水体反照率是水体表面反射的太阳短波辐射与入射太阳短波辐射的比值，它不仅直接影响水-气界面的辐射特征与能量平衡，还能表征水体的物化特性，体现水体的光温环境^[1]，对局地气候、 生态环境有重要影响.

水体反照率受太阳高度角、 云量、 风速、 水质等多种因子的影响. 早期关于水体反照率影响因子的研究多考虑太阳高度角和云量. 太阳高度角大时，水体反照率小，反之水体反照率大，对于同一地区，太阳高度角的年变化是规律的，呈现出夏季太阳高度角高因而反照率相对较低，冬季则相反的趋势^[2]. 云通过散射和吸收一部分太阳短波辐射从而影响水体反照率. 但是，早期由于观测散射辐射的仪器不够精准，无法得到云量对于水体反照率影响的准确结论^{[1, 2, 3]}. 因此，量化天空云量成为研究云量对于反照率影响的一个关键问题. 1972年，Payn^[3]通过引入太阳常数、 日-地距离和太阳高度角等参数得出表征大气传输(atmospheric transmittance)状况的参数T用于研究云量状况对巴泽兹湾海表反照率的影响^[3]，其研究结果表明在太阳高度角为24°和32°时，海表反照率在0.5<T<0.7之间呈现高值. 风通过引起波浪从而改变太阳短波辐射的入射角，Katsaros等^[2]研究发现在晴天并且太阳高度角低于30°的条件下，随着风速增大海表反照率呈现下降趋势^[2]. 在太阳高度角较低时，波浪会使入射角度减小从而导致反照率降低； 而在太阳高度角较高情况下，波浪反而增大入射角度从而导致反照率升高^{[2, 3]}. 水质作为水体本身重要的物化属性，也是影响反照率的关键因素. 水体浊度和叶绿素a浓度是衡量水质状况的关键参数^{[4, 5, 6]}. 水体的反射辐射主要包括水体表面反射的短波辐射和水体内部反射的散射辐射^[3]. 对于总悬浮物中无机颗粒物占主导的水体，其内部反射的散射辐射量主要由水体内的无机悬浮物含量决定^{[4, 7]}，后者能将部分透射进入水体中的太阳短波辐射经后向散射重新返回大气^[8]. 水体叶绿素a浓度的高低直接标志藻类数量的多少. 研究表明，叶绿素a在绿光波段(0.55-0.65 μm)和近红外波段(0.7-0.9 μm)有明显的反射峰^{[4, 9]}.

然而以往对影响水体反照率的因子考虑不够全面，也没有较多关注叶绿素a、 浊度等水质参数对短波反照率的影响. 且研究的对象多为海洋水体^{[1, 3]}，对湖体尤其是内陆浅水湖泊的研究较少^[2]. 太湖是我国第三大淡水湖泊，实际水域面积约为2 338 km²，平均水深1.9 m^[10]. 近年来由于人类活动的加剧，太湖污染状况严重，富营养化程度加剧，蓝藻暴发现象频出,水质状况恶化^[11]. 这些变化会影响太湖湖表反照率从而改变太湖水体的光温特性，最终导致其生物物理过程如水体热力分层、 消光系数以及生物化学过程如水生植被生长的变化.

本研究基于太湖中尺度涡度通量网^[12]观测站点的气象数据、 水质数据和反映天空云量状况的晴空指数，明确太湖反照率的时空特征，结合天文因素(太阳高度角)、 气象因子(云量、 风速)和水质因子(浊度和叶绿素a浓度)，研究它们对湖表反照率的影响，同时，对反照率是否可作为指示湖体生物过程的指标进行初步分析，以期为今后湖泊模型中湖体反照率的参数化过程提供理论依据.

