日照時長對青海湖草地能量平衡的影響

李 甫，李鳳霞，周秉榮，肖宏斌，顏亮東

(青海省氣象科學(xué)研究所,青海 西寧 810001)

太陽輻射能是地-氣系統(tǒng)最重要的能量來源。由于大氣組分對輻射能的選擇性吸收造成大氣對太陽短波輻射的直接吸收很弱,主要是吸收地面的長波輻射，所以當太陽輻射穿過大氣到達地球表面時將產(chǎn)生一系列的能量再分配，而下墊面的不同會對能量再分配造成影響，從而產(chǎn)生不同下墊面條件下的能量平衡，這是影響植被生產(chǎn)力的重要因素[1]。目前，能量平衡研究因子中的凈輻射和土壤熱通量可以直接測得，感熱和潛熱通量通常用渦度相關(guān)法、梯度法、整體法、波文比法、彭曼法以及組合法[2-3]等計算。近年來,我國研究人員已對森林[4-8]、草原[9-10]、農(nóng)田[11-13]、沙漠[14]、冰川[15]以及其他類型[16-17]下墊面的能量平衡及其因子進行了研究分析。青藏高原作為我國天氣變化“啟動區(qū)”，其能量平衡也是研究的熱點,李韌等[18]和季國良等[19-20]分別對五道梁的能量平衡方程中各分量特征和地面對大氣的加熱狀況進行了分析研究；李國平等[21]分析了改則、獅泉河的地面能量平衡和地面熱源強度；Liu等[22]分析了改則、當雄、昌都三地的近地面層風(fēng)速、溫度和濕度日變化特征及廓線規(guī)律；張法偉等[23]和姚德良等[24]利用中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站的數(shù)據(jù)，前者分析了高寒草甸地面熱源強度及其對生物量的影響，后者改進了適合于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的陸地生物圈模式；Tanaka等[25]以1998年“全球能量與水循環(huán)亞洲季風(fēng)之青藏高原試驗”加強觀測試驗期資料為基礎(chǔ)分析了青藏高原東部地表能量平衡及能量閉合狀況；李泉等[26]分析了西藏高原高寒草甸能量閉合狀況。以上研究都是利用晴天或是某個時間段內(nèi)的平均狀況分析能量平衡，少見對不同太陽輻射條件下能量平衡的研究。作為地-氣系統(tǒng)的主要能量來源，太陽輻射的能量差異，肯定會導(dǎo)致地-氣系統(tǒng)接收的輻射能以及能量的二次分配，進而影響能量平衡及其因子。由于太陽輻射的觀測儀器在青海只有個別臺站配備，不利于大范圍觀測研究，而日照時數(shù)則不同，大多數(shù)臺站都有觀測數(shù)據(jù)，加之日照時長與太陽直接輻射息息相關(guān)。因此，本研究嘗試利用日照時長的差異來模擬太陽輻照能的差異，得到不同太陽輻射條件下的能量平衡差異，進而分析太陽輻射能對草原地-氣間能量平衡的影響，為以后進一步研究高原對大氣環(huán)流的熱力作用和太陽輻射對青海草地生產(chǎn)力的影響打下良好基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.2觀測要素及時間 在研究地區(qū)安置TRM-ZS4環(huán)境梯度監(jiān)測系統(tǒng)進行連續(xù)定位觀測。觀測項目有總輻射、凈輻射、反射輻射，2個高度(0.5和2.0 m)的風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫度和相對濕度，氣壓，3個土層深度(0～10、10～30、30～50 cm)土壤熱通量、土壤溫濕度以及3個深度的土壤水分。自動觀測系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)采集儀自動記錄觀測數(shù)據(jù),每5 min記錄一次。

為保證大環(huán)境的相對一致，選取2009年8月31日-9月17日的觀測數(shù)據(jù)。日照依據(jù)時長(R)，分為R1≤3 h、3 h

1.3計算方法 波文比-能量平衡法是通量計算中應(yīng)用較為廣泛的方法之一，胡隱樵[3]根據(jù)誤差理論分析，比較了在近地面層內(nèi)各種間接確定湍流通量方法的觀測誤差，結(jié)果表明在相同的觀測條件下間接法確定湍流通量波文比法誤差較小。波文比法是基于地表能量平衡方程和湍流垂直輸送方程計算近地層湍流通量的[28]。

