亞熱帶地區(qū)水稻田地表反照率變化特征*

白昕欣, 黃蕭霖, 秦孟晟, 張?jiān)婪? 陳留根, 郭 智, 郝 璐**

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210044; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所 南京 210014)

亞熱帶地區(qū)水稻田地表反照率變化特征*

白昕欣1, 黃蕭霖1, 秦孟晟1, 張?jiān)婪?, 陳留根2, 郭 智2, 郝 璐1**

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210044; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所 南京 210014)

利用地面實(shí)測(cè)資料研究稻田地表反照率, 一方面可以更好地刻畫(huà)以稻田為主要土地利用方式的流域地氣之間的能量分配過(guò)程; 另一方面, 可以為陸面模式提供更為準(zhǔn)確的參數(shù)值, 以及為遙感反演的地表反照率提供驗(yàn)證, 從而為更好地解釋土地利用/覆被變化對(duì)全球氣候變化的影響機(jī)制提供參考。本文利用江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水試驗(yàn)基地四分量?jī)x測(cè)得的2016年稻田地表反照率數(shù)據(jù), 分析了稻田地表反照率特征, 并結(jié)合同期觀測(cè)的太陽(yáng)短波輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù), 進(jìn)行相關(guān)性分析, 識(shí)別影響稻田地表反照率的主要?dú)庀笠蜃? 為進(jìn)一步量化地表反照率與溫度及濕度等的參數(shù)化關(guān)系提供參考。結(jié)果表明: 晴天稻田地表反照率整體上呈“U”型分布, 中午較低, 下午和上午較高。晴天稻田地表反照率在一天內(nèi)的變化呈不對(duì)稱特性,其不對(duì)稱性主要是由露水和風(fēng)速、風(fēng)向引起。太陽(yáng)高度角較小時(shí), 露水的散射作用使得上午時(shí)分的地表反照率值較下午高; 而太陽(yáng)高度角較大時(shí), 西南風(fēng)促使作物葉面傾斜, 從而使得下午的地表反照率值較上午高。稻田晴天地表反照率值較陰雨天高。地表反照率在晴天與出射短波輻射相關(guān)系數(shù)最高(0.670,P＜0.01), 在陰天與相對(duì)濕度之間的相關(guān)程度最高(-0.480,P＜0.05)。在整個(gè)觀測(cè)期間, 稻田生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 地表反照率最高值出現(xiàn)在灌漿期到成熟期之間, 插秧到分蘗期之間最低, 其中灌漿期地表反照率與太陽(yáng)短波輻射及濕度間的相關(guān)程度較高, 并且均通過(guò)了P＜0.01顯著性檢驗(yàn)。分蘗期和拔節(jié)期是水稻生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率變化較快的兩個(gè)生育期, 并受氣象因素的顯著影響。

水稻田; 地表反照率; 生長(zhǎng)季; 不對(duì)稱; 氣象因子

地表反照率控制著到達(dá)地球表面的凈輻射能量[1],反映地氣之間的能量分配狀況, 是地球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵變量, 對(duì)地表和大氣之間的水熱交換具有重要的意義[2-4]。當(dāng)入射到地表的太陽(yáng)短波輻射一定時(shí), 地表反照率越大, 說(shuō)明地表反射的太陽(yáng)輻射越多, 地表吸收的能量較少; 而地表反照率越小, 說(shuō)明地表反射的太陽(yáng)輻射越少, 地表吸收的能量較多, 則會(huì)引起一定的增溫效應(yīng)[5]。地表反照率影響地表溫度、蒸散、光合作用和呼吸作用等生物物理及化學(xué)過(guò)程,因此地表反照率直接或間接地影響著全球及區(qū)域氣候[5]。

高分辨率的地表反照率參數(shù)在監(jiān)測(cè)降水以及農(nóng)作物災(zāi)害等突發(fā)自然過(guò)程, 作物種植、作物收獲等地區(qū)尺度的人類活動(dòng)過(guò)程[6-8], 自然生態(tài)系統(tǒng)的輻射能量平衡過(guò)程[9]和城市熱島[10]等中具有重要作用。作為許多陸面氣候模式和地表能量平衡方程中的一個(gè)重要輸入?yún)?shù), 地表反照率是影響地球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵變量[11]。

