三江源地區(qū)凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析*

張 功，韓輝邦，孫守家，張勁松，鄭 寧

三江源地區(qū)凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析*

張 功1,3，韓輝邦2**，孫守家3**，張勁松3，鄭 寧3

（1．安徽省林業(yè)科學(xué)研究院/安徽黃山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，合肥 239500；2．青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001；3．中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091）

利用三江源地區(qū)2018年1-12月渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)凍土/非凍土期內(nèi)各能量分項(xiàng)支出分配特征和能量平衡閉合率及其影響因子，以揭示其能量平衡特征。結(jié)果表明：顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量變化趨勢(shì)與凈輻射相似，且在年尺度、日尺度上具有典型的單峰型變化，但潛熱通量、土壤熱通量的峰值出現(xiàn)時(shí)間具有滯后性。非凍土期內(nèi)，顯熱、潛熱支出以及土壤吸收的熱量占總能量的比例分別為0.38、0.37、0.10；而在凍土期內(nèi)，上述各能量的支出比分別為0.54、0.19、?0.01。全年能量平衡閉合率為0.69，能量平衡閉合率在凍土期和非凍土期內(nèi)分別為0.63、0.74。三江源地區(qū)凍土期內(nèi)顯熱支出為主要能量消耗方式，且在該時(shí)段內(nèi)影響能量平衡閉合率的因素主要是湍流動(dòng)力因子；非凍土期的能量消耗方式為潛熱和顯熱，熱力和動(dòng)力因子均對(duì)能量平衡閉合率產(chǎn)生影響。

渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)；能量平衡；大氣穩(wěn)定度；摩擦速度；熱力湍流

能量交換是地氣相互作用的主要過程之一[1]，不僅影響地氣間物質(zhì)交換的進(jìn)程，而且也對(duì)氣候變化具有重要的推動(dòng)作用[2]。青藏高原對(duì)中國(guó)及東亞地區(qū)天氣系統(tǒng)的形成具有決定作用，同時(shí)該地區(qū)的地氣相互作用對(duì)全球大氣環(huán)流、亞洲季風(fēng)等具有重要影響[3-4]。在全球變化背景下，由于青藏高原獨(dú)特的大氣邊界層熱力結(jié)構(gòu)，其對(duì)于氣候變化的響應(yīng)十分敏感[5]，青藏高原的熱力學(xué)特征以及生態(tài)環(huán)境等對(duì)氣候變化的響應(yīng)受到了廣泛關(guān)注。因此，研究青藏高原地區(qū)的能量平衡特征對(duì)氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等相關(guān)學(xué)科具有重要意義。

青藏高原地區(qū)先后開展了“全球能量水循環(huán)之亞洲季風(fēng)青藏高原試驗(yàn)”與“全球協(xié)調(diào)加強(qiáng)觀測(cè)計(jì)劃（CEOP）亞澳季風(fēng)之青藏高原試驗(yàn)”研究，結(jié)果表明青藏高原的近地層和邊界層是大氣中各種熱力、動(dòng)力效應(yīng)傳輸?shù)拿浇閇6-7]，并且局地微氣象條件與下墊面性質(zhì)特征對(duì)此過程具有很大影響[8-9]。青藏高原地氣相互作用的觀測(cè)研究已經(jīng)陸續(xù)在阿里[10-11]、珠峰[12-13]、那曲[14-15]、羌塘[16]等地區(qū)展開，這些試驗(yàn)觀測(cè)研究主要集中在湍流變化特征、近地層輻射平衡特征、總體輸送系數(shù)等方面，有助于揭示青藏高原地區(qū)地氣交換特征及機(jī)制[17-18]。三江源自然保護(hù)區(qū)作為青藏高原的核心地帶，是中國(guó)重要的水源涵養(yǎng)地，也是中國(guó)氣候條件最惡劣、生態(tài)環(huán)境極脆弱的區(qū)域之一[19-20]。在全球變化背景下，為加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，國(guó)家制定了退耕還草、禁牧圍封等一系列保護(hù)和恢復(fù)措施，三江源地區(qū)植被覆蓋度、土壤水熱等狀況發(fā)生了改變[21]，這種變化勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)能量的分配發(fā)生改變。

