1961～2014年中國光合有效輻射重構數據集

摘要&關鍵詞

摘要：光合有效輻射是生態學、農學以及氣候學等學科研究中的一個關鍵因子。它是揭示相關物質與能量交換過程的基本生理變量；作為一種重要的氣候資源，它在光合作用潛力、潛在的產量和作物生長模擬研究，土壤碳的固定模擬研究中扮演着不可缺少的角色。在創建本數據集時，首先根據「混合模型」，利用中國氣象局常規觀測數據模擬得到地面總輻射歷史數據，然後由晴空指數（Ks）、太陽高度角和日照時數建立的光合有效輻射估算模塊重構我國724個觀測站日光合有效輻射數據。本數據集的時間範圍為1961～2014年。

關鍵詞：中國；光合有效輻射；混合模型；重構；晴空指數

Abstract & Keywords

Abstract: Photosynthetically active radiation (PAR) plays important roles in ecology, agriculture and climatology research. It is a fundamental physiological variable that influences the mass-energy.exchange processes. As an important climatic resource, PAR provides indispensable data for calculating the potential photosynthesis, potential yield, crop growth and carbon cycle. In this study, we used in-situ measured data from the Chinese Ecology Research Network to develop a model for estimating PAR under all-sky conditions. The 「hybrid model」 was used to calculate historical solar radiation based on routine observations by China Meteorological Administration. The solar radiation data were then applied with the PAR estimation model built upon clearness index, solar elevation angle and sunshine durations to obtain the historical daily PAR data at 724 routine stations from 1961 to 2014.

Keywords: China; photosynthetically active radiation; hybrid model; reconstruction; clear sky index

,數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）中文名稱	1961～2014年中國光合有效輻射重構數據集
數據庫（集）英文名稱	A dataset of reconstructed photosynthetically active radiation in China (1961 – 2014)
通訊作者	胡波（hub@post.iap.ac.cn）
數據作者	劉慧、唐利琴、胡波、劉廣仁、王躍思、肖天貴、史瑩瑩
數據時間範圍	1961～2014年
地理區域	中國陸地
數據格式	*.txt	數據量	69.5 MB
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/400
基金項目	中國科學院科技服務網絡計劃（STS計劃，KFJ-SW-STS-168）、國家重點研發計劃（區域大氣氧化能力與空氣質量的定量關係及調控原理，2017YFC0210003）
數據庫（集）組成	中國光合有效輻射重構數據集為1個壓縮文件，其中724個txt文件，每個文件為一個站點的光合有效輻射數據集，文件名為對應站點的編號；另有一個excel文件，為724個觀測站的站點信息。

引 言

光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）是指能被植物葉綠素吸收進行光合作用的那部分太陽輻射，波段範圍在400～700 nm。它是植物形成乾物質的能量來源，是描述植被對光合有效輻射能量吸收能力的指標，是揭示相關的物質與能量交換過程的基本生理變量^[1]。光合有效輻射作為一種重要的氣候資源，是光合潛力、潛在的產量和作物生長模擬研究以及土壤碳的固定模擬研究中不可缺少的基礎數據。另一方面，光合有效輻射還是陸地生態系統和海洋生態系統碳循環的核心因素之一，它的精確測量有助於修正淨生產率（NPP）和CO2源匯研究模型，使各種模式更貼近實際地–氣系統的變化規律^[2] 。光合有效輻射時空分布的監測是通過模式精確估算我國生態系統碳收支的基礎。因此，光合有效輻射研究在生態學、農學以及氣候研究中都具有重要的意義和價值。

1984年我國開始通過差值法研究光合有效輻射，1997年開始採用直接觀測法對光合有效輻射進行觀測研究，得到一些地區光合有效輻射變化規律^[3][4]，並且利用總輻射和光合有效輻射的主要影響因子，得到了適用於不同區域的光合有效輻射經驗估算模型^[5][6]。目前關於光合有效輻射的研究仍較分散，已建立的經驗模型具有較好的區域代表性，但是在拓展應用時仍需要藉助總輻射與光合有效輻射的同步觀測，因而大尺度的光合有效輻射觀測以及估算方法都還有待深入。