地表反照率的大小受多種因素的共同影響。地表反照率隨太陽(yáng)高度角的增大而減小, 隨土壤濕度的增加而減小[12]。陳云浩等[13]利用NOAA衛(wèi)星資料對(duì)我國(guó)西北地區(qū)的地表反照率進(jìn)行反演發(fā)現(xiàn), 在植被覆蓋度和土壤濕度狀況的共同影響下, 我國(guó)西北地區(qū)地表反照率呈現(xiàn)明顯的地帶性分布。楊娟等[10]利用MODIS地表雙向反照率產(chǎn)品MOD43B3研究了北京地區(qū)地表反照率時(shí)空分布及變化特征, 發(fā)現(xiàn)山區(qū)的地表反照率最低, 其次為北京城區(qū), 而平原區(qū)和永定河流域的地表反照率較高。蔡福等[14]用NCEP再分析資料, 發(fā)現(xiàn)一年中夏季7月的地表反照率最低, 春秋季的地表反照率較高, 而冬季 1月的地表反照率最高。遙感方法是獲取大區(qū)域地表反照率的有效方法。但是, 遙感數(shù)據(jù)反映的是地表綜合信息, 與其分辨率有關(guān), 所以遙感反演的地表反照率需要實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證。另一方面, 當(dāng)前陸面過(guò)程模式中, 地表反照率作為診斷變量由其他參數(shù)導(dǎo)出,在時(shí)間和空間上存在較大的不確定性[2]。因此, 考慮下墊面的空間異質(zhì)性, 盡可能地開(kāi)展各種不同下墊面地表反照率觀測(cè)試驗(yàn)具有重要意義。

張亞峰等[15]研究了干旱區(qū)春小麥(Triticum aestivum)發(fā)育期反照率變化特征, 發(fā)現(xiàn)晴天地表反照率在每日內(nèi)的變化呈“U”型分布, 而其日變化的不對(duì)稱性主要是受上午附著在春小麥葉表面的露珠影響。余予等[16]研究了安徽省壽縣地區(qū)小麥田和水稻(Oryza sativa)田的地表反照率變化, 發(fā)現(xiàn)麥田和稻田整個(gè)生育期內(nèi)的地表反照率具有大致相同的變化趨勢(shì)。盡管前人對(duì)農(nóng)田地表反照率有了一定的研究,但是對(duì)不同氣候年型下的農(nóng)田地表反照率, 尤其是亞熱帶地區(qū)水稻田地表反照率的相關(guān)研究較少。本研究觀測(cè)了 2016年偏暖濕氣候年型下的稻田地表反照率, 分析了稻田地表反照率變化特征。

本文以亞熱帶地區(qū)秦淮河流域水稻田為研究對(duì)象, 利用江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水試驗(yàn)基地的四分量?jī)x, 分析了不同天氣狀況下以及生長(zhǎng)季內(nèi)稻田地表反照率變化特征, 并結(jié)合溫度、濕度及風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù), 分析了其可能影響因素, 以期為陸面模式提供相關(guān)參數(shù)以及為遙感反演的地表反照率提供地面驗(yàn)證。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究站點(diǎn)位于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水試驗(yàn)基地,該基地位于溧水縣白馬鎮(zhèn)(119.2°E, 31.6°N, 海拔高度38 m), 總面積為 0.8 km2, 站點(diǎn)四周均為水稻田, 水源來(lái)自于白馬湖水庫(kù)?；镜孛差愋蜑榍鹆? 土質(zhì)類型為白漿土。基地屬于秦淮河流域, 為亞熱帶季風(fēng)氣候, 雨量充沛, 年降水量為 1 048 mm, 四季分明, 年平均溫度15.4 ℃。根據(jù)溧水站多年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(1985—2016年, 包括氣溫、降水量以及相對(duì)濕度)分析, 溧水2016年5月和6月的平均氣溫較歷年偏低, 而其他月份的平均氣溫較歷年偏高。2016年水稻生長(zhǎng)季平均氣溫略高于歷年同期值。除8月份外,2016年水稻生長(zhǎng)季內(nèi)各月的相對(duì)濕度和降水量均大于歷年同期值?？傮w上, 2016年水稻生長(zhǎng)季屬于偏暖濕年份(表1)。觀測(cè)站點(diǎn)種植的水稻品種為‘南粳9108’, 2016年的插秧時(shí)間為6月17日, 6月27日進(jìn)入分蘗期, 7月15日進(jìn)入拔節(jié)期, 8月12日進(jìn)入抽穗期, 8月15日進(jìn)入灌漿期, 10月10日進(jìn)入成熟期, 10月25日收獲。