由于觀測(cè)地形和湍流運(yùn)動(dòng)特征等客觀因素的限制，渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)在草地、農(nóng)田、森林等常規(guī)生態(tài)系統(tǒng)下觀測(cè)的通量數(shù)據(jù)，一般在進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制后即分析其規(guī)律特征、揭示影響機(jī)制[1-2,7,9]。三江源地區(qū)因其獨(dú)特的地理位置，對(duì)環(huán)境氣候的變化十分敏感，充分了解其地氣間的物質(zhì)能量交換特征，是該地區(qū)進(jìn)行生態(tài)、水文等相關(guān)研究的基礎(chǔ)。然而，許多常規(guī)下墊面的數(shù)據(jù)處理方法和研究結(jié)論在該地區(qū)未必適用，相關(guān)研究也較為缺乏，因此，在該地區(qū)進(jìn)行相關(guān)研究更需關(guān)注地氣交換過程。地氣間物質(zhì)能量交換觀測(cè)中的能量平衡不閉合，其影響因素眾多，而三江源地區(qū)的研究主要集中在能量收支規(guī)律及能量平衡特征方面[19,22]。為此，本研究以三江源保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，采用渦動(dòng)相關(guān)方法研究該區(qū)域凍土/非凍土的能量分配特征以及能量閉合狀況，并從湍流發(fā)展機(jī)理方面分析能量平衡不閉合的原因，旨在提高渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)在該地區(qū)的觀測(cè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而揭示三江源地區(qū)凍土/非凍土季節(jié)的能量分配特征及能量平衡閉合規(guī)律，探明影響該地區(qū)能量平衡閉合率的因素，對(duì)進(jìn)一步揭示青藏高原地氣相互作用與氣候環(huán)境變化具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣三江源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)（31°39′-36°12′N；89°45′-102°23′ E），屬于青藏高原腹地，是黃河、長(zhǎng)江及瀾滄江的發(fā)源地，海拔為4000-4300m，地貌特征以高原盆地為主。三江源自然保護(hù)區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候，沒有明顯的四季分別，只有干、濕季節(jié)的差異。研究地點(diǎn)設(shè)在三江源境內(nèi)的隆寶灘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，儀器安裝位置33°12′N，96°30′E，海拔4167m，位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣隆寶鎮(zhèn)境內(nèi)。該地區(qū)年平均氣溫約2.0℃，年平均降水量500～600mm，降水集中在5-9月，占全年降水量的80%以上。該地區(qū)湖泊、河流、沼澤眾多，高山草甸是主要生態(tài)系統(tǒng)。主要植被有圓囊苔草（）、藏北蒿草（）等，伴生植物有花葶驢蹄草（）、龍膽（）和圓穗蓼（）等。土壤以沼澤土和草甸土為主。沼澤土主要分布在濕地區(qū)域以及干濕交替區(qū)域，而草甸土主要分布在高寒草甸地區(qū)。土壤有機(jī)碳含量為142.31±18.42g·kg?1，全氮含量為9.76±8.34g·kg?1，全鉀含量為14.00±3.29g·kg?1，有機(jī)碳、全氮、全鉀在沼澤土和草甸土中差異顯著。

1.2 觀測(cè)設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

觀測(cè)設(shè)備為開路式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)（Eddy covariance，EC），主要包括三維超聲風(fēng)速儀（CSAT3，Campbell Scientific，USA）和CO2/H2O紅外氣體分析儀（Li-7500A，Li-cor，USA），分別用于測(cè)量超聲溫度、三維風(fēng)速、CO2和水汽密度，安裝在距地面2.5m高度的位置，在距地面1.5m高處安裝凈輻射儀（CNR-4，Kipp& Zone，Honland），地下5cm深處分南北兩向各安裝土壤熱通量?jī)x（HFP01，Hukseflux，Netherlands），在地下5、10、20、40cm處各安裝土壤溫濕度傳感器（CS655，Campbell Scientific，USA），距地面1.5m高處安裝空氣溫濕度傳感器（HMP155，Vaisala，F(xiàn)inland），利用雨量筒進(jìn)行降水量觀測(cè)。上述各類傳感器全部通過CR3000型數(shù)據(jù)采集器（Campbell Scientific，USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，其中三維風(fēng)、CO2、水汽密度原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10Hz，經(jīng)野點(diǎn)剔除、二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、虛溫訂正、以及WPL校正等在線處理后輸出30min平均值進(jìn)行存儲(chǔ)。氣象數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz，每10min存儲(chǔ)一次。研究觀測(cè)時(shí)間為2018年1月1日-12月31日。

