安徽省淮南森林冠層輻射傳輸過(guò)程的特征

戴秋丹 郭振海 孫菽芬 肖霞

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LASG），北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所公共技術(shù)服務(wù)中心，北京 100029

1 引言

森林植被處在大氣和地面之間，通過(guò)對(duì)其間輻射、水、和CO2等物質(zhì)能量的吸收、傳輸?shù)壬镂锢砗突瘜W(xué)作用，在全球范圍內(nèi)熱帶森林破壞和CO2濃度持續(xù)升高的背景下，深刻影響氣候和人類的 生 存 環(huán) 境（Sellers et al., 1995; Ni et al., 1997；Bonan，2008）。而林冠是森林與外界環(huán)境相互作用最直接和最活躍的界面層，通過(guò)葉片反射、吸收和透射太陽(yáng)輻射來(lái)傳輸能量（Ni et al., 1997; Dai and Sun, 2006; Isabelle et al., 2018）。被森林冠層反射向上的輻射通過(guò)決定反照率控制進(jìn)入大氣的感熱和潛熱，影響其上的氣候；森林冠層內(nèi)部的太陽(yáng)輻射吸收和分布調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度決定光合作用和蒸騰作用強(qiáng)度（Sellers，1985；Pieruschka et al., 2010），影 響 干 物 質(zhì) 產(chǎn) 量（Monteith, 1972; Cannell et al.,1988; Oker-Blom et al., 1989） 和 冠 層 的 溫 度（Isabelle et al., 2018）；透過(guò)森林冠層傳遞到下層的輻射和水決定和影響林下小氣候（Dai，1996）、林下物種（Aubin et al., 2000）、枯枝落葉的分解及土壤微生物的生長(zhǎng)情況。因此，了解冠層內(nèi)輻射傳輸和能量分配，對(duì)于更好地理解各種不同的生物化學(xué)過(guò)程，模擬冠層內(nèi)輻射傳輸、光合作用和呼吸作用以及整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的能量水分平衡和碳循環(huán)是非常重要的。

林業(yè)和氣候?qū)W都有大量關(guān)于描述森林冠層太陽(yáng)輻射各個(gè)方面的研究（張小全等，1999；Wang,2003；Pinty et al., 2006; Bonan，2008；Mercado et al., 2009；Isabelle et al., 2018；周文艷等，2018），氣候和陸面過(guò)程研究中有很多是針對(duì)北方森林的研究，也有一些中國(guó)熱帶和北方森林區(qū)域森林輻射的研究（張敏，2008；韋志剛等，2016），但對(duì)我國(guó)半濕潤(rùn)與濕潤(rùn)季風(fēng)過(guò)渡區(qū)的森林冠層研究到目前報(bào)道不多。

入射的太陽(yáng)輻射由短波輻射和長(zhǎng)波輻射組成，兩者都被上覆的冠層結(jié)構(gòu)所改變，形成了不同于樹冠上方或鄰近開闊區(qū)域的強(qiáng)烈的空間和時(shí)間變化（Webster et al., 2016）。太陽(yáng)的短波輻射由直射光和漫射光構(gòu)成。研究結(jié)果表明，多云的天氣條件下支持使用簡(jiǎn)單的比爾-朗伯特輻射傳輸方案來(lái)計(jì)算輻射透過(guò)率。而在晴空條件下，對(duì)于森林高大植被和低矮植被混合的復(fù)雜情況（如高大的喬木、中間的灌木層、以及低矮的草本共存），冠層內(nèi)部葉片之間、冠層和地面的多次散射會(huì)大大消減其中的輻射，簡(jiǎn)單的比爾朗伯特方案是不夠的（Isabelle et al., 2018）。目前陸面模式和氣候模式中的輻射參數(shù)化模型已經(jīng)越來(lái)越多包含復(fù)雜的植被太陽(yáng)輻射傳輸特性的考慮，如直射光與漫射光分開處理，考慮漫射光的多次散射過(guò)程；冠層區(qū)分光照葉子和遮蔭葉 子（Wang and Leuning, 1998; Dai, et al., 2004)，葉面積指數(shù)分層，以及考慮葉子正反面的光學(xué)特性等更詳細(xì)的冠層過(guò)程，但在應(yīng)用中還需要更多驗(yàn)證和合理簡(jiǎn)化（Dai and Sun, 2007; Qiu et al., 2016）。植被冠層內(nèi)輻射隨高度變化的研究也較少（M?ttus and Sulev, 2006）。這些都需要加強(qiáng)森林冠層的輻射傳輸研究，針對(duì)冠層內(nèi)的分層輻射的觀測(cè)，研究太陽(yáng)輻射在冠層中隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。

