干旱少雨,加之接
近夏至日,太阳高度角较高, 7月总量为 157. 927WJ
·m- 2 ,属次高月。9～10月太阳高度角降低, 且降水
相对丰富, 致使 Er 值为最低时期, 两月平均为
95. 294WJ·m- 2。季节变化特征是: 5～7月高,生长
的初期和末期较低。但由于受降水、云系、大气尘埃
37第 1期 李英年等:海北高寒草甸地区太阳总辐射、植被反射辐射的有关特征
等影响,波动性也较强,变化显得复杂。海北地区在
4～10 月间, Er 总量为 973. 556WJ·m - 2, 日均
4. 549WJ·m - 2, 结果高于我国东部地区 [ 1] , 与青藏
高原中部地区基本一致[ 2, 4]。
表 1　太阳总副射 Eg( WJ·m- 2)、反射辐射 Er( WJ·m- 2)及反射率 A的变化( 4～10 月)
T able 1　T he monthly change o f sun to tal r adiation( Eg ) , reflectiv e radiation( Er ) and
sur face albedo ( A ) ( fr om Apr il to October )
月份　M onth 4 5 6 7 8 9 10 合　计
Eg 598. 343 708. 725 613. 246 747. 783 654. 527 456. 934 447. 791 4227. 049
Er 179. 374 174. 051 128. 293 157. 927 142. 433 95. 324 96. 154 973. 556
A 0. 30 0. 25 0. 21 0. 21 0. 22 0. 21 0. 21 0. 23
2. 2. 3　A 值从 4～10月呈“U”型变化结果。其中在
返青前的 4～5月,由于受冬春放牧及恶劣环境条件
影响,地表近似裸露,气候干燥, 期间 A 值较高, 4月
平均为 0. 30。随降水增加, 牧草生长,植被盖度加
大,以及地表颜色的加深和气候变得湿润, 6～7月
A 值最低,平均为 0. 21。在牧草开花、结实, 以及后
期降水减少, 气候逐渐变干, A 值有所升高。2000年
由于 9月降水丰沛(达 116. 1mm)出现低值。
高寒草甸区植被分布均匀, 盖度大,多属湿润或
半湿润环境, 其地表反射率是比较低, 2000年生长
期间A 值为 0. 23,该值比荒漠地区低[ 5]。比五道粱
地区稍高,比黑河地区小了近 10个百分点 [ 9]。与西
藏改则地区基本一致[ 4]。这些差异表明,海北地区比
西藏地区纬度较高,太阳高度角较低,同时与该地区
有较好的植被盖度等有关。2000年夏季较为干旱,
A 值观测结果与 1998 年同区相比, 低 2 个百分
点[ 10 ] , 说明气候干燥也是影响 A 值的一个重要
因素。
2. 3　实际天气状况下 Eg值估算
2000年植物生长期间各月 Eg 占理想总辐射的
百分率与海北气象站测定的日照百分率变化进行比
较(图 3) , 其变化趋势一致。为此,利用海北站近 2
年的测定资料对该地区植物生长期间的 Eg 模拟估
算式[ 9] :
Eg= Eg 0( 0. 4728+ 0. 2244S / S0 )
　　式中 Eg0 为 4～10 月的月理想太阳总辐射; S
为月实际日照时间; S0 为月可照时间。结果表明, 模
拟的拟合率较高(见表 2) , 其相对误差很低,达极显
著水平( P< 0. 01, r = 0. 9683, n = 6) , 为该地区对
Eg 的估算提供便利。
　　由于 2000年 4～10月, 日照百分率为 54%, 其
中 7月是海北站地区历年同期月降水显著偏少的月
份,致使日照百分率比多年平均偏高 4个百分点, 从
而可认为, 2000年在植物生长期间的 Eg 比多年平
均稍偏大,即海北地区 4～10月 Eg 的多年平均应
较 2000年的 4227. 049WJ·m- 2稍低。
图 3　Eg 百分率与日照百分率比较
F ig . 3　T he comparison bet ween Eg per cent and sun
shine percent under the real w eather condition
表 2　Eg (WJ·m- 2)实际值与模拟值比较( 4～10 月)
T able 2　The compar sion betw een real value and simulated value o f sun to tal radiation ( MJ·m - 2)
( fr om Apr il t o October )
月份　Month 4 5 6 7 8 9 10
实际值　Real value 598. 343 708. 752 613. 246 747. 783 654. 527 456. 934 447. 791
模拟值　Predicted valu e 574. 674 677. 621 658. 776 704. 353 641. 182 494. 145 414. 677
相对误差　Relative error - 3. 96 4. 39 7. 42 5. 81 - 2. 04 8. 14 - 7. 39
38 草　地　学　报 第 10卷
3　结语
　　综上所述, 祁连山海北高寒草甸地区 Eg、Er 及
A 在植物生长期间季节变化有以下特征。
3. 1　祁连山海北高寒草甸地区, Eg、Er 具有较高的
水平值,二者日变化规律明显,日间瞬时最大分别可
达 1200W·m- 2和 220W·m - 2以上, 出现时间一般
在北京时间 13h～14h。4～10月 Eg 和 Er 的总量分
别达 4227. 049WJ·m - 2和 973. 556WJ·m- 2。
3. 2　植物生长期间季节变化过程中 Eg 的变化一
方面受太阳高度角影响,另一方面受天气气候影响,
表现在太阳高度角高或气候干燥时 Eg 较大,而 Er
的变化是依 Eg 的变化而变化,二者在 7月最高, 5
月次之, 在生长后期, 由于气候湿润, Eg 和 Er 均显
得较低。
3. 3　地表反射率( A)不论在日变化还是季节变化,
均呈“U”型变化过程。其中日间在中午前后最低,最
低可达 0. 19, 季节变化以 6～7月最低, 约为 0. 21。
当然用土壤湿度的不同,在其它时期也可降至0. 21。
就植物整个生长期平均而言, 祁连山海北高寒草甸
地区地表反射率约为 0. 23。
3. 4　2000年植物生长期间各月 Eg 占理想总辐射
的百分率与海北站气象站测定的日照百分率变化比
较结果表明, 二者变化趋势一致。为此可采用 Eg=
Eg 0 ( 0. 4728+ 0. 2244S/ S0)计算式估算海北高寒草
甸地区的 Eg 值。
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39第 1期 李英年等:海北高寒草甸地区太阳总辐射、植被反射辐射的有关特征