1.3 能量平衡狀況分析

根據(jù)能量守恒定律，某一地區(qū)或某一生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡可表示為[23]

式中，H表示顯熱通量（W·m?2），LE表示潛熱通量（W·m?2），Rn表示凈輻射（W·m?2），Gs表示土壤熱通量（W·m?2）。Ad表示空氣水平運(yùn)動(dòng)造成的能量損失（W·m?2），Ae表示人工熱源的貢獻(xiàn)量（W·m?2），如燃料的燃燒等。在不考慮人類干擾、光合作用能量消耗以及空氣水平運(yùn)動(dòng)造成能量損失的條件下，式（1）可簡(jiǎn)化為

采用湍流通量（顯熱通量H+潛熱通量LE）與有效輻射能（凈輻射Rn－土壤熱通量Gs）的比值即能量平衡率（EBR）[24]來定量評(píng)價(jià)三江源自然保護(hù)區(qū)能量閉合狀況，表達(dá)式為

當(dāng)EBR為1時(shí)，即表示該系統(tǒng)的能量收支相等，能量閉合；EBR<1表示能量不閉合，且數(shù)值越小，能量不閉合現(xiàn)象越嚴(yán)重。

根據(jù)2018年1-12月的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，將研究區(qū)域分為凍土期和非凍土期進(jìn)行能量平衡特征分析。定義土壤5cm深處日平均溫度>0℃期間為非凍土期，<0℃期間為凍土期，因此，確定非凍土期為5-11月，凍土期為1-4月和12月。研究中開路式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的30min數(shù)據(jù)總樣本量13860個(gè)，其中凍土期樣本量6632個(gè)，非凍土期樣本量7228個(gè)。

1.4 輔助參數(shù)

在邊界層中，湍流動(dòng)能變化可描述為：湍流動(dòng)能變化受下墊面摩擦力、氣團(tuán)沉浮、壓力輸送、湍流機(jī)械運(yùn)輸和分子間的黏度擴(kuò)散等影響。其中，下墊面摩擦（動(dòng)力因子）與氣團(tuán)沉?。崃σ蜃樱?duì)湍流動(dòng)能的影響最大，反映湍流動(dòng)能變化強(qiáng)度的物理量可用大氣穩(wěn)定度（ζ）表示[1,2,25]。大氣穩(wěn)定度（ζ）充分考慮了動(dòng)力因子與熱力因子對(duì)湍流強(qiáng)度的影響而被廣泛用于描述大氣層結(jié)條件狀態(tài)，并認(rèn)為－0.04≤ζ≤0.04為中性狀態(tài)；ζ<－0.04 為不穩(wěn)定狀態(tài)；ζ>0.04為穩(wěn)定狀態(tài)[26]。ζ的計(jì)算式為

式中，z表示儀器的觀測(cè)高度（2.5m），d表示零平面位移（0.01m），L表示Monin-Obukhov 長(zhǎng)度（m），計(jì)算式為

2 結(jié)果與分析

2.1 能量收支各分項(xiàng)及其占比變化分析

2.1.1 逐日變化

三江源地區(qū)2018年能量收支各分項(xiàng)逐日總量變化特征如圖1所示。由圖可知，各能量分量在非凍土期均高于凍土期，顯熱、潛熱通量以及土壤熱通量的變化特征與凈輻射變化特征相似，各能量分量均具有單峰變化特征。凈輻射與顯熱通量從3月開始增大，并在6月中旬左右出現(xiàn)峰值，最大日總量分別為15.03MJ·m?2·d?1、7.81MJ·m?2·d?1，隨后開始逐漸降低；潛熱通量與凈輻射具有相似的變化趨勢(shì)，但其峰值出現(xiàn)時(shí)間為7月初，峰值大小為8.97MJ·m?2·d?1，與凈輻射峰值出現(xiàn)時(shí)間相比，潛熱通量峰值出現(xiàn)時(shí)間存在滯后性。土壤熱通量在非凍土期大多數(shù)時(shí)刻表現(xiàn)為正值，即土壤從地表向土壤深處傳遞能量，最大能量出現(xiàn)在7月中旬，為2.92MJ·m?2·d?1，10月中旬，土壤熱通量開始出現(xiàn)負(fù)值，土壤開始由非凍土期向凍土期轉(zhuǎn)變；在凍土期主要表現(xiàn)為負(fù)值，即土壤從深層向表層傳輸能量，能量最大值出現(xiàn)在12月中旬，為2.55MJ·m?2·d?1。4月上旬，土壤熱通量開始出現(xiàn)正值，土壤由凍土期向非凍土期轉(zhuǎn)變。

