2012–2019 年千烟洲红壤丘陵综合开发试验站散射辐射数据集

2021-10-13韩佳音张彩霞张雷明温学发覃小林王辉民

中国科学数据(中英文网络版) 2021年3期

关键词：辐照度光环观测

韩佳音，张彩霞，张雷明,2*，温学发,2，覃小林，王辉民,2

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，资源与环境学院，北京 100190

3.北京大学，城市与环境学院，北京 100871

4.北京华益瑞科技有限公司，北京 100040

引言

太阳辐射是绿色植物进行光合作用的主要能量来源，太阳辐射强度和其谱分布的动态变化对光合作用有着重要影响[1-2]。当太阳辐射经过地球大气层时，会被大气中的气体分子、气溶胶和云粒子等吸收、反射或散射，最终到达地球表面的太阳辐射可以分为直接辐射和散射辐射[3]。从20 世纪90年代以来，散射辐射对陆地生态系统碳循环的作用受到越来越多研究者的关注。一些研究[4-6]表明，散射辐射比例的增加有利于促进陆地生态系统碳汇；不过也有研究[7]发现，在散射辐射比例提高的情况下，生态系统CO2吸收量由于总辐射的减少而减少。目前，散射辐射的改变对陆地生态系统净碳吸收的影响还存在争议。因此，获取关键陆地生态区大气散射辐射的连续观测数据，并考察其时间变化特征对陆地生态系统碳汇的影响十分重要。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

本数据集的散射辐射观测数据由千烟洲站的综合气象观测场获得（图1）。该气象观测场场地开阔平坦，下垫面植被分布均一，观测场周边没有建筑物或高大植被遮挡，主要利用SPN1 辐射仪（Delta-T Devices Ltd，英国）进行散射辐射的原位长期连续观测。SPN1 辐射仪的安装高度距离地面1.5 m。在散射辐射测定期间，定期进行人工检查并清洁SPN1 辐射仪传感器表面，最大程度减少测量误差。SPN1 辐射仪的测量原理是利用测定探头上安装的多孔半球形遮光罩，使非开孔和开孔的表面积相等，并且在每个开孔下均放置辐射传感器。由于散射辐射具有无方向性传播的特性，传感器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 辐射仪可同时将这两个辐射要素输出[8]。

图1 千烟洲站综合气象观测场

在SPN1 辐射仪出现故障、返厂标定时，利用带遮光环的CMP11 辐射仪[9]进行辅助观测。CMP11辐射仪测定仪由CM121B 遮光环（Kipp &Zonen，荷兰）和CMP11 辐射计（Kipp &Zonen，荷兰）两部分组成。遮光环为直径650 mm，宽度55 mm 的黑色圆环。当测量散射辐射时，由于太阳高度角在四季变化，需要进行人工辅助设定CMP11 辐射仪上方CM121B 遮光环的位置，以保证遮光环的阴影可以全部覆盖辐射测定探头，从而测定散射辐射[9]。由于遮光环在遮挡直接辐射的同时也遮挡了一少部分散射辐射，所以测量得到的散射辐射数据需要根据遮光环给出的校正表进行校正。表1给出了各辐射仪器的主要技术指标。

表1 CMP11 和SPN1 辐射观测仪的主要技术指标

1.2 散射辐射计算模型

使用散射辐射计算模型对缺失的散射辐射数据进行计算插补。在众多散射辐射计算模型中，Reindl 模型计算方便，应用最为广泛。Reindl 等[10]通过北美和欧洲的5 个辐射站获得的22000 条小时尺度散射辐射数据和气象数据，把对散射辐射有显著影响的4 个预测变量从28 个潜在预测变量中分离出来，其具体公式如下：

式中：kt为晴空指数（无量纲）；IG为总辐射（Wm–2）；IE为地球外大气上界辐射（Wm–2）；kd为散射分数（无量纲）；β为太阳高度角（°）；ID为散射辐射（Wm–2）。这种散射辐射计算方法在之前的研究中已在千烟洲地区进行过检验，结果显示在晴天、多云、阴天天气条件下，模型计算结果和仪器实测结果有很好的一致性，详细信息参见文献[11]。