本文基于安徽省淮南森林觀測(cè)站取得觀測(cè)資料，開展森林冠層內(nèi)輻射隨高度變化的研究，系統(tǒng)分析淮南地區(qū)森林冠層的輻射傳輸和能量分配；本研究為驗(yàn)證和改進(jìn)森林冠層輻射傳輸、森林光合作用和林下土壤呼吸等模式提供依據(jù)。

2 觀測(cè)場(chǎng)地及資料處理

2.1 觀測(cè)點(diǎn)基本情況介紹

淮南森林觀測(cè)站（32°44′N，117°08′E）位于安徽北部淮南地區(qū)上窯森林公園內(nèi)西邊一個(gè)小山坡上（圖1a），具有典型的淮南地區(qū)地形和地貌特征。公園總面積約10.4 平方公里，境內(nèi)為石灰?guī)r組成的低山丘陵，其上覆蓋植被多為人工栽植和天然次生，有人工針葉林如側(cè)柏純林、闊葉落葉混交林、闊葉次生林和竹林等類型，有大量毛櫸、櫟樹、香樟和槐樹，以及一些銀杏、水杉、金錢松和鵝掌楸等植物。站點(diǎn)西面靠近村莊，站點(diǎn)區(qū)域樹的密度大約是每公頃2978 株，全部為麻櫟樹，樹木平均大約高15 m，最高約20 m。站點(diǎn)周圍植被覆蓋主要以麻櫟、刺槐、毛櫸等落葉闊葉林為主，也有石楠、香樟等常綠喬木。林下灌木有牡荊、櫟樹的小樹枝和櫻花樹等，地表為草、爬藤植物和枯枝落葉覆蓋，枯枝落葉層比較厚。2018 年4 月測(cè)得樹木根部的小枝、灌木平均高約90～130 cm，樹下草本植物50～90 cm。2019 年6 月測(cè)得枯枝落葉層大約5 cm。下面土壤較薄，石頭較多，土壤質(zhì)地屬于砂壤土。

站點(diǎn)所在的淮南地區(qū)位于淮河以南，處于北半球暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的過(guò)渡地帶（王懷軍等，2017），受季風(fēng)氣候影響，日照充足，夏季雨量充沛，冬季干旱，四季分明。年際降水量變化大（顏俊等，2019），季節(jié)分布不均勻。所用的數(shù)據(jù)期間2018 年7 月至2019 年6 月，年降水量約為925 mm，最大降水量在2019 年6 月，為212.4 mm；年平均氣溫為16.2°C，1 月和7 月的平均氣溫分別為2.6°C 和28.7°C（降水和氣溫資料來(lái)源于淮南氣象站，下同）”。

2.2 觀測(cè)儀器及資料處理

觀測(cè)站現(xiàn)設(shè)有兩座大氣觀測(cè)塔（相距17.2 m）。大塔108 m（圖1b），有6 層觀測(cè)臺(tái)，進(jìn)行常規(guī)的風(fēng)、溫度、濕度和冠層以上CO2濃度等氣象觀測(cè)以及太陽(yáng)輻射的觀測(cè)。小塔設(shè)在植被冠層內(nèi)，有兩層觀測(cè)架（分別在高于地面3.5 m 和6 m 處），布設(shè)一套CR1000 型氣象觀測(cè)系統(tǒng)（包括CR3000 數(shù)據(jù)采集器、CNR4 四分量?jī)糨椛鋫鞲衅鳌MP343二氧化碳傳感器、WindSonic 二維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器和Hydra Probe II 土壤溫濕度傳感器等），集中對(duì)冠層內(nèi)的太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、溫度和大氣CO2濃度、以及土壤、枯枝落葉的水分、溫度及CO2濃度等進(jìn)行觀測(cè)。