2.1.2 日內(nèi)變化

將圖1中凍土/非凍土期每時(shí)刻數(shù)據(jù)平均，分別得到兩個(gè)階段能量收支各分項(xiàng)日平均變化過程，結(jié)果見圖2。由圖2a可見，凍土期凈輻射Rn、土壤熱通量Gs、顯熱通量H以及潛熱通量LE均表現(xiàn)出典型的單峰型變化趨勢(shì)，夜間通量較小，變化幅度不明顯，白天呈倒“U”型，具有明顯的峰值特征。凍土期內(nèi)凈輻射在14：30達(dá)到最大值（為323W·m?2），此時(shí)顯熱通量和潛熱通量也均達(dá)到最大，但兩者數(shù)值有明顯差異，顯熱通量最大值為150W·m?2，潛熱通量?jī)H31W·m?2。土壤熱通量在凍土期內(nèi)的大多數(shù)時(shí)刻表現(xiàn)為負(fù)值特征，說明土壤中的能量傳輸以向上傳輸方式為主即深層土壤向土壤表層傳輸能量，并于16：30達(dá)到最大值，但數(shù)值極小，僅為0.8W·m?2?？梢?，在凍土期，顯熱通量是能量支出的主要形式。

圖1 2018年三江源地區(qū)土壤能量收支各分項(xiàng)逐日總量變化過程

注：Rn表示凈輻射，H表示顯熱通量，LE表示潛熱通量，Gs表示土壤熱通量。非凍土期為5-11月，凍土期為1-4月和12月。下同。

Note: Rn is net radiation flux, H is sensible heat flux, LE is latent heat flux, and Gs is soil heat flux. Non-frozen period is from May to Nov. and frozen period is from Jan. to Apr. and Dec. The same as below.

圖2 2018年三江源地區(qū)凍土/非凍土期能量通量平均值的日變化（數(shù)據(jù)間隔為30min）

由圖2b可見，非凍土期能量收支各分項(xiàng)日內(nèi)變化過程與凍土期相似，只是各能量分量峰值的出現(xiàn)時(shí)間略有差異。非凍土期凈輻射Rn、顯熱通量H以及潛熱通量LE均表現(xiàn)出典型的單峰型變化趨勢(shì)，呈倒“U”型。凈輻射峰值（462W·m?2）比凍土期高，峰值出現(xiàn)時(shí)間比凍土期早（在13：00），此時(shí)顯熱通量和潛熱通量也均達(dá)最大值，但兩者差異不大，顯熱通量最大值為143W·m?2，潛熱通量最大值為121W·m?2。土壤熱通量在大多數(shù)時(shí)刻表現(xiàn)為正值，說明能量在土壤中的傳輸方式以地表向深層土壤傳輸為主，最大值為17W·m?2。土壤熱通量晝夜變化幅度較小，為14W·m?2。可見，非凍土期內(nèi)顯熱通量與潛熱通量是能量的主要支出方式，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前約1h，且比凍土期內(nèi)高約130W·m?2。