表1 研究站點(diǎn)(溧水)2016年氣象條件與歷年平均值(1985—2015年)比較Table 1 Monthly means of meteorological factors in 2016 and averages from 1985-2015 in the study area of Lishui

1.2 觀測(cè)儀器與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文的地表反照率和氣象數(shù)據(jù)來(lái)自基地安裝的四分量?jī)糨椛鋫鞲衅?CNR4)、雨量筒(TE525MM)、紅外溫度傳感器(109-L50)以及風(fēng)速風(fēng)向傳感器等常規(guī)氣象觀測(cè)儀器。由CNR4可分別測(cè)得向上和向下的短波輻射及向上和向下的長(zhǎng)波輻射量, 短波輻射光譜范圍為 0.31～2.80 μm, 長(zhǎng)波輻射光譜范圍為4.20～42.00 μm。四分量?jī)糨椛鋫鞲衅?、紅外溫度傳感器安裝在稻田中央距地面2 m高度處, 風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在稻田中央距地面 3 m高度處, 雨量筒水平安裝在稻田中央距地面 70 cm高度處, 數(shù)據(jù)無(wú)重復(fù)。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中, 剔除缺測(cè)值, 選擇白天8: 00—17: 00的半小時(shí)反照率數(shù)據(jù), 求得白天的反照率日均值, 分析稻田生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季內(nèi)水稻不同生育階段以及非生長(zhǎng)季的反照率變化特征。選擇 4—11月之間幾個(gè)典型晴天的白天地表反照率數(shù)據(jù),分析稻田反照率的日變化特征, 再結(jié)合溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)分析晴天白天反照率的不對(duì)稱現(xiàn)象。根據(jù)晴天、陰天和雨天3種不同天氣狀況下的白天地表反照率數(shù)據(jù), 分析稻田反照率在不同天氣狀況下的日變化特征。

采用作圖法分析典型晴天和不同天氣條件下以及整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)稻田地表反照率的變化特征, 用SPSS軟件的典型相關(guān)分析方法分析稻田地表反照率同短波輻射、溫度及相對(duì)濕度之間的相關(guān)關(guān)系。用MATLAB軟件處理研究站點(diǎn)的歷年氣象條件數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 晴天稻田地表反照率的日變化特征

2.1.1 水稻不同發(fā)育期典型晴天的稻田地表反照率

從水稻播種之前到收獲的不同階段, 各選取一個(gè)典型晴天分析白天的地表反照率變化(圖1)。所選擇的晴天日期分別是4月29日(插秧前期)、5月16日(插秧前期)、6月17日(插秧期)、7月22日(拔節(jié)期)、8月 15日(灌漿期)、9月2日(灌漿期)、10月9日(成熟期)和11月2日(收獲后期)。

從圖 1可以看出, 稻田日地表反照率整體呈現(xiàn)中午小、上午和下午較大的“U”型分布特征, 與張亞峰等[15]的研究結(jié)果相同。在所選取的幾個(gè)典型晴天中, 地表反照率最低值均出現(xiàn)在中午左右, 而最高值在上午和下午均有分布。日反照率的最高值為0.23, 出現(xiàn)在8月15日和9月2日的上午; 最低值為0.07, 出現(xiàn)在6月17日接近中午的時(shí)候。水稻的晴天日地表反照率呈向上的拋物線主要受太陽(yáng)高度角影響。地表反照率隨太陽(yáng)高度角的增加而減小,中午太陽(yáng)高度角較大, 上午和下午太陽(yáng)高度角較小,因此一天中中午的地表反照率較低, 上午和下午的地表反照率較高。

圖1 水稻不同生育期典型晴天日(月-日)的稻田地表反照率Fig.1 Surface albedo of paddy fields in typical sunny days(month-day) in different growth periods of rice

