system: [SYSTEM]

user: 4. PAR与VIS的计算方法和计算结果 大气中物质成分(气、液、固相)、气象参数(温湿度)等对PAR、VIS的影响可归纳为吸收和散射作用。太阳的运行规律控制着各辐射量PAR、VIS、Q的变化，是最主要的控制因子，因而也是控制比值PAR/Q、VIS/Q的重要因子，并用天顶角Z的余弦来来表达。大气中各种成分对太阳辐射的吸收和散射起着调制作用。这样，计算PAR、VIS的经验模型表达为： PAR/Q = ( A 1 e − k w m + A 2 e − D / Q + A 0 ) cos Z (1) VIS/Q = ( B 1 e − k w m + B 2 e − D / Q + B 0 ) cos Z (2) 其中，e −kwm 表示物质的吸收作用，具体计算为 [ 11 ]： e − k w m = 1 − Δ S / ( I o cos Z ) 。 ， Δ S 为整层大气吸收太阳辐射通量密度值，W = 0.21e，e为地面水汽压(hPa)，m为大气质量，取某一时段半点之值(无量纲)。太阳常数I o = 1367 W∙m −2 。e −D/Q 表示大气中各种物质(包括云、气溶胶等)的散射作用。式(1)、(2)中各物理量均取某一时段的累计值。 与PAR/Q、VIS/Q类似，PAR/VIS遵从同样的规律： PAR/VIS = ( C 1 e − k w m + C 2 e − D / Q + C 0 ) cos Z (3) 由于早晨7:00、傍晚18:00各种因素引起的观测误差(如辐射表余弦误差)较大，建立算法时剔除这些数据。参照以前经验 [ 12 ]，为排除其他不利因素干扰并得到对PAR和VIS变化规律更准确、真实的描述，统一取9:00~17:00的实验数据来分析，同时剔除总辐射小于1.5 MJ∙m −2 的数据，其中包括某些降雨时段(如6月3、4日)的数据，共得到49组数据。对这些数据进行分析，得到了比值PAR/Q/CosZ、VIS/Q/CosZ、PAR/VIS/CosZ与吸收和散射因子的相关系数(R)、式(1)、(2)、(3)中的系数和常数。然后利用它们计算了每日各时段的PAR、VIS，计算结果见表1。其中，PAR、PAR’分别为利用式(1)、(3)计算的PAR， δ ¯ 、 δ max 、 δ min 分别为计算值与观测值相对偏差的平均值、最大值、最小值。 可见，3种情况下的计算结果都比较好，相对偏差的平均值均小于3.0%。 作为检验，利用建立的3个经验公式计算了观测期间5月31日~6月7日8:00~18:00的PAR、VIS、PAR’(共79组)，并与观测值进行了对比(图3、图4)。需要说明的是，5月29日~31日13:00之间，由于缺少水汽资料，没有给出此段的计算值和观测值。考虑到早晨7:00和傍晚19:00 PAR、VIS时累值比较低(如VIS都小于0.30 MJ∙m −2 )，早晚二者之和占日总量的比例在0.9%~2.8% (PAR)、1.0%~3.0% (VIS)，它们的平均值均分别为1.9%、2.0%。另外，实际应用中，它们所起的作用也比较小。有研究表明VIS (PAR)是影响草地异戊二烯的排放的主要因子，当VIS时累小于0.4 MJ∙m −2 时，草地异戊二烯的排放通量一般为零 [ 13 ]。所以，在下面的分析中，将不考虑7:00和19:00的辐射情况。实验期间，VIS 18:00的时累大多小于0.30 MJ∙m −2 ，个别时段略高，但也都小于0.45 MJ∙m −2 ，所以下面分析中不考虑18:00的情况。 Table 1 Calculated results of PAR and VIS using 3 empirical formulas when considering absorbing and scattering factor 项目 PAR VIS PAR’ R 0.995 0.986 0.995 系数、常数 −23.19， 0.39， 23.43 −4.68， −0.12， 4.75 −52.13， 0.50， 51.95 δ ¯ ( % ) 1.6 2.6 1.5 δ max ( % ) 6.2 9.5 4.2 δ min ( % ) 0.0 0.2 0.0 表1. 考虑吸收和散射因子时，3种方法计算PAR、VIS的结果 图3. VIS的计算值与观测值 图4. PAR的计算值与观测值 由图3、图4可以看到，PAR、VIS、PAR’的计算值与观测值均比较接近，并与观测结果呈现一致的变化规律。具体而言，PAR、VIS、PAR’等的 δ ¯ 分别为：3.2%、5.2%、2.8%。因而初步建立的计算方法可行。 表2给出上面3种情况下的相对偏差(8:00~18:00，79组数据)。实际应用中，由于有些参数不易得到，因此，计算时考虑了3种选择：1) 全部因子、2) 吸收因子(和常数项)、3) 散射因子(和常数项)。 