諸如植物冠層儲熱和地下能量水平輸送[29]等因子，對于下墊面為草地等低矮植被類型的能量平衡研究中常常忽略不計，地表能量平衡簡化方程為：

Rn=H+λΕ+G；

(1)

式中，Rn為凈輻射(W/m2)，H為感熱通量(W/m2)，λΕ為潛熱通量(W/m2)，G為土壤熱通量(W/m2)。

波文1926年定義的波文比β公式為：

β=H/λΕ=γΔt/Δe；

(2)

那么潛熱通量λΕ和感熱通量H分別表示為：

λΕ=(Rn-S)/(1+β)；

(3)

H=β·(Rn-S)/(1+β)。

(4)

式中，Δt為兩個高度的溫度差(℃)；Δe為2個高度的水汽壓差(kPa)，γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同極端日照條件下能量平衡及各分量的日變化特征 研究區(qū)域9月份的日照一般在06:00-18:00(12 h)；選取2個日照極端時長(日照時間分別為11.9和0 h)分析能量平衡及分量的差異之所在，為3種日照條件能量平衡的差異分析提供方向和切入點。

2.1.1不同極端日照條件下能量平衡各分量的日變化特征 兩種極端日照條件下，能量平衡存在明顯差異。表征地面輻射能收支間差值的凈輻射，取地面收入大于支出為正值，反之為負值(下文同)。無日照條件下的凈輻射介于-17.2～92.8 W/m2；與此相反，11.9 h日照時，因為白晝吸收的太陽輻射能較多，故而夜間以長波輻射返回大氣的熱能也較多，進而導(dǎo)致其凈輻射晝夜的絕對值比無日照時大很多，介于-44.3～510.8 W/m2(圖1a)。

土壤熱通量取能量從地面淺層向深層傳遞為正值，反之為負值(下同)。2種極端日照條件下的土壤熱通量最顯著的差異在于：無日照時土壤熱通量全部為負值，即能量由土壤深層向淺層傳遞，大小介于2.9～10.0 W/m2；而11.9 h日照條件下，凌晨00：00至次日上午11:00能量是由土壤深層向淺層傳遞，12:00-23:00由于土壤淺層吸收太陽輻射，溫度升高，能量由土壤表層向深層傳遞，傳遞的能量介于-27.0～48.4 W/m2(圖1b)。

圖1 晴天和陰天條件下熱量平衡各分量差異分析

感熱通量和潛熱通量中取地面收入的能量大于支出為正值，地面支出的能量大于收入為負值(下文同)。11.9 h日照條件下，感熱通量的值介于-38.7～249.2 W/m2，20:00至次日06:00，地表以感熱形式向大氣輸出能量，07:00-19:00則變成地面以感熱形式吸收能量；無日照時感熱通量的值只有-4.0～72.5 m2；收入與支出間的轉(zhuǎn)化則分別出現(xiàn)在08:00和20:00(圖1c)。地面以潛熱形式收支能量的變化與感熱通量基本一致，11.9 h日照時潛熱通量介于-16.7～259.6 W/m2；無日照時只有-4.1～26.7 W/m2(圖1d)。

2.1.2不同極端日照條件下能量平衡的日變化特征 2種極端日照條件下地面在中午前后都是吸收能量，只是11.9 h日照吸收的能量大而已；夜間基本表現(xiàn)為地面支出能量，同樣11.9 h日照由于白天吸收的能量較多，夜間支出的能量也較無日照時多(圖2)。對于地面吸收或支出的能量，2種極端日照條件下地面與貼地層大氣的交換形式差異很大，在某些時段甚至是截然相反(圖3)。

2.2不同日照條件下能量平衡各分量的日變化特征 極端日照條件在研究區(qū)域發(fā)生的概率不高，故按照最長日照時間的60%和25%，將日照時長分為3類來分析其能量平衡特征，可能會更有意義。