圖1 （a）淮南森林觀測(cè)站地貌圖及（b）108 m 觀測(cè)大塔Fig.1 (a) Geomorphologic map of area around Huainan forest observation station and (b) the 108-m height observation tower

資料分析的是2018 年7 月至2019 年6 月為期一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括樹冠內(nèi)離地3.5 m 和6 m 兩層太陽(yáng)輻射的觀測(cè)，以及冠層頂部25 m 的輻射觀測(cè)，太陽(yáng)輻射分量包括向下短波輻射、向上短波輻射、向下長(zhǎng)波輻射、向上長(zhǎng)波輻射和凈輻射。觀測(cè)資料均采用質(zhì)量控制方法進(jìn)行處理后用于科學(xué)研究，本文分析的輻射數(shù)據(jù)為10 分鐘、30 分鐘和日平均值。冠層頂月平均輻射計(jì)算采用的是10 分鐘平均輻射數(shù)據(jù)得到日平均值，再去求月平均。月平均反照率也是采用10 分鐘數(shù)據(jù)，當(dāng)向下太陽(yáng)輻射大于150 W m?2時(shí)進(jìn)行計(jì)算，然后求日平均，再求月平均值。冠層內(nèi)用的是30 分鐘平均數(shù)據(jù)計(jì)算得到月平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 森林冠層輻射變化特征

大塔上的輻射儀距地面25 m，在森林植被冠層之上，代表森林冠層頂?shù)妮椛涮卣鳌D2 給出的是淮南森林站月平均向下的太陽(yáng)短波輻射、向上的短波輻射、向下的長(zhǎng)波輻射和向上的長(zhǎng)波輻射，及各自標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖2 中可以看出，向下的太陽(yáng)短波輻射月平均值在5～7 三個(gè)月比較高，冬季12～2 三個(gè)月急劇減小，最高值出現(xiàn)在6 月，達(dá)到233.6 W m?2；最低值出現(xiàn)在12 月，為63.7 W m?2。向上的太陽(yáng)短波輻射月平均值在5、6 月比較高，也是在冬季三個(gè)月急劇減小，最高值出現(xiàn)在5 月，為36.1 Wm?2；最低值也出現(xiàn)在12 月，為9.4 W m?2。向下和向上的長(zhǎng)波輻射變化比較一致，都是最高值出現(xiàn)在7 月，最低值出現(xiàn)在1 月，分別是向下的長(zhǎng)波輻射最高值為436.2 W m?2，最低值為288.8 W m?2；向上的長(zhǎng)波輻射最高值為468.2 W m?2，最低值為329.7 W m?2。

圖2 淮南森林觀測(cè)站冠層頂（a）向下短波輻射、（b）向上短波輻射、（c）向下長(zhǎng)波輻射和（d）向上長(zhǎng)波輻射的月平均值（柱狀）和標(biāo)準(zhǔn)差（短線）Fig.2 Monthly means (bars) and standard deviations (short lines) of (a) downward shortwave radiation, (b) upward shortwave radiation,(c) downward longwave radiation, and (d) upward longwave radiation above the canopy at Huainan forest observation station

基于短波和長(zhǎng)波輻射測(cè)量值，可以計(jì)算得到凈輻射?；茨仙终镜膬糨椛湓缕骄底兓容^大（圖3），由2018 年7 月份達(dá)最大為155.8 W m?2，單調(diào)遞減，12 月份達(dá)最小值，為19.6 W m?2，再單調(diào)增高。

3.2 冠層內(nèi)輻射變化特征

太陽(yáng)輻射的日變化決定了光合作用和蒸騰作用的日過(guò)程，而冠層中輻射的垂直梯度是衡量不同高度的葉片吸收能量的一個(gè)指標(biāo)。我們分析冠層內(nèi)兩層短波輻射和長(zhǎng)波輻射的月季變化規(guī)律，也對(duì)比了冠層之上的輻射，從而可以看出輻射的垂直分布變化。除去數(shù)據(jù)不全和數(shù)據(jù)不合理的月份，給出了2018 年7 月至2019 年1 月，及2019 年4 月 的結(jié)果。結(jié)果表明冠層內(nèi)向下的短波輻射無(wú)論是冠層中間（樹冠部位，距地面6 m）（圖4a）還是冠層之下（樹冠之下灌叢之上，距地面3.5 m）（圖4b）日變化都比較大，有單峰和雙峰甚至是三峰型，出現(xiàn)峰值的時(shí)間也不相同，但多數(shù)出現(xiàn)在下午13:00（北京時(shí)，下同）左右，與4 個(gè)典型晴天的結(jié)果比較一致（圖略）。冠層中間和冠層之下的向上的短波輻射變化曲線平滑（圖4c, d）。