本研究数据来自太湖中尺度涡度通量网的4个观测站点(见图 1)： 梅梁湾(MLW，31.419 7°N，120.213 9°E)、 大浦口(DPK，31.266 1°N，119.931 2°E) 分别位于太湖北部和西部的藻型湖区，避风港(BFG，31.168 5°N,120.397 2°E)位于太湖东部的草型湖区，小雷山(XLS，30.997 2°N,120.134 4°E) 位于南部的藻型和草型湖区过渡区^{[12, 13]}. 4个平台分别建于2010年6月、 2011年8月、 2011年12月和2012年11月. 各平台均架设四分量辐射计(CNR4,Kipp & Zonen B. V.,Delft,The Netherlands)和三维超声风速计(CSAT3,Campbell Scientific Inc.,Logan,UT,USA). 四分量辐射计有4个辐射传感器，分别可同时测向下短波辐射、 向上短波辐射、 向下长波辐射和向上长波辐射. 该辐射计光谱范围短波为0.3-2.8 μm，灵敏度为5-20 μV ·(W ·m^-2)^-1，长波为4.5-42 μm，灵敏度为5-15μV ·(W ·m^-2)^-1.

图 1

Fig. 1

图 1 太湖涡度通量观测平台和水样采集点位置示意 Fig. 1 Eddy flux system platforms and sampling sites in Lake Taihu

对向下和向上短波辐射的输出值进行30 min平均. 再进行以下的质量控制： ①剔除辐射计倾斜时段数据； ②剔除辐射数据为负值的异常值； ③计算每日每个时刻的太阳高度角，将太阳高度角为正值的时刻定为白天，夜间向下和向上短波辐射归零.

采用经质量控制后的辐射数据，分别计算每个季节中所有白天向上短波辐射之和与向下短波辐射之和，两者的比值作为该季节平均反照率.

本研究采用晴空指数作为衡量天空中云量的指标. 晴空指数(k_t)的定义是指在一定太阳高度角下地表面接收的太阳短波辐射(S)与大气上界平行于地表面的天文辐射(S_e)的比值^[14].

浊度(NTU)数据采用YSI(650MDS,YSI Inc.,Yellow Springs,OH,USA)现场测得. 叶绿素a浓度(μg ·L^-1)数据来自中国科学院太湖湖泊生态系统研究站水质采样数据. 经站点配对，水质采样点选取图 1中的5(31.41°N，120.19°E)、 10(31.31°N，119.95°E)、 27(31.18°N，120.41°E)和11(30.96°N，120.12°E). 其中，5、 10号点为每月采样一次，11和27号点为每季度(2、 5、 8、 11月)采样一次. 将这4个采样点水质数据代表相应平台的水质状况. 由于XLS站点可用水质采样数据在本文研究时段(2010年9月-2013年8月)只有一次，缺乏代表性. 因此在分析水质对湖表反照率影响时只分析BFG、 DPK和MLW这3个站点的情况.

表 1为各站点四季平均反照率值. 从时间上看，4个站点均呈现出秋冬季反照率明显高于春夏季反照率的现象. 太阳高度角在秋冬季节相对春夏季节要低是导致这一现象的主要原因. 2013年MLW夏季湖表反照率明显高于往年同期，因为该段时间MLW辐射计下方水体出现较多蓝藻导致反照率值升高. 除此之外，从空间上看，BFG和XLS四季平均反照率都高于MLW和DPK，总体呈现XLS>BFG>DPK>MLW的趋势.

表 1(Table 1)

表 1 站点四季平均反照率值 Table 1 Seasonal variation of surface albedos for the 4 sites 站点名称 年份 春季(3-5月) 夏季(6-8月) 秋季(9-11月) 冬季(12月-次年1月) 2010 — — 0.081 0.100 梅梁湾(MLW) 2011 0.063 0.060 0.063 0.071 2012 0.055 0.061 0.075 0.077 2013 0.055 0.079 — — 大浦口(DPK) 2012 0.083 0.063 0.084 0.098 2013 0.075 0.062 — — 避风港(BFG) 2012 0.085 0.069 0.108 0.127 2013 0.083 0.065 — — 小雷山(XLS) 2012 — — — 0.129 2013 0.095 0.077 — —

表 1 站点四季平均反照率值 Table 1 Seasonal variation of surface albedos for the 4 sites

选取4个站点某一典型晴天白天反照率和太阳高度角数据来反映日尺度上太阳高度角对湖表反照率的影响. 太阳高度角的日变化规律为从清晨开始逐渐增大，正午达到最大值，然后逐渐降低. 湖表反照率会受到太阳高度角日变化的影响，呈现出有规律的日变化[图 2(a)]. 由图 2(b)可见，湖表反照率随着太阳高度角增大而降低. 因此湖表反照率日变化规律为上午随着太阳高度角增大而降低，下午随着太阳高度角降低而升高.

