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西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征

于辉 宋清海 张一平 GnanamoorthyP 张晶 BibiS

于辉, 宋清海, 张一平, GnanamoorthyP, 张晶, BibiS. 西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
引用本文: 于辉, 宋清海, 张一平, GnanamoorthyP, 张晶, BibiS. 西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
Yu Hui, Song Qinghai, Zhang Yiping, Gnanamoorthy P, Zhang Jing, Bibi S. The long-term variation of radiation in a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
Citation: Yu Hui, Song Qinghai, Zhang Yiping, Gnanamoorthy P, Zhang Jing, Bibi S. The long-term variation of radiation in a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270

西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
基金项目: 国家自然科学基金项目(41671209、41961144017、U1602234),国家重点研发计划项目(2016YFC0502105),中国科学院“一三五”专项(2017XTBG-T01、2017XTBG-F01),云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(202005AC160003),云南省万人计划青年拔尖人才项目,中国科学院战略性先导科技专项(XDA19020302)
详细信息
    作者简介:

    于辉。主要研究方向:生态气候。Email:yuhui@xtbg.ac.cn 地址:666303云南省西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇中国科学院西双版纳热带植物园

    通讯作者:

    宋清海,副研究员,博士。主要研究方向:全球变化生态学。Email:sqh@xtbg.ac.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S718.51+2.2

The long-term variation of radiation in a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, Southwest China

  • 摘要:   目的  太阳辐射是森林生态系统最主要的能量来源,同时是影响森林生态系统区域气候与环境的最重要因素之一。探讨森林辐射长期变化特征,以期为气候变化、热带地区森林生产力、辐射能量平衡的研究以及辐射模型的建立和验证等建立研究基础。  方法  利用西双版纳热带季节雨林14年(2003—2016)辐射实测数据,对不同时间尺度的热带季节雨林辐射各分量变化特征及占总辐射比率的变化进行了比较分析。  结果  西双版纳热带季节雨林的总辐射、净辐射、反射辐射、大气逆辐射和林冠向上长波辐射的年平均值分别为:5 268.8、3 151.5、513.8、12 468.6、13 299.3 MJ/m2。总辐射的年际变化呈波动上升趋势,相反,净辐射的年际变化呈显著下降趋势;受大气状况的影响,大气逆辐射的年际变率较大,导致有效辐射的年际变率较大,而林冠向上的长波辐射年际变率较小;受研究区域特殊天气、季节性雾的影响,大气逆辐射日变化曲线在干季呈双峰型,雨季呈单峰型;在不同时间尺度上,林冠向上的长波辐射高于大气逆辐射,表明热带季节雨林林冠是大气的一个热源。净辐射占年总辐射的比率在60%左右,年际变化呈显著下降趋势,反射辐射和有效辐射占年总辐射的比率变化不大。净辐射占总辐射比率在昼间高,清晨和傍晚低,日变化曲线呈倒U型,反射辐射和有效辐射占总辐射的比率在昼间低,清晨和傍晚高,日变化曲线呈U型。  结论  西双版纳热带季节雨林辐射除受到太阳活动、云量和水汽等因子的影响外,还受区域小气候的影响,如季节性落叶和季节性雾。研究森林辐射特征的长期变化,对于气候变化研究、气候模型验证和森林生产力研究等具有重要意义。
  • 图  1  综合观测场与通量塔数据相关性

    Figure  1.  Correlation of the data from flux tower and observation field.

    图  2  太阳辐射各分量的年际变化

    Figure  2.  Annual variation of different components of solar radiation

    图  3  太阳辐射各分量月际变化

    Figure  3.  Monthly variation of different components of solar radiation

    图  4  太阳辐射各分量日变化

    Figure  4.  Daily variation of solar radiation components

    图  5  太阳辐射各分量季节日变化

    Figure  5.  Daily variation of different components of solar radiation in different seasons

    图  6  太阳辐射各分量占总辐射百分率的年际变化

    Figure  6.  Interannual variation of the ratio of different components of solar radiation to the solar radiation

    图  7  太阳辐射各分量占总辐射百分率的年变化

    Figure  7.  Annual variation of the ratio of solar radiation components to the total radiation