冠層中間向下的短波輻射在10～1 月比較高（圖4a），7～9 月比較小，冠層之下也是同樣的趨勢(shì)（圖4c），數(shù)值小一些（圖5a），這主要是因?yàn)?0～1 月樹葉凋落，透過(guò)的輻射較多，12 月和1 月，二者最多相差僅1.4 倍。冠層中間在10月向下輻射達(dá)最大，冠層之下在4 月最大，這是春秋季太陽(yáng)輻射、樹葉凋落和生長(zhǎng)以及環(huán)境風(fēng)等共同作用造成的。10 月冠層中間與冠層之下的向下輻射最大相差可達(dá)3 倍。7、8 月冠層中間和冠層之下向下輻射都比較小，二者相差也小，最高相差2 倍，這時(shí)由于植物到達(dá)生長(zhǎng)最大期，樹葉濃密遮蔭造成的。

圖3 淮南森林觀測(cè)站冠層頂凈輻射月平均（柱狀）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（短線）Fig.3 Monthly means (bars) and standard deviations (short lines) of net radiation above canopy at Huainan forest observation station

圖4 淮南森林觀測(cè)站櫟樹植被冠層內(nèi)（a）6 m 高度和（b）3.5 m 高度向下的短波輻射，以及（c）6 m 和（d）3.5 m 向上的短波輻射月平均日變化曲線Fig.4 Diurnal variations of monthly mean downward shortwave radiation (a) within the canopy (6 m height) and (b) below the canopy (3.5 m height)and upward shortwave radiation (c) within the canopy (6 m) and (d) below the canopy (3.5 m) at Huainan forest observation station

冠層內(nèi)向上的短波輻射7～10 月份都很小，其中9、10 月最小，到11 月稍微增高，12 月明顯變高，1、4 月達(dá)到很高。但7～10 月冠層中間的數(shù)值大（圖4c，d），是冠層下面的1.5 倍左右。在11 月、12 月冠層中間和冠層之下的向上短波輻射相差不大（圖5b）。

我們給出逐日的植被冠層之上（大塔25 m 處，在櫟樹冠層上面）和冠層中間（小塔6 m，在櫟樹樹冠中間）以及冠層之下（小塔3.5 m，在櫟樹樹冠下面）的輻射對(duì)比。圖6 可見從春季到夏季，櫟樹冠層之上向下的太陽(yáng)短波輻射增加，到冬季逐漸減少。由于冠層的消光作用，冠層中間和冠層之下的向下短波輻射比冠層之上的小，且呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。從晚春開始，冠層中間和冠層之下由于葉片生長(zhǎng)增多造成遮蔭，其向下的太陽(yáng)短波輻射下降，從秋季到冬季樹葉凋落其向下的太陽(yáng)輻射增加，與冠層之上的相反；但從晚春開始，冠層內(nèi)和冠層下的輻射趨于一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)；夏季在冠層之上向下短波輻射最高的一段時(shí)間內(nèi)，此時(shí)樹葉較為濃密，冠層中間和冠層之下的向下短波輻射趨于一個(gè)平均的量值，波動(dòng)起伏變化不大。盡管總體隨季節(jié)的變化趨勢(shì)不一樣，但從輻射波動(dòng)的形式來(lái)看，冠層中間和冠層之下的向下短波輻射與冠層之上的向下短波輻射隨天氣波動(dòng)是一致的，只是冠層中間的輻射波動(dòng)幅度小很多，冠層之下的輻射波動(dòng)幅度就更小一些。7 月和10 月波動(dòng)平穩(wěn)，與當(dāng)時(shí)晴空天氣相對(duì)濕度低吻合一致（圖9）。