对比选取不同因子时PAR、VIS、PAR’的计算结果，可以发现：1) 当考虑所有因子时，计算值与观测值最为接近， δ ¯ 均最小；PAR和VIS计算值的 δ ¯ 分别小于4.0%、6.0%。2) 吸收项的作用远大于散射项的作用，故吸收因子在实际计算中不可缺少；3) 散射因子也不能忽略，因为当考虑散射因子后，将使PAR和VIS计算值的 δ ¯ 明显降低。 降雨过程中，不同粒径的雨滴在辐射表表面的停留、集结、流动等，会对测量结果带来不同程度的影响，从而在一定程度上也影响着计算结果与观测结果的对比。因此，为比较客观地分析计算方法的效果，将有降雨时段的资料做了剔除。这样，得到了三种情况下PAR、VIS、PAR’的相对偏差( δ ¯ 、 δ max 、 δ min ) (69组数据) (见表3)。 降雨对辐射传感器信号响应、辐射传输有不同程度的影响，从而也影响地面PAR、VIS估算值的准确度。降雨过程中地面PAR、VIS都比较弱，这也是造成计算结果相对偏差较大的主要原因之一。实际上，此时计算值与观测值的绝对偏差都比较小。在降雨时段，由于到达地面的各辐射量均比较小，因此，它们在大气化学、生态等领域产生的实际应用价值并不大。实际天气条件下(云量0~10)，在剔除降雨的影响后，可以使PAR、VIS、PAR’时累的计算偏差明显减小，它们的 δ ¯ 和 δ max 分别小于3.0%、4.0%、3.0%；12.0%、20.0%、11.0%。 实际应用中，有时会缺少直接辐射或散射辐射的测量值，造成散射项无法得到。为了提高计算的准确度和实用性，在考虑计算公式时，如果仅利用吸收因子，情况将会如何？采用类似方法，再次分析了9:00~17:00 的49组数据，得到了PAR/Q/CosZ、VIS/Q/CosZ、PAR/VIS/CosZ与吸收因子的R值、系数以及PAR、VIS、PAR’的计算值和计算偏差(表4)。 在只考虑吸收因子作用时，3种情况下的计算结果也都比较好，PAR和VIS计算值 δ ¯ 分别小于2.0%、4.0%。对比考虑全部因子情型，此种情况下吸收因子的系数和常数均没有太大变化，因而计算结果没有显著差别。综合考虑，以考虑全部因子的计算结果略好，这主要是缘于考虑影响辐射传输的因子比较全面。出于实际需要，在缺少散射因子时，也可以考虑采用表4中的系数和常数计算PAR、VIS、PAR’。 Table 2 The relative biases (%) between calculated and observed PAR and VIS using 3 empirical formula 项目 PAR VIS PAR’ 不同情形 1) 2) 3) 1) 2) 3) 1) 2) 3) δ ¯ 3.2 6.0 643.8 5.2 9.6 640.3 2.8 3.9 680.9 δ max 23.7 18.9 966.8 34.7 28.3 1002.7 17.0 10.8 1129.2 δ min 0.0 0.2 205.2 0.2 0.2 175.0 0.0 0.2 263.6 表2. 3种方法计算PAR、VIS的相对误差(%) Table 3 The relative biases (%) between calculated and observed PAR and VIS using 3 formula 项目 PAR VIS PAR’ 不同情形 1) 2) 3) 1) 2) 3) 1) 2) 3) δ ¯ 2.1 5.6 689.2 3.6 9.2 690.3 2.1 3.7 713.1 δ max 11.7 12.8 966.8 19.5 20.9 1002.7 10.9 7.1 977.2 δ min 0.0 0.2 305.7 0.2 0. 2 300.2 0.0 0.2 304.7 表3. 3种方法计算PAR、VIS的相对误差(%) Table 4 Calculated results of PAR and VIS using 3 empirical formulas when considering only absorbing facto 项目 PAR VIS PAR’ R 0.992 0.979 0.988 系数、常数 −23.29， 23.34 −4.71， 4.72 −52.01， 52.07 δ ¯ 2.0 3.4 1.8 δ max 7.4 11.3 4.6 δ min 0.0 0.0 0.1 表4. 考虑吸收因子时3种方法计算PAR、VIS的结果 作为检验，利用表4的系数和常数计算了8:00~18:00(79组)的PAR、VIS、PAR’，它们的 δ ¯ 分别为：3.7%、6.0%、2.9%。去掉降雨时间段后，则PAR、VIS、PAR’ (69组)的 δ ¯ 分别为：2.6%、4.3%、2.2%。与考虑全部因子相比，只考虑吸收因子时，PAR、VIS的计算偏差略大，但没有显著差别。