2015–2020 年中國光合有效輻射重構數據集

吳彤，辛華劍，劉慧，胡波，劉子銳，劉廣仁

1.中國科學院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學院大學，北京 100049

3.東北農業大學，哈爾濱 150000

4.陜西省氣象臺，西安 710014

引 言

太陽輻射是地球生物生存所需的主要能源[1]，而植物進行光合作用所吸收的太陽光主要在波長400–700 nm 之間，這一部分太陽光譜被稱為光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）。光合有效輻射作為影響植物生理活動眾多因素中的關鍵因子[2]，不僅是植物合成自身所需要營養物質的能量來源，還直接影響到植被的生長速度、發育狀況、分布范圍和物種豐富度[3]，進而影響整個陸地生態系統。而對海洋生態系統來說，光合有效輻射同樣也會直接影響海洋浮游植物的數量和生長范圍，導致海洋初級生產力變動，進而影響海洋魚類的數量和分布[4]。此外，光合有效輻射也是重要的氣候資源，對地表與大氣環境之間的物質、能量交換有重要影響[5]。因此，精確的光合有效輻射時空數據對生態系統生產力的評估、全球農作物產量及糧食安全問題、大氣CO2濃度變化情況、區域碳匯的計算等方面具有重要意義，對生態學、農學、資源與環境學、氣候學等領域的研究均能提供有力的數據支撐。

目前，我國已有多種光合有效輻射的估算方法，包括傳統氣候學方法、遙感估算方法等，但存在一些不足，如遙感信息的瞬時性等[6]。也有基于日照時數進行的光合有效輻射估算研究，但結果表明在特殊天氣情況下會有較大誤差[7]。還有基于Himawari-8 衛星構建光合有輻射反演算法，但在創建代價函數時僅通過一個波段，可能獲取的信息不夠充分，導致衛星反演數據時間分辨率不高[8]。另外還有根據其他影響因子建立的估算模型，在不同區域內均有其適用性[9-12]，但大尺度的光合有效輻射估算方法還有待研究。本文基于中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）已有數據構建估算公式，并結合CMA（China Meteorological Administration）等的歷史數據重構全國范圍的光合有效輻射數據，數據效果得到很好驗證[13]，具體方法將在后文介紹。

CERN 監測中國資源和生態環境的各項數據，其中的氣象輻射觀測系統從2004 年開始觀測，監測內容包含溫度、風速、氣壓、濕度等氣象要素以及總輻射、反射輻射、紫外輻射、光合有效輻射等，站點覆蓋了全國8 種典型的生態類型，具體包括城市（1 個）、農田（15 個）、森林（10 個）、湖泊（2 個）、海灣（3 個）、草地（2 個）、荒漠（6 個）、濕地（1 個）。這些站點根據氣候條件和地貌狀況等因素，可歸類于我國的8 個氣候區，分別為西北地區（NWC）、青藏地區（TP）、中國北部（NC）、西南地區（SWC）、東北地區（NEC）、華北平原（NCP）、中國東部（EC）以及東南地區（SEC），分區參考神祥金等人的文獻[14]。站點基本信息如表1 所示。

表1 CERN 輻射觀測站的基本信息Table 1 Basic information about the CERN radiation observatory

1 數據采集和處理方法

重構全國光合有效輻射歷史數據的具體過程為：首先采用陽坤建立的“混合模型”[15]，模型用到的參數具體包含CMA 的氣象要素數據（如氣溫、日照時數、氣壓、相對濕度）、渾濁度系數、臭氧柱總量等，通過以上數據重構獲得總輻射數據。其中，渾濁度系數根據?ngstr?m 指數定律結合由MODIS（moderate-resolution imaging spectrometer）提供的氣溶膠光學厚度（AOD，Aerosol optical Depth）計算得到、臭氧柱總量由NASA/GSFC（National Aeronautics and Space Administration/Goddard Space Flight Center）獲得。其次是通過CERN 站點的觀測的PAR 和總輻射，按照氣候區域把我國分成8 個子氣候區域，分區域基于晴空指數建立光合有效輻射的重構方法，并利用站點觀測數據對重構精度進行檢驗。最后將重構方法和重構的總輻射進行耦合，進而獲得國家尺度的光合有效輻射重構數據。圖1 為此數據集生成方法的技術路線圖。