圖5 淮南森林觀測(cè)站櫟樹植被冠層內(nèi)6 m 和3.5 m 高度（a）向下和（b）向上短波輻射月平均日變化Fig.5 Diurnal variations of monthly mean (a) downward and (b) upward shortwave radiation within (6 m) and below (3.5 m) the canopy at Huainan f orest observation station

無(wú)論冠層之上、冠層中間還是冠層之下，向上的太陽(yáng)短波輻射隨季節(jié)的變化都與向下的短波輻射變化相似，只是數(shù)值要小得多（圖7）。

冠層之上、冠層中間和冠層之下向下的長(zhǎng)波輻射（圖8）隨時(shí)間的變化趨勢(shì)都是一樣的，都是從春季逐漸開始增大至夏季達(dá)到最大，隨后隨著太陽(yáng)角的減小而逐漸減小并在冬季達(dá)到最小。但冠層之上向下的長(zhǎng)波輻射比冠層中間和冠層之下的長(zhǎng)波輻射的起伏要大。因?yàn)楣趯又系拈L(zhǎng)波輻射是來(lái)自大氣的長(zhǎng)波輻射，隨著天氣條件變化而變化，一般晴天向下長(zhǎng)波輻射較小，陰雨天變大。相對(duì)而言冠層中間和冠層之下的長(zhǎng)波輻射變化幅度比冠層之上的變化幅度小，這是因?yàn)橐环矫婀趯娱L(zhǎng)波輻射率相對(duì)固定，另一方面冠層及其上截留的雨或雪使得冠層的熱容量比空氣大，溫度變化比氣溫變化要小一些（王勝等，2005；李偉平等，2008）。就空間變化而言，冠層中間和冠層之下的向下長(zhǎng)波輻射值比冠層之上的輻射值高，使得冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射的振幅增大，春秋季最大，其次冬季，夏季增幅最小且比較平穩(wěn)。這是因?yàn)榇呵锛撅L(fēng)大，光線透過(guò)樹葉，陽(yáng)光加熱冠層反倒最強(qiáng)，在秋季晴空條件最高可達(dá)1.3 倍；夏季雖然輻射比較強(qiáng)，但是雨季，對(duì)長(zhǎng)波輻射的增幅最小，而且平穩(wěn)。冬季陰雨天也比較多，相對(duì)濕度比較大的頻率高，這種天氣下冠層溫度與大氣溫度幾乎一致，因此冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射沒(méi)有增幅的頻率也很多（圖9），此時(shí)冠層中間和冠層之下的長(zhǎng)波輻射與冠層之上的都很接近（圖8）。但只要是晴天，冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射增幅也還是顯著的（圖9），比夏天的要高，這與阿爾卑斯山杉林冠（李偉平等，2008）觀測(cè)到的結(jié)果是一致的。冠層中間和冠層之下的長(zhǎng)波輻射全年都很接近，這是因?yàn)槎叩臏囟认嗖詈苄　?/p>

圖6 冠層之上、冠層中間和冠層之下日平均太陽(yáng)向下短波輻射Fig.6 Daily mean downward shortwave radiation below, within, and above the canopy

圖7 冠層之上、冠層中間和冠層之下日平均太陽(yáng)向上短波輻射Fig.7 As in Fig.6, but for upward shortwave radiation

圖8 冠層之上、冠層中間和冠層之下日平均太陽(yáng)向下長(zhǎng)波輻射Fig.8 As in Fig.6, but for downward longwave radiation

圖9 冠層之下與冠層之上日平均入射長(zhǎng)波輻射的比值（細(xì)實(shí)線）及日平均大氣相對(duì)濕度（粗實(shí)線）Fig.9 Ratio of downward longwave radiation below the canopy to that above the canopy (thin solid line) and daily mean atmospheric relative humidity (thick solid line)

冠層之上、冠層中間和冠層之下的向上的長(zhǎng)波輻射（圖略）相差很小，總體來(lái)說(shuō)冠層之上的輻射稍大于冠層中間的，冠層中間的又稍大于冠層之下的。冠層之上與冠層中間的向上長(zhǎng)波輻射最大相差7.2 W m?2，冠層之上與冠層之下的最大相差9.4 W m?2，冠層中間與冠層之下最大只差2.6 W m?2。