中國生態系統研究網絡（CERN）長期全面監測我國生態環境變化，通過對水、土、氣及生物的綜合研究為我國生態環境重大問題的研究提供全國範圍的基礎數據和理論支持。其氣象輻射觀測系統是我國第一個國家尺度的、採用直接觀測方式進行光合有效輻射連續觀測的地基觀測網，它由分布在我國8種典型生態類型（農田、森林、城市、草地、湖泊、荒漠、濕地、海灣）的44個野外觀測站組成。從2004年開始觀測，其中5個站點觀測時間較短，因此本數據集只採用了具有長時間觀測數據的39個站點。其數據反映了我國光合有效輻射的時空演變規律^[7][8]，但是也存在空間分辨率不足、時間尺度較短的問題。為了獲得更高時空分辨率的光合有效輻射數據，我們利用陽坤提出並發展的「混合模型」^[9][10]，結合中國氣象局（CMA）常規觀測數據、CERN的PAR和總輻射觀測數據、氣溶膠光學厚度（AOD）、臭氧柱總量以及天文輻射數據，重構得到光合有效輻射數據集。按照氣候特徵及行政區劃，參考Shen等人的文獻^[11]，將中國分成了8個區域，分別是東北地區（NEC）、華北地區（NCP）、中北地區（NC）、西北地區（NWC）、青藏高原地區（TP）、西南地區（SWC）、東南地區（SEC）、東部地區（EC）。圖1是CMA和CERN的站點分布圖，以及光合有效輻射重構模塊的區域劃分圖，黑色實線為區域分界線。

圖片

圖1 CMA和CERN站點分布及光合有效輻射重構模塊的區域劃分圖

1 數據獲取方法

CERN從2004年開始對生態監測網絡中所有的氣象輻射觀測系統進行全面升級改造，之後所有傳感器都符合WMO標準，精密度和穩定性高，可獲得高質量的輻射觀測數據。我們首先根據「混合模型」，利用CMA常規觀測數據（如日照時數、氣壓、溫度和相對濕度），MODIS的AOD數據和NASA/GSFC的O3數據模擬得到724個站點的地面總輻射歷史數據；然後利用CERN 39個站總輻射觀測數據以及大氣層頂天文輻射數據得到晴空指數，由39個站點PAR觀測數據、晴空指數、太陽高度角和日照時數完成PAR模塊參數化方案及驗證，最後使用該方案重構得到CMA的724個觀測站日光合有效輻射數據。圖2為數據集生成技術路線圖，簡要描述了數據集的生成過程。

