夏季晴天沙漠綠洲非均勻下墊面地表能量平衡分析

楊彥龍，左洪超，趙舒曼，楊　揚(yáng)，陸　莎

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州　730000；2.中國(guó)人民解放軍95455部隊(duì)，貴州　遵義　563127；3.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省(中國(guó)氣象局)干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅　蘭州　730020)

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夏季晴天沙漠綠洲非均勻下墊面地表能量平衡分析

楊彥龍1,2，左洪超1，趙舒曼1，楊揚(yáng)3，陸莎1

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)人民解放軍95455部隊(duì)，貴州遵義563127；3.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省(中國(guó)氣象局)干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730020)

摘要：利用“古浪非均勻近地層觀測(cè)試驗(yàn)”數(shù)據(jù)，分析地表熱通量不同算法對(duì)地表能量不閉合的影響，估算中國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)田下墊面的植被光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱和垂直平流輸送,并且分析其對(duì)干旱區(qū)農(nóng)田下墊面夏季地表能量不平衡的補(bǔ)償。結(jié)果表明：干旱區(qū)農(nóng)田植被光合作用平均日變化最大值達(dá)9.9 W·m-2，空氣熱儲(chǔ)存平均日變化最大值達(dá)10.6 W·m-2，生物量?jī)?chǔ)熱平均日變化最大值達(dá)32.4 W·m-2，垂直平流輸送平均日變化最大值達(dá)22.9 W·m-2；各補(bǔ)償項(xiàng)對(duì)地表能量閉合度分別提高2%、1%、2%和6%；在能量平衡方程中引入這4項(xiàng)后地表能量平衡閉合度由79%提升到90%。植被光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱和垂直平流輸送對(duì)干旱區(qū)農(nóng)田地表能量不閉合有明顯改善。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；農(nóng)田下墊面；光合作用；生物量?jī)?chǔ)熱；垂直平流輸送；地表能量平衡

引言

干旱區(qū)陸氣相互作用對(duì)區(qū)域氣候乃至全球氣候和大氣環(huán)流變化有極其重要的影響，能量平衡問(wèn)題是研究地氣相互作用過(guò)程中不容忽視的問(wèn)題。中國(guó)西北干旱區(qū)約占陸地面積的1/3，下墊面覆蓋類型很復(fù)雜，干旱區(qū)廣泛分布著荒漠或戈壁，其中面積不足4%的綠洲點(diǎn)綴其中。由于綠洲與周圍荒漠顯著的植被狀況差異，形成了十分明顯的小氣候特征，該地區(qū)也是干旱區(qū)人類生產(chǎn)生活的主要場(chǎng)所，地氣相互作用受人類活動(dòng)影響較多。因此，對(duì)于干旱區(qū)綠洲的地氣相互作用研究顯得尤為重要。

地球表面能量收支處于平衡狀態(tài)是人類對(duì)地球系統(tǒng)能量過(guò)程的最基本認(rèn)識(shí)，地表能量平衡過(guò)程也是地球系統(tǒng)能量過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。大量的研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)近地層觀測(cè)的能量是不平衡的[2-7]，不閉合度最高可達(dá)30%左右。在許多實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中能量不閉合的誤差如此之大是不能接受的。隨著時(shí)間的推移，地表能量閉合問(wèn)題需亟待解決[8]。

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)地表能量不閉合的研究取得了巨大的突破，但是這個(gè)問(wèn)題仍然沒(méi)有得到完美的解決。地表能量不閉合的許多解釋可歸結(jié)為：觀測(cè)儀器誤差，低頻泄漏及通量貢獻(xiàn)率等[3,9]，土壤、植被和大氣中的熱量?jī)?chǔ)存[4,10]，植被光合作用等。用不同方法進(jìn)行修正，地表能量不閉合在一定程度上會(huì)有所提高。但近地層能量的不閉合問(wèn)題仍然沒(méi)有徹底解決。地表能量平衡中將植被光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱對(duì)地表能量不平衡的影響忽略不計(jì)，但是中國(guó)干旱區(qū)農(nóng)田下墊面植被較密，空氣溫、濕梯度大，植被光合作用、生物量?jī)?chǔ)熱和空氣熱儲(chǔ)存不容忽略，李宏宇等[11]對(duì)中國(guó)黃土高原自然植被下墊面的植被光合作用分析發(fā)現(xiàn)其最大平均日變化峰值達(dá)2 W·m-2，王潤(rùn)元等[12]考慮空氣熱儲(chǔ)存后，地表能量閉合度提高3.4%。也有研究發(fā)現(xiàn)近地層垂直平流輸送對(duì)地表能量平衡的改善明顯[13-16]。左洪超[17]和楊啟東[18]等的研究指出近地層能量不閉合原因也可能存在于大氣中。目前中國(guó)干旱、半干旱區(qū)各補(bǔ)償通量對(duì)能量不閉合的補(bǔ)償見(jiàn)表1。