2.1.3 各分項(xiàng)占比

2018年1-12月三江源地區(qū)能量支出方式的季節(jié)變化如圖3所示。由圖可見，在1月和12月，土壤中的能量主要是從深層土壤向表層土壤進(jìn)行傳遞，因此，地面主要從土壤吸收熱量，能量主要以顯熱形式向大氣輸送，顯熱通量與凈輻射能量占比H/Rn分別為0.56和0.50。從2月開始，土壤中的能量開始由表層向深層傳輸，但能量仍以顯熱支出為主，占比為0.59；從5月開始，能量以潛熱、土壤吸收熱形式支出的比例增大，顯熱支出比例減小，占比分別為0.38、0.11、0.44；隨后，能量主要以顯熱、潛熱、土壤吸收熱3種形式支出，6月潛熱支出比例（LE/Rn）最大，為0.40，8月土壤吸收熱占據(jù)支出比例達(dá)到全年最大值，為0.14。非凍土期內(nèi)的顯熱支出占總能量的比例為0.38，潛熱支出占比例為0.37，土壤吸收熱所占比例為0.10；而在凍土期顯熱支出占總能量的比例為0.54，潛熱支出占比例為0.19，土壤吸收熱所占比例為?0.01。

圖3 2018年1-12月三江源地區(qū)能量支出方式的季節(jié)變化

研究區(qū)全年顯熱支出比（H/Rn）為0.45，與人工草地（0.45）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的顯熱分配比相當(dāng)，比內(nèi)蒙古中部典型草原（0.56）低[28]。全年潛熱分配比（LE/Rn）為0.30，低于研究區(qū)人工草地（0.46）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的潛熱分配比，即使非凍土期最大潛熱分配比（0.40）也低于上述研究，說明研究區(qū)非凍土期內(nèi)用于水分蒸散的能量與用于顯熱傳輸?shù)哪芰肯喈?dāng)。研究區(qū)全年土壤吸收熱量分配比（Gs/Rn）為0.05，高于人工草地（?0.13）[22]，低于當(dāng)雄退化高寒草甸（0.04）[29]的土壤吸收熱量分配比。

2.2 能量平衡閉合率分析

能量平衡閉合率是評(píng)價(jià)開路式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)（EC）觀測(cè)結(jié)果的重要指標(biāo)之一，將三江源地區(qū)2018年高寒草甸有效輻射能（凈輻射Rn－土壤熱通量Gs）與湍流通量（顯熱通量H+潛熱通量LE）進(jìn)行線性回歸，得出線性關(guān)系作為能量平衡閉合比率，并用來評(píng)價(jià)EC測(cè)量值。如圖4所示，三江源地區(qū)全年能量平衡閉合率為0.69，位于全球地表能量平衡閉合率區(qū)間0.55～0.90范圍內(nèi)[22,30-32]，表明觀測(cè)的通量數(shù)據(jù)結(jié)果可靠。由圖5可知，凍土期內(nèi)能量平衡閉合率為0.63，而非凍土期內(nèi)為0.74，說明三江源地區(qū)在非凍土期內(nèi)表現(xiàn)出較高的能量平衡閉合率。

圖4 三江源地區(qū)全年能量數(shù)據(jù)收支平衡分析（數(shù)據(jù)間隔為30min）

圖5 三江源地區(qū)凍土期（a）和非凍土期（b）能量數(shù)據(jù)收支平衡分析（數(shù)據(jù)間隔為30min）

2.3 能量平衡閉合率的主要影響因素分析

2.3.1 大氣穩(wěn)定度

三江源地區(qū)凍土期與非凍土期的能量平衡閉合率隨大氣穩(wěn)定度變化特征如圖6所示。由圖可知，在非凍土期內(nèi)，能量平衡閉合率的最大值為0.74，出現(xiàn)在大氣弱不穩(wěn)定（近中性）條件下，即ζ為0.03時(shí)，以此點(diǎn)為基準(zhǔn)，隨著穩(wěn)定度向穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，能量平衡閉合率均開始下降，且穩(wěn)定狀態(tài)下的閉合率降低速率最快。當(dāng)大氣達(dá)到極穩(wěn)定狀態(tài)，即ζ為1.31時(shí)，能量平衡閉合率降至0.24。凍土期內(nèi)的能量閉合也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。凍土期內(nèi)能量平衡閉合率最大值為0.68，此時(shí)ζ為?0.07。隨著穩(wěn)定度逐漸趨向?yàn)闃O不穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài)，能量平衡閉合率均呈現(xiàn)出減小特征，且在ζ為1.71時(shí)能量平衡閉合率達(dá)到凍土期最低值0.32。因此可知，穩(wěn)定度在極不穩(wěn)定或極穩(wěn)定狀態(tài)下的能量平衡閉合率比近中性條件下低。在大氣層結(jié)條件不穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)ζ0.20時(shí)，凍土期的能量平衡閉合率大于非凍土期。

