麦田通量数据质量控制及能量闭合性分析

近地面层能量不闭合是涡度相关系统观测中普遍存在的难点问题。为了提高涡度相关系统通量观测数据的质量,选取郑州农业气象试验站2009年10月—2010年6月整个冬小麦生长季的通量观测资料,对30 min通量数据进行野点剔除、数据插补和Webb-Pearman-Leuning(WPL)校正等数据预处理。用两种方法(OLS和EBR)评价了该地区麦田生态系统能量平衡状况。结果表明:处理后的数据质量有明显提升,日平均湍流能增加7.09 W·m~(-2),日平均CO2通量减少0.0730 mg·m~(-2)·s~(-1)。农田涡度相关系统观测的能量平衡比率(EBR)日变化规律明显:早晨和傍晚昼夜交替时EBR波动最大,白天能量闭合状况优于夜间;暖季EBR大部分都在1左右浮动,能量平衡闭合程度较高,而冬季能量平衡闭合程度比暖季偏低。能量通量和湍流通量有较强的相关性,决定系数R2=0.8066,能量闭合度为88%,存在能量不闭合现象。     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡分析

能量平衡分析作为评价涡度相关法通量观测数据可靠性方法，备受学界重视。应用OLS（Ordinary least squares）和EBR（Energy Balance Ratio）2种方法，系统分析了广东省鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡特点，并分析各种涡度通量修正方法对能量平衡的影响，结果表明鼎湖山通量站平均能力平衡不闭合度为33％-47％，略高于普遍报道的不闭合度范围（10％-30％）。WPL修正、μ＊订正和坐标转换，使得能量平衡闭合度有所提高，但夜间特别是冬季能量平衡较差问题依然没有得到根本解决，表明夜间弱湍流并不是导致夜间能量平衡闭合度差的主要原因。为客观评价本通量站以及ChinaFLUX能量平衡状况和通量数据质量，确定涡度相关法CO2通量数据分析方法和改进策略提供依据。     

疏勒河上游高寒草甸下垫面湍流特征分析

利用2011年疏勒河上游高寒草甸生长季(5-9月)的近地层湍流观测资料,分析了该区域近地层三维风速标准差统计特征及近地层能量交换特征.结果表明,研究区域无量纲化三维风速标准差与稳定度的关系满足Monin-Obukhov相似理论;在近中性条件下,高寒草甸下垫面无量纲化三维风速标准差近似表现为一常数,即σu/u*=3.50,σv/u*=3.30,σw/u*=0.96;通过最小二乘法(OLS)的回归直线,5-9月强制通过原点的OLS回归斜率分别为0.76,0.72,0.75,0.73和0.73;能量平衡比率(EBR)月平均值分别为0.90,0.85,0.86,0.88和0.93;能量闭合度白天大于夜间,EBR从早晨到下午呈增加趋势,并在日出和日落时段变化较为剧烈.在生长季节研究区净辐射主要消耗于潜热即研究区的蒸散,其次是陆地与大气间的感热交换,最后是地表热通量.     

兰州市南山绿化地裸地冬季地表辐射及能量收支对比

利用2005年12月7~29日在兰州市皋兰山顶获取的地气相互作用观测资料,对比分析了冬季典型晴天和平均状态下绿化地与裸地地表辐射、能量收支及土壤温、湿度的日变化特征。结果表明:绿化地和裸地太阳总辐射、大气长波辐射很接近,地表短波和长波向上辐射因不同下垫面特征不同而差异较大;地表能量平衡绿化地、裸地均以感热输送为主,土壤热通量和潜热输送很小,尤其是潜热通量,峰值往往不超过10 W.m-2;观测发现绿化地感热比裸地高,这一反常现象值得进一步研究证实;观测期平均特征与晴天比较接近,表明云和降雪的扰动影响有限;绿化地、裸地地表日平均反照率相对稳定,绿化地日平均反照率在0.20~0.28之间变化,裸地在0.25~0.31之间变化,平均值分别为0.21和0.29。     