表1　已有研究補(bǔ)償通量對(duì)能量閉合度的提升

本文利用“古浪非均勻近地層觀測(cè)試驗(yàn)”數(shù)據(jù)，在干旱區(qū)農(nóng)田下墊面條件下，分析補(bǔ)償近地層植被光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱和平流輸送對(duì)地表能量不平衡的影響，研究和改進(jìn)干旱區(qū)農(nóng)田下墊面近地層的能量閉合度。

1試驗(yàn)簡(jiǎn)介及資料處理

1.1試驗(yàn)介紹

“古浪非均勻近地層觀測(cè)試驗(yàn)”(Gulang Heterogeneous Underlying Surface Layer Experiment，簡(jiǎn)稱GHUSLE)的觀測(cè)場(chǎng)在中國(guó)西北干旱區(qū)騰格里沙漠南緣的荒漠—綠洲下墊面上，處于甘肅和內(nèi)蒙古交界處。西南—東北走向的綠洲帶處于大范圍的沙漠之中，寬度不超過(guò)10 km，主要種植玉米、小麥等作物[19]。干旱區(qū)年降水量少，其農(nóng)作物的生長(zhǎng)以抽地下水灌溉為主。

觀測(cè)場(chǎng)位于甘肅省武威市古浪縣海子鎮(zhèn)東新村。GHUSLE在沙漠—綠洲—沙漠不同下墊面上設(shè)置3個(gè)微氣象觀測(cè)站，分別為西沙漠站(103°48′E、37°38′N)、農(nóng)田站(103°49′E、37°38′N)和東沙漠站(103°51′E、37°38′N)，農(nóng)田站是觀測(cè)的重點(diǎn)，農(nóng)作物為玉米，觀測(cè)站位置和下墊面特征見(jiàn)圖1。GHUSLE中所用的觀測(cè)儀器見(jiàn)表2。

觀測(cè)試驗(yàn)于2010年5月30日—7月14日進(jìn)行。觀測(cè)項(xiàng)目有：梯度塔(高32 m)4層 (32 m、16 m、8 m、2 m)氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速觀測(cè)及3層(28 m、12 m、3 m)三維超聲風(fēng)速儀湍流通量觀測(cè)，高度4.2 m、水平直線距離450 m大孔徑閃爍儀(LAS)通量觀測(cè)，地下5層(5 cm、10 cm、20 cm、40 cm、80 cm)土壤溫、濕度觀測(cè)，向下和向上短波輻射及長(zhǎng)波輻射觀測(cè)(高1.5 m)，植被高度及氣壓觀測(cè)。

1.2資料處理

利用農(nóng)田站2010年6月15—26日連續(xù)正常觀測(cè)的12個(gè)晴天數(shù)據(jù)資料。連續(xù)晴天的觀測(cè)資料具有一定的代表性，基本能夠代表典型夏季溫帶干旱區(qū)農(nóng)田的天氣特征，排除了云、降水對(duì)地表能量不閉合的影響，且短期連續(xù)晴天觀測(cè)，植被的高度和質(zhì)量變化不是太明顯，研究植被光合作用和生物量?jī)?chǔ)熱更有說(shuō)服力。文中所用時(shí)間均為北京時(shí)，采用數(shù)據(jù)資料的湍流觀測(cè)高度為3 m，熱通量板深度為5 cm和10 cm。

利用EdiRE軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)站渦旋相關(guān)儀得出的湍流脈動(dòng)資料進(jìn)行相關(guān)處理。EdiRE軟件可以對(duì)湍流高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理, 得到所需平均時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速、壓強(qiáng)、溫度、感熱通量、潛熱通量、CO2通量和其他環(huán)境變量，還可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)文件的處理[17]。