圖2 極端日照條件下能量收支差異

圖3 極端日照條件下波文比差異

2.2.1不同日照條件下能量平衡各分量的差異性分析 對3種日照條件下能量平衡各分量進行方差分析后可知，組間差異極顯著(表1)，對各分量在不同日照條件下的值采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進行多重比較，結(jié)果顯示，對于凈輻射通量、土壤熱通量和感熱通量而言，R1與R2、R3之間差異極顯著，R2和R3之間差異不顯著；潛熱通量則是R1與R3之間差異極顯著，R2和R1、R3之間差異顯著(表2)。

表1 3種日照條件下能量平衡各分量的方差分析

表2 能量平衡各分量在3種日照條件下的多重比較

2.2.2不同日照條件下凈輻射、土壤熱通量日變化分析 不同日照條件的峰值差別比較大，從大到小(R3>R2>R1)依次為：491.8、363.2和173.6 W/m2；絕對最大值分別發(fā)生在13:00、16:00和14:00時，故而凈輻射曲線對正午是不對稱的，這與直接輻射有關(guān)(圖4)。凈輻射由負值轉(zhuǎn)到正值以及由正值轉(zhuǎn)到負值的時刻與日照條件無關(guān)，均出現(xiàn)在日出和日落后1.5 h附近。

圖4 3種日照條件下凈輻射日變化

3種日照條件下的土壤熱通量變化趨勢一致，只是能量傳遞方向改變時間稍有差異，地表能量開始向地下傳遞的起始時間分別為14:00、13:00和12:00；終止時間分別為20:00、21:00和22:00。土壤熱通量的峰值及峰值出現(xiàn)時間也存在差異，峰值由大到小分別為36.0(R3)、24.7(R2)和7.5 W/m2(R1)；峰值出現(xiàn)時間在15:00-17:00。R3條件下，土壤熱通量的負向最大值出現(xiàn)在08：00，為-16.9 W/m2；R2條件下，負向最大值出現(xiàn)在05：00，為-10.7 W/m2，R1條件下，負向最大值出現(xiàn)在04：00，為-10.3 W/m2(圖5)。

2.2.3不同日照條件下感熱通量、潛熱通量日變化分析 3種日照條件下潛熱通量分別在05:00(R2)、07:00(R1、R3)之后，地面開始以潛熱方式吸入能量，峰值出現(xiàn)在13:00-14:00，此過程在20:00后改變?yōu)榈孛嬉詽摕岱绞介_始釋放能量，R3條件下傳遞的能量最大。3種日照條件下潛熱通量峰值差異很大，由大到小分別為221.3(R3)、153.8(R2)、63.9 W/m2(R1)；相對于R2、R1而言，R3條件下，隨著凈輻射的變化，潛熱通量變化幅度很大，6 h內(nèi)，增加或減少近220 W/m2(圖6)。

圖5 3種日照條件下土壤熱通量日變化

圖6 不同日照條件下潛熱通量日變化

感熱通量在晚20：00至次日早07：00之間，土壤以感熱形式向大氣傳遞能量，反之，土壤以感熱形式吸收能量(圖7)。顯而易見，R3條件下，感熱通量峰值最大(254 W/m2)，R2條件下次之(186 W/m2)，R1條件下最低(113 W/m2)。由于R3條件下白晝土壤從大氣吸收的能量較多，所以在20:00后，土壤以感熱形式輸出的能量比R2、R1條件下多。三者負向峰值出現(xiàn)時間一致，均為21:00，負向峰值由大到小分別為35.0(R3)、9.3(R2)和8.1 W/m2(R1)。

圖7 不同日照條件下感熱通量日變化

2.33種日照條件下能量平衡的日變化分析 將能量平衡公式Rn=H+λΕ+G中的土壤熱通量移到公式的另一邊，得到，Rn-G=H+λΕ；表明地面吸收(支出)輻射能后，除去向下(上)傳遞的能量，其他收入(支出)的能量以感熱和潛熱形式與貼地層大氣交換。其中，Rn-G稱為地面熱源強度[30]。故將能量平衡的變化分地面熱源強度和波文比2個方面來具體分析地面能量收支和收支形式的分配情況。

地面熱源強度變化與凈輻射的變化相似，08:00-19:00，3種日照條件的地面熱源強度均為正值，即地面從外界吸收能量，而其余時間內(nèi)，則地面熱源強度均為負值，地面向外界輸送能量(圖8)，但總體是地面接收能量。雖然3種日照條件改變能量收支的時間一樣，但傳輸能量的大小卻有很大不同，3種日照條件的加熱場強度最大值從大到小(R3>R2>R1)依次為475.6、339.7和171.1 W/m2。