隨著水稻生長(zhǎng), 地表反照率的日變化特征變得更加明顯。水稻插秧前期, 日地表反照率變化幅度較小, 最大值和最小值之間差異較小; 水稻插秧之后, 日地表反照率波動(dòng)較大, 最大值與最小值之間差異明顯增大。典型晴天稻田地表反照率在中午較小, 上午和下午較大, 同太陽(yáng)高度角呈相反的變化趨勢(shì), 不同天氣條件下, 地表反照率也不同, 因此水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的地表反照率變化受太陽(yáng)高度角和氣象條件的共同影響。

2.1.2 晴天地表反照率不對(duì)稱特征及其成因

晴天水稻田的地表反照率日變化呈現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象[15], 不對(duì)稱性由上午與下午地表反照率的差值占二者均值的百分?jǐn)?shù)表示。選取4月29日(插秧前期)、5月 16日(插秧前期)、6月 17日(插秧期)、7月 22日(拔節(jié)期)、8 月 15 日(灌漿期)、9 月 2 日(灌漿期)、10月9日(成熟期)和11月2日(收獲后期)的典型晴天分析晴天稻田地表反照率的不對(duì)稱特征(圖2), 選取 4月 29日(插秧前期)、5月 16日(插秧前期)、6月 17日(插秧期)、7月 22日(拔節(jié)期)、8月 15日(灌漿期)和9月2日(灌漿期)的典型晴天分析晴天稻田地表反照率的不對(duì)稱成因(圖3、4、5)。

地表反照率半小時(shí)均值日變化呈不對(duì)稱性的可能原因: 一是植被葉面受到風(fēng)速和風(fēng)向的影響[17-19],二是附著在植被上面的露水的散射作用使得反照率增加[20-22]。由圖2可以看出, 當(dāng)太陽(yáng)高度角小于60°時(shí), 一般上午的地表反照率大于下午; 當(dāng)太陽(yáng)高度角大于60°時(shí), 下午的地表反照率值大于上午。利用典型晴天的氣象數(shù)據(jù), 計(jì)算了各時(shí)間點(diǎn)的平均露點(diǎn)溫度。通過(guò)露點(diǎn)溫度和空氣實(shí)際溫度對(duì)比(圖3a)可以看出, 夜晚實(shí)際氣溫和露點(diǎn)溫度較為接近, 有利于露水的產(chǎn)生; 白天實(shí)際氣度和露點(diǎn)溫度差異較大, 不利于露水的產(chǎn)生。由于夜晚產(chǎn)生的露水的散射作用使上午的地表反照率增加, 從而導(dǎo)致了上午的地表反照率大于下午的不對(duì)稱現(xiàn)象。

由典型晴天的平均入射短波輻射和出射短波輻射圖(圖 3b)可以看出, 晴天上午的入射短波輻射明顯高于下午, 而上午的出射短波輻射和下午相當(dāng),說(shuō)明這一時(shí)期的地表反照率主要受到下墊面狀況的影響。由典型晴天的風(fēng)速圖(圖4)可以看出, 上午和下午的風(fēng)速較小, 中午前后的風(fēng)速較大, 說(shuō)明太陽(yáng)高度角較大(中午前后)時(shí)地表反照率不對(duì)稱性可能是受風(fēng)的影響。典型晴天的風(fēng)玫瑰圖(圖5)表明, 在觀測(cè)區(qū)域, 約 85%的風(fēng)速大于 2 m·s-1, 其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。植被葉面受風(fēng)向的影響, 葉傾角發(fā)生改變, 由于地表反照率隨太陽(yáng)高度角的增加而減小,上午葉面相對(duì)太陽(yáng)的高度角增大, 反照率減小; 下午葉面相對(duì)太陽(yáng)的高度角減小, 地表反照率增大,因此產(chǎn)生了下午地表反照率大于上午的反照率不對(duì)稱現(xiàn)象。

圖2 稻田不同時(shí)期典型晴天地表反照率的不對(duì)稱性Fig.2 Surface albedo asymmetry of paddy fields in typical sunny days in different growth periods of rice

