全 文 ：文章编号: 10007-0435( 2001) 01-0058-06
海北高寒草甸植被在生长期辐射能量收支探讨
李英年
(中国科学院西北高原生物研究所, 西宁　81001)
摘要: 在晴天, 海北高寒草甸植被辐射的各收支项均有明显的日变化规律, 在中午 13～14 h 最大。地表净辐射通量
日变化在-158～499W·m- 2, 8～9 h 到 18 h 地表面净得到热量, 地表处于吸热阶段, 18 h～翌晨 8 h 区域净损失热
量。反射率在早晨与傍晚最高, 13 h 左右最低。植物生长季的 4～9 月, 中午反射率约在 0. 20～0. 22,早晨与傍晚在
0. 24～0. 49,不同季节的 3 d 日平均反射率为 0. 25, 11 h～15 h 平均为 0. 21。
关键词: 高寒草甸植被; 植物生长期:辐射能量收支
中图分类号: S812. 1　　文献标识码: A
The Study on the Radiant Energy Budget of Alpine Meadow Vegetation in
the Sunny Days During the Plant Growing Season
LI Ying-nian
( Nor thw est Plateau Inst itute o f Bio lo g y, t he Chinese Academy of Sciences, Xining 810001)
Abstract: T her e area obvious daily variat ion patterns of the radiant budget items o f Haibei alpine meadow
vegetation in the sunny days. T he radiant values reach the maximum dur ing 13: 00—14: 00. The daily net
radiant f lux of soil surface is v aried f rom -158W·m - 2·min- 1 to 499W·m - 2·min- 1 . T he soil surface is
under the condition of absor bing heat f rom 8: 00 or 9: 00 to 18: 00, w hereas the heat is out f rom soil surface
fr om 18: 00 to 8: 00 o f the next morning . Higher in the mo rning or the evening , the albedo is the low est at
13: 00 more or less dur ing the w hole day , how ever . The September: T hey are from 0. 197 to 0. 215 at noon;
and from 0. 239 to 0. 485 in the mo rning o r the evening ; and 0. 251 during 3 day s in different season and
0. 214 from 11: 00 to 15: 00.
Key words : Alpine meadow vegetat ion; Plant grow ing season; Radiant energ y budget
　　地球表面一切物理过程的能量源自太阳辐射,
地球内部向上的热量由于热传导衰减几乎可以忽
略。地表能量转换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。达地面的太阳辐射除
被反射一部分外, 其余均被地表吸收,然后导致近地
表层土壤热容量增加, 进而产生向大气输送感热、潜
热和长波辐射以及向更深层土壤传送热量。辐射能
量的分布既决定了地～气环流的不同,也决定某地
的气候状况, 因而也影响该地区植被、土壤类型,以
及各种自然景观的分布。生态系统各亚系统间能量
流动及物质循环的物理过程, 最终归于辐射能量收
支差异的分配。为此,气象学家、生态学家等对辐射
能量方面作了诸多研究工作[ 1～6]。
　　近年来,虽然对青藏高原辐射状况的研究报道
不少,但由于受异地植被盖度、层片层次结构, 以及
土壤类型、湿度等分布差异,致使各地净辐射收支差
异显著。正是如此, 高原不同地区表现有不同的“冷
岛”和“热源”效应,以及不同植被类型分布和草地生
　　收稿日期: 1999-12-15;修回日期: 2000-08-17