圖1　試驗(yàn)站點(diǎn)位置和下墊面特征

內(nèi)容農(nóng)田站儀器型號(hào)西沙漠站儀器型號(hào)東沙漠站儀器型號(hào)相對(duì)濕度/氣溫HMP45CHMP45C—壓強(qiáng)CS105CS105—風(fēng)向W200P05103g05103風(fēng)速010C-1014A05103長(zhǎng)波/短波輻射PSPCNR4,Kipp&ZonenMS102EC觀測(cè)CSAT3/LI7500CampbellCSAT3/LI7500Campbell—LAS觀測(cè)Kipp&Zonen——土壤濕度CS616CS616—土壤溫度107/109109109土壤熱通量HFP01HFP01HFP01

2地表能量閉合及研究方法

2.1能量平衡方程修正

在理想狀態(tài)下，地表能量平衡方程可以用下式表達(dá)：

(1)

其中Rn為凈輻射，G0為地表土壤熱通量，H為感熱通量，LE為潛熱通量。

在現(xiàn)實(shí)條件下，大氣條件通常比較復(fù)雜，地表能量總是存在不平衡。以渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的安裝高度為上邊界、地表為下邊界的空間為研究對(duì)象，根據(jù)水汽和熱量通量守恒簡(jiǎn)化得能量平衡方程[20-21]：

(2)

實(shí)際情況下，在此空間內(nèi)，通常包含有植被的光合作用Sg和生物量?jī)?chǔ)熱Sz，因此近地層能量平衡方程可簡(jiǎn)化為：

Rn-G0=H+LE+Hp+LEp

(3)

公式(3)中包含了觀測(cè)到的湍流通量、垂直平流輸送項(xiàng)SP(HP，LEP)、空氣溫濕變化的熱儲(chǔ)存項(xiàng)Sa(ST，Sq)、生物量?jī)?chǔ)熱項(xiàng)Sz和光合作用項(xiàng)Sg。

2.2能量平衡不閉合的描述方法

研究能量閉合狀況的方法較多。本文主要用能量平衡殘差、線性回歸2種方法分析干旱區(qū)農(nóng)田下墊面的能量平衡狀況。

(1)地表能量不閉合殘差(Res)可以表示為：

(4)

其中S是補(bǔ)償通量(Sp，Sa，Sz，Sg)，Res會(huì)向0兩邊發(fā)散，不平衡殘差的絕對(duì)值越小，不閉合度越小，絕對(duì)值越大，不閉合度越大。

(2)將有效能量與可利用能量進(jìn)行線性擬合, 擬合系數(shù)中斜率代表地表能量平衡狀況。能量閉合的理想狀況是其線性回歸斜率為1、截距為0，斜率越接近1越接近閉合。

3農(nóng)田下墊面地表土壤熱通量對(duì)地表能量平衡的影響

地表土壤熱通量的觀測(cè)只能在地表以下幾厘米處測(cè)量，因此要獲得地表熱通量，必須計(jì)算地表到觀測(cè)儀器之間的土壤熱儲(chǔ)存，采用2種方法計(jì)算土壤熱通量。

(1)采用熱通量板法[22]，地表向下的總熱量可用下式計(jì)算:

(5)

式中，GZ為Z處熱通量板觀測(cè)值，CV、TS分別為土壤熱容量和土壤濕度。由向下和向上的長(zhǎng)波輻射換算得到地表溫度[23]：

(6)

(2)土壤熱通量板的位置到地表的熱儲(chǔ)存表達(dá)式如下[24]：

(7)

式中，ρzcz為土壤的體積熱容，單位：J·m-3·K-1，T(z,t)為距離地表z處t時(shí)間的土壤溫度，單位：℃，△t時(shí)間為1 h。地表的土壤熱通量為：

(8)

式中Gz是距離地表為z的土壤熱通量板的值。

從圖2可以看出，2種算法得出的地表熱通量結(jié)果差異較大，用方法(1)熱通量板法得出的地表熱通量最大值出現(xiàn)在14:00，達(dá)172.6 W·m-2，最小值-104.3 W·m-2出現(xiàn)在22:00。而用方法(2)得出的地表熱通量最大值為117.3 W·m-2，最小值為-41.2 W·m-2。