图 2

Fig. 2

图 2 晴天反照率日变化和晴天反照率与太阳高度角 Fig. 2 Diurnal variation of surface albedo and solar elevation angle and surface albedo under clear sky condition

太阳高度角的年变化规律为从春季开始逐渐增大至夏季达到峰值，随后开始降低. 受其影响，湖表反照率会呈现规律性的年变化. 图 3为各站点在中午时刻(11:00-13:00)不同太阳高度角区间内的平均反照率值. 由于太阳高度角的最大值往往出现在正午时段，因此，低太阳高度角范围对应的是冬季，反之为夏季. 从中可知，当太阳高度角小于60°时，各站点反照率随太阳高度角增大而降低. 当太阳高度角大于60°时，对于太湖区域而言正好是夏季，BFG、 XLS和DPK湖表反照率随太阳高度角增大而降低，但MLW站点的反照率随太阳高度角增大呈现上升趋势. 这可能与夏季MLW站点藻类植物生长旺盛，并且多漂浮于水面，其绿色鲜亮的叶片导致湖表反照率上升有关.

图 3

Fig. 3

图 3 不同太阳高度角区间内各站点平均反照率值 Fig. 3 Average surface albedos of the 4 sites for 5°bands of solar elevation angles

综上所述，太阳高度角日变化和年变化直接影响太湖湖表反照率的日变化和年变化，使其在日尺度和季节尺度上呈现出规律性的变化趋势.

云是影响湖表反照率的因素之一. 晴空指数可以表征天空云量的变化，因而分析反照率与晴空指数的关系，可以反映出云量对反照率的影响. 为排除太阳高度角的影响，对太阳高度角以5°为间隔进行划分，从而在不同太阳高度角范围内分析k_t与反照率的关系(图 4). 从图 4中可以看出，当太阳高度角高于35°时，不同的太阳高度角间隔内，随着晴空指数逐渐增大(即天空中云量减少)，反照率值下降但变化平缓. 而太阳高度角低于35°时，反照率在 0<k_t<0.1和0.4<k_t<0.6区间出现高值，但形成机制并不相同. 当晴空指数很小时(0<k_t<0.1)，即天空基本被云全部覆盖，太阳辐射在天空中的分布可认为是各向同性，因此反照率值较高. 而当k_t处于0.4-0.7之间，天空处于部分有云状况下，云散射太阳短波辐射形成多种入射角. 此时，低于太阳高度角的入射角其反射辐射强度会明显高于比太阳高度角大的入射角^[3]. Saunders的研究也表明^[16]，当入射角高于该时刻太阳高度角时，反照率随着入射角度的增大缓慢下降； 反之，反照率随着入射角度的降低迅速增大. 因此，在太阳高度角低于35°时，晴空指数在0.4-0.7区间内即多云天空条件下，湖表反照率升高.

图 4

Fig. 4

图 4 不同太阳高度角范围内晴空指数对湖表反照率的影响 Fig. 4 Albedo vs clearness index of the 4 sites for 5°bands of solar elevation angles

风通过使湖表产生波浪改变向下短波辐射的入射角，从而影响湖表反照率^[1]. 为了尽可能排除太阳高度角和云量因素对风速与湖表反照率之间关系的影响，选取不同季节每天正午(11:00-13:00)晴天时段(k_t>0.65)的风速与相应反照率值进行分析. 如图 5所示，DPK站点在太阳高度角50°-55°区间内以及BFG站点在太阳高度角35°-40°和65°-70°区间内当风速大于6 m ·s^-1时湖表反照率随风速增大呈现下降趋势.