　　* 国家与中科院“九五”重大项目及特别支持项目( 1998040800, KZ951-A1-204, KZ951-A 1-301, KZ95T-04, KZ95T -06)及中国生态系统网
络研究监测,中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站基金项目资助
　　作者简介:李英年,男,汉族, 1962年 9月出生,副研究员,主要从事生物气象研究工作,发表论文 40余篇
第 9 卷　第 1 期
　Vo l. 9　　No . 1
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2001 年　3月
March 　2001
产力的差异。因此讨论不同区域的净辐射能量收支
状况,不仅对研究青藏高原热力状况提供资料, 也将
对了解高寒草甸生命与非生命系统间的关系,揭示
系统间能量流动及其物质循环的内在规律, 解释高
寒草甸植被类型区气候及水分循环等是极为重要
的。本文在定位观测一年辐射及各分量资料的基础
上,对祁连山海北高寒草甸植被在生长期辐射能量
收支状况给予初步探讨。
1　材料与方法
1. 1　自然概况
按中国生态研究网络的要求, 中国科学院海北
高寒草甸生态系统定位站(海北站)于 1998年起,对
高寒草甸植被净全辐射及各分量连续的进行测定。
海北站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, 37°37′N、101°19′E、海拔
3200m。区域多年平均气温- 1. 7℃。年均降水量
580 mm ,主要分布于 5～9月, 占年降水量的 80%。
海北站气候上处于“极锋”活动位置的南侧, 冬夏两
季大气环流截然不同。地理上属蒙新荒漠、青藏高
原、黄土高原三大自然区系交汇处,又是北方干旱区
嵌套的半湿润区域,日照时间在我国为相对低值区,
气温低,降水相对丰富。气候表现出冬季漫长、寒冷
而干燥,夏季短暂、凉爽而湿润[ 7]。
1. 2　研究材料
辐射为离地表 1. 5 m 处的观测值,包括太阳总
辐射、地表反射辐射、光合有效辐射、净辐射等; 地表
温度指裸露状况下的测定值。所用仪器均由长春气
象仪器研究所提供。观测均采用北京时间。日界以
国家气象站为标准,自动采集每 1 h输出正点前后5
min 内的平均值及小时内的累积值。本文选择以高
寒草甸植物生长期关键期的晴天为例,分别取植物
发芽(返青)期( 4月 27日)、旺盛生长期( 6月 18日)
和枯黄初期( 9月 5日)。
1. 3　地表辐射收支的描述及计算方案
1. 3. 1　太阳总辐射、地表反射辐射、大气逆辐射和
地表(包括植被冠层和地表面)长波辐射等决定了植
被表层的净辐射收支状况,从而决定地区辐射能量
的多少。对某地地面收支的净辐射通量为:
F
*
= F SW
↓
- FSW
↑
+ F lw
↓
- F lw
↑
( 1)
式中: F* 为地表收支的净辐射通量 (辐射收支) ,
F SW
↓为从空气到下垫面向下入射的太阳短波辐射
通量, F SW↑为从下垫面到空气中向上射出的太阳短
波辐射通量, F lw↓为向下的长波辐射通量(或称为大
气逆辐射) , Flw↑为向上的长波辐射通量。单位均取
W/ m2。
1. 3. 2　入射太阳短波辐射是太阳直接辐射与漫射
太阳辐射之和(太阳总辐射) , 具有显著的日和季节
变化,并受云状云量的影响。射出太阳短波辐射是被
地面反射的太阳辐射:
F SW
↑= AFSW↓ ( 2)
式中 A 为植被(包括地表面)的反射率。
1. 3. 3　植被表面的入射长波辐射 F lw↓来自大气,
取决于大气温度的垂直分布。一般由两部分组成, 即
来自大气本身的热辐射(如低层大气水汽和 CO2 等
贡献)及云的附加热辐射。对昆仑山地区的入射长波
辐射与地面长波辐射间的研究表明, 二者回归关系
显著,可由下列经验式估算[ 8] :
Flw
↓
= 0. 68( Flw
↑
+ 0. 1) / S ( 3)
射出长波辐射 F lw↑是地表温度高低变化所引
起的能量支出。可由斯蒂芬—玻尔兹曼 ( Stefan-
Boltzmann)定律确定[ 8] :
F lw↑= SRHw 4 ( 4)
S 为下垫面的相对辐射系数(或称灰体系数) , 通常
取 0. 90～0. 95。本文为 0. 95, R为斯蒂芬～玻尔兹
曼常数,取 5. 6701×10- 8W/ m2 / K - 4[ 9]。Hw 为以绝对
温度表示的下垫面温度。
因此,某地地面的净辐射通量收支为:
F
*
= ( 1- A ) FSW
↓
- SRHW
4
+ 0. 68( Flw
↑