    图  8  太阳辐射各分量占总辐射比率的日变化

    Figure  8.  Diurnal variation of the ratio of solar radiation components to the total radiation

    图  9  不同季节太阳辐射分量占总辐射百分率的日变化

    Figure  9.  Diurnal variation of the ratio of different components of solar radiation components to the total radiation in different seasons

    表  1  太阳辐射各分量年总量统计值/(MJ·m−2

    Table  1.   Statistical values of annual total amount of solar radiation components/(MJ·m−2)

    项目 Items总辐射 K反射辐射 K大气逆辐射 L地面辐射 L净辐射 Rn有效辐射 Ln
    平均值 Mean 5 268.8 513.8 12 468.6 13 299.3 3 151.5 830.7
    最小值 Min. 4 757.6 481.1 12 197.8 13 218.2 2 787.1 469
    最大值 Max. 5 660.6 554.9 12 863 13 417.6 3 539.5 1 159.8
    变异系数 CV 0.056 0.040 0.019 0.005 0.079 0.298
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    表  2  不同季节各辐射分量总量/(MJ·m−2

    Table  2.   Gross for solar radiation components in different seasons/(MJ·m−2)

    季节 SeasonsKKLLRnLn
    雨季 Wet season 2 688.7 253.4 6 675.9 6 940.0 1 741.2 264.1
    干季 Dry season 2 499.7 260.3 5 792.7 6 359.3 1 476.9 566.6
    下载: 导出CSV
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    , .  西双版纳热带季节雨林太阳辐射特征研究 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-16
  • 修回日期:  2020-10-31
  • 网络出版日期:  2021-03-31

西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
    基金项目:  国家自然科学基金项目(41671209、41961144017、U1602234),国家重点研发计划项目(2016YFC0502105),中国科学院“一三五”专项(2017XTBG-T01、2017XTBG-F01),云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(202005AC160003),云南省万人计划青年拔尖人才项目,中国科学院战略性先导科技专项(XDA19020302)
    作者简介:

    于辉。主要研究方向:生态气候。Email:yuhui@xtbg.ac.cn 地址:666303云南省西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇中国科学院西双版纳热带植物园

    通讯作者: 宋清海,副研究员,博士。主要研究方向:全球变化生态学。Email:sqh@xtbg.ac.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S718.51+2.2

摘要:   目的  太阳辐射是森林生态系统最主要的能量来源,同时是影响森林生态系统区域气候与环境的最重要因素之一。探讨森林辐射长期变化特征,以期为气候变化、热带地区森林生产力、辐射能量平衡的研究以及辐射模型的建立和验证等建立研究基础。  方法  利用西双版纳热带季节雨林14年(2003—2016)辐射实测数据,对不同时间尺度的热带季节雨林辐射各分量变化特征及占总辐射比率的变化进行了比较分析。  结果  西双版纳热带季节雨林的总辐射、净辐射、反射辐射、大气逆辐射和林冠向上长波辐射的年平均值分别为:5 268.8、3 151.5、513.8、12 468.6、13 299.3 MJ/m2。总辐射的年际变化呈波动上升趋势,相反,净辐射的年际变化呈显著下降趋势;受大气状况的影响,大气逆辐射的年际变率较大,导致有效辐射的年际变率较大,而林冠向上的长波辐射年际变率较小;受研究区域特殊天气、季节性雾的影响,大气逆辐射日变化曲线在干季呈双峰型,雨季呈单峰型;在不同时间尺度上,林冠向上的长波辐射高于大气逆辐射,表明热带季节雨林林冠是大气的一个热源。净辐射占年总辐射的比率在60%左右,年际变化呈显著下降趋势,反射辐射和有效辐射占年总辐射的比率变化不大。净辐射占总辐射比率在昼间高,清晨和傍晚低,日变化曲线呈倒U型,反射辐射和有效辐射占总辐射的比率在昼间低,清晨和傍晚高,日变化曲线呈U型。  结论  西双版纳热带季节雨林辐射除受到太阳活动、云量和水汽等因子的影响外,还受区域小气候的影响,如季节性落叶和季节性雾。研究森林辐射特征的长期变化,对于气候变化研究、气候模型验证和森林生产力研究等具有重要意义。

