夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

杨彦龙，左洪超，赵舒曼，杨　扬，陆　莎

(1.兰州大学大气科学学院，甘肃　兰州　730000；2.中国人民解放军95455部队，贵州　遵义　563127；3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省(中国气象局)干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃　兰州　730020)



夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

杨彦龙1,2，左洪超1，赵舒曼1，杨扬3，陆莎1

(1.兰州大学大气科学学院，甘肃兰州730000；2.中国人民解放军95455部队，贵州遵义563127；3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省(中国气象局)干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020)

摘要：利用“古浪非均匀近地层观测试验”数据，分析地表热通量不同算法对地表能量不闭合的影响，估算中国西北干旱区农田下垫面的植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送,并且分析其对干旱区农田下垫面夏季地表能量不平衡的补偿。结果表明：干旱区农田植被光合作用平均日变化最大值达9.9 W·m-2，空气热储存平均日变化最大值达10.6 W·m-2，生物量储热平均日变化最大值达32.4 W·m-2，垂直平流输送平均日变化最大值达22.9 W·m-2；各补偿项对地表能量闭合度分别提高2%、1%、2%和6%；在能量平衡方程中引入这4项后地表能量平衡闭合度由79%提升到90%。植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送对干旱区农田地表能量不闭合有明显改善。

关键词：干旱区；农田下垫面；光合作用；生物量储热；垂直平流输送；地表能量平衡

引言

干旱区陆气相互作用对区域气候乃至全球气候和大气环流变化有极其重要的影响，能量平衡问题是研究地气相互作用过程中不容忽视的问题。中国西北干旱区约占陆地面积的1/3，下垫面覆盖类型很复杂，干旱区广泛分布着荒漠或戈壁，其中面积不足4%的绿洲点缀其中。由于绿洲与周围荒漠显著的植被状况差异，形成了十分明显的小气候特征，该地区也是干旱区人类生产生活的主要场所，地气相互作用受人类活动影响较多。因此，对于干旱区绿洲的地气相互作用研究显得尤为重要。

地球表面能量收支处于平衡状态是人类对地球系统能量过程的最基本认识，地表能量平衡过程也是地球系统能量过程的关键环节[1]。大量的研究实验发现近地层观测的能量是不平衡的[2-7]，不闭合度最高可达30%左右。在许多实际应用问题中能量不闭合的误差如此之大是不能接受的。随着时间的推移，地表能量闭合问题需亟待解决[8]。

尽管国内外对地表能量不闭合的研究取得了巨大的突破，但是这个问题仍然没有得到完美的解决。地表能量不闭合的许多解释可归结为：观测仪器误差，低频泄漏及通量贡献率等[3,9]，土壤、植被和大气中的热量储存[4,10]，植被光合作用等。用不同方法进行修正，地表能量不闭合在一定程度上会有所提高。但近地层能量的不闭合问题仍然没有彻底解决。地表能量平衡中将植被光合作用、空气热储存、生物量储热对地表能量不平衡的影响忽略不计，但是中国干旱区农田下垫面植被较密，空气温、湿梯度大，植被光合作用、生物量储热和空气热储存不容忽略，李宏宇等[11]对中国黄土高原自然植被下垫面的植被光合作用分析发现其最大平均日变化峰值达2 W·m-2，王润元等[12]考虑空气热储存后，地表能量闭合度提高3.4%。也有研究发现近地层垂直平流输送对地表能量平衡的改善明显[13-16]。左洪超[17]和杨启东[18]等的研究指出近地层能量不闭合原因也可能存在于大气中。目前中国干旱、半干旱区各补偿通量对能量不闭合的补偿见表1。

表1　已有研究补偿通量对能量闭合度的提升

本文利用“古浪非均匀近地层观测试验”数据，在干旱区农田下垫面条件下，分析补偿近地层植被光合作用、空气热储存、生物量储热和平流输送对地表能量不平衡的影响，研究和改进干旱区农田下垫面近地层的能量闭合度。