圖3顯示2種不同算法計(jì)算地表熱通量，其可利用能量與有效能量的線性擬合結(jié)果差異較大，方法(1)出現(xiàn)過(guò)閉合情況，閉合率超過(guò)1，且較為發(fā)散。方法(2)的閉合度為0.79，比方法(1)較為收斂。2種算法的差異如此之大，其原因在于方法(1)用到由向下和向上的長(zhǎng)波輻射換算得到的地表溫度，本文下墊面為農(nóng)田玉米，用反演的地表溫度實(shí)際包含玉米冠層的溫度，用于地表熱通量計(jì)算誤差較大，因此方法(2)可以直接用測(cè)量的5 cm深處的土壤溫度。本文用方法(2)計(jì)算地表土壤熱通量，閉合度由68%提高到79%。

圖2　不同算法地表熱通量日平均變化特征

圖3　不同算法地表熱通量可利用能量與有效能量比較

4植被光合作用、空氣熱儲(chǔ)存和生物量?jī)?chǔ)熱對(duì)地表能量平衡的影響

4.1植被光合作用對(duì)地表能量平衡的影響

CO2是光合作用的產(chǎn)物，也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要物質(zhì)，其垂直通量甚至被認(rèn)為是氣候變化的信號(hào)[11]。在已有研究中，Bi等[25]在南方的陸面過(guò)程實(shí)驗(yàn)表明CO2垂直日變化最低接近-0.75 mg·m-2·s-1，常年處于負(fù)值；李宏宇等[11]研究表明黃土高原半干旱區(qū)的CO2垂直日變化最低接近-0.2 mg·m-2·s-1。干旱區(qū)農(nóng)田的CO2垂直日變化最低接近-0.87 mg·m-2·s-1，如圖4所示。由于選取的是晴天數(shù)據(jù)，下墊面農(nóng)作物茂密，光合作用強(qiáng)，說(shuō)明干旱區(qū)農(nóng)田通過(guò)光合作用承擔(dān)更多的CO2吸收任務(wù)。CO2通量變化與光合作用熱儲(chǔ)存有緊密聯(lián)系，Jacobs等[26]研究表明，1 mg·m-2·s-1的CO2通量變化等于11.2 W·m-2能量通量，通過(guò)這一關(guān)系可計(jì)算光合作用熱儲(chǔ)存項(xiàng)。圖5給出光合作用的平均日變化，植被光合作用平均日變化值在10：00—14：00時(shí)段達(dá)到一天最大值，最高為9.9 W·m-2，在13：00有個(gè)小高峰，日出后增大午后逐漸減小。從圖5b可以看出光合作用日際變化最大值可達(dá)4.5 W·m-2，平均值為3.4 W·m-2，光合作用對(duì)地表能量不閉合造成的補(bǔ)償明顯。

圖6是對(duì)資料做了嚴(yán)格的質(zhì)量控制、用方法(2)修正和改進(jìn)地表熱通量后補(bǔ)償了光合作用儲(chǔ)存項(xiàng)的地表能量不閉合殘差的變化特征，可以看出地表能量不平衡殘差有所減小，日平均地表能量殘差最大值降到97.5 W·m-2，殘差平均補(bǔ)償6.7 W·m-2，日際變化最大值降到16.74 W·m-2，補(bǔ)償了光合作用熱儲(chǔ)存后地表能量閉合狀況有所改善。

圖4　CO2通量各晴天變化(a)和平均日變化(b)特征

圖5　光合作用項(xiàng)平均日變化(a)和日際變化(b)特征

圖6　補(bǔ)償光合作用前后能量不閉合殘差平均日變化(a)和日際變化(b)特征

4.2空氣熱儲(chǔ)存對(duì)地表能量平衡的影響

空氣熱儲(chǔ)存計(jì)算公式[11]如下：

(9)

式中T、Cp、L和q分別是氣溫、空氣的體積熱容量、水的汽化潛熱和空氣比濕，h是渦動(dòng)的高度。差分時(shí)間為1 h，平均溫度和比濕可用h/2處的值代替。

利用公式(9)對(duì)空氣溫、濕度變化引起的熱儲(chǔ)存項(xiàng)進(jìn)行估算，由圖7可見(jiàn)空氣熱儲(chǔ)存平均日變化值最大可達(dá)10.6 W·m-2，日出后增大，至07：00逐漸減?。蝗针H平均值為0.8 W·m-2，空氣熱儲(chǔ)存雖量級(jí)較小，但也會(huì)對(duì)地表能量不閉合有積極的補(bǔ)償作用。