English Abstract

于辉, 宋清海, 张一平, GnanamoorthyP, 张晶, BibiS. 西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
引用本文: 于辉, 宋清海, 张一平, GnanamoorthyP, 张晶, BibiS. 西双版纳热带季节雨林辐射长期变化特征[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
Yu Hui, Song Qinghai, Zhang Yiping, Gnanamoorthy P, Zhang Jing, Bibi S. The long-term variation of radiation in a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
Citation: Yu Hui, Song Qinghai, Zhang Yiping, Gnanamoorthy P, Zhang Jing, Bibi S. The long-term variation of radiation in a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200270
  • 太阳辐射为植物光合作用提供能量,是碳水循环的主要驱动因子和能量来源。森林生态系统是陆地上最大的碳汇[1],在减缓气候变化方面发挥着至关重要的作用[2],此外,森林还通过生物地球物理过程(包括蒸散量,反照率和表面粗糙度的变化)影响地球表面的水和能量通量[3],因此森林生态系统辐射的长期观测对于研究气候变化、森林生态系统生产力、地表辐射能量平衡、研究地表过程以及碳水循环模型建立等方面尤为重要[4-5]

    由于太阳辐射对人为干扰非常敏感,因而对太阳辐射的测量和研究能为评估气候变化和全球变暖提供重要的基础[6]。已有研究表明,在过去的几十年中,太阳辐射有明显的变化,在20世纪50—80年代,由于大气中气溶胶的增加,全球大部分地区太阳辐射呈现4% ~ 6%的减少程度[7]。20世纪90年代以来,随着人们环境保护意识的提高及环境质量改善,太阳辐射有回升的趋势[8-9],但远未达到20世纪50年代的水平。根据Jiménez-Mu Oz等人[10]的研究,1980—2010年全球净辐射出现普遍下降的趋势,地表净辐射的时空变化会影响区域地表天气和气候系统多样性、地表蒸发速率及不同区域生态系统的结构和功能。因此,研究地表净辐射对区域内植物生长、气候变暖及人类活动的影响等具有重要意义。李茂芬等[11]对海南岛逐日太阳总辐射变化特征与关联因子进行了分析,表明自2003年以来,海口的太阳总辐射呈上升趋势,总辐射与日照时数关联度最强。高操等[12]分析了15个省份1993—2013年的地面辐射观测资料,表明不同区域太阳总辐射的变化趋势不同,其中云南太阳总辐射呈显著上升趋势。对云南哀牢山常绿阔叶林和林外草地的太阳辐射特征的研究表明,辐射分量占总辐射的比率受下垫面植被类型的影响[12, 14]。陈进等[15]对帽峰山常绿阔叶林不同波长和传播方向的辐射通量进行了研究,结果表明,各辐射总量均为雨季大于旱季。可见,太阳辐射受气候、季节和下垫面等因素影响[16-21]。然而,在具有丰富的太阳辐射资源的发展中国家的热带地区,对太阳辐射的实测研究和长期连续测量仍然很少。在较短的时间尺度上,对西双版纳热带季节雨林的林冠、林窗的垂直辐射特征研究表明,区域特殊气候条件以及森林结构等对森林辐射环境产生重要影响 [22-24]。此外,利用遥感数据推算地面辐射数据以及模型模拟可以在一定程度上弥补实测资料的缺乏[25-27]。例如,高扬子等[28]利用Mann-Kendall趋势分析方法对中国地区的净辐射进行估算,得出全国地表净辐射在1961—2010年呈较明显的下降趋势。然而,模型的验证、遥感反演的准确性,都需要实测数据的支持。

    本文利用西双版纳热带季节雨林2003—2012年四分量净辐射仪和高精度太阳总辐射仪同步连续观测数据以及经过校正后的2013—2016年综合观测场的总辐射和净辐射数据,对西双版纳热带季节雨林不同波长和传播方向的辐射的长期变化特征进行了分析,以期为气候变化、热带地区森林生产力、辐射能量平衡研究以及辐射模型的建立和验证等建立研究基础。