+ 0. 1) / 0. 95 ( 5)
2　结果与分析
2. 1　太阳总辐射季节日变化
太阳总辐射通过大气层时,将受到大气中的气
体、气溶胶、云等的吸收、散射和反射,一达地表面的
部分太阳辐射还存在地球表面(包括植被、水、岩石、
冰雪等)所产生的吸收、反射。从而异地由于受下执
面性质的差异, 所接受的太阳辐射差异性显著,不仅
59第 1期 李英年等:海北高寒草甸植被在生长期辐射能量收支探讨
呈现明显的日变化,而且季节变化也很明显。(图 1)
总辐射在一日间最大值出现于 13 h 左右,如 4月 27
日、6月 18日和 9月 5日 13 h 分别为 909、1037和
918W·m- 2 , 6月 18日 13 h 太阳总辐射仅比常数
(约1360W·m- 2 )低323W·m- 2。日间受太阳高度
变化,总辐射变化剧烈, 从 74 h 到 12 h, 总辐射在
5 h内约急升 840W·m- 2左右, 自 16 h～20 h, 4 h
内急减 810 W·m - 2左右,而在中午14 h左右的 4 h
内变化相对平稳,变动幅度约为 100W·m- 2。以上
3 日 对应 的日 总量 分别 为 25. 924、31. 690 和
25. 481M J·m - 2, 三日平均为 27. 698M J·m - 2。可
见高寒草甸植物生长期间,太阳总辐射较高。此外,
太阳总辐射在夏至日前后高, 其它季节相对低。主要
受太阳高度季节变化的影响。实际天气中受云、降
水、空气混浊(大气气溶胶)和水汽等因素的影响, 有
着较大的差异。
图 1　在生长期太阳总辐射日变化
F ig . 1　The daily va ria tion o f the to tal sun radiat ion( W·m- 2) in different
plant gr ow ing season at Haibei r esearch station area
图 2　在生长期反射率日变化( % )
Fig. 2　T he daily v ar iation of albedo ( % ) in different plantg r ow ing season at Haibei resear ch sta tion ar ea
2. 2　短波反射辐射及反射率季节日变化
地表反射辐射表征了地表对太阳总辐射反射状
况的大小,反射辐射及其反射率是能量平衡中一个
非常重要的因子。虽然反射辐射的量值较小,但它是
影响地表能量收支和陆面过程的重要组成部分。绿
色植被具有强烈反射近红外辐射的能力, 植被演替
变化, 气候变暖等过程无一不反映在反射辐射及反
射率的变化。
2. 2. 1　海北站反射辐射日变化明显,一般在中午
13～14 h 最大, 如 4 月 27日 13 h 和 14 h 分别为
192和 187W·m- 2、6 月 18 日 13 h 和 14 h 为 207
和 204W·m- 2、9 月 5 日 13 h 和 14 h 为 197 和
199W·m- 2。反射辐射日总量在植物的不同生长期
有着明显的差异,其中 4月 27日日总量为 5. 695M J
·m- 2、6 月 18 日为 6. 954M J·m- 2、9 月 5 日为
6. 25M J·m- 2。随夏至日的逼近, 太阳高度角加大,
60 草　地　学　报 第 9卷
反射辐射随着太阳总辐射的增加而增加。此外也受
下垫面性质及云雨天气的改变而发生变化, 如 9月
5日,牧草进入成熟和枯黄初期,植被表面颜色变淡
(浅) , 降水较 6～8月减少,土壤水分在年内达最低
时期, 相对干燥, 虽然该期太阳高度与 4 月 24日相
差不大,但 4月受土壤冻融作用,地下水迁移使地表
潮湿。结果 9月初反射辐射大于 4月,次于 6月。
2. 2. 2　高寒草甸地区植被表面反射率呈明显的日
变化(图 2) ,但随着季节的不同日变化略有不同。特
别是早晨与傍晚, 不同季节变化差异较大, 而在中午
前后变化趋势较为平稳,差异较小。反射率均在早晨
和傍晚大(特别是 6～7月) , 日间相对小些, 表现出
一浅的“U”型结构分布。表明反射率的大小与太阳
高度角、入射的波长关系密切。由于太阳辐射在早晨
与傍晚光线到达地表面,需通过较长的路径后, 太阳
光谱组成及入射角发生变化。表现有太阳高度角低,
意味着入射角大, 光谱中以长波辐射占较大的比例。
同时海北高寒草甸地区的早晚反射率较昆仑山石质
沙土高[ 8] ,由于地区植物生长相对茂盛,盖度大,气
候相对湿润, 较厚植被的存在, 在早晚受辐射冷却
后,植被表面形成有露水、霜冻等有较高反射率的水
面和冰面影响。
2. 2. 3　反射率在植物不同生长期日变化略有不同,