（1）總輻射數據的計算

太陽輻射在到達地面的過程中，主要受臭氧吸收、Rayleigh 散射、云的吸收及散射等方面的衰減作用。根據陽坤等人的研究，可由式（1）氣壓、渾濁度系數等參數計算得到太陽輻射直接輻射透過率和散射輻射透過率，云的透過率可由日照時數得到（晴空大氣狀況下云的透過率以100%計算），則到達地面的太陽輻射日累計值Rs可由式（2）得出：

其中：λ（μm）為波長，δ(λ)為AOD 值， 為渾濁度系數， 為?ngstr?m 指數。Rs為地面總輻射；τc為云的透過率，可通過日照時數獲得；t1、t2分別表示日出和日落時刻；τb為直接輻射透過率；τd為散射輻射透過率；R0為大氣層頂總輻射。

（2）晴空指數的計算

結合同一地理位置的地面總輻射及大氣層頂天文輻射數據即可得出：

其中：Ks為晴空指數。

（3）光合有效輻射重構的參數化方案

按照氣候區劃，我們在每個子氣候區域內選擇代表性較好，且連續觀測數據質量好的臺站建立光合有效輻射重構的參數化方案，具體構建過程以拉薩站的重構為例進行詳細說明：

將拉薩站已有的觀測數據隨機分為兩組，一組用于擬合形成經驗化公式，另一組用于檢驗公式精確程度。

在不同晴空指數范圍內，光合有效輻射隨太陽高度角正弦值變化為：

將計算得出的拉薩站不同時間的晴空指數分為若干區間，在區間內對應PAR的值，得到PARm關于Ks的散點圖，可以看出其滿足三次函數關系，即：

其中：PARm是指單位太陽高度角正弦值時光合有效輻射的值，μ為太陽高度角正弦值，n為光合有效輻射隨太陽高度角變化的程度，a、b、c、 為相關參數。

將已有數據代入公式（4）和（5），可得出a、b、c、 和n的值。最終，光合有效輻射小時值PAR?url和光合有效輻射日累計值PARdail為：

重構結果通過了顯著性檢驗，即證明此公式可用于拉薩站點。而拉薩站點在分區內位于青藏地區（TP），隨機選取青藏地區中的另一站點（本文選取站點為海北站），利用此公式得出該站點的光合有效輻射重構值，再與此站點的光合有效輻射觀測值加以比對，通過顯著性檢驗表明可以很好地應用到青藏地區[16]。用同樣的方法，在另外7 個氣候區選取代表性站點，分別為西北地區（阜康站）、中國北部（沙坡頭站）、西南地區（鹽亭站）、東北地區（海倫站）、華北平原（北京站）、中國東部（東湖站）及東南地區（鼎湖山站），最終形成在全國范圍內適用的光合有效輻射估算公式，如表2所示。

表2 不同氣候區的光合有效輻射估算公式Table2 Estimation formula of photosynthetically active radiation in different climate zones

2 數據樣本描述

2.1 數據內容描述

“光合有效輻射重構數據集.rar”由705 個站點的光合有效輻射文本文件構成，文本文件名為“*.txt”，*是指站點編號。壓縮包內文件夾“光合有效輻射2015–2020”中，各列數據分別代表年、月、日、大氣層頂天文輻射（MJ·m-2·d-1）、地面總輻射（MJ·m-2·d-1）和光合有效輻射（mol·m-2·d-1）。

2.2 數據樣本描述

以重構的50756 站點（CMA 黑龍江海倫站）數據為例，光合有效輻射日累計值的數據樣本如表3 所示，圖2 為該站近年來光合有效輻射日變化趨勢圖，總體而言夏高冬低，逐年最高值和最低值差異不大。

圖2 50756 站點2015–2020 光合有效輻射日變化趨勢圖Figure 2 Diurnal trend of photosynthetically active radiation at Site 50756 from 2015 to 2020

表3 50756 站點數據示例（部分）Table 3 Sample data of Site 50756 (partial)