2.2 不同天氣狀況下的地表反照率

選取 10月 9日(晴天)、10月 11日(陰天)和 10月7日(雨天)代表3種不同天氣狀況, 地表反照率調(diào)查結(jié)果(圖 6)表明, 稻田地表反照率整體上晴天＞陰天＞雨天。晴天和陰天的地表反照率不對(duì)稱性較為明顯, 均為上午較高, 下午較低; 而雨天的地表反照率較為對(duì)稱, 這可能與晴天和陰天上午地表附著較多的露水有關(guān)。晴天地表接收的太陽(yáng)短波輻射較大,土壤濕度較小, 因此地表反照率較高。受太陽(yáng)高度角的影響, 地表反照率的日變化較為明顯。陰天到達(dá)地表的太陽(yáng)短波輻射較少土壤濕度較大, 地表反照率較小, 反照率的日變化幅度最小。雨天條件下, 到達(dá)地表的太陽(yáng)輻短波射最小, 土壤濕度較大, 反照率也相應(yīng)減小, 地表反照率的日變化較幅度較小。

2.3 水稻不同發(fā)育期內(nèi)的稻田地表反照率

由圖 7可以看出, 從 6月17日水稻插秧到 10月25日水稻收獲, 稻田的地表反照率整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 與Raja等[23]和Zhang等[24]的研究結(jié)果相同。整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi), 地表反照率最高值出現(xiàn)在灌漿期, 插秧及成熟期的地表反照率最低。從6月27日開(kāi)始水稻進(jìn)入分蘗期, 地表反照率呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升的趨勢(shì)。7月15日水稻進(jìn)入拔節(jié)期, 水稻生長(zhǎng)旺盛, 地表反照率迅速上升。8月12日水稻進(jìn)入抽穗期, 地表反照率較大。8月 15日開(kāi)始, 水稻進(jìn)入灌漿期, 地表反照率呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。10月 10日開(kāi)始, 水稻進(jìn)入成熟期, 由于水稻停止生長(zhǎng)作物開(kāi)始枯萎, 地表反照率迅速降低。由圖 8可以看出, 6月底到7月上旬(分蘗期)之間以及9月初到10月上旬(灌漿期)之間降水量較多, 并且這兩個(gè)時(shí)期的地表反照率波動(dòng)較大; 而水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的其他時(shí)期, 降水量較小且地表反照率的波動(dòng)性不明顯,因此, 降水的增多可能是導(dǎo)致分蘗期和灌漿期地表反照率波動(dòng)較大的一個(gè)共同原因。

2.4 稻田反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的關(guān)系

2.4.1 不同天氣狀況下稻田反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的關(guān)系

圖3 稻田不同時(shí)期典型晴天的平均露點(diǎn)溫度與實(shí)際溫度(a)和平均短波輻射量(b)的日變化特征Fig.3 Daily dynamics of averages of dew point temperature and actual temperature (a) and average shortwave radiation (RS) (b)of paddy fields in typical sunny days in different growth periods of rice

圖4 稻田不同時(shí)期典型晴天平均風(fēng)速日變化Fig.4 Daily dynamics of average wind speed of paddy fields in typical sunny days in different growth periods of rice

圖5 稻田不同時(shí)期典型晴天的風(fēng)玫瑰圖Fig.5 Wind rose map of paddy fields in typical sunny days in different growth periods of rice

圖6 不同天氣狀況下的稻田地表反照率Fig.6 Surface albedo of paddy fields under different weather conditions

相關(guān)性分析表明(表2), 晴天地表反照率與地表2 m處的溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度較高, 其中與出射短波輻射顯著相關(guān)(0.670,P＜0.01)。陰天地表反照率與相對(duì)濕度之間的相關(guān)程度最高。雨天地表反照率與三者之間的相關(guān)程度均比較低。

2.4.2 不同發(fā)育期稻田反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的關(guān)系

1)稻田反照率與溫度及短波輻射變化

在水稻生長(zhǎng)初期, 稻田反照率與溫度存在明顯的相反趨勢(shì)(圖9)。4月20日到7月上旬地表反照率減小, 地表吸收的太陽(yáng)輻射增加, 地表溫度上升。9月底, 地表反照率開(kāi)始升高, 地表吸收的太陽(yáng)輻射減少, 地表溫度下降。其他階段, 植被生長(zhǎng)較為旺盛,地表反照率與地表溫度的關(guān)系較不明顯。