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地区流沙下垫面的陆气通量观测资料,计算并分析了该研究区不同大气稳定层结条件下的湍流速度各分量谱和温度谱及湍流的局地各向同性特征。结果表明:该研究区风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小,当平均风速2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定且基本限定在0.5以内。在不同大气稳定度下,湍流速度和温度能谱曲线在惯性副区内逐渐有合并趋势且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量谱在高频段均满足各向同性且符合低频限制理论。随着稳定度的增加,风速分量的能谱曲线逐渐降低且向高频端移动,风速分量和温度能谱对应的谱峰长度则逐渐减小。该研究区水平湍流尺度范围为9.0~600 m,垂直湍流谱峰波长为10.79~75 m。该结果介于草地和森林下垫面之间,与塔克拉玛干沙漠腹地的试验结果较为接近。     

黄土高原半干旱区异常能量闭合率特征分析

以兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称SACOL站）4 a的陆面通量数据为基础,利用普通最小二乘法（OLS）和能量平衡比率（EBR）方法,对能量平衡的异常闭合特征及其与相对垂直湍强（RIw）的关系进行了研究,并进行了能量滞后分析。结果表明,能量过闭合和负闭合现象分别主要发生在白天和夜间,大小遵从正态分布;较大异常闭合产生的原因主要是日出日落时净辐射与地表热通量接近以及降水影响造成湍流通量出现异常大值。一般来说,垂直湍流运动越强,异常闭合越少,闭合度越向1收敛,反之亦然。强湍流或极弱湍流都不利于产生异常闭合,过闭合、负闭合的最适相对垂直湍强RIw约为0.11、0.14。另外,能量支出项的相对滞后也是造成包括负闭合在内的异常闭合的原因之一。剔除湍强较弱的点或将地表热通量G0、感热H、潜热LE相位相对净辐射Rn提前30 min后,异常闭合所占比重减少;月平均EBR法过闭合度降低,OLS法闭合度提高。     

小兴安岭近地层湍流能谱特征

利用小兴安岭南麓五营地区涡动相关系统的观测资料,分析不同大气稳定度条件的湍流速度谱、温度谱、湿度谱、协谱及局地各向同性特征。结果表明:三维速度(u、v、w)谱和垂直速度(w)与水平纵向速度(u)、温度(θ)的协谱(uw、θw)的谱峰均随稳定度的增加而向高频端移动。湍流速度(u、v、w)谱、温度(θ)谱和湿度(q)谱在惯性副区均满足-2/3定律。uw协谱、θw协谱和垂直速度(w)与湿度(q)的协谱(qw)在惯性副区并不完全遵循-4/3定律,尤其是uw协谱的拟合斜率更接近-1。水平方向湍流谱峰波长范围为130～1820 m,垂直范围为49～113 m。温度谱谱峰波长范围为149～260 m,湿度谱谱峰波长范围为198～455 m。uw协谱谱峰波长范围为228～455 m,θw协谱谱峰波长范围为172～260 m,qw协谱谱峰波长范围为172～346 m。v谱在惯性副区基本满足局地各向同性,w谱在惯性副区不满足局地各向同性,可能与森林下垫面对垂直方向湍流大涡的破碎作用有关。     

北京密云地区辐射与能量平衡特征分析

利用北京密云站2007年1,4,8和10月辐射及湍流通量观测资料,分析了农林混合非均匀下垫面晴天、阴天条件下的辐射平衡、反照率及能量平衡特征。结果表明：（1）1,4,8和10月能量平衡闭合度（OLS方法）分别为82%,97%,72%和83%,总体闭合度为76%,数据质量较好;（2）晴天向上长波辐射1,4,8和10月平均...     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。     

夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

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。     

Analysis of surface energy balance closure over heterogeneous surfaces

Surface energy balance closure has been examined using eddy covariance measurements and other observations at one industrial and three agricultural sites near the Nakdong River during daytime. Energy balance closure was evaluated by calculating the long-term averaged energy balance ratio (EBR), the ratio of turbulent energy fluxes to available energy, and the statistical regression of turbulent energy fluxes against available energy using half-hourly data. The EBR of all sites ranges from 0.46 to 0.83 while the coefficient of determination (R ²) ranges from 0.37 to 0.77. The energy balance closure was relatively poor compared to homogeneous sites, indicating the influence of surface heterogeneity. Unmeasured heat storage terms also seem to play a role in the surface energy budget at the industrial and irrigated sites. The energy balance closure was better in conditions of high wind speed, low downward short wave radiation, and high friction velocity, which suggests the role of heat storage term and surface heterogeneity in surface energy balance at these sites. Spectrum analysis shows a sharp roll-off at the low frequency in co-spectrum, which indicates that low-frequency motions do not significantly contribute to turbulent fluxes. Both the spectra and cospectra in unstable conditions show a broad peak indicating the influence of multiple sizes of large eddies over heterogeneous sites. Most of ogive curves for the kinematic latent and sensible heat fluxes reach an asymptote within 30 minutes regardless of the EBR value, indicating that low frequency motion is not a main factor for energy imbalance. However, stationary eddies due to landscape heterogeneity still remains as a possible cause for energy imbalance.     