3.3 森林冠層內(nèi)外反照率、透射率及吸收率的變化特征

淮南森林區(qū)冠層頂部（25 m）年平均反照率為0.14，比沙漠和高原地區(qū)低（朱德琴等，2006），比西南40 km 的壽縣（32°25′N，116°46′E)反照率低0.18（壽縣資料來(lái)源于“壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)”）。比北方森林也要低，比中國(guó)北方地區(qū)（35°N）溫帶季風(fēng)氣候區(qū)（混交林為主）反照率的整體水平（趙久佳和張曉麗，2015）低0.01，表明淮南森林區(qū)的森林茂密、灌叢更多些。四季從春到冬的反照率平均值分別為0.15，0.14，0.14 和0.13，與我們挑選代表四個(gè)季節(jié)的四個(gè)典型晴天（圖略）的差別很小，4 個(gè)典型晴天4 月6 日，7月13 日，10 月28 日和1 月23 日的日平均反照率分別為0.15、0.13、0.14 和0.13，都是在春季大，冬季小，總的變化比較小。由圖10 可見，冠層頂反照率全年變化不算大（0.12～0.16），總體趨勢(shì)7～9 月較低為0.13，10～11 月微高，12～3 月反降，最低為3 月，4～6 月又升高，一年內(nèi)最高為5 月。上半年反照率比下半年的高，符合森林區(qū)的特征（閆俊華等，2000），因?yàn)榱謪^(qū)有常綠闊葉樹，上半年樹葉的顏色較淺，下半年樹葉的顏色較深。具體表現(xiàn)為4～6 月的反照率比較高，其中最高是5 月，對(duì)應(yīng)于樹木長(zhǎng)葉的盛期，樹葉色澤鮮亮較淺，葉子反射率較高，且這個(gè)季節(jié)是很多樹木花草的開花期，楠樹和槐樹等的花皆為白色，增大了反照率。7～9 月反照率比較低，且變化不大趨于平穩(wěn)，是因?yàn)檫@段時(shí)間植被樹葉濃密，生長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定，樹葉的顏色比較深。落葉林樹葉在10～11 月逐漸掉落，這兩個(gè)月的土壤水分最低，反照率稍微增高。12～3 月反照率又降低，且與別的地方的趨勢(shì)也不一樣（Bonan et al., 1995; Betts and Ball, 1997），原因可能是櫟樹葉子雖已凋落，林下是一層厚厚的黃褐色的枯枝落葉，6 月測(cè)量大約5 cm 厚，在秋冬隨著樹葉凋落，會(huì)更厚一些，顏色也會(huì)逐漸變深，且11～2 月常有降雨發(fā)生，土壤濕度比較大，使得反照率降低。站點(diǎn)附近的一些常綠喬木如石楠在冬天仍然生長(zhǎng)旺盛，也是反照率比非森林區(qū)低的原因。若無(wú)資料誤差，更確切的原因有待進(jìn)一步的觀測(cè)和研究。2 月有降雪，出現(xiàn)6 天高于0.15 的值，因此標(biāo)準(zhǔn)偏差大。

圖10 淮南森林站地表反照率的月平均（柱狀）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（短線）Fig.10 Monthly means (bars) and standard deviations (short lines) of surface albedo at Huainan forest observation station

我們也計(jì)算了冠層內(nèi)的反照率，6 m 處冠層的反照率為0.25，3.5 m 的反照率為0.2 左右。圖11給的是日平均冠層之下、冠層中間和冠層之上的反照率?？梢钥吹剑瑯淙~成熟期（夏季），反照率冠層中間>冠層之下>冠層之上，即冠層之上反照率最小，里面最大。落葉和生長(zhǎng)期（冬季和早春），冠層之下>冠層中間>冠層之上。11 月葉子凋落加之降水比較多（11 月降水量為116.8 mm，僅次于8 月的196.1 mm，比7 月的114.1 mm 也多），冠層中間的反照率變小。

圖11 冠層之下、冠層中間和冠層之上的日平均反照率Fig.11 Daily mean albedos below, within, and above the canopy