    • 研究样地位于云南省南部的西双版纳傣族自治州。该地区属于热带季风气候区,终年为印度季风所控制。年均温21 ℃左右,多年平均年降雨量为1 490 mm。根据当地气候资料,该区域可分为雨季(5—10月)和旱季(11月至次年4月),其中旱季又可划分为雾凉季(11月至次年2月)和干热季(3—4月)。在雾凉季,雾在23:00左右形成,次日11:00左右消散,而干热季雾生成的时间较雾凉季推迟0.7 h,且维持时间较短。该地区的地带性土壤为砖红壤,地带性植被为热带季节雨林(海拔较低处)和常绿阔叶林(海拔较高处)。由于地处古热带植物区系向泛北极植物区系的过渡区、东亚植物区系向喜马拉雅植物区系的过渡区,该区的生物区系成分十分复杂、物种多样性高。样地所在的森林为原生热带季节雨林,位于山间沟谷中,其群落高度35 m 左右,结构复杂,分层明显。乔木层按高度可分为3层:上层高30 m以上,优势种主要为千果榄仁(Terminalia myriocarpa)、绒毛番龙眼(Pometia tomentosa);中层高度在16 ~ 30 m,常见种有云南玉蕊(Barringtonia macrostachya)、大叶白颜树(Gironniera subaequalis)和山焦(Mitrephora maingayi)等;下层高度在16 m 以下,主要种包括云树(Garcinia cowa)、假广子(Knema erratica)、细罗伞(Ardisia tenera)、蚁花(Mezzettiopsis creaghii)及毒鼠子(Dichapetalum gelonioides)等。此外,样地内的藤本及附生植物丰富,板根及茎花现象明显,是典型的季节雨林[29]

      研究样地为热带季节雨林1 hm2永久样地,地理位置为21°55′N、101°15′E,生物量约500 t/hm2。雨林主要分布在沟谷中,因此通量塔设置在海拔756 m的沟谷中。通量塔塔高72 m,设置了7层常规气象观测系统和一层开路涡度相关系统,用来同步观测热带雨林冠层水热通量、CO2和气象条件。

    • 研究区域的热带季节雨林林冠高度约为30 ~ 34 m,因此辐射仪(CNR1,荷兰KIPP&ZONEN公司)设置在冠层上(41.6 m)。该仪器上、下各有1组长短波辐射传感器(长、短波长各1个),可分别观测向下和向上的短波、长波辐射。测量短波辐射的总辐射仪(CM11)安装在铁塔70 m处,数据为2 s自动读取1次,经仪器处理后输出每30 min的平均值,由计算机记录。观测、记录使用北京时间,地方时比其推迟75 min。本文使用的数据日期范围为2003年1月1日至2012年12月31日。由于仪器故障,2013—2016年样地辐射数据质量较差,总辐射和净辐射的年总量、月总量由西双版纳热带植物园内综合观测场辐射观测数据校正后得到,辐射各分量的日变化值均使用2003—2012年雨林样地的半小时观测数据计算得出。综合观测场位于西双版纳热带植物园内,与通量塔直线距离7.8 km左右。对2011—2012年综合观测场和通量塔总辐射K↓、净辐射Rn月总量数据进行Person相关分析,相关系数在0.87 ~ 0.97之间(图1)。

      图  1  综合观测场与通量塔数据相关性

      Figure 1.  Correlation of the data from flux tower and observation field.

      净辐射Rn是由天空(包括太阳和大气)向下投射的和由地表(包括土壤、植被、水面等)向上投射的全波段辐射量之差,净辐射的大小决定着地表能量平衡中各分量的可分配额,它的计算公式可以记为[15]

      $$ {R}_{\mathrm{n}}=(K\downarrow +L\downarrow )-(K\uparrow +L\uparrow ) $$ (1)

      式中:按传播方向和波长划分的$ K\downarrow $$ L\downarrow $$ K\uparrow $$ L\uparrow $分别对应太阳总辐射、大气逆辐射、短反射辐射和下垫面长波辐射。

      有效辐射Ln可表示为:

      $$ {L}_{\mathrm{n}}=L\uparrow -L\downarrow $$ (2)