由圖8可見(jiàn)，引入空氣的熱存儲(chǔ)項(xiàng)后, 地表能量不平衡殘差有所減小，相應(yīng)的也會(huì)提升一定的閉合度，但減小的量不是太明顯，平均地表能量殘差值降了0.2 W·m-2，日平均最大值降到94.9 W·m-2，日際變化最大值降到14.1 W·m-2，但地表可利用能量依然高于湍流通量。

圖7　熱儲(chǔ)存平均日變化(a)和日際變化(b)特征

圖8　引入熱儲(chǔ)存項(xiàng)前后能量不閉合殘差平均日變化(a)和日際變化(b)特征

4.3生物量?jī)?chǔ)熱對(duì)地表能量平衡的影響

GHUSLE試驗(yàn)下墊面農(nóng)作物為玉米，試驗(yàn)期間玉米植株高度大約在70 cm，會(huì)儲(chǔ)存一定的熱量。Meesters等[27]給出改進(jìn)的生物量?jī)?chǔ)熱計(jì)算方式，即一般情況下，生物儲(chǔ)熱通量用溫差變化的方法計(jì)算：

(10)

由于6月玉米植株相對(duì)成熟期較矮，長(zhǎng)波輻射反演地表溫度實(shí)際包含玉米冠層的混合溫度，可直接用反演的地表溫度代替Tveg，地表溫度由公式(6)計(jì)算可得。

利用公式(10)對(duì)生物量?jī)?chǔ)熱項(xiàng)進(jìn)行估算，圖9為生物量?jī)?chǔ)熱的平均日變化和日際變化特征，可見(jiàn)生物量?jī)?chǔ)熱平均日變化值最大可達(dá)32.4 W·m-2，日出后增大，至08：00逐漸減小，日際變化最大值為2.5 W·m-2，說(shuō)明農(nóng)田下墊面的生物量?jī)?chǔ)熱在地表能量不閉合中不容忽視。圖10是在以上補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，引入生物量?jī)?chǔ)熱的地表能量不閉合殘差的變化特征，可以看出地表能量不平衡殘差有所減小，日平均地表能量殘差最大值降到91.5 W·m-2，殘差平均補(bǔ)償0.7 W·m-2，日際變化除個(gè)別晴天值有輕微升高，整體都在降低。補(bǔ)償生物量?jī)?chǔ)熱項(xiàng)后干旱區(qū)農(nóng)田下墊面地表能量平衡狀況改善明顯。

圖9　生物量?jī)?chǔ)熱平均日變化(a)和日際變化(b)特征

圖10　補(bǔ)償生物量?jī)?chǔ)熱項(xiàng)前后能量不閉合殘差平均日變化(a)和日際變化(b)特征

5垂直平流輸送對(duì)地表能量平衡的影響

楊彥龍等[15]研究發(fā)現(xiàn)垂直熱平流對(duì)干旱區(qū)裸土下墊面的補(bǔ)償十分顯著，其對(duì)閉合度可提高14%。而干旱區(qū)農(nóng)田非均勻下墊面，農(nóng)田邊有防護(hù)林，時(shí)常會(huì)形成小范圍環(huán)流，也會(huì)產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)。另外，農(nóng)田下墊面長(zhǎng)期灌溉使得地表蒸騰比較明顯，近地層水汽垂直輸送明顯。垂直平流輸送項(xiàng)計(jì)算公式為[13]：

(11)

利用公式(11)對(duì)平流輸送項(xiàng)進(jìn)行估算，圖11a給出平流輸送和地表能量不閉合殘差的平均日變化特征，可以看出站點(diǎn)存在比較明顯的平流輸送，且平流輸送平均日變化最大值達(dá)22.9 W·m-2，平均值為2.9 W·m-2。平流輸送項(xiàng)與能量不閉合的殘差項(xiàng)有很好的相關(guān)性，可對(duì)不閉合起到積極的補(bǔ)償作用。由圖11b發(fā)現(xiàn)垂直速度和水平速度有較好的相關(guān)性，說(shuō)明干旱區(qū)農(nóng)田下墊面垂直速度主要是水平速度在垂直方向的分量。