9月 5日在 0. 22～0. 49之间变化, 日平均为 0. 27, 4
月 27日在 0. 21～0. 24之间, 日平均为 0. 23, 植物
旺盛生长季的 6月 18日在 0. 20～0. 33 之间,日平
均为 0. 24; 3个代表日的平均为 0. 25,但在11～16h
平均为 0. 21, 结果与青藏高原广大地区基本一
致[ 1]。反射率在 3个不同时期除早晨和傍晚变化不
规则外,牧草枯黄期的 9月初> 萌动返青的 4月末,
6～7月,植被反射率较低。表明反射率的季节变化
不仅与太阳高度角、入射波长有关,而且与植被覆盖
状况、植株高低及土壤干湿程度等因素相关, 即地面
植被盖度、土壤湿度较大时,反射率较小。同时还受
植被的颜色,如开花(色淡) ,成熟(表层发黄)等因素
影响。反射率在植物生长阶段随着时间进程的变化
而变化。
2. 3　植被、长波辐射、大气逆辐射及地面长波有效
辐射季节日变化
2. 3. 1　海北站地面长波辐射、大气逆辐射、地面有
效辐射均较高(表 1) ,如 4月 27日、6 月 18日和 9
月 5日,长波辐射随着时间的变化分别在 281. 5～
573. 1、2999. 9～518. 7和 299. 4～526. 0W·m - 2之
间, 大气逆辐射分别在 200. 5～410. 3、214. 6～
371. 4和 214. 2～376. 9W·m - 2之间, 地面有效辐射
分别在 79. 9～ 162. 9、85. 2～ 147. 3 和 85. 0～
149. 5W·m - 2之间。三者日最高值均出现于午后 14
h, 分别为 539. 3、386. 2和 153. 2W·m- 2 ,此时地表
温度最高,地表辐射最为明显,而日最低值则出现于
早晨地表温度最低的 4 h～6 h,三日出现时间略有
差异,但日变化与地表温度日变化趋势一致, 其日变
化幅度表现出长波辐射> 大气逆辐射> 地面有效
辐射。
表 1　长波辐射、大气逆辐射及地面有效辐射季节日变化
Table 1　The seasonal daily variation of the long-wave radiation, the atmospheric
inversion radiation and the soil surface ef fective radiation at Haibei research station area
日期 Date 时间( h ) T ime( h)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
4月 27日
Ap r. 27
F lw
↑ 304 293 293 282 324 436 534 573 520 426 348 335 323
F lw↓ 218 210 210 202 230 312 382 410 372 305 249 240 231
Flw 86 83 83 80 94 124 152 163 148 121 99 95 92
6月 18日
Jun. 18
F lw↑ 309 309 303 300 336 413 474 519 512 457 365 334 318
F lw↓ 221 221 217 215 241 296 339 372 365 327 261 239 228
Flw 88 88 86 85 95 117 135 147 145 130 104 95 90
9月 5日
Sep. 5
F lw↑ 307 301 299 299 300 351 475 527 518 393 334 311 302
F lw↓ 220 215 214 214 215 251 340 377 371 282 239 222 216
Flw 87 86 85 85 85 100 135 150 147 111 95 88 86
　　注: F lw↑为地面长波辐射　T he long-w ave radiation ( W·m- 2) F lw↑= SRT4
F lw↓为大气逆辐射　T he atmosph eric inversion radiat ion ( W·m - 2) F lw↓= 0. 68( Flw↑+ 0. 1) / 0. 95
F lw为地面有效辐射　Th e terrest rial ef fective radiat ion ( W /·m- 2) F lw = F lw↓- F lw↑
61第 1期 李英年等:海北高寒草甸植被在生长期辐射能量收支探讨
2. 3. 2　海北站地区由于纬度高,太阳高度变化与低
纬度地区略有差异,致使地面长波辐射、大气逆辐射