圖片

圖2 數據集生成技術路線圖

陽坤研發的「混合模型」是一個半物理半經驗模型，既實現了Ångström模型計算的簡便性，又包含了輻射傳輸過程中的物理過程。具體思路為：晴空時，太陽輻射穿過大氣時因受到瑞利散射、臭氧吸收、氣溶膠吸收和散射、水汽吸收以及均一混合氣體吸收而衰減，這5種衰減作用對應的透過率分別表示為 解析失败 (SVG（MathML可通过浏览器插件启用）：从服务器“http://localhost:6011/zh.wikisource.org/v1/”返回无效的响应（“Math extension cannot connect to Restbase.”）：): {\displaystyle {\tau }_{r}、{\tau }_{oz}、{\tau }_{a}、{\tau }_{w}、{\tau }_{g}} 。太陽直接輻射透過率和散射輻射透過率分別表示為 ${\tau }_{b}$ 、 ${\tau }_{d}$ ，計算方法見公式（1）和（2）。 ${\tau }_{b}={\tau }_{r}{\tau }_{oz}{\tau }_{a}{\tau }_{w}{\tau }_{g}$(1)${\tau }_{d}=0.5{\text{ }}\left[{\tau }_{oz}{\tau }_{g}{\tau }_{w}\left(1-{\tau }_{a}{\tau }_{r}\right)\right]$(2) 以上公式中的5種透過率可通過地面氣壓、大氣可降水量、臭氧層厚度以及Ångström大氣渾濁度β計算獲得，具體計算過程可參見Yang^[9]等人的研究。由公式（3）可獲得晴空大氣狀況下到達地面的太陽輻射日值${R}_{clear}$ ， ${t}_{1}$ 和 ${t}_{2}$ 分別為日出和日落時刻，${R}_{0}$ 是大氣層頂的天文輻射。 ${R}_{clear}={\int }_{{t}_{1}}^{{t}_{2}}\left({\tau }_{b}+{\tau }_{d}\right){R}_{0}dt$(3) 有雲時，雲的透過率 ${\tau }_{c}$ 可以通過日照時數得到，其參數化方案如公式（4）。其中，n為日照時數，${N}_{s}$ 為最大可能日照時數，即晴空大氣條件下到達地面的太陽直接輻射超過120 W·m-2的日照時數。此條件下，到達地面的太陽輻射日值${R}_{s}$ 計算見公式（5）。 ${\tau }_{c}=0.2505+1.1468n/{N}_{s}-0.3974{\left(n/{N}_{s}\right)}^{2}$(4)${R}_{s}={\tau }_{c}\cdot {R}_{clear}$(5) 由於光合有效輻射與總輻射的變化規律基本一致，因此有學者用晴空指數${K}_{s}$ 和太陽高度角建立了光合有效輻射參數化估算模型，晴空指數的計算見公式（6）。 ${K}_{s}={R}_{s}/{R}_{0}$(6) 許多研究表明，不同${K}_{s}$ 範圍內，光合有效輻射隨太陽高度角正弦值（$\mu$ )變化關係可以用冪函數的形式表示，見公式（7）。 ${PAR}_{m}$為$\mu$ 等於單位太陽高度角正弦值時的光合有效輻射值， $e$ 為光合有效輻射值隨太陽高度角正弦值的變化程度。而 ${PAR}_{m}$ 與 ${K}_{s}$ 存在如公式（8）的關係。a、b、c、d為擬合參數。 解析失败 (SVG（MathML可通过浏览器插件启用）：从服务器“http://localhost:6011/zh.wikisource.org/v1/”返回无效的响应（“Math extension cannot connect to Restbase.”）：): {\displaystyle PAR=PA{R}_{m}×{\mu }^{e} } (7)解析失败 (语法错误): {\displaystyle PA{R}_{m}=a+b×{K}_{s}+c×{K}_{s}^{2}+d×{K}_{s}^{3} } (8) 通過擬合計算得到光合有效輻射值日累計值 ${PAR}_{daily}$，估算方法見公式（9）。其中 ${\overline {{K}_{s}}}$ 為地面總輻射日累計值和天文輻射日累計值的比值， ${\overline {\mu }}$ 為每天日出到日落太陽天頂角餘弦值的均值， ${t}_{d}$ 為日照時數。A、B、C、D、E這5個參數可以通過擬合獲取。它們與地理位置和氣候類型相關，因而各個區域的參數有所不同。 解析失败 (语法错误): {\displaystyle PA{R}_{daily}=\left(A+B×\overline{{K}_{s}}+C×{\overline{{K}_{s}}}^{2}+D×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{E}×{t}_{d} } (9)

我国8个区域的光合有效辐射重构的参数化方案如表1所示。

表1 8個區域光合有效輻射估算參數化方程

代表站點	區域分區	估算公式
海倫	NEC	解析失败 (SVG（MathML可通过浏览器插件启用）：从服务器“http://localhost:6011/zh.wikisource.org/v1/”返回无效的响应（“Math extension cannot connect to Restbase.”）：): {\displaystyle \left(0.28+9.01×\overline{{K}_{s}}+2.03×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-1.89×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.19}×{t}_{d}}
北京森林	NCP	解析失败 (SVG（MathML可通过浏览器插件启用）：从服务器“http://localhost:6011/zh.wikisource.org/v1/”返回无效的响应（“Math extension cannot connect to Restbase.”）：): {\displaystyle \left(0.03+10.57×\overline{{K}_{s}}-4.44×{\overline{{K}_{s}}}^{2}+3.37×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.06}×{t}_{d}}
沙坡頭	NC	解析失败 (语法错误): {\displaystyle \left(0.24+10.18×\overline{{K}_{s}}+1.43×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-1.78×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.24}×{t}_{d}}
阜康	NWC	解析失败 (语法错误): {\displaystyle \left(0.44+7.97×\overline{{K}_{s}}+5.84×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-5.42×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.12}×{t}_{d}}
拉薩	TP	解析失败 (语法错误): {\displaystyle \left(2.67-5.83×\overline{{K}_{s}}+30.42×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-19.37×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.14}×{t}_{d}}
鹽亭	SWC	解析失败 (语法错误): {\displaystyle \left(0.20+9.22×\overline{{K}_{s}}+1.34×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-1.43×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.25}×{t}_{d}}
鼎湖山	SEC	解析失败 (SVG（MathML可通过浏览器插件启用）：从服务器“http://localhost:6011/zh.wikisource.org/v1/”返回无效的响应（“Math extension cannot connect to Restbase.”）：): {\displaystyle \left(0.07+9.47×\overline{{K}_{s}}-2.10×{\overline{{K}_{s}}}^{2}+2.26×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.06}×{t}_{d}}
東湖	EC	解析失败 (语法错误): {\displaystyle \left(0.18+9.26×\overline{{K}_{s}}+0.91×{\overline{{K}_{s}}}^{2}-1.01×{\overline{{K}_{s}}}^{3}\right)×{\overline{\mu }}^{1.18}×{t}_{d}}