在地表能量不閉合中引入以上補(bǔ)償項(xiàng)后，圖12給出補(bǔ)償垂直平流輸送前后地表能量不閉合殘差的變化特征。補(bǔ)償平流輸送后，不閉合殘差的平均日變化最大值降到79.3 W·m-2，殘差平均補(bǔ)償2.5 W·m-2。由圖12b可見(jiàn)，除個(gè)別天不閉合殘差有所提高，整體不閉合殘差都在減少，顯然考慮了平流輸送項(xiàng)之后，對(duì)閉合度有很大的改善。

圖11　平流輸送和不閉合殘差的平均日變化特征(a)及垂直速度與水平速度的關(guān)系(b)

圖12　補(bǔ)償平流輸送前后不閉合殘差的平均日變化(a)和日際變化(b)特征

由圖13可見(jiàn)，在各能量通量日平均變化特征中，補(bǔ)償通量(S)與地表熱通量值(G0)較接近，在夜間大部分時(shí)間超過(guò)了地表土壤熱通量對(duì)不閉合的補(bǔ)償，15:00—18:00出現(xiàn)過(guò)閉合情況，不閉合殘差絕對(duì)值收斂在80 W·m-2以內(nèi)，達(dá)到基本能接受的平衡狀態(tài)。

以上分析表明，引入各補(bǔ)償通量項(xiàng)后，地表能量平衡差額均會(huì)有所降低。圖14進(jìn)一步給出改進(jìn)前和逐個(gè)加入各補(bǔ)償通量項(xiàng)后的地表可利用能量和有效能量的散點(diǎn)圖。由最小二乘法分別對(duì)各個(gè)閉合度的變化進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)表明，補(bǔ)償了地表熱通量、光合作用熱儲(chǔ)存、空氣熱存儲(chǔ)、生物量?jī)?chǔ)熱和垂直平流輸送項(xiàng)后的閉合度分別為0.79、0.81、0.82、0.84、0.90。在加入補(bǔ)償通量項(xiàng)后閉合度提高了0.11，說(shuō)明以上補(bǔ)償通量對(duì)地表能量不閉合的改善十分明顯。各通量對(duì)閉合度的提升見(jiàn)表3。

圖13　地表能量平衡分量平均日變化特征

圖14　地表可利用能量與有效能量散點(diǎn)圖

表3　各補(bǔ)償通量對(duì)閉合度的提升

6結(jié)論

在夏季干旱區(qū)農(nóng)田下墊面條件下，不同地表熱通量算法對(duì)不閉合的影響較明顯，涉及地表溫度計(jì)算地表土壤熱通量的值偏高，地表能量平衡出現(xiàn)過(guò)閉合的現(xiàn)象，原因是由向下和向上的長(zhǎng)波輻射換算得到的地表溫度實(shí)際包含農(nóng)作物冠層的溫度，不是實(shí)際的地表溫度，在具有一定冠層植被高度的下墊面不適合用由向下和向上的長(zhǎng)波輻射換算得到的地表溫度計(jì)算土壤熱通量。

干旱區(qū)農(nóng)田下墊面地表能量平衡方程中考慮了光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱和垂直平流輸送，并對(duì)其進(jìn)行了估算。研究表明光合作用對(duì)地表能量平衡閉合度提高2%，空氣熱儲(chǔ)存對(duì)地表能量平衡閉合度提高1%，生物量?jī)?chǔ)熱對(duì)地表能量平衡閉合度提高2%，垂直平流輸送對(duì)地表能量平衡閉合度提高6%。各補(bǔ)償通量均在一定程度上提高了干旱區(qū)農(nóng)田下墊面夏季地表能量平衡的閉合度。