3 數據質量控制和評估

CERN 輻射數據中，總輻射標準組儀器采用交替法進行標定，標定精度為±3%，符合WMO 總輻射表標定標準。光合有效輻射表采用光譜儀傳遞輻射標準燈的方案，標定精度在5%以內。而且，CERN 輻射觀測網的傳感器每2 年進行一次標定，整個輻射觀測系統每5 年進行一次輻射基準傳遞。此外，對所需使用的輻射值進行了嚴格的質量控制，具體包括：剔除所有太陽高度角小于5°時刻的數據；地面太陽輻射觀測值與大氣層頂比值大于0.03；選擇光合有效輻射與總輻射的比值介于1.3-2.8 之間的數據。通過以上方式，可有效減小儀器余弦效應及其他方面引起的誤差。

根據質量控制后的基礎數據，結合前文方法可得出CMA 各站點的光合有效輻射重構數據，將此數據與CERN 站點的觀測數據加以比對，可進一步驗證其精度，如57306 站點（CMA）與鹽亭（CERN）、55591 站點（CMA）與拉薩（CERN）、54285 站點（CMA）和長白山（CERN）等。本文以海倫和東湖的驗證方法為例，將重構數據設置為X 軸，觀測數據設置為Y 軸，統計結果精度以相關系數R2（correlation coefficient）、平均偏差誤差MBE（Mean Bias Error）和均方根誤差RMSE（Root Mean Square Error）表征，具體計算方法如下：

其中：Ci表示第i個重構值，Oi表示第i個觀測值，Cae表示重構平均值，Oae表示觀測平均值，N為樣本數。

擬合結果如圖3、圖4 所示，表明本數據集精度較高，可為其他領域研究提供數據支持。

圖3 海倫與50756 站點對比結果Figure 3 Results of the comparison between Hailun and Site 50756

圖4 東湖與57594 站點對比結果Figure 4 Results of the comparison between Donghu and Site 57594

4 數據使用方法及建議

光合有效輻射數據在農作物產量、生態系統生產力評估、碳匯計算精度、優化農業生產布局及糧食安全問題等重大科學問題中均有重要作用。本數據將為上述的相關研究提供長期可靠的數據基礎。通過機器學習可將本數據集進行空間插值，形成更高時空分辨率的數據，服務于光合有效輻射時空變化格局、精細化的碳源匯以及生產力評估等研究。數據上傳于科學數據銀行（Science Date Bank，http://doi.org/10.11922/sciencedb.01642），點擊鏈接即可進入界面下載完整版數據。數據為文本格式，方便打開，如有需要也可打開到EXCEL 中。此外，本數據集單位為：大氣層頂天文輻射（MJ·m-2·d-1）、地面總輻射（MJ·m-2·d-1）和光合有效輻射（mol·m-2·d-1）。

致 謝

感謝中國生態研究網絡（CERN）提供的光合有效輻射及其他各項觀測數據，以及中國氣象局（CMA）提供的總輻射及常規氣象要素的觀測數據。感謝CERN 監測站點工作人員在數據采集以及對觀測數據進行質量控制中的努力。最后感謝MODIS 團隊提供的AOD 數據和NASA/GSFC 臭氧處理團隊提供的臭氧數據。

數據作者分工職責

吳彤（1996—），男，山西人，碩士，研究方向為大氣輻射。主要承擔工作：數據整理及論文撰寫。辛華劍（1997—），男，黑龍江人，碩士，研究方向為農業生態與氣象變化。主要承擔工作：數據審核與質量控制。

劉慧（1989—）女，山西人，博士，研究方向為大氣輻射與遙感。主要承擔工作：輻射傳輸模式，重構方法構建及數據獲取。

胡波（1974—）男，云南人，博士，研究方向為大氣輻射。主要承擔工作：重構方法框架搭建，數據質量控制。

劉子銳（1982—）男，湖南人，博士，研究方向為氣溶膠理化特性及其對環境的影響。主要承擔工作：數據質量控制。

劉廣仁（1950—）男，北京人，本科，研究方向為通信工程。主要承擔工作：數據質量控制。