圖6 三江源地區(qū)能量平衡閉合率隨穩(wěn)定度的變化特征

大量實(shí)驗(yàn)亦表明，在大氣處于極不穩(wěn)定或極穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，能量平衡閉合率較低的現(xiàn)象十分普遍，此時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)較大尺度的湍渦[33]，而渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)這類湍渦觀測(cè)能量不足，在固定時(shí)間內(nèi)（通常為30min）難以獲得完整的湍流，造成能量閉合程度降低[34-35]。

2.3.2 摩擦速度

摩擦速度常作為湍流切應(yīng)力作用的場(chǎng)合對(duì)各項(xiàng)湍流參數(shù)起支配作用的特征速度，廣泛用于近地面層以致整個(gè)大氣邊界層結(jié)構(gòu)及大氣湍流擴(kuò)散問題的定量分析。由圖7可知，研究區(qū)在凍土期與非凍土期內(nèi)的能量平衡閉合率隨摩擦速度的變化特征相似，均隨著摩擦速度的增大而增大，當(dāng)摩擦速度達(dá)到一定程度時(shí)，能量平衡閉合率隨著摩擦速度的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。全年能量平衡閉合率最大值出現(xiàn)在非凍土期，為0.76，此時(shí)摩擦速度為0.38m·s?1。

圖7 三江源地區(qū)能量平衡閉合率隨摩擦速度的變化特征

摩擦速度在凍土期的分布范圍（0.04～0.52）大于在非凍土期的分布范圍（0.10～0.43），且摩擦速度大于0.48m·s?1時(shí)，能量平衡閉合率由0.62降至0.60，下降幅度較??；在非凍土期內(nèi)，摩擦速度由0.38m·s?1變?yōu)?.43m·s?1時(shí)，能量平衡閉合率由0.76降至0.57。由此說明，在一定范圍內(nèi)，摩擦速度對(duì)湍流具有促進(jìn)作用，摩擦速度越大，湍流發(fā)展越旺盛，渦動(dòng)相關(guān)系觀測(cè)結(jié)果越理想，能量平衡閉合率接近1[36]。結(jié)合圖6可知，在大氣層結(jié)條件不穩(wěn)定時(shí)，摩擦速度減小是導(dǎo)致能量平衡閉合率較低的主要原因。

2.3.3 熱力湍流

動(dòng)力因素和熱力因素皆可影響大氣穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致湍流運(yùn)動(dòng)。圖8表示能量平衡閉合率隨熱力湍流的變化特征。由圖可知，三江源地區(qū)熱力湍流運(yùn)動(dòng)主要以向上運(yùn)動(dòng)為主，當(dāng)熱力湍流向下運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為0.01℃·m·s?1時(shí)，能量平衡閉合率具有最低值，為0.25。當(dāng)熱力湍流發(fā)展旺盛時(shí)，湍流運(yùn)動(dòng)方向無論向下還是向上，能量平衡閉合率均表現(xiàn)出不同程度的提高，最大能量平衡閉合率為0.78。在非凍土期內(nèi)，當(dāng)湍流方向向下時(shí)，熱力湍流強(qiáng)度達(dá)到0.13℃·m·s?1后，能量平衡閉合率開始表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；在凍土期內(nèi)，熱力湍流強(qiáng)度隨能量平衡閉合率的變化存在與非凍土期相似的變化特征。

當(dāng)熱力湍流方向向上時(shí)，非凍土期熱力湍流對(duì)能量平衡閉合率的貢獻(xiàn)約為0.52，而在凍土期熱力湍流對(duì)能量平衡閉合率的貢獻(xiàn)約為0.31。結(jié)合圖6、圖7可知，在大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定條件下，凍土期內(nèi)的能量平衡閉合率主要受摩擦速度的影響，而在非凍土期內(nèi)熱力因素與動(dòng)力因素均會(huì)影響能量平衡閉合率。

圖8 三江源地區(qū)能量平衡閉合率隨熱力湍流的變化特征

注：熱力湍流為負(fù)表示湍流運(yùn)動(dòng)反方向向下。

Note: The thermal turbulence <0 indicates that the turbulent motion is downward.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