研究發(fā)現(xiàn)，由于干旱區(qū)農(nóng)田夏季植被茂密，旱區(qū)農(nóng)田的CO2通量日變化最大接近0.87 mg·m-2·s-1，光合作用儲(chǔ)存最高達(dá)9.9 W·m-2，日出后增大至午后逐漸減小，日際變化最大值可達(dá)4.5 W·m-2，平均值為6.7 W·m-2，對(duì)地表能量不閉合造成的補(bǔ)償明顯?？諝鉄岽鎯?chǔ)在07：00—11：00值最大，平均日變化值最大可達(dá)10.6 W·m-2，日際平均的最大值達(dá)0.8 W·m-2，空氣熱儲(chǔ)存雖量級(jí)小也會(huì)對(duì)地表能量不閉合有積極的補(bǔ)償作用。生物量?jī)?chǔ)熱平均日變化值最大可達(dá)32.4 W·m-2，日出后增大，至08：00逐漸減小，說(shuō)明農(nóng)田下墊面的生物量?jī)?chǔ)熱在地表能量不閉合中不容忽視。下墊面不均勻、植被的蒸騰作用會(huì)引起較強(qiáng)的垂直平流輸送，垂直平流輸送的最大值在10：00—13：00時(shí)段，其平均日變化最大值達(dá)22.9 W·m-2，平均值為2.5 W·m-2。引入補(bǔ)償量后不閉合殘差平均日變化最大值由105.9 W·m-2降到79.3 W·m-2，地表能量平衡的閉合度由79%提升至90%，補(bǔ)償通量對(duì)地表能量不閉合殘差的減小及對(duì)閉合度的提升都十分明顯。

研究表明，由換算得到的地表溫度計(jì)算非均勻農(nóng)田下墊面地表土壤熱通量偏大，且干旱區(qū)非均勻農(nóng)田下墊面條件下地表能量平衡出現(xiàn)過(guò)閉合現(xiàn)象，只能用不涉及地表溫度的方法來(lái)計(jì)算地表土壤熱通量。估算發(fā)現(xiàn)光合作用、空氣熱儲(chǔ)存、生物量?jī)?chǔ)熱和垂直平流輸送對(duì)干旱區(qū)農(nóng)田下墊面夏季地表能量不平衡的貢獻(xiàn)較為顯著，但不閉合殘差剩余量依然明顯，仍有10%的不閉合度，說(shuō)明還有其他因素仍然影響地表能量的平衡狀態(tài)。另外本文的各補(bǔ)償通量算法也存在不確定因素，所得結(jié)論還需要在今后更深入研究討論。

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Analysis of Surface Energy Balance in Desert-oasis Heterogenous Underlying Surface in Sunny Day of Summer

YANG Yanlong1,2, ZUO Hongchao1, ZHAO Shuman1, YANG Yang3, LU Sha1

(1.CollegeofAtmosphericScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China；2.Unitof95455ofChinesePeople’sLiberationArmy,Zunyi563127,China；3.KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofCMA/GansuProvince,InstituteofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China)

Abstract:The values of plant photosynthesis, air heat storage, biomass storage and vertical advection under the cropland surface conditions in the arid zone of Northwest China were estimated by using the data of “Observation experiment of heterogeneous near-surface layer in Gulang” based on the existing researches firstly. Then the effects of four terms on surface energy unclosure of cropland in the arid region were also analyzed. The results show that the maximum diurnal variation of plant photosynthesis on the cropland in arid region came to 9.9 W·m-2, and the maximum diurnal variations were 10.6 W·m-2, 32.4 W·m-2and 22.9 W·m-2for air heat storage, biomass storage and vertical advection, respectively. They raised the energy closure by 2%, 1%, 2% and 6% in turn.The surface energy closure was improved from 79% to 90% after considering these four terms above-mentioned.The surface energy balance was significantly improved after considering the plant photosynthesis, air heat storage, biomass storage and vertical advection.

Key words:arid region;cropland surface; photosynthesis; biomass storage; vertical advection transport; surface energy balance

收稿日期：2015-11-24；改回日期：2016-02-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB956200)及國(guó)家自然科學(xué)基金(41475009，41275019)共同資助

作者簡(jiǎn)介：楊彥龍(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馕锢韺W(xué)和大氣環(huán)境. E-mail：yangyl13@lzu.edu.cn 通訊作者：左洪超(1964-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)榇髿馕锢韺W(xué)與大氣環(huán)境.E-mail：zuohch@lzu.edu.cn

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-03-11-0412

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0412

中圖分類號(hào)：P401

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

楊彥龍，左洪超，趙舒曼，等.夏季晴天沙漠綠洲非均勻下墊面地表能量平衡分析[J].干旱氣象，2016，34(3)：412-422, [YANG Yanlong, ZUO Hongchao, ZHAO Shuman, et al. Analysis of Surface Energy Balance in Desert-oasis Heterogenous Underlying Surface in Sunny Day of Summer[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):412-422], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0412