3種日照條件下，波文比的變化具有很大差異，不過總體而言，感熱在整個地面能量收支中占有較重要的地位(圖9)。R3條件下，感熱在能量傳遞過程中明顯占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是日落時間段(18:00-次日06:00)，感熱通量是潛熱通量的1.5倍以上，表明能量交換主要以湍流為主；日出以后，隨著地面和大氣溫度的快速變化，水汽相變收支的能量增強，潛熱通量比重開始增大，并在14：00附近達到最大值，只是此時也僅是比感熱通量稍大而已。R2條件下，09:00之前潛熱所占比重較大，10:00-19:00，感熱所占比重較大，此后兩者幾乎持平。而R1條件下，在07:00-10:00時間段內(nèi)潛熱通量略大于感熱通量，其余時間潛熱通量比感熱通量小。

圖8 3種日照條件下地面加熱場日變化規(guī)律

圖9 3種日照條件下波文比日變化規(guī)律

3 討論與結(jié)論

2種極端日照條件下能量平衡存在極大差異，主要表現(xiàn)在能量收支的大小以及地-氣之間能量交換的主要形式等方面，此外，各分量在2種條件下也存在大小、收支轉(zhuǎn)換時間等差異，特別是土壤熱通量，在無日照時，全部為負值。這就說明，雖然陰天地面也可以吸收一部分散射的太陽輻射能，但相比于太陽直接輻射還是很小，僅占其18%左右，而且對于給定的太陽高度角和大氣物理特性，散射的太陽輻射能也基本相同，所以用日照時間長短可以近似地反映太陽輻射能的大小，為討論3種日照條件的能量平衡問題提供了試驗依據(jù)。

通過方差分析和多重比較證實3類條件下能量平衡分量存在明顯差異，各類的能量平衡及其分量具有明顯的規(guī)律。首先是峰值隨日照時長的減少而減??；其次是峰值出現(xiàn)的時間也不相同，日照大于7 h下峰值出現(xiàn)時間最早；再次是除了土壤熱通量外地面能量收支轉(zhuǎn)換的時間基本相同。日照在3～7 h內(nèi)條件下的凈輻射、土壤熱通量和感熱通量的差異不顯著，這可能是因為，日照時長雖然介于3和7 h之間，但日照的出現(xiàn)時間卻不同，譬如日照出現(xiàn)上午和中午時，日照時長一樣，但接收到的能量卻相差很大，造成組內(nèi)差異較大，從而掩蓋了組間差異。這個問題需要在多年同時相段資料內(nèi)選取大量觀測數(shù)據(jù)，將日照時長和日照時間同時作進一步細化研究。另外，3種日照條件下感熱和土壤熱通量峰值出現(xiàn)時間的差異，可能與10 cm土壤內(nèi)儲存的能量的差異有關(guān)，因10 cm以上土壤中含有大量植物根系，為了不破壞植被無法安插土壤熱通量板，所以將0～10 cm土壤作為一個整體來研究地面能量的收支。但忽略地表和熱流板之間的土壤熱存儲會造成感熱和潛熱的計算誤差[31-32]。土壤熱通量的差異還可能是因為日照長小于7 h下常常伴有降水會增加土壤水分進而增加導(dǎo)熱率有關(guān)[7]。

由于高原地表空氣密度較小，所以相同強度的地面熱源其加熱效應(yīng)要比平原地區(qū)大一倍，所以造就了青藏高原對大氣的熱力作用[30]。地面熱源強度分析可知，環(huán)青海湖地區(qū)在9月上中旬，地表一直是吸收能量，而且與日照時長呈正相關(guān)。地-氣之間的交換形式隨日照時長的增加，變化有點復(fù)雜，20:00至次日08:00間，日照時長大于7 h感熱明顯增大，日照時長小于7 h差異不大；其他時間不同日照時長間的差異較小，日照時長小于7 h感熱和潛熱比值一直都在1附近，而日照時長大于7 h感熱通量明顯大于潛熱通量，這可能是因為日照較短的2種條件下大都有降水，地面和大氣濕度的增強增大了潛熱的比重。

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