圖7 水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的稻田地表反照率(Ⅰ為水稻插秧到分蘗期, Ⅱ?yàn)樗痉痔Y期, Ⅲ為水稻拔節(jié)期, Ⅳ為水稻抽穗期,Ⅴ為水稻灌漿期, Ⅵ為水稻成熟期)Fig.7 Surface albedo of paddy fields during rice growing season (Ⅰ is from transplant stage to tillering stage, Ⅱ is tillering stage,Ⅲ is jointing stage, Ⅳ is heading stage, Ⅴ is filling stage, and Ⅵ is maturity stage)

圖8 水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的降水量Fig.8 Precipitation during rice growing season

表2 不同天氣狀況下稻田反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlativity between surface albedo and temperature, humidity and shortwave radiation of paddy field in different weather conditions

圖9 觀測(cè)期內(nèi)的稻田地表反照率與溫度的變化Fig.9 Changes of surface albedo and temperature in paddy field during the observation period

地表的入射短波輻射與出射短波輻射在時(shí)間上的變化趨勢(shì)基本保持一致, 而地表反照率的變化趨勢(shì)略滯后于入射和出射短波輻射的變化趨勢(shì)(圖 10)。在稻田未整地之前, 地表反照率同入射短波輻射的變化趨勢(shì)最為一致, 這一時(shí)期下墊面狀況基本保持不變,而入射到地表的短波輻射主要受太陽(yáng)高度角和天氣狀況影響; 開(kāi)始整地插秧后, 下墊面改變對(duì)出射短波輻射的影響較大, 地表反照率相對(duì)入射短波輻射滯后現(xiàn)象較為明顯, 其中水稻生長(zhǎng)較為旺盛時(shí)期這種滯后現(xiàn)象最為明顯, 說(shuō)明這一階段, 除了太陽(yáng)高度角和天氣狀況的影響, 作物的生長(zhǎng)狀況對(duì)地表反照率的影響也較大。

2)不同發(fā)育期稻田反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)關(guān)系

圖10 觀測(cè)期內(nèi)的短波輻射量與地表反照率Fig.10 Changes of shortwave radiation (Rs) and surface albedo of paddy fields during the observation period

相關(guān)性分析表明, 整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)地表反照率與溫度及短波輻射之間呈正相關(guān)關(guān)系, 與地表2 m處相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。水稻生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率與濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度較高。水稻不同生育期內(nèi)地表反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度差異較大, 其中灌漿期地表反照率與太陽(yáng)短波輻射及相對(duì)濕度間的相關(guān)程度較高, 并且均通過(guò)了P＜0.01顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)于水稻生育期, 稻田非生育期內(nèi)(水稻插秧之前和收獲之后)的地表反照率與地表2 m處的溫度相關(guān)程度較高, 與濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度較低(表2)。

3 討論

3.1 稻田與其他農(nóng)田的地表反照率對(duì)比

已有的相關(guān)研究結(jié)果表明[25-27], 不同下墊面地表反照率差異較大, 其中雪地的地表反照率最大,可以接近0.9左右, 其次為植被覆蓋較少的荒漠、戈壁、退化的草地及裸地等, 在植被覆蓋較多的地區(qū)如農(nóng)田和森林, 地表反照率較小, 森林的地表反照率最小, 農(nóng)田下墊面中因種植作物類型的差異[28],地表反照率也有所不同。干旱區(qū)的麥田反照率大于半濕潤(rùn)區(qū), 這可能是由于半濕潤(rùn)區(qū)土壤濕度較大。對(duì)比小麥生育期內(nèi)反照率[15-16]和本文稻田生育期內(nèi)反照率的觀測(cè)結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)麥田和稻田整個(gè)生育期內(nèi)的反照率變化規(guī)律大致相同, 均為先升高再減小。余予等[16]對(duì)比了小麥田和水稻田的反照率變化, 發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)初期小麥田的反照率比水稻田高 0.02, 生長(zhǎng)中期小麥田和水稻田的反照率相當(dāng), 孕穗期后水稻田的反照率高于小麥田的反照率, 完全成熟時(shí)水稻田的反照率比小麥田反照率高約 0.04。本文的水稻生育期內(nèi)地表反照率同余予等[16]的變化趨勢(shì)基本相似, 都是在抽穗期和灌漿期較大, 從插秧到分蘗期和成熟期較小。但是, 在同一生育期內(nèi), 本文的地表反照率較小, 這可能是由于溧水實(shí)驗(yàn)基地位于秦淮河流域內(nèi), 周圍水庫(kù)較多, 水分充裕, 土壤濕度較大的緣故。