图 5

Fig. 5

图 5 不同太阳高度角范围内风速对湖表反照率的影响 Fig. 5 Changes in albedo with wind speed of the 4 sites for 5°bands of solar elevation angle

除此之外，其它太阳高度角及风速区间内各站点的反照率值随风速增大呈现增加的趋势. 由于太湖是内陆浅水湖泊，受风浪影响明显. 大风引起的垂直对流交换作用极易造成太湖水体的整层夹卷，导致大量水底淤泥及细沙上浮^[4]，正如图 6所示，风速与浊度呈正相关关系. 水体浊度升高可能会增加水体散射辐射，因此出现风速越大反照率越高的趋势，这与海洋有着较大区别. 风浪很难引起深海的对流导致浊度变化.

图 6

Fig. 6

图 6 风速与浊度关系 Fig. 6 Relationship between wind speed and turbidity

由2.2.3节分析可见，风会导致太湖湖水浊度产生变化. 悬浮物通过影响水体后向散射特性^{[6, 7]}，引起湖表反照率变化. 图 7为3个站点浊度与反照率的关系，无论太阳高度角高低，反照率与浊度呈现正相关关系，而这一关系在低太阳高度角时更为明显.

图 7

Fig. 7

图 7 浊度与反照率的关系 Fig. 7 Changes in albedo with turbidity of BFG,DPK and MLW (a)低太阳高度角时浊度与反照率的关系； (b)高太阳高度角时浊度与反照率的关系

选取晴天(k_t>0.65)的反照率和相应浊度数据分析浊度对湖表反照率的影响. 太湖水体的光学特性夏季主要由浮游藻类、 悬浮物和黄色物质共同决定，冬季则由悬浮物和黄色物质决定^[17]. 本研究中，划分藻类生长旺盛期(5-9月)和非生长期(其余月份)分别讨论浊度对湖表反照率的影响. 为进一步排除风速的影响，根据风速值大小，将风速分成<4 m ·s^-1、 4-6 m ·s^-1和>6 m ·s^-1这3个区间.

如表 2所示，藻类生长旺盛期，DPK和BFG站点不论太阳高度角高低，反照率呈现随浊度增大而增大的趋势. DFK站点浊度高于BFG站点，其反照率也高于BFG站点反照率. 由于MLW站点只有一个数据，不具代表性故不讨论. 表 3所示为藻类非生长期，MLW站点和BFG站点反照率随浊度增大而增大，DPK站点反照率则呈现随浊度增大而降低的趋势. 这可能由于在该时期水体光学特性还受黄色物质的影响，黄色物质对太阳辐射主要是吸收作用^[17]，会导致湖表反照率减小. 低太阳高度角情况下，站点浊度大小关系为： BFG>DPK>MLW，反照率大小关系与浊度大小关系一致. 而在高太阳高度角情况下，站点浊度呈现DPK>MLW>BFG的趋势，反照率则呈现BFG>DPK>MLW.

表 2(Table 2)

表 2 蓝藻生长旺盛期不同太阳高度角区间和风速区间内站点浊度与湖表反照率 Table 2 Turbidity and surface albedo of MLW,DPK and BFG for different wind bands and solar elevation angles during optimal algal growth period 站点 项目 低太阳高度角(30°-40°) 高太阳高度角(55°-70°) <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 MLW 浊度(NTU) — — — — 25.99 — 反照率 — — — — 0.063 — DPK 浊度(NTU) — 63.80 64.80 — 57.38 107.20 反照率 — 0.060 0.079 — 0.049 0.050 BFG 浊度(NTU) 15.70 48.97 — 7.45 59.50 — 反照率 0.059 0.067 — 0.034 0.053 —

表 2 蓝藻生长旺盛期不同太阳高度角区间和风速区间内站点浊度与湖表反照率 Table 2 Turbidity and surface albedo of MLW,DPK and BFG for different wind bands and solar elevation angles during optimal algal growth period

表 3(Table 3)