及地面有效辐射日变化与拉萨河谷地区有所不同,
拉萨地区日最高和最低分别出现于 13 h～14 h 和
清晨 4 h, 但数值变化与拉萨河谷冬小麦田和五道
梁地区基本一致 [ 10] , 与黑河沙漠地区相比[ 11] ,稍有
偏高,这可能与海拔高、大气透明度高、气溶胶少、空
气保温效果差有关。
2. 4　地面净辐射收支通量( F * )的季节日变化及收
支状况
2. 4. 1　海北高寒草甸地区净辐射通量基本在早晨
的 8～9 h 到傍晚的 18 h 左右为正值, 长达 9～
10 h, 表明该阶段地表面净得到热量, 地表处于吸热
阶段, 受太阳辐射的影响, 随着时间进程变化的剧
烈,上午上升与下午下降均很迅速。随着季节的不同
地表吸热有所不同,在所讨论的 3日中, 6月离夏至
日较近的 18日,白天得到热量最为强烈,最高可达
499W·m- 2 ( 14 h) , 9月 5日较 6月 18 日少, 最高
在 12 h,为 328W·m- 2 ,而 4月 27日最低, 在 12 h
仅为 222W·m - 2。
表 2　植物生长期地面净辐射日变化
Table 2　The daily variations of the soil surface net radiation
in diff erent growing season at Haibei research station area
日期 Date 时间(h ) T ime( h)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
4月 27日
Ap r. 27
-143 -130 -146 -121 -17 124 222 215 160 -23 -126 -114 -116
6月 18日
Jun. 18
-149 -155 -153 -152 15 279 475 499 373 128 -158 -158 -150
9月 5日
Sep. 5
-144 -122 -125 -108 -144 169 328 299 268 -6 -152 134 -140
2. 4. 2　区域净损失热量时间约在傍晚 18 h～翌晨
8 h, 量值小但维持时间长, 地表放热时间长达14 h
左右。植物生长不同时期的 3天中, 变化趋势基本
一致, 数值差异较小, 而且因时间的变化也较为平
稳, 无明显低值谷区出现, 如 20 h～翌日 6 h 净损
失热量为 108～158W·m- 2。有趣的是日间得到热
量强烈时, 夜间则净损失热量也较大, 白天得到热
量较少时, 夜间则净损失热量也较小, 如白天地表
得到热量在这 3日中依次为 6月 18日、9月 5日和
4月 27日, 而夜间净损失热量的季节顺序对应有相
同时期。
2. 4. 3　地表净辐射的日、季节变化是太阳总辐射、
地面有效辐射及地表反射辐射三者的综合结合, 因
而具有明显的日、季节变化。季国良等 ( 1996) [ 2]认
为, 对于青藏高原地区, 地表净辐射的季节变化主
要是受太阳总辐射的季节变化所控制, 但对于半湿
润地区的海北站地区而言, 因降水较为丰富, 气温
日差较大, 早晚温度时常处于 0℃左右, 致使地表常
出现凝结水现象, 可造成较大的地表反射率, 因而
对于反射率的影响也是至关重要的因子之一。
3　结语
3. 1　海北站地区晴天状况下太阳总辐射日间最大
出现于 13 h 左右,具有明显的日、季节变化, 日总量
最高可达 31. 690M J·m- 2。
3. 2　地表反射辐射日总量在 6月最大, 9月次之, 4
月较低。
3. 3　反射率均在早晨和傍晚大, 日间小,表现出一
浅的“U”型结构分布。反射率的大小与太阳高度角、
入射的波长有很大的关系。在植物生长期日平均为
0. 25。
3. 4　海北站地区长波辐射、大气逆辐射、地面有效
辐射均较高, 日最高均出现于午后约 14 h, 分别为
539. 3、386. 2和 152. 2W·m - 2。而日最低出现于早
晨地表温度最低的 6 h左右。日变化与地表温度日
变化趋势一致, 表现出长波辐射> 大气逆辐射> 地
面有效辐射。
3. 5　海北高寒草甸地区地表面净得到热量在夏至
日附近最为强烈, 6月 18日最高可达 499W·m - 2
( 14 h) ; 区域净损失热量时间约在傍晚 18 h～翌晨
8 h, 净损失热量 108～158W·m- 2。地表净辐射具
62 草　地　学　报 第 9卷
有明显的日、季节变化。地表净辐射的季节变化不仅
受太阳总辐射的季节变化所控制, 而且反射率的影
响也是至关重要。
参考文献
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