3.2 影響地表反照率的因子

Liu等[25]發(fā)現(xiàn)玉米(Zea mays)農(nóng)田地表反照率與太陽(yáng)高度角和土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與植被指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。鄭志遠(yuǎn)等[29]發(fā)現(xiàn)裸土地表反照率隨太陽(yáng)高度角及土壤濕度的增加而減小。張樂(lè)樂(lè)等[30]研究發(fā)現(xiàn), 土壤水分增加, 地表反照率明顯減小,而且這種關(guān)系還受到植被生長(zhǎng)周期的影響。Usowicz等[31]發(fā)現(xiàn)隨著生物炭用量的增加, 地表反照率明顯減小, 并且降雨過(guò)后, 休耕地的地表反照率降低,而草地則相反。李慧芳等[32]研究了內(nèi)蒙古錫林浩特市地表反照率, 均發(fā)現(xiàn)地表反照率與歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Bsaibes等[33]研究發(fā)現(xiàn), 葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)同地表反照率之間的關(guān)系受土地覆被類型的影響, 且 LAI較小時(shí), 地表反照率的差異較大, 而隨著 LAI的增加, 地表反照率趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn), 地表反照率的大小受到多種因素的共同影響, 如下墊面的顏色、植被覆蓋率、土壤溫度、土壤濕度、太陽(yáng)高度角和大氣透過(guò)率等。

我們的結(jié)果表明, 典型晴天狀況下, 稻田地表反照率與太陽(yáng)高度角有關(guān), 白天中午地表反照率最低, 上午和下午地表反照率較大, 因此地表反照率隨太陽(yáng)高度角的增加而減小。同時(shí), 晴天地表反照率每日內(nèi)的變化特征還受到當(dāng)天晝夜溫差及風(fēng)的影響, 太陽(yáng)高度角小于60°時(shí), 晝夜溫差導(dǎo)致上午植被表面附著較多露水, 同一太陽(yáng)高度角下上午地表反照率較下午大; 而太陽(yáng)高度角小于60°時(shí), 風(fēng)使得植被葉面傾斜, 同一太陽(yáng)高度角下下午地表反照率較上午大。地表反照率也與天氣狀況有關(guān), 晴天大氣透過(guò)率較大, 地表反照率也較大, 而陰雨天大氣透過(guò)率較小, 地表反照率也較小。地表反照率還與水稻的生長(zhǎng)狀況有關(guān)。水稻生長(zhǎng)初期, 地表反照率隨水稻的生長(zhǎng)而增加, 在水稻接近成熟時(shí), 稻田地表反照率變化較為平緩。當(dāng)水稻成熟時(shí), 地表反照率開(kāi)始下降, 水稻收獲之后, 地表反照率進(jìn)一步降低。對(duì)于土壤濕度及植被覆蓋度等因子對(duì)地表反照率的影響研究, 將是未來(lái)需要開(kāi)展的重點(diǎn)。

表3 水稻不同發(fā)育期地表反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlativity between surface albedo and temperature, humidity and shortwave radiation of paddy fields in different growth periods of rice

4 結(jié)論

1)晴天稻田地表反照率整體上呈“U”型分布, 中午較低, 下午和上午較高。隨著水稻的生長(zhǎng), 地表反照率的日變化特征變得更為明顯。晴天稻田地表反照率的不對(duì)稱性主要是由露水和風(fēng)速風(fēng)向引起, 太陽(yáng)高度角較小時(shí), 露水的散射作用使得上午的地表反照率值較下午高, 而太陽(yáng)高度角較大時(shí), 西南風(fēng)促使作物葉面傾斜, 從而使得下午的地表反照率值較上午高。

2)不同天氣狀況下的地表反照率不同, 稻田晴天地表反照率值較陰雨天高。晴天地表反照率變化趨勢(shì)較大, 陰天和雨天變化趨勢(shì)較小。晴天和陰天時(shí)的地表反照率的不對(duì)稱性較為明顯。地表反照率在晴天與出射短波輻射相關(guān)系數(shù)最高(0.67,P＜0.01),在陰天與相對(duì)濕度之間的相關(guān)程度最高(-0.48,P＜0.05)。