2 数据样本描述

本数据集包括2012–2019 年逐半小时尺度的散射辐射原始观测数据、总辐射数据散射辐射模型计算数据，每一年单独为一个表单。

2012 年2 月1 日18 时至2012 年2 月24 日15 时，由于仪器调试未进行观测，共1099 条数据由通量塔上测得的总辐射带入Reindl 模型进行计算获得。2017 年1 月9 日14 时至2017 年3 月14日18 时，SPN1 辐射仪返厂标定，这期间共3081 条数据由CMP11 测得的散射辐射数据提供。其他短时间内缺失的数据由前后两小时数据插补获得。数据样本如表2，第一列为时间，第二列为SPN1测得的原始总辐射，第三列为SPN1 测得的原始散射辐射，第四列为经过质量控制和计算的总辐射，第五列为经过质量控制和计算的散射辐射。

表2 数据样本（单位：Wm–2）

3 数据质量控制和评估

SPN1 辐射仪的测量结果和精度较高的CPM11 辐射仪相比，观测结果显示SPN1 辐射仪测定的总辐射和散射辐射在总量上分别比CMP11 辐射仪低3.0%和5.5%，这可能是因为不同辐射传感器所能检测到辐射光谱范围不同所导致的。例如：CMP11 辐射仪的光谱范围是285–2800 nm，SPN1 辐射仪的光谱范围是400–2700 nm（表1）。与CMP11 辐射仪相比，SPN1 辐射仪的光谱范围较小，所能接收的太阳辐射相应变少，因此在平行对比观测时SPN1 辐射仪测定的总辐射和散射辐射可能比CMP11 辐射仪略低。两种仪器观测的辐射动态变化基本一致，可以满足基本要求，详细信息参见文献[12]。各辐射仪器获得的观测数据都进行了必要的质量控制[13]。由于在日出和日落时太阳高度角数值较小，辐射仪在这种情况下观测会出现余弦误差，从而造成测量值偏大。一般地，太阳高度角在6°–10°以下的值可以作为误差数据剔除掉[14]，本数据集在质量控制时剔除了小于7°太阳高度角的测量值。降水也会严重影响SPN1 散射辐射仪器的准确测量，本数据集把每次降水前1 h 和降水后2 h数据进行剔除。理论上，IG不能超过IE，ID不能超过IG。对于由于测量误差造成ID大于IG的数据，将IG修订为与ID等值。

此外，还按照《地面气象观测规范第22 部分：观测记录质量控制》[15]中辐射观测记录质量控制进行了检验。观测记录不能超出气候学界限值，超出的记录标记为错误的记录并剔除，包括：（1）总辐射最大辐照度＜2000 Wm–2；（2）直接辐射最大辐照度＜1376 Wm–2；（3）总辐射日曝辐量＜可能的总辐射日曝辐量（见文献[15]中的附录C）。观测记录内部一致性检查，各要素气象观测记录应符合以下关系，不符合下列关系的记录中至少有一个视为错误记录并剔除，包括：（1）时（日）总辐射曝辐量≥时（日）净全辐射曝辐量；（2）时（日）总辐射曝辐量≥时（日）散射辐射曝辐量；（3）时（日）总辐射曝辐量≥时（日）反射辐射曝辐量；（4）日总辐射曝辐量≥日水平面直接辐射曝辐量；（5）日直接辐射曝辐量≥日水平面直接辐射曝辐量；（6）日总辐射曝辐量与（日散射辐射曝辐量+日水平面直接辐射曝辐量）差的绝对值≤20%日总辐射曝辐量；（7）日总辐射最大辐照度≥日净全辐射最大辐照度。

4 数据价值

本数据集为完整的长时间序列高频率散射辐射数据集，数据集中使用的散射辐射计算方法对于重构过去缺失的散射辐射数据具有实用性。千烟洲地区月均散射辐射在一年中大致呈现夏季高冬季低的单峰变化趋势（图2）；多年平均日变化呈现单峰变化趋势，且最大值随季节呈现夏季高冬季低的规律（图3）。作为全球变化背景下中亚热带人工针叶林生态系统碳循环、水循环和能量循环的背景资料，本数据集可以为开展辐射变化对生态系统生产力的影响以及天气条件对辐射环境影响等生态、气象、环境研究提供科学数据支撑。