      采用Excel 2019和R3.6.1软件进行数据的基本处理,包括异常值剔除,缺失数据插补、质量控制以及统计分析等,最后使用Origin 2018进行绘图。

    • 根据西双版纳热带季节雨林辐射资料统计分析得出,2003—2016年西双版纳热带季节雨林总辐射年平均值为5 268.8 MJ/m2,其中最高值出现在2014年(5 560.6 MJ/m2),最低值出现在2004年(4 757.6 MJ/m2)(表1)。由图1可见,总辐射年总量呈波动上升趋势(斜率为37.2,R2 = 0.28,P = 0.053),而净辐射年际变化呈显著下降趋势(斜率为−43.8,R2 = 0.54,P = 0.0027),说明净辐射不仅受到总辐射的影响,还可能受到云量、相对湿度、下垫面性质等其他因素的影响,导致两者的变化趋势相反。此外,净辐射的年总量变化波动较大,变异系数为0.079,平均值为3 151.5 MJ/m2,最高值出现在2003年(3 539.5 MJ/m2),最低值出现在2016年(2 787.1 MJ/m2)。反射辐射的年平均值为513.8 MJ/m2,最高值出现在2003年(554.9 MJ/m2),最低值出现在2008年(481.1 MJ/m2),年际变化趋势不明显。研究区域属于热带季节雨林,虽然存在季节性落叶,但年际变化不大,对反射辐射的年际变化影响较小。长波辐射年际波动较小,尤其是林冠向上的长波辐射,变异系数仅为0.005,年平均值为13 299.3 MJ/m2,最高值出现在2012年(13 417.6 MJ/m2),最低值出现在2007年(13 218.2 MJ/m2),大气逆辐射的年平均值为12 468.6 MJ/m2,最高值出现在2009年(12 863 MJ/m2),最低值出现在2007年(12 197.8 MJ/m2),变异系数为0.019。林冠向上的长波辐射始终高于大气逆辐射,因此有效辐射年变化值始终是正值,年平均值为830.7 MJ/m2,最高值出现在2010年(1 159.8 MJ/m2),最低值出现在2009年(469 MJ/m2)。

      表 1  太阳辐射各分量年总量统计值/(MJ·m−2

      Table 1.  Statistical values of annual total amount of solar radiation components/(MJ·m−2)

      项目 Items总辐射 K反射辐射 K大气逆辐射 L地面辐射 L净辐射 Rn有效辐射 Ln
      平均值 Mean 5 268.8 513.8 12 468.6 13 299.3 3 151.5 830.7
      最小值 Min. 4 757.6 481.1 12 197.8 13 218.2 2 787.1 469
      最大值 Max. 5 660.6 554.9 12 863 13 417.6 3 539.5 1 159.8
      变异系数 CV 0.056 0.040 0.019 0.005 0.079 0.298
    • 图2可见,总辐射和净辐射的月总量变化都出现了双峰变化趋势,总辐射的两个峰值分别在雨季初(5月,551 MJ/m2)和雨季末期(9月,448 MJ/m2),此时降雨相对较少,且太阳高度角较高。净辐射峰值在雨季的5月(290 MJ/m2)和9月(303 MJ/m2),第1个峰值较平,可能由于3、4月份落叶期,热带季节雨林林冠尚未完全恢复,森林郁闭度较低,反射辐射较高,且林冠向上的长波辐射也高。反射辐射与总辐射的变化趋势基本一致,两者的相关系数达到93%,最大峰值在5月(55 MJ/m2),次峰在9月(41 MJ/m2)。长波辐射的年变化幅度都较小,且变化趋势较一致,均表现为雨季高,旱季低。此外,林冠向上的长波辐射值始终高于大气逆辐射,因此林冠层有效辐射始终是正值,在雨季(6—10月)有效辐射较小,最低值在8月份(31 MJ/m2),之后开始递增,干热季较高,最高值出现在3月份(126 MJ/m2)。由表2可知,除反射辐射和有效辐射外,各辐射分量总量均为雨季高于干季。热带季节雨林的干季相对于雨季,太阳高度角较低,降雨少,云量少且存在季节性落叶。