圖12 冠層上層、冠層下層和整個(gè)冠層的日平均短波輻射透射率Fig.12 Daily mean transmittances of the upper layer, lower layer, and whole canopy

此外，還計(jì)算了冠層內(nèi)外的短波輻射透射率，公式為 τ=Rb/Ra，對(duì)于冠層上層、冠層下層和冠層整層的透射率（分別以 τ1， τ2和 τ表 示）， Rb和 Ra分別代表冠層中間距離地面6 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射和冠層之上距離地面25 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射；冠層之下距離地面3.5 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射和6 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射；以及3.5 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射與25 m 處向下的太陽(yáng)短波輻射的比值。冠層上層和整層的透射率 τ1和 τ主要受葉片的影響，在夏季和早秋都比較?。▓D12），秋季隨著葉片的落下而增加，到冬天透射率趨于一個(gè)平穩(wěn)的波動(dòng)量值。夏季冠層整層的短波透射率 τ平均為0.1，Isabelleet al.（2018）北方脂冷杉林冠層夏季的整層短波透射率大約為0.3。冠層下層的透射率 τ2隨秋季的到來(lái)逐漸減小，到了冬季又逐漸增大，與太陽(yáng)高度角的季節(jié)變化一致。可能是因?yàn)楣趯由蠈訕淙~偏多，截獲了很多光線，使得樹葉本身的影響變小。但到了冬天，冠層葉子凋落，只剩下枝干，下層的透光率增加趨于一個(gè)平穩(wěn)的波動(dòng)（圖12）。阿爾卑斯山杉林冠層整層短波透射率從10 月中旬到第二年2 月也有同樣的變化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)逐漸減小再逐漸增加的過(guò)程（李偉平等，2008）。冠層上層的透射率 τ1在夏秋季節(jié)很低，在0.15 上下浮動(dòng)，只比整層的 τ高一點(diǎn)，比下層的τ2高很多，因?yàn)闄禈錁涔谏喜糠謽淙~比下部分多（需要實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)LAI 以確定），攔截了大部分的輻射。冬季冠層上層的透射率 τ1介于冠層整層和下層的透射率之間，如12 月冠層整層的平均透射率 τ為0.62，冠層上層的平均透射率 τ1為0.85，下層的平均透射率 τ2為0.73。是因?yàn)楣趯由厦娴娜~子落得多一些，樹冠上只有樹干和枝條及少量葉子所致。

地表的短波輻射吸收率為 Υg=1?αg, αg為地表的反照率，即前面提到的冠層之下3.5 m 的反照率。冠層吸收率的計(jì)算是 Υc=1?αc?τc, αc為冠層的反射率， τc為冠層透射率。圖13 給出的是日平均的地表和冠層的太陽(yáng)輻射吸收率?？梢钥吹?，地面的吸收率在冬天稍高，是因?yàn)榈孛嬗幸粚雍窈竦妮^暗的枯枝落葉，土壤的吸收率增大造成。冠層的吸收率在夏季最高，秋季逐漸降低，隨著葉子凋落在冬季迅速減小，達(dá)到平穩(wěn)。

冠層對(duì)輻射的吸收直接用于光合作用和葉溫的升高。太陽(yáng)輻射中能被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的那部分能量稱為光合有效輻射（PAR），波長(zhǎng)0.4～0.7 μm，是形成生物量的基本能源，直接影響著植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。在森林冠層 頂PAR 約 占 太 陽(yáng) 輻 射 的0.4（Betts and Ball,1997），林內(nèi)的 PAR 由于同樣受到森林冠層、林下灌木、草本植物的阻擋和截留，其時(shí)空分布會(huì)發(fā)生顯著的變化，強(qiáng)度逐級(jí)降低，與森林的類型、結(jié)構(gòu)和功能等密切相關(guān)，受晴天和陰天的影響也很大，與太陽(yáng)輻射的比例和冠層頂是不同的（Escobedo et al., 2009），因此研究光合作用還需要進(jìn)行PAR 的觀測(cè)。