表 3 蓝藻非生长期不同太阳高度角区间和风速区间内站点浊度与湖表反照率 Table 3 Turbidity and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind bands and solar elevation angles during other periods 站点 项目 低太阳高度角(30°-40°) 高太阳高度角(55°-70°) <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 MLW 浊度(NTU) 42.85 60.99 — 6.68 59.50 — 反照率 0.067 0.073 — 0.034 0.053 — DPK 浊度(NTU) 63.70 42.53 36.88 — 59.17 100.20 反照率 0.079 0.085 0.089 — 0.059 0.050 BFG 浊度(NTU) — 65 65 — 25.85 — 反照率 — 0.120 0.130 — 0.064 —

表 3 蓝藻非生长期不同太阳高度角区间和风速区间内站点浊度与湖表反照率 Table 3 Turbidity and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind bands and solar elevation angles during other periods

叶绿素a是藻类植物的主要色素，太湖水体富营养化导致藻类大量繁殖甚至蓝藻暴发^[4]，因此叶绿素a在很大程度上标志着水体藻类生长状况. 叶绿素a也在一定程度上决定了水体的反射光谱特征^[18]，并进而影响湖表反照率.

图 8为3个站点叶绿素a浓度与反照率的关系，无论太阳高度角高低，反照率呈现随叶绿素a浓度升高而升高的正相关关系，而这一关系在高太阳高度角时更为明显. 位于草型湖区的BFG，其叶绿素a浓度明显低于位于藻型湖区的DPK和MLW的平均水平，并且DPK和MLW的叶绿素a浓度具有更高的离散性. MLW作为主要的藻类聚集区，其叶绿素a浓度在10-100 μg ·L^-1变化. 在不同太阳高度角条件下，DPK叶绿素a浓度都有极大值出现，同期浊度、 风速也处于高值，反照率也随之相应升高.

图 8

Fig. 8

图 8 叶绿素a浓度与反照率的关系 Fig. 8 Changes in albedo with chlorophyll-a concentration of BFG,DPK and MLW (a)低太阳高度角时叶绿素a浓度与反照率的关系； (b)高太阳高度角时叶绿素a浓度与反照率的关系

表 4和表 5分别为藻类生长旺盛期和非生长期3个站点晴天时刻(k_t>0.65)反照率和相应叶绿素a浓度的关系. 为排除风速的影响，将风速分成<4 m ·s^-1、 4-6 m ·s^-1和>6 m ·s^-1这3个区间. 藻类生长旺盛以及非生长时期(表 4和5)，3个站点的反照率随叶绿素a浓度增大而升高的现象并不显著.这一结果表明反照率与叶绿素a浓度水平的对应关系具有区分草型和藻型湖区的能力，但不能有效表征藻类湖区水华严重程度.反照率的多控制因子和叶绿素a浓度显著的时空变异性是制约其与水藻生长建立显著关系的重要原因.

表 4(Table 4)

表 4 蓝藻生长旺盛期不同太阳高度角区间和风速区间内站点叶绿素a与湖表反照率 Table 4 Chlorophyll-a and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind speed ranges and solar elevation angles during optimal algal growth period 站点 项目 低太阳高度角(30°-40°) 高太阳高度角(55°-70°) <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 MLW 叶绿素a/μg ·L-1 45.74 — — 48.26 50.71 — 反照率 0.074 — — 0.056 0.050 — DPK 叶绿素a/μg ·L-1 — 497.18 — — 365.06 38.17 反照率 — 0.050 — — 0.052 0.057 BFG 叶绿素a/μg ·L-1 6.22 3.1 — 4.14 — — 反照率 0.072 0.064 — 0.062 — —

表 4 蓝藻生长旺盛期不同太阳高度角区间和风速区间内站点叶绿素a与湖表反照率 Table 4 Chlorophyll-a and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind speed ranges and solar elevation angles during optimal algal growth period

表 5(Table 5)

表 5 藻类非生长期不同太阳高度角区间和风速区间内站点叶绿素a与湖表反照率 Table 5 Chlorophyll-a and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind speed ranges and solar elevation angles during other periods 站点 项目 低太阳高度角(30°-40°) 高太阳高度角(55°-70°) <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 <4 m ·s-1 4-6 m ·s-1 >6 m ·s-1 MLW 叶绿素a/μg ·L-1 11.38 20.96 — 11.76 — — 反照率 0.094 0.087 — 0.033 — — DPK 叶绿素a/μg ·L-1 — 8.65 11.97 — 7.37 — 反照率 — 0.096 0.059 — 0.075 — BFG 叶绿素a/μg ·L-1 4.02 — — — — — 反照率 0.114 — — — — —