      图  2  太阳辐射各分量的年际变化

      Figure 2.  Annual variation of different components of solar radiation

      表 2  不同季节各辐射分量总量/(MJ·m−2

      Table 2.  Gross for solar radiation components in different seasons/(MJ·m−2)

      季节 SeasonsKKLLRnLn
      雨季 Wet season 2 688.7 253.4 6 675.9 6 940.0 1 741.2 264.1
      干季 Dry season 2 499.7 260.3 5 792.7 6 359.3 1 476.9 566.6
    • 图3可知,除大气逆辐射为外,其它各分量的日变化均呈单峰变化趋势,总辐射和净辐射的最大值出现在14:00($ K\downarrow $:600 W/m2Rn:474 W/m2),反射辐射最大值出现在13:00(62 W/m2),比总辐射早1 h。长波辐射的最大值均出现在14:30($ L\uparrow $:456 W/m2$ L\downarrow $:414 W/m2),大气逆辐射在10:00有1个次峰(400 W·m2)。净辐射正负值的转变时间在日出后或日落前1 h左右(07:30—08:00,18:30—19:00)。有效辐射在上午08:00(10 W/m2)开始递增,到13:00达到最大值(42 W/m2)后缓慢下降,下午18:30以后开始快速下降。

      图  3  太阳辐射各分量月际变化

      Figure 3.  Monthly variation of different components of solar radiation

    • 图4可知,总辐射、反射辐射、净辐射和有效辐射的日变化曲线均在干季较高,长波辐射日变化曲线雨季较高。总辐射日变化曲线,干热季最高,雨季次之,雾凉季最低,雨季、干热季总辐射最大值出现在14:00,雾凉季总辐射最大值的时间为13:30,比雨季和干热季早30 min。反射辐射在不同季节的日变化趋势与总辐射近似,最大值出现的时间在干季的12:30,比雨季和雾凉季30 min。

      图  4  太阳辐射各分量日变化

      Figure 4.  Daily variation of solar radiation components

      林冠向上长波辐射在不同季节的变化日变化趋势基本一致,总体上雨季 > 干热季 > 雾凉季,日变化波动较小,最大值在14:00—14:30之间,最小值在07:00—08:00之间。大气逆辐射的季节日变化,雨季时是单峰变化曲线,在雾凉季(10:00、15:00)和干季(09:00、15:30)出现了双峰变化趋势,雾凉季的双峰更加明显,雾凉季和干热季第1个峰值出现的时间与两个季节雾消散时间相吻合(11:00、10:00)。林冠向上长波辐射不同的季节变化导致有效辐射也呈现出明显的季节差异,总体来看干热季 > 雾凉季 > 雨季,雨季变率相对比较小。

    • 图5可知,反射辐射占总辐射的比率平均值在10%左右,年际变化很小,呈波动下降趋势,最小值在2012年(9.4%),最大值在2004年(10.6%)。净辐射占总辐射的比率平均值在60%左右,年际变化较大,呈现显著下降趋势(P < 0.001),2003—2009年变化幅度较大,分别在2004和2009出现了两个峰值,从2010—2016年变化幅度较小,比率基本保持在55%左右。有效辐射占总辐射的比率在16%左右,呈上升趋势;年际变化较小,最小值出现在2009年(8.7%),最大值出现在2007年(21%)。有效辐射占总辐射的比率低于鼎湖山针阔混交林(31.1%)和帽峰山亚热带常绿阔叶林(26%),与海南岛橡胶林(18%)接近,对于近旁大气的加热作用较小,这可能与下垫面性质有关,热带地区森林的林冠郁闭度较大,叶面积指数高,相对于其他类型的森林生态系统吸收的辐射能量较低。

      图  5  太阳辐射各分量季节日变化

      Figure 5.  Daily variation of different components of solar radiation in different seasons

    • 图6可见,反射辐射占总辐射的比率的年变化较小,基本在9% ~ 11%之间,最大值出现在2、3月份,占总辐射的比值超过11%。净辐射占总辐射的比率平均值超过60%,随着雨季的深入,占比逐渐升高,到了10月份达到最高点68.8%,10月份以后进入雾凉季后开始递减,直到干热季的4月达到最低点52.8%。有效辐射占总辐射比例年平均值为16%,年变化较大,基本呈U型变化趋势,在2、3月份最高,4月份开始递减,最低值在8月份(7.1%),之后再次开始递增。