三江源地區(qū)各能量收支具有明顯的單峰變化特征，凈輻射（Rn）、顯熱通量（H）、潛熱通量（LE）以及土壤熱通量（Gs）的峰值出現(xiàn)時(shí)間存在差異性。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是，在非凍土期內(nèi)三江源地區(qū)降雨豐富[22]，植被生理活動(dòng)旺盛，水分傳輸活動(dòng)增強(qiáng)，顯熱通量與潛熱通量過程得到加強(qiáng)；凍土期內(nèi)地面、土壤凍結(jié)，水汽傳輸受到限制，特別是在降雪前后，潛熱過程受到限制[22,30]。從全年能量支出形式看，顯熱通量與潛熱通量是主要能量支出方式，土壤并非能量消耗的主體，且在凍土期內(nèi)土壤能量還存在從深處向表層傳輸?shù)默F(xiàn)象。結(jié)合圖6、7、8分析可知，在凍土期內(nèi)動(dòng)力因素是湍流的主要?jiǎng)恿?，因此，在不穩(wěn)定狀態(tài)或偏穩(wěn)定狀態(tài)下，摩擦速度的減小會(huì)降低能量平衡閉合率；非凍土期內(nèi)，太陽輻射增加，地表溫度增加，湍流活動(dòng)較強(qiáng)，同時(shí)由于土壤解凍以及降水豐富，土壤含水量豐富[22]，熱力因素與動(dòng)力因素共同影響湍流的狀態(tài)，水分蒸發(fā)活動(dòng)強(qiáng)烈，潛熱通量輸送增加明顯。因此，在非凍土季節(jié)表現(xiàn)出更好的閉合率。

渦動(dòng)相關(guān)（EC）方法是目前地氣間物質(zhì)與能量交換觀測(cè)的主流方法，在全球通量觀測(cè)領(lǐng)域具有重要地位。在全球地表通量的觀測(cè)研究中，能量不閉合是普遍存在的現(xiàn)象。能量不閉合的原因通常被歸結(jié)為高頻與低頻損失、土壤淺層熱儲(chǔ)量的估算、儀器的觀測(cè)誤差以及平流效應(yīng)造成的通量低估等四個(gè)方面，其中高低頻的損失可造成5%～10%的低估效應(yīng)[37]。本研究利用青藏高原三江源地區(qū)的EC系統(tǒng)2018年全年觀測(cè)數(shù)據(jù)分析能量平衡特征，得出該地區(qū)的能量閉合程度為0.69，比青藏高原其它地區(qū)的能量閉合程度略高。

在分析能量閉合時(shí)采用簡(jiǎn)化的能量平衡方程，忽略了土壤儲(chǔ)存熱、冠層及空氣柱（觀測(cè)探頭到地表高度的空氣柱）的儲(chǔ)存熱、植物光合作用消耗的能量。土壤熱通量板埋在土壤中深達(dá)5cm處，致使更多的熱量?jī)?chǔ)存在0-5cm土層，這在一定程度上加大了能量的非閉合。在考慮土壤淺層熱儲(chǔ)量和修正平流效應(yīng)后，能量閉合可提高約23%[38]，例如SACOL站中熱通量板與地表間的熱儲(chǔ)量在夏季可占凈輻射的7%～8%[39]，并且在觀測(cè)中考慮土壤水分的運(yùn)動(dòng)后，EC觀測(cè)的能量平衡狀況得到了顯著的改善[40]。研究中的土壤熱存儲(chǔ)、空氣熱存儲(chǔ)、以及土壤水分運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤熱通量的影響等能量修正方法在干旱半干旱區(qū)域、黃土高原具有較好的結(jié)果[38-41]。這類修正方法在青藏高原地區(qū)是否適用，其不確定性如何還需結(jié)合更多的輔助觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，植被冠層的熱量存儲(chǔ)以及光合作用對(duì)能量的消耗也影響著能量平衡閉合率，因此，結(jié)合該通量站點(diǎn)的植被季節(jié)動(dòng)態(tài)的觀測(cè)，如LAI或NDVI的變化規(guī)律，以及不同植被的光合速率強(qiáng)度，進(jìn)一步分析三江源地區(qū)凍土期與非凍土期的植被覆蓋度的變化對(duì)能量閉合的影響是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