表 5 藻类非生长期不同太阳高度角区间和风速区间内站点叶绿素a与湖表反照率 Table 5 Chlorophyll-a and surface albedo of MLW，DPK and BFG for different wind speed ranges and solar elevation angles during other periods

以往关于风对海表反照率影响的研究多表明，在低太阳高度角情况下，海表反照率会随着风速增大而降低. 这主要是由于在太阳高度角较低时，风浪导致太阳入射角降低从而引起反照率降低^{[1, 3]}. 但本研究结果表明，太湖湖表反照率总体呈现随风速增大而增大的趋势(图 5). 因此，风浪对太阳入射角的改变不是风对太湖湖表反照率影响的主要机制. 风浪会引起湖水垂直紊动造成底泥再悬浮，这是影响浅水湖泊理化性质的重要机制^{[19, 20]}. 太湖属于典型的浅水湖泊，较大风浪引起强烈的水动力作用能将湖底的泥沙夹卷至湖体悬浮导致水体悬浊物浓度增大^[21](图 6). 从而引起水体内部反射的散射辐射增加使反照率上升^{[4, 7]}(表 2).
风速不仅影响水体浊度而且还影响水体叶绿素a浓度的分布^[5]. 本研究表明，在藻类生长的不同时期站点间的反照率大小关系和其叶绿素a浓度关系一致. 叶绿素a是藻类的主要色素，因此若湖体中藻类大量繁殖，湖表反照率会呈现上升趋势，这也可从2013年夏季MLW站点的反照率明显高于往年同期(表 1)得到验证.

从空间上看，XLS和BFG站点反照率接近，DPK和MLW站点反照率接近. BFG位于太湖东部的草型湖泊区，水生植物覆盖度较高，而MLW、 DPK站点均位于太湖富营养化程度较高的湖区，每年5-9月间藻类生长旺盛. 植被类型差异是造成4个站点的反照率呈现两两相近的原因.

湖表反照率相近站点之间也存在一定差异. DPK站点常年平均风速高于MLW站点^[22]，以2013年为例： DPK全年平均风速为4.41m ·s^-1，MLW全年平均风速为2.60 m ·s^-1. 较大风浪携卷底泥至湖体中导致DPK站点浊度升高，使其反照率升高. 同时DPK站点叶绿素含量明显高于MLW站点. 因此，风速导致的浊度和叶绿素a浓度的变化是形成DPK反照率高于MLW反照率的原因. BFG和XLS站点湖表反照率值相近，仅相差0.006. 因为BFG站点水生植物较多，覆盖度高，西南部的XLS站点没有大面积水草分布^[23]. 水生植物对水体有净化作用^[24]并且可以阻止泥沙悬浮^[25]，研究表明东太湖的水体透明度位列全太湖最高^[26]，通常水体透明度高反照率较低. 因此BFG站点的反照率略低于XLS.

湖泊模型对湖表反照率进行估算时，除考虑太阳高度角和云量的影响外，还应着重考虑湖区植被类型对湖表反照率的影响.

(1) 太阳高度角是太湖湖表反照率的首要控制因子. 太阳高度角较低时，反照率在晴空指数处于0.4-0.6之间和<0.1时形成两个峰值. 反照率值随风速增大有增加的趋势，这与风导致底泥再悬浮有关. 湖表反照率随浊度和叶绿素a浓度升高而呈现增大趋势.

(2) 太湖湖表反照率与其叶绿素a浓度的相关关系具有区分草型和藻型湖区的能力，但不能有效表征藻类湖区水华严重程度及暴发情况.

致谢： 感谢南京信息工程大学大气环境中心所有参与建设、 维护太湖中尺度通量网观测平台以及水样采集工作的老师和同学. 特别感谢中国科学院太湖湖泊生态系统研究站提供叶绿素a浓度数据.