      图  6  太阳辐射各分量占总辐射百分率的年际变化

      Figure 6.  Interannual variation of the ratio of different components of solar radiation to the solar radiation

    • 图7可见,净辐射占比最高,在清晨傍晚较小,昼间高,且下午高上午低,11:00有一个谷值,上午的最高值出现在10:00(73%),下午最高值出现在14:30(79%)。反射辐射在清晨和傍晚占比较高,昼间低,且在昼间有逐渐递减的趋势。有效辐射呈U型变化曲线,在清晨傍晚高,昼间较低且变化不大。

      图  7  太阳辐射各分量占总辐射百分率的年变化

      Figure 7.  Annual variation of the ratio of solar radiation components to the total radiation

      图8可见,净辐射在干季和雨季都出现了正午时比率下降的趋势,与其他两个季节明显不同,雾凉季呈现了圆滑的倒“U”型曲线,干热季时上午的占比明显低于其他两个季节,下午时与其他两个季节区别则不大。雨季反射辐射占总辐射的比率略低于干热季和雾凉季,昼间雨季和干季分别在10:00和10:30时有1个小的峰值。有效辐射占总辐射的比例,雨季最低,干热季在上午较高,雾凉季在下午较高。有雾时空气相对湿度大,大气逆辐射作用强,有效辐射低。

      图  8  太阳辐射各分量占总辐射比率的日变化

      Figure 8.  Diurnal variation of the ratio of solar radiation components to the total radiation

      图  9  不同季节太阳辐射分量占总辐射百分率的日变化

      Figure 9.  Diurnal variation of the ratio of different components of solar radiation components to the total radiation in different seasons

    • (1)总辐射:太阳辐射是陆地生态系统主要的能量来源,太阳辐射的变化影响着森林生态系统的生产力,同时也是气候变化的指标之一。2003—2016年,总辐射年平均值为5 268.8 MJ/m2,总体上呈波动上升趋势,这与Wild等[8]对全球太阳辐射变化的预测和王学峰等[30]、齐月等[31]对云南省太阳总辐射时间变化特征的研究结果相似。总辐射的增加可能伴随着光合有效辐射的增加,从而对森林生态系统生产力产生影响。影响总辐射的因子包括天文因子和气象因子,考虑到天文因子在相对短的时期内变化很小,因此判断总辐射在14年的变化主要受到云量、相对湿度和气溶胶等气象因子的影响。受环境保护措施的影响,近年来大气中的气溶胶减少[31],此外,近年来西双版纳勐仑地区降雨量和雾都有减少的趋势[32-33],这可能导致了总辐射的增加和大气逆辐射的降低。西双版纳热带季节雨林内的雾,首先形成于最上林冠层,林下雾是由上层雾变浓、下沉而来。雾的形成对于森林起到了一定的保温作用,在夜间,雾形成前,气温高于叶表温,雾形成后气温则低于叶温。西双版纳热带雨林平均全年雾日数可达258 d,其中雾季和干热季共占59.6%,而雾季的雾日频率达到90%[34]。不同天气状况对于总辐射年变化和日变化影响较大,在阴雨天气下,云层厚、云量大,大气对太阳辐射的削弱作用强,总辐射较低[35]。受降水和雾凉季特殊天气的影响,总辐射的年变化呈双峰变化趋势,在干热季和雨季后期,降水较少,晴天多,雨季中期虽然白昼时间长,但降水多,晴天少,雾凉季雾日多,相对湿度大。雨季降水较多,天气状况不稳定,总辐射日变化曲线较不平滑。