圖13 地表和冠層的日平均吸收率Fig.13 Daily mean absorbance values of the ground and canopy

由于森林冠層上面的輻射傳感器不在小塔的正上方，而是在17.2 m 之外的大塔上，則兩邊凈輻射和反射率會(huì)有少量差別。大塔底部做了些人為處理，100 m2圍欄內(nèi)為粗糙的水泥表面，已無(wú)植被覆蓋，地表輻射與小塔下面自然植被覆蓋是不一樣的。雖然兩個(gè)塔之間僅相距17.2 m，文中利用大塔冠層頂?shù)妮椛渑c小塔冠層內(nèi)的輻射計(jì)算反射率、透射率和吸收率或許也會(huì)有一定誤差。

4 結(jié)論

本文利用淮南森林站2018 年7 月1 日至2019年6 月30 日觀測(cè)到的冠層輻射數(shù)據(jù)，分析了淮南櫟樹森林冠層頂部太陽(yáng)輻射的變化、太陽(yáng)輻射在冠層中的分布傳輸時(shí)空變化特征，以及冠層反照率、透射率和吸收率等。得到了如下一些結(jié)果：

（1）從春季到夏季，櫟樹冠層之上向下的太陽(yáng)短波輻射增加，到冬季逐漸減少。由于冠層的消光作用，冠層中間和冠層之下的向下短波輻射比冠層之上的小，且呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。從早春開始，由于葉片生長(zhǎng)增多，其向下的太陽(yáng)短波輻射下降，從秋季到冬季樹葉凋落，其向下的太陽(yáng)輻射增加，與冠層之上的相反；但從晚春開始，冠層內(nèi)和冠層下的輻射趨于一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)；夏季在冠層以上向下短波輻射最高的一段時(shí)間內(nèi)，此時(shí)樹葉較為濃密，冠層中間和冠層之下的向下短波輻射趨于一個(gè)平均的量值，波動(dòng)起伏變化不大。對(duì)于向上的短波輻射，無(wú)論冠層之上、冠層中間還是冠層之下，隨季節(jié)的變化都與向下的短波輻射相似，只是數(shù)值要小得多。

（2）冠層之上、冠層中間和冠層之下向下的長(zhǎng)波輻射隨時(shí)間的變化從春季逐漸開始增大至夏季達(dá)到最大，隨后隨著太陽(yáng)角的減小而逐漸減小并在冬季達(dá)到最??；就空間變化而言，冠層中間和冠層之下的向下長(zhǎng)波輻射值比冠層之上的輻射值高，使得冠層對(duì)長(zhǎng)波輻射的振幅增大，晴空條件最高可達(dá)1.3 倍。

（3）淮南森林區(qū)冠層之上（距地面25 m）年平均反照率為0.14，比中國(guó)北方地區(qū)（35°N）溫帶季風(fēng)氣候區(qū)（混交林為主）反照率的整體水平低0.01，表明淮南的森林茂密、灌叢更多些。

（4）冠層上層和整層的短波輻射透射率主要受葉片的影響，在夏季和早秋都比較小，秋季隨著葉片的落下而增加，到冬天透射率趨于一個(gè)平穩(wěn)的波動(dòng)。夏季，冠層整層的短波透射率 τ平均為0.1。冠層上層短波透射率 τ1在夏秋季節(jié)很低，在0.15 上下浮動(dòng)，只比整層的透射率 τ高一點(diǎn)，比冠層下層的透射率 τ2高很多，因?yàn)闄禈錁涔谏喜糠謽淙~比下部分多，攔截了大部分的輻射。到冬季，冠層上層透射率 τ1介 于 τ和 冠層下層透射率 τ2之間，因?yàn)闃淙~凋落，樹冠上只有樹干和枝條及少量葉子所致。τ2隨秋季的到來(lái)逐漸減小，到了冬季又逐漸增大，與太陽(yáng)高度角的季節(jié)變化一致。但到了冬天，葉子凋落，透射率增加并趨于一個(gè)平穩(wěn)的波動(dòng)。

（5）地面的短波吸收率在冬天稍高，可能是因?yàn)榈孛嬗幸粚雍窈竦妮^暗的枯枝落葉，土壤的吸收率增大造成。冠層的短波吸收率在夏季最高，秋季逐漸降低，隨著葉子凋落在冬季迅速減小，達(dá)到平穩(wěn)。