2 數據樣本

2.1 數據內容描述

光合有效輻射數據集文件的文檔內容描述遵循以下規則：

「中國光合有效輻射重構數據集（1961–2014）.rar」由724個站點的光合有效輻射重構值文本文件和一個站點信息excel文件構成，文本文件名為「*.txt」，其中*代表站點編號。文本內各列分別代表年、月、日、光合有效輻射值，單位為（mol/(m2·d)），excel文件內各列分別代表站號、經度和緯度。

2.2 數據樣本描述

以中國氣象局北京市54511站點的數據為例，光合有效輻射重構值的數據樣本如表2，4列分別代表年、月、日和光合有效輻射值。圖3為北京市54511站2014年光合有效輻射年變化圖，圖4則為2014年我國的光合有效輻射空間分布圖。

表2 2014年6月北京市54511站重構光合有效輻射值

年	月	日	None
2014	6	1	18.413
2014	6	2	27.367
2014	6	3	40.523
2014	6	4	28.119
2014	6	5	40.555
2014	6	6	16.590
2014	6	7	43.504
2014	6	8	34.692
2014	6	9	41.070
2014	6	10	30.538
2014	6	11	42.219
2014	6	12	43.444
2014	6	13	36.691
2014	6	14	39.755
2014	6	15	26.533
2014	6	16	23.018
2014	6	17	12.226
2014	6	18	37.453
2014	6	19	12.221
2014	6	20	34.495
2014	6	21	23.689
2014	6	22	30.106
2014	6	23	43.293
2014	6	24	40.701
2014	6	25	12.246
2014	6	26	34.600
2014	6	27	41.112
2014	6	28	43.557
2014	6	29	38.623
2014	6	30	39.380

圖片

圖3 2014年北京市54511站光合有效輻射日總量年變化圖

4.jpg 圖片

圖4 2014年我國光合有效輻射空間分布圖（單位：mol/(m2·d)）

,,,3 數據質量評估

為了驗證重構的光合有效輻射數據的精確度，採用CERN的39個站點光合有效輻射觀測數據，時間跨度2005～2014年，與CMA最臨近站點的重構數據比較。以CMA站點的重構數據為X軸，CERN站點的觀測數據為Y軸，將二者進行線性擬合，擬合結果如表3所示，分別以斜率（S）、截距（I）、顯著性檢驗值（P）以及平均偏差（MBE）來表徵光合有效輻射估算公式的精度。平均偏差的定義見公式（10）。其中，${E}_{i}$ 、${M}_{i}$分別是為第 $i$個樣本的計算值和觀測值， ${M}_{ave}$ 是所有樣本觀測值的平均值， $N$ 為觀測值的樣本數。 $MBE\left(\%\right)={\frac {100}{{M}_{ave}}}\left({\frac {\sum _{i=1}^{i=N}\left({E}_{i}-{M}_{i}\right)}{N}}\right)$(10)