3.2 結(jié)論

（1）三江源地區(qū)凈輻射、潛熱通量、顯熱通量、土壤熱通量在年尺度與日尺度上均表現(xiàn)出明顯的單峰型日變化特征。從年尺度上分析，顯熱通量與凈輻射具有相似變化規(guī)律，且峰值時(shí)間也較為一致，潛熱通量與土壤熱通量的峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲。

（2）在凍土期內(nèi)顯熱通量是能量支出主要形式，深層土壤向地表傳輸熱量明顯；非凍土期內(nèi)能量的主要支出方式是顯熱與潛熱，土壤熱量由地表向深層土壤傳播明顯，土壤熱通量的量級(jí)比潛熱通量和顯熱通量小。

（3）三江源地區(qū)凍土期內(nèi)動(dòng)力因素是湍流的主要驅(qū)動(dòng)力，在不穩(wěn)定條件下，摩擦速度的降低在一定程度會(huì)降低能量平衡閉合率，且凍土期內(nèi)的能量平衡閉合率為0.63；非凍土期湍流以熱力因素和動(dòng)力因素為主要驅(qū)動(dòng)力，湍流發(fā)展旺盛，因而具有較高能量平衡閉合率，為0.74。

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Mechanistic and Characteristics of Near-surface Energy Balance in Frozen/Non- frozen Soil Period of the Three-River Headwater Region

ZHANG Gong1,3, HAN Hui-bang2, SUN Shou-jia3, ZHANG Jin-song3, ZHENG Ning3

(1. Anhui Academy of Forestry/Anhui Huangshan Forest Ecosystem National Positioning Observation Station, Hefei 239500, China; 2. Qinghai Province Weather Modification Office, Xining 810001; 3. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry/Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Beijing 100091)

The exchanging of Energy and water between land and atmosphere over Qinghai-Tibet Plateau play an important role in climate system in China and eastern Asia. As the core area of the Qinghai-Tibet Plateau, the Three-River headwater region is an important water conservation area in China, and the heating and energy exchange over there is significantly. However, there is not any observation about interaction between land and atmosphere in the Three-River headwater region due to the formidable natural conditions. To get more information about the heating effect and energy exchange in this region, measurement has been carried out at location of 33°12′N, 96°30′E, with an altitude of 4167m, based on eddy covariance system (CAST3 and Li-7500A) from January to December. The data observed from eddy covariance system in frozen soil period (from January to April and December) and non-frozen soil period (from May to November) were used to analyze the distribution of each energy component, energy balance closure rate and influence factors of the energy balance closure rate in this area, respectively. The results showed that trends of sensible heat, latent heat, and soil heat flux were consistent with net radiation. Each of them had typical unimodal changes on both annual and daily scales. However, there is time lagging between the maximum of latent and soil heat flux. Total daily net radiation and sensible heat flux increased from March and got the maximum at mid-June, with values of 15.03MJ·m-2·d-1and 7.81MJ·m-2·d-1, respectively. The proportion of sensible heat during non-frozen soil period was 0.38, latent heat was 0.37, and the proportion of soil heat consumption was 0.10, while during the period of frozen soil, the proportion of the above item is 0.54 and 0.19, -0.01, respectively. The annual energy balance closure of the Three-River headwater region was 0.69, energy balance closure rate in frozen / non-frozen soil period was 0.63 and 0.74, respectively. It can be concluded that sensible heat was the main energy budget item during the frozen soil period, and turbulent forcing is the key factor that affects the energy balance closure rate in the Three-Rivers headwater region, while both latent and sensible heat were the ways of energy consumption, and the dominated factors affected energy balance closure rate were thermal and kinetic factors during the non-frozen soil period.

Eddy covariance system; Energy balance; Atmospheric stability; Friction velocity; Thermal turbulence

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.05.003

張功,韓輝邦,孫守家,等.三江源地區(qū)凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(5):288-298

2019?12?16

韓輝邦，E-mail：hmjerry@163.com；孫守家，E-mail：ssj1011@163.com

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)“三江源濕地溫室氣體通量變化及增溫潛勢(shì)研究”（CAFYBB2016SY003）；國(guó)家自然科學(xué)基金“基于雙波段閃爍儀法獲取大尺度地表水熱通量的研究”（41771364）

張功，E-mail：12720484zg@sina.cn