1试验简介及资料处理

1.1试验介绍

“古浪非均匀近地层观测试验”(Gulang Heterogeneous Underlying Surface Layer Experiment，简称GHUSLE)的观测场在中国西北干旱区腾格里沙漠南缘的荒漠—绿洲下垫面上，处于甘肃和内蒙古交界处。西南—东北走向的绿洲带处于大范围的沙漠之中，宽度不超过10 km，主要种植玉米、小麦等作物[19]。干旱区年降水量少，其农作物的生长以抽地下水灌溉为主。

观测场位于甘肃省武威市古浪县海子镇东新村。GHUSLE在沙漠—绿洲—沙漠不同下垫面上设置3个微气象观测站，分别为西沙漠站(103°48′E、37°38′N)、农田站(103°49′E、37°38′N)和东沙漠站(103°51′E、37°38′N)，农田站是观测的重点，农作物为玉米，观测站位置和下垫面特征见图1。GHUSLE中所用的观测仪器见表2。

观测试验于2010年5月30日—7月14日进行。观测项目有：梯度塔(高32 m)4层 (32 m、16 m、8 m、2 m)气温、空气相对湿度、风速观测及3层(28 m、12 m、3 m)三维超声风速仪湍流通量观测，高度4.2 m、水平直线距离450 m大孔径闪烁仪(LAS)通量观测，地下5层(5 cm、10 cm、20 cm、40 cm、80 cm)土壤温、湿度观测，向下和向上短波辐射及长波辐射观测(高1.5 m)，植被高度及气压观测。

1.2资料处理

利用农田站2010年6月15—26日连续正常观测的12个晴天数据资料。连续晴天的观测资料具有一定的代表性，基本能够代表典型夏季温带干旱区农田的天气特征，排除了云、降水对地表能量不闭合的影响，且短期连续晴天观测，植被的高度和质量变化不是太明显，研究植被光合作用和生物量储热更有说服力。文中所用时间均为北京时，采用数据资料的湍流观测高度为3 m，热通量板深度为5 cm和10 cm。

利用EdiRE软件对实验站涡旋相关仪得出的湍流脉动资料进行相关处理。EdiRE软件可以对湍流高频数据进行相关处理, 得到所需平均时段内的风速、压强、温度、感热通量、潜热通量、CO2通量和其他环境变量，还可同时进行多个文件的处理[17]。

图1　试验站点位置和下垫面特征

内容农田站仪器型号西沙漠站仪器型号东沙漠站仪器型号相对湿度/气温HMP45CHMP45C—压强CS105CS105—风向W200P05103g05103风速010C-1014A05103长波/短波辐射PSPCNR4,Kipp&ZonenMS102EC观测CSAT3/LI7500CampbellCSAT3/LI7500Campbell—LAS观测Kipp&Zonen——土壤湿度CS616CS616—土壤温度107/109109109土壤热通量HFP01HFP01HFP01

2地表能量闭合及研究方法

2.1能量平衡方程修正

在理想状态下，地表能量平衡方程可以用下式表达：

(1)

其中Rn为净辐射，G0为地表土壤热通量，H为感热通量，LE为潜热通量。

在现实条件下，大气条件通常比较复杂，地表能量总是存在不平衡。以涡动相关系统的安装高度为上边界、地表为下边界的空间为研究对象，根据水汽和热量通量守恒简化得能量平衡方程[20-21]：

(2)

实际情况下，在此空间内，通常包含有植被的光合作用Sg和生物量储热Sz，因此近地层能量平衡方程可简化为：

Rn-G0=H+LE+Hp+LEp

(3)

公式(3)中包含了观测到的湍流通量、垂直平流输送项SP(HP，LEP)、空气温湿变化的热储存项Sa(ST，Sq)、生物量储热项Sz和光合作用项Sg。

2.2能量平衡不闭合的描述方法

研究能量闭合状况的方法较多。本文主要用能量平衡残差、线性回归2种方法分析干旱区农田下垫面的能量平衡状况。

(1)地表能量不闭合残差(Res)可以表示为：

(4)