Analysis of the Surface Energy Closure for a Site in the Gobi Desert in Northwest China

The heat storage terms over an ideal(non-vegetated) horizontal desert surface may be very important and easily neglected in surface energy balance studies.In this paper,based on a field experiment over the Gobi Desert in the middle part of the Hexi Corridor in Northwest China(39 05 N,100 16 E;1457-m elevation),we studied the energy budget closure and evaluated the contribution of the heat storage terms to the closure of the surface energy balance.There were imbalances of 8% and 15% in summer and winter,respectively,if the heat storage terms were not taken into account.For both seasons,a nearly perfect result of the surface energy closure(99%) was obtained by inclusion of the estimates of heat storage terms.The soil heat storage term improved the surface energy imbalance by about 6% in summer and 13% in winter,and the air enthalpy storage term improved it by about 0.6% in summer and 1% in winter,while the contribution of the atmospheric moisture changes could be ignored.     

黄土高原塬区地表辐射和热量平衡观测与分析

利用2005年夏季黄土高原塬区陆面过程野外试验(LOPEX05)的观测资料,初步分析了甘肃平凉黄土高原塬区地表辐射收支和热量平衡特征。结果显示,黄土高原塬区地面长波辐射大于大气长波辐射,典型晴天、阴天和雨天情况下两者平均差值分别为65,25和8 W.m-2;对于地气能量交换各个分量而言,黄土高原塬上和塬下在相同下垫面下的差别不大,但裸地和有植被的下垫面差别很明显;在白天,潜热在净辐射中所占的比重较大,其次是感热,最后是土壤热通量。对能量平衡中的储存项如热通量板上层土壤的热存储和植被冠层存储进行了估算,结果表明,土壤的热储存项在-30~70W.m-2之间,而植被的热能储存项在-10~25 W.m-2之间。在考虑估算的存储项之后,能量平衡散布图斜率由0.68提高到0.79,相关系数R由0.90提高到0.93,两者分别提高了11.0%和3.0%,并对能量不平衡有明显的改进,说明能量储存项在地表能量闭合中必须考虑。     

若尔盖高寒湿地夏季近地面水平热平流对地表能量闭合度的影响研究

近地面能量不闭合问题一直以来都是陆面过程研究的一个重要的科学问题,且在非均匀湿地下垫面的近地面尤为突出.利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站花湖观测场的地面风场和温度场数据,计算了由湿地下垫面热力非均匀性引起的水平热平流,并分析了考虑水平热平流后地表能量平衡的变化.结果表明:2017年夏季若尔盖湿地近地面水平热平...     

冬小麦夏玉米土壤水分预报及优化灌溉模型

利用土壤水分平衡方程，结合河南省冬小麦和夏玉米的生长规律和1994～2000年冬小麦、夏玉米田实测土壤湿度资料，建立了河南省冬小麦、夏玉米土壤水分预报及优化灌溉的计算机模型。用1998～1999年郑州市麦田实测土壤湿度资料验证该模型模拟结果，未来10、20、30天土壤湿度相对误差分别为-7．3％～7．7％、-8．3％～6．8％、-7．6％～7．7％，表明利用该模型，可以较为准确地预报未来1个月的土壤水分变化，并可根据小麦、玉米不同发育期特点，给出以最高产量和最佳经济效益为目标的灌溉建议。     

2009年8月－10月塔克拉玛干沙漠北缘地表能量收支特征?

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘陆气相互作用观测站2009年8-10月探测的资料,对该地区能量收支状况进行了初步分析。结果表明：2009年8-10月的平均能量闭合率为78%,闭合差为22%。夏季白天,感热、潜热、土壤热通量各占净辐射的52%、6%、16%,夜间依次占净辐射的53%、3%、6%。夏季白天、夜间能量不平衡率分别为26%、38%。8月肖塘的总体输送系数CD平均值为4.5×10-3,CH为2.2×10-3。CD、CH季节变化和日变化显著,都是夏季大于秋季,白天大,夜间小。     

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。