      (2)净辐射:净辐射是显热和潜热交换的能量来源,在地气系统的相互作用中起着关键作用,也是构建各类生态模式的重要参数之一[28, 36]。西双版纳热带季节雨林净辐射的年平均值为3 151.5 MJ/m2,相比于总辐射,净辐射的年总量变化波动较大,呈显著下降趋势(P < 0.05),这与已有的关于地表净辐射的研究结果相符合[10, 28],同时在本研究中,净辐射占总辐射的比率也呈显著下降趋势(P < 0.001)。如前所述,降水、雾日减少,相对湿度下降,会导致大气逆辐射的下降,从而导致净辐射的减少。净辐射的减少意味着生态系统可用于水热交换能量的减少,对生态系统的结构和功能产生影响。受总辐射变化的影响,净辐射与反射辐射年变化曲线均呈双峰型,净辐射次峰在雨季初6月,峰值在雨季末的9月,雾凉季和降水多的7月份较低。与其他季节不同,雾凉季净辐射占总辐射的比值日变化曲线在上午比较平滑。西双版纳热带季节雨林的雾凉季,一般在11:00 左右雾才消散[34],在有雾的天气下,相对湿度大,大气逆辐射高,净辐射也高。

      (3)反射辐射:反射辐射年平均值为513.8 MJ/m2,年际变化不大。反射辐射占总辐射的比率的年际和年内变化都很稳定,基本保持在10%左右。总辐射、净辐射和反射辐射月总量变化都出现了双峰变化趋势,且峰值都出现在5月和9月。这可能是受降水,云层厚度等影响,因而造成总辐射、净辐射和反射辐射的日变化值均在干季较高。与其他研究区域不同[15, 37],热带季节雨林的反射辐射总量在干季高于雨季,这可能是干热季的季节性落叶导致林冠林相发生变化,叶面积指数降低,来自地表的反射辐射增多所导致。 

      (4)长波辐射:长波辐射年际波动较小,林冠向上的长波辐射年平均值为13 299.3 MJ/m2,大气逆辐射平均值为12 468.6 MJ/m2。与反射辐射相同,受季节性落叶的影响,林冠向上的长波辐射峰值也出现在5月。大气逆辐射受云层,水汽等影响[38-39],年际波动较大,雨季云层较厚,大气逆辐射较高,林冠向上的长波辐射和大气逆辐射的最低值都在2月份。大气逆辐射日变化呈双峰曲线,从季节日变化上看,雨季完全没有双峰的变化趋势,雾凉季的双峰趋势最为明显,从而推测这种变化趋势是受到雾的影响,雾凉季(11至次年2月)浓雾现象较多,不仅雾浓厚,且雾时较长,一般从22:00至次日12:00均有浓雾出现[34]。可见大气逆辐射对于天气状况变化的反应非常敏感,而以往的研究中由于缺乏观测数据,对于森林生态系统大气逆辐射长期的观测研究和机理分析较少。林冠向上的长波辐射在不同时间尺度上总是高于大气逆辐射,因此林冠层有效辐射在不同时间尺度上均是正值,表明热带季节雨林林冠始终是大气的一个热源。有效辐射占总辐射的比值低于鼎湖山针阔混交林和帽峰山亚热带常绿阔叶林[15-16],这可能是由热带季节雨林叶面积指数相对较高,林冠郁闭度高,林冠向上的长波辐射较低所导致。

      本文利用14年的辐射实测数据,对西双版纳热带季节雨林辐射的长期变化特征进行了研究,结果显示总辐射、林冠向上的长波辐射和有效辐射呈增加趋势,净辐射呈降低趋势,且在统计上显著,其他辐射分量的年际变化趋势不明显,有效辐射的变异系数最大。影响太阳总辐射的因子包括云量、水汽、大气的气体成分、太阳活动、气温和降水以及区域小气候。在西双版纳热带季节雨林,雾凉季雾日较多且持续时间长,对各辐射分量都有不同程度的影响,雾的生成和消散可能直接影响了干季大气逆辐射的日变化趋势,具体的影响机制还需要进一步的研究,此外季节性落叶导致林冠林相产生的季节变化,也影响了反射辐射和林冠向上的长波辐射。因此在辐射模型、气候模型的建立中应该考虑区域小气候以及下垫面变化的影响。

      致谢:感谢全球变化组全体师生的帮助和支持,此外树木年轮组林友兴师兄对本文提供了细致的修改建议,中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站对本研究提供了支持,在此表示感谢。

参考文献 (39)

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