其中S是补偿通量(Sp，Sa，Sz，Sg)，Res会向0两边发散，不平衡残差的绝对值越小，不闭合度越小，绝对值越大，不闭合度越大。

(2)将有效能量与可利用能量进行线性拟合, 拟合系数中斜率代表地表能量平衡状况。能量闭合的理想状况是其线性回归斜率为1、截距为0，斜率越接近1越接近闭合。

3农田下垫面地表土壤热通量对地表能量平衡的影响

地表土壤热通量的观测只能在地表以下几厘米处测量，因此要获得地表热通量，必须计算地表到观测仪器之间的土壤热储存，采用2种方法计算土壤热通量。

(1)采用热通量板法[22]，地表向下的总热量可用下式计算:

(5)

式中，GZ为Z处热通量板观测值，CV、TS分别为土壤热容量和土壤湿度。由向下和向上的长波辐射换算得到地表温度[23]：

(6)

(2)土壤热通量板的位置到地表的热储存表达式如下[24]：

(7)

式中，ρzcz为土壤的体积热容，单位：J·m-3·K-1，T(z,t)为距离地表z处t时间的土壤温度，单位：℃，△t时间为1 h。地表的土壤热通量为：

(8)

式中Gz是距离地表为z的土壤热通量板的值。

从图2可以看出，2种算法得出的地表热通量结果差异较大，用方法(1)热通量板法得出的地表热通量最大值出现在14:00，达172.6 W·m-2，最小值-104.3 W·m-2出现在22:00。而用方法(2)得出的地表热通量最大值为117.3 W·m-2，最小值为-41.2 W·m-2。

图3显示2种不同算法计算地表热通量，其可利用能量与有效能量的线性拟合结果差异较大，方法(1)出现过闭合情况，闭合率超过1，且较为发散。方法(2)的闭合度为0.79，比方法(1)较为收敛。2种算法的差异如此之大，其原因在于方法(1)用到由向下和向上的长波辐射换算得到的地表温度，本文下垫面为农田玉米，用反演的地表温度实际包含玉米冠层的温度，用于地表热通量计算误差较大，因此方法(2)可以直接用测量的5 cm深处的土壤温度。本文用方法(2)计算地表土壤热通量，闭合度由68%提高到79%。

图2　不同算法地表热通量日平均变化特征

图3　不同算法地表热通量可利用能量与有效能量比较

4植被光合作用、空气热储存和生物量储热对地表能量平衡的影响

4.1植被光合作用对地表能量平衡的影响

CO2是光合作用的产物，也是生态系统物质循环的重要物质，其垂直通量甚至被认为是气候变化的信号[11]。在已有研究中，Bi等[25]在南方的陆面过程实验表明CO2垂直日变化最低接近-0.75 mg·m-2·s-1，常年处于负值；李宏宇等[11]研究表明黄土高原半干旱区的CO2垂直日变化最低接近-0.2 mg·m-2·s-1。干旱区农田的CO2垂直日变化最低接近-0.87 mg·m-2·s-1，如图4所示。由于选取的是晴天数据，下垫面农作物茂密，光合作用强，说明干旱区农田通过光合作用承担更多的CO2吸收任务。CO2通量变化与光合作用热储存有紧密联系，Jacobs等[26]研究表明，1 mg·m-2·s-1的CO2通量变化等于11.2 W·m-2能量通量，通过这一关系可计算光合作用热储存项。图5给出光合作用的平均日变化，植被光合作用平均日变化值在10：00—14：00时段达到一天最大值，最高为9.9 W·m-2，在13：00有个小高峰，日出后增大午后逐渐减小。从图5b可以看出光合作用日际变化最大值可达4.5 W·m-2，平均值为3.4 W·m-2，光合作用对地表能量不闭合造成的补偿明显。

图6是对资料做了严格的质量控制、用方法(2)修正和改进地表热通量后补偿了光合作用储存项的地表能量不闭合残差的变化特征，可以看出地表能量不平衡残差有所减小，日平均地表能量残差最大值降到97.5 W·m-2，残差平均补偿6.7 W·m-2，日际变化最大值降到16.74 W·m-2，补偿了光合作用热储存后地表能量闭合状况有所改善。

图4　CO2通量各晴天变化(a)和平均日变化(b)特征

图5　光合作用项平均日变化(a)和日际变化(b)特征

图6　补偿光合作用前后能量不闭合残差平均日变化(a)和日际变化(b)特征

4.2空气热储存对地表能量平衡的影响

空气热储存计算公式[11]如下：

(9)