3)生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 并會(huì)受到降水的影響。整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi), 地表反照率最高值出現(xiàn)在灌漿期到成熟期之間, 插秧到分蘗期之間最低。水稻生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率與濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度較高, 但是不同生育期內(nèi)地表反照率與溫度、濕度及短波輻射之間的相關(guān)程度差異較大, 其中灌漿期地表反照率與太陽(yáng)短波輻射及濕度間的相關(guān)程度較高, 并且均通過(guò)了P＜0.01顯著性檢驗(yàn)。

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Characteristics of surface albedo in subtropical paddy rice fields*

BAI Xinxin1, HUANG Xiaolin1, QIN Mengsheng1, ZHANG Yuefang2,CHEN Liugen2, GUO Zhi2, HAO Lu1**
(1.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China; 2.Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

As a key input parameter of numerical climate models and surface energy balance equations, surface albedo affects climatic systems on the earth.Data observed on rice paddy surface albedo not only better depict energy distribution between ground and atmosphere in paddy fields, but also provide more accurate parameters values for land surface models.It also provides authentication for remote sensing inversions of surface albedo and therefore better explains the effects of land use/cover changemechanism on global climate change.Using CNR4 measured surface albedo in paddy fields at Lishui Experiment Station in 2016,we analyzed the characteristics of surface albedo of paddy field.In the study, we combined the analysis of surface albedo with temperature, humidity, wind speed, wind direction and other meteorological data.Some other possible factors affecting surface albedo in paddy fields were also analyzed.The correlation coefficient between surface albedo and temperature reflected the effect of land surface albedo on temperature.The correlation between surface albedo and meteorological factors (e.g., humidity and solar radiation) was used to study the relationship among surface albedo, temperature and humidity.The results showed that surface albedo had a U-type of distribution for sunny days, which was lowest at noon, highest in the afternoon and morning, but also affected by precipitation.Surface albedo on sunny days was asymmetrical, which was mainly caused by dew, wind speed and wind direction.As actual air temperature was close to dew point temperature at night, more dew settled on leaves in the morning.When solar altitude angle was small, the scattering effect of dew resulted in higher surface albedo in the morning than in the afternoon.When solar altitude angle was high, dew on leaf surfaces gradually evaporated.Southwest winds influenced the tilting of crop leaves, resulting in higher surface albedo in the afternoon than in the morning.Surface albedo was higher on sunny days than on cloudy and rainy days.The correlation coefficient between surface albedo and outgoing shortwave radiation was highest (0.670,P＜ 0.01) on sunny days, while the correlation coefficient between surface albedo and relative humidity was highest (-0.480,P＜0.05) on cloudy days.The trend in surface albedo during the growing season initially increased and then decreased.Surface albedo was highest during grain-filling to mature stage of rice and was lowest during transplanting to tillering stage.The correlation coefficient among surface albedo, humidity and shortwave radiation for rice growing season was high.Also the correlation coefficients between surface albedo and temperature, and then between humidity and shortwave radiation were not the same for different growth stages.During grain-filling period, the correlation among surface albedo, solar shortwave radiation and humidity was more significant, all atP＜ 0.01 significance level.Surface albedo changed greatly at tillering and jointing stages, and were significantly affected by climatic factors.

Mar.31, 2017; accepted Jun.30, 2017

Rice paddy field; Surface albedo; Growing season; Asymmetrical; Meteorological factors

P422

A

1671-3990(2017)11-1707-11

10.13930/j.cnki.cjea.170276

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571026, 71373130)和南京信息工程大學(xué)本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))支持計(jì)劃項(xiàng)目資助

** 通訊作者: 郝璐, 主要研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象。E-mail: hl_haolu@163.com

白昕欣, 主要研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象。E-mail: baiinin@163.com

2017-03-31 接受日期: 2017-06-30

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41571026, 71373130) and the Outstanding Undergraduate Thesis (Design) Support Program of Nanjing University of Information Science & Technology.

** Corresponding author, E-mail: hl_haolu@163.com