表3 重構光合有效輻射值與臨近站觀測值的對比圖片

CMA（X）	CERN（Y）	S	I	P	MBE（%）
50756	海倫	0.895	5.588	P < 0.01	−7.61
54342	瀋陽	1.033	2.662	P < 0.01	−11.52
54285	長白山	0.992	2.026	P < 0.01	−5.83
50788	三江	0.955	5.412	P < 0.01	−12.79
54102	內蒙古	0.896	7.566	P < 0.01	−12.26
54857	膠州灣	1.082	2.342	P < 0.01	−15.22
53545	鄂爾多斯	0.954	3.874	P < 0.01	−7.03
54226	奈曼	1.022	3.744	P < 0.01	−12.74
57091	封丘	1.184	3.287	P < 0.01	−25.02
53698	欒城	1.032	1.744	P < 0.01	−8.83
54518	北京森林	0.891	4.686	P < 0.01	−6.30
52546	臨澤	1.115	2.839	P < 0.01	−17.19
53704	沙坡頭	1.013	6.072	P < 0.01	−18.85
53845	安塞	0.947	1.811	P < 0.01	−0.08
53929	長武	0.988	3.979	P < 0.01	−10.93
51828	策勒	1.017	5.581	P < 0.01	−18.18
51076	阜康	0.894	8.149	P < 0.01	−11.63
51628	阿克蘇	1.129	2.860	P < 0.01	−18.32
52765	海北	0.788	7.836	P < 0.01	−2.38
55591	拉薩	0.894	6.968	P < 0.01	−8.78
59948	三亞	0.929	8.004	P < 0.01	−18.45
59023	環江	0.894	3.002	P < 0.01	−3.02
57306	鹽亭	1.079	2.246	P < 0.01	−16.22
56856	哀牢山	0.895	4.641	P < 0.01	−6.31
56374	貢嘎山	0.956	3.844	P < 0.01	−9.54
57745	會同	0.998	3.069	P < 0.01	−11.65
56188	茂縣	1.269	1.878	P < 0.01	−26.58
56959	西雙版納	0.793	7.076	P < 0.01	−5.59
59493	大亞灣	0.899	6.229	P < 0.01	−12.96
59278	鼎湖山	1.118	1.726	P < 0.01	−16.56
59478	鶴山	0.899	3.658	P < 0.01	−5.35
57494	東湖	1.042	3.926	P < 0.01	−17.12
58358	太湖	1.477	2.803	P < 0.01	−36.88
57662	桃源	1.098	1.678	P < 0.01	−14.29
58259	常熟	1.063	4.456	P < 0.01	−20.10
57799	千煙洲	1.031	2.918	P < 0.01	−12.91
58626	鷹潭	1.024	3.778	P < 0.01	−14.47
57355	神農架	1.279	0.435	P < 0.01	−22.90

如表3所示，39個站點的線性擬合的斜率值都在1附近變化，只有西雙版納和海北站低於0.8，以及茂縣、神農架和太湖站斜率值高於1.2；除了三亞的截距為8.004以外，其餘站點的截距都在8以下；所有站點P都小於0.01，表明所有擬合結果都通過了99％的顯著性檢驗；平均偏差都為負，說明估算值偏低，除了太湖站和茂縣站以外，平均偏差都低於25％。站點位置及下墊面會對總輻射和PAR的觀測數據造成影響，尤其CERN的太湖站下墊面為湖面，茂縣站位於半山，海拔高度為1826 m，使得這兩個站總輻射和PAR觀測值偏高，這是造成太湖與58358站、茂縣與56188站的PAR觀測值與重構值MBE較大的原因。以上統計結果表明，本數據集的精度是可靠的。

4 數據使用方法和建議

光合有效輻射對於定量估算光合作用和探索生物利用太陽能等重大理論問題都有十分重要的作用，尤其有助於提高全球生態系統的碳估算精度，並為科學發展農業提供理論基礎。本數據集包含了光合有效輻射長期的時空變化，可用於我國氣候資源評估等領域。光合有效輻射也能夠對氣候預測模式中的輻射過程物理參數化方案的改進和完善提供支持。此外，本數據集單位統一為mol/(m2圖片 d)，用戶在使用時應注意數據單位。

數據作者分工職責

唐利琴（1992—）女，四川人，碩士，研究方向為大氣輻射。主要承擔工作：論文撰寫。

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：數據整理。

胡波（1974—）男，雲南人，博士，研究方向為大氣輻射。主要承擔工作：數據質量控制。

肖天貴（1962—）男，四川人，博士，研究方向為氣候變化與氣候模擬。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。

王躍思（1960—）男，北京人，博士，研究方向為大氣化學。主要承擔工作：觀測網絡設計。

史瑩瑩（1990—）女，河南人，碩士，研究方向為大氣氣溶膠光學特性。主要承擔工作：數據整理。

致謝

感謝中國生態系統研究網絡（CERN）提供的光合有效輻射值觀測數據，以及中國氣象局（CMA）提供的總輻射數據和常規氣象觀測數據。最後還要感謝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。

數據引用格式

劉慧, 唐利琴, 胡波, 等. 1961～2014年中國光合有效輻射重構數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. DOI: 10.11922/sciencedb.400.

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