式中T、Cp、L和q分别是气温、空气的体积热容量、水的汽化潜热和空气比湿，h是涡动的高度。差分时间为1 h，平均温度和比湿可用h/2处的值代替。

利用公式(9)对空气温、湿度变化引起的热储存项进行估算，由图7可见空气热储存平均日变化值最大可达10.6 W·m-2，日出后增大，至07：00逐渐减小；日际平均值为0.8 W·m-2，空气热储存虽量级较小，但也会对地表能量不闭合有积极的补偿作用。

由图8可见，引入空气的热存储项后, 地表能量不平衡残差有所减小，相应的也会提升一定的闭合度，但减小的量不是太明显，平均地表能量残差值降了0.2 W·m-2，日平均最大值降到94.9 W·m-2，日际变化最大值降到14.1 W·m-2，但地表可利用能量依然高于湍流通量。

图7　热储存平均日变化(a)和日际变化(b)特征

图8　引入热储存项前后能量不闭合残差平均日变化(a)和日际变化(b)特征

4.3生物量储热对地表能量平衡的影响

GHUSLE试验下垫面农作物为玉米，试验期间玉米植株高度大约在70 cm，会储存一定的热量。Meesters等[27]给出改进的生物量储热计算方式，即一般情况下，生物储热通量用温差变化的方法计算：

(10)

由于6月玉米植株相对成熟期较矮，长波辐射反演地表温度实际包含玉米冠层的混合温度，可直接用反演的地表温度代替Tveg，地表温度由公式(6)计算可得。

利用公式(10)对生物量储热项进行估算，图9为生物量储热的平均日变化和日际变化特征，可见生物量储热平均日变化值最大可达32.4 W·m-2，日出后增大，至08：00逐渐减小，日际变化最大值为2.5 W·m-2，说明农田下垫面的生物量储热在地表能量不闭合中不容忽视。图10是在以上补偿的基础上，引入生物量储热的地表能量不闭合残差的变化特征，可以看出地表能量不平衡残差有所减小，日平均地表能量残差最大值降到91.5 W·m-2，残差平均补偿0.7 W·m-2，日际变化除个别晴天值有轻微升高，整体都在降低。补偿生物量储热项后干旱区农田下垫面地表能量平衡状况改善明显。

图9　生物量储热平均日变化(a)和日际变化(b)特征

图10　补偿生物量储热项前后能量不闭合残差平均日变化(a)和日际变化(b)特征

5垂直平流输送对地表能量平衡的影响

杨彦龙等[15]研究发现垂直热平流对干旱区裸土下垫面的补偿十分显著，其对闭合度可提高14%。而干旱区农田非均匀下垫面，农田边有防护林，时常会形成小范围环流，也会产生垂直运动。另外，农田下垫面长期灌溉使得地表蒸腾比较明显，近地层水汽垂直输送明显。垂直平流输送项计算公式为[13]：

(11)

利用公式(11)对平流输送项进行估算，图11a给出平流输送和地表能量不闭合残差的平均日变化特征，可以看出站点存在比较明显的平流输送，且平流输送平均日变化最大值达22.9 W·m-2，平均值为2.9 W·m-2。平流输送项与能量不闭合的残差项有很好的相关性，可对不闭合起到积极的补偿作用。由图11b发现垂直速度和水平速度有较好的相关性，说明干旱区农田下垫面垂直速度主要是水平速度在垂直方向的分量。

在地表能量不闭合中引入以上补偿项后，图12给出补偿垂直平流输送前后地表能量不闭合残差的变化特征。补偿平流输送后，不闭合残差的平均日变化最大值降到79.3 W·m-2，残差平均补偿2.5 W·m-2。由图12b可见，除个别天不闭合残差有所提高，整体不闭合残差都在减少，显然考虑了平流输送项之后，对闭合度有很大的改善。

图11　平流输送和不闭合残差的平均日变化特征(a)及垂直速度与水平速度的关系(b)

图12　补偿平流输送前后不闭合残差的平均日变化(a)和日际变化(b)特征

由图13可见，在各能量通量日平均变化特征中，补偿通量(S)与地表热通量值(G0)较接近，在夜间大部分时间超过了地表土壤热通量对不闭合的补偿，15:00—18:00出现过闭合情况，不闭合残差绝对值收敛在80 W·m-2以内，达到基本能接受的平衡状态。

