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地表辐射平衡(Rn)是地一气间能量交换的测度之一,在气候变化中起着重要的作用。辐射平衡受反射率、水汽压、温度、下垫面状况等因素以及时空变化的强烈影响。辐射平衡常用于描述生态系统的有效辐射特征,因此,很多研究报道了不同陆地生态系统的辐射平衡状况。通常,到达地面的太阳辐射、反射辐射和地面放射辐射随高度的升高而增加。高寒草甸是青藏高原上分布最为广泛的植被类型,是世界上最辽阔的高寒草甸生态系统,亦是地球上生物多样性最丰富的草原生态系统之一。青藏高原的草地生态环境存在着抗逆性差、脆弱的特点,对气候变化表现极为敏感。对青藏高原生态系统辐射平衡和能量平衡的研究是揭示全球气候变化的重要环节,在全球气候变化中扮演着重要的角色。大气逆辐射是辐射平衡中一个极为重要的组成部分,对生态系统辐射平衡、能量平衡有重要的影响。探讨青藏高原的辐射平衡特性与大气逆辐射模型及其影响机制对进一步揭示该生态系统的辐射收支、能量平衡状况有着重要意义。
本文通过生态系统辐射通量及环境要素自动观测系统对青藏高原矮嵩草(Kobresia)草甸生态系统的辐射通量和环境要素变化进行观测,以刘割烘干法测量生物量,应用数据预处理、描述性统计、线性回归与线性相关、非线性分析、通径分析、数学建模等科学分析方法,对青藏高原矮嵩草(Kobresia)草甸生态系统辐射平衡特征进行分析,并对该生态系统大气逆辐射进行模型模拟,得出主要结论如下:
(1)太阳辐射(Rs)年变化趋势与太阳高度角的年变化一致,年均太阳总辐射量为6298 MJ m-2y-1,比所报道的同纬度草原高出31%,约为同纬度低海拔地区的1.5倍到2倍。其中,年太阳辐射总量的48%集中在5-9月间的高寒草甸植物生长季。
(2)相对于地面长波辐射(Lu)和大气逆辐射(Ld)而言,有效辐射(Ln)较小,高寒草甸生态系统植物生长季(5月至9月)的有效辐射明显低于非生长季(10月至次年4月),其中37%分布于高寒草甸生态系统的植物生长季内。
(3)青藏高原高寒草甸生态系统的日辐射平衡均为盈余。净辐射的60%分布于高寒草甸生态系统的植物生长季。
(4)高寒草甸生态系统积雪的日均反射率最高值可达0.90;无积雪期间变化范围在0.16至0.26之间,均值为0.22;较高值出现在冬季,较低值出现在生长季,最低值出现在九月。在生长季反射率出现了一个较小但较明显的上升变化,可能是由于相对低地而言,高原植物表面覆被有较多的白色绒毛。可能的生态学推断之一是较高的反射率可使高原植物免于被强烈的太阳辐射所伤害。青藏高原高寒草甸的反射率不仅高于全球平均值,而且也高于北半球的平均水平。
(5)与其他生态系统相比较,标准化有效辐射(L=Ln/Rs)的年变化幅度较大,年均值为0.34,高于其他生态系统,分别是全球表面的1.31倍,是北半球地表的1.21倍。
(6)辐射效率(η=Rn/Rs)受反射率和标准化有效辐射影响,年均值仅为0.44。与其他草地生态系统,以及温带植被相比明显偏低,是全球表面辐射效率的72%,北半球表面辐射效率的76%。
(7)生态系统辐射平衡不仅受海拔的影响,亦受生态系统生物气候特征的影响。高寒草甸生态系统的年辐射效率为高原荒漠、高原荒漠草原、高原草甸三种生态系统的1.6—2.0倍。植被覆被是影响青藏高原生态系统辐射平衡分配的重要因子之一。
(8)长波形式的能量交换是青藏高原高寒草甸生态系统辐射能量损失的主要原因。植被状况、土壤含水量、大气水汽压和大气温度是影响青藏高原高寒草甸辐射平衡特征的主要生物和环境因素。
(9)通过对文献中大气逆辐射各模型挖掘和提炼,初步分析和筛选日间晴天条件下,青藏高原高寒草甸生态系统的最适拟合模型为Brutsaert(1975)模型。在此基础上,嵌入云函数,得到了青藏高原高寒草甸大气逆辐射全天候模拟模型(暂命名为NK eco)。
(10)NK eco模型表明,云量变化导致的大气逆辐射变化率为太阳辐射透射率的1/4。