以上分析表明，引入各补偿通量项后，地表能量平衡差额均会有所降低。图14进一步给出改进前和逐个加入各补偿通量项后的地表可利用能量和有效能量的散点图。由最小二乘法分别对各个闭合度的变化进行计算。统计表明，补偿了地表热通量、光合作用热储存、空气热存储、生物量储热和垂直平流输送项后的闭合度分别为0.79、0.81、0.82、0.84、0.90。在加入补偿通量项后闭合度提高了0.11，说明以上补偿通量对地表能量不闭合的改善十分明显。各通量对闭合度的提升见表3。

图13　地表能量平衡分量平均日变化特征

图14　地表可利用能量与有效能量散点图

表3　各补偿通量对闭合度的提升

6结论

在夏季干旱区农田下垫面条件下，不同地表热通量算法对不闭合的影响较明显，涉及地表温度计算地表土壤热通量的值偏高，地表能量平衡出现过闭合的现象，原因是由向下和向上的长波辐射换算得到的地表温度实际包含农作物冠层的温度，不是实际的地表温度，在具有一定冠层植被高度的下垫面不适合用由向下和向上的长波辐射换算得到的地表温度计算土壤热通量。

干旱区农田下垫面地表能量平衡方程中考虑了光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送，并对其进行了估算。研究表明光合作用对地表能量平衡闭合度提高2%，空气热储存对地表能量平衡闭合度提高1%，生物量储热对地表能量平衡闭合度提高2%，垂直平流输送对地表能量平衡闭合度提高6%。各补偿通量均在一定程度上提高了干旱区农田下垫面夏季地表能量平衡的闭合度。

研究发现，由于干旱区农田夏季植被茂密，旱区农田的CO2通量日变化最大接近0.87 mg·m-2·s-1，光合作用储存最高达9.9 W·m-2，日出后增大至午后逐渐减小，日际变化最大值可达4.5 W·m-2，平均值为6.7 W·m-2，对地表能量不闭合造成的补偿明显。空气热存储在07：00—11：00值最大，平均日变化值最大可达10.6 W·m-2，日际平均的最大值达0.8 W·m-2，空气热储存虽量级小也会对地表能量不闭合有积极的补偿作用。生物量储热平均日变化值最大可达32.4 W·m-2，日出后增大，至08：00逐渐减小，说明农田下垫面的生物量储热在地表能量不闭合中不容忽视。下垫面不均匀、植被的蒸腾作用会引起较强的垂直平流输送，垂直平流输送的最大值在10：00—13：00时段，其平均日变化最大值达22.9 W·m-2，平均值为2.5 W·m-2。引入补偿量后不闭合残差平均日变化最大值由105.9 W·m-2降到79.3 W·m-2，地表能量平衡的闭合度由79%提升至90%，补偿通量对地表能量不闭合残差的减小及对闭合度的提升都十分明显。

研究表明，由换算得到的地表温度计算非均匀农田下垫面地表土壤热通量偏大，且干旱区非均匀农田下垫面条件下地表能量平衡出现过闭合现象，只能用不涉及地表温度的方法来计算地表土壤热通量。估算发现光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送对干旱区农田下垫面夏季地表能量不平衡的贡献较为显著，但不闭合残差剩余量依然明显，仍有10%的不闭合度，说明还有其他因素仍然影响地表能量的平衡状态。另外本文的各补偿通量算法也存在不确定因素，所得结论还需要在今后更深入研究讨论。

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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

基金项目：国家重大科学研究计划“973”项目(2012CB956200)及国家自然科学基金(41475009，41275019)共同资助

作者简介：杨彦龙(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为大气物理学和大气环境. E-mail：yangyl13@lzu.edu.cn 通讯作者：左洪超(1964-)，男，博士，教授，研究方向为大气物理学与大气环境.E-mail：zuohch@lzu.edu.cn

文章编号：1006-7639(2016)-03-11-0412

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

中图分类号：P401

文献标识码：A

杨彦龙，左洪超，赵舒曼，等.夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析[J].干旱气象，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