热量平衡观测的方法与仪器

地表面净辐射是推动近地面蒸发、地面与空气之间的热输送、进入土壤的热量等几个过程的能源,因而对于近地面气候的研究,热量平衡观测是一个重要的手段。其中,测量净辐射与土壤热通量的仪器早已生产,而潜热通量与感热通量的估计过去一直是建立在经验公式或间接计算的基础上的,目前直接测量的仪器已研制成功。各种净辐射仪器的主要部件是一块两面涂黑的平板,能够吸收所有波长的辐射,它两面的温差是与平板所接受到的净辐射通量成比例。主要分成两类:一类是以固定速率通风的,以避免两面温差引起的热对流不同所造成的误     

黄淮海平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡研究—以封丘地区为例

本文以位于黄淮海平原的中科院封丘农业生态试验站冬小麦农田生态系统为研究对象,基于2013年10月至2014年6月涡度相关和自动气象站观测资料,利用涡度相关法和相关性分析法对黄淮海平原典型冬小麦各生育期的能量平衡特征进行了分析,揭示冬小麦农田环境气象要素与各分支通量之间的相关关系。结果表明:黄淮海平原典型冬小麦各生育期能量分配的特征不同,出苗期潜热仅占净辐射的40%,拔节期和抽穗期潜热占净辐射的比重均高达80%以上,其他生育期潜热占净辐射的比重均为55%以上。播种期和出苗期显热通量占净辐射的比重最大,均可达50%以上;分蘖期及其后生育期显热通量占净辐射的比重均为35%及以下,拔节期和抽穗期显热通量占净辐射的比重最小,仅为10%左右;随着冬小麦的生长,显热通量占净辐射的比重基本呈下降的趋势。冬小麦各生育期土壤热通量的区别不明显,越冬期土壤热通量占净辐射的比例为15%,其余各生育期土壤热通量占总能量的比例均为10%以下。冬小麦各生育期的能量闭和度均较高,出苗期能量闭合度为83%,分蘖期能量闭合度为90%,返青期以后生育期的能量闭合度均为90%及以上。2013—2014年封丘地区冬小麦各生育期气温与各通量之间呈正相关关系,相对湿度与各通量之间呈负相关关系;冬小麦生育期土壤温度与土壤热通量之间的相关系数为0.5左右,土壤温度与净辐射、潜热、显热之间无显著相关性;土壤含水量在冬小麦播种期、返青期与各通量的相关系数均为-0.5,其他生育期土壤含水量与各通量无明显相关性。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站——塔中站2014年30 min步长实测数据,系统分析塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征及小气候特征。结果表明:塔中地区辐射平衡和能量平衡各分量均表现为春、夏季较大,秋、冬季较小,并具有明显的日变化特征,峰值出现在12:00(地方时,下同)左右。该地区地表能量通量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)中,净辐射、感热通量和土壤热通量均在08:00开始上升,至14:00左右达到峰值,而潜热通量变化很小。感热通量为能量的主要消耗形式,春、夏、秋、冬四季分别占净辐射的百分比为44. 6%、68. 1%、55. 2%和55. 3%,其次为土壤热通量,仅有很少能量用于水的相变。云和沙尘对能量通量各分量有明显削弱作用。近地层空气温度白天随高度的增加降低,夜晚则随高度的增加升高,空气相对湿度也呈明显变化规律。近地层水平风速随高度增加明显增大,风向以东北风为主。     

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。      

沙坡头人工植被区和流动沙丘上热量平衡观测研究

采用流动沙丘上人工植被和裸露流动沙丘下垫面近地层微气象实测资料，应用波文比法，计算了近地层感热和潜热通量＾２），并与作者在防风林干旱裸田和湿润小麦植被农田的结果进行比较分析。结果表明：在雨季的沙坡头地区流动沙丘人工植被上净辐射通量较强，可达６００Ｗ。ｍ＾－２以上，而净辐射的７０％左右的能量用于地表的蒸散，而感热散失和土壤贮存能量各占１５％左右；裸露流动沙丘上由于地表反射率大而净辐射通量小于植被区，     

黄土高原典型塬区冬小麦地表辐射和能量平衡特征

利用2006年4～7月黄土高原陆气相互作用试验实际观测资料,分析了黄土高原典型塬区冬小麦生长过程中不同天气条件下的地表通量特征。发现在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。地面向上长波辐射在晴天、阴天、降水天时依次减小,到达峰值时间约滞后总辐射峰值到达时间1 h左右。大气向下长波辐射与地表向上长波恰恰相反,晴天量值最小,基本稳定在300 W·m-2左右,阴天和降水天依次增大。潜热是能量通量的主要消耗项,在夜间也大于零,夜间感热则为负值。土壤热通量达到峰值时间滞后于净辐射峰值到达时间约1.5 h,其日平均值晴天为正,阴天约为零,降水天则为负值。日平均波文比阴天大于晴天和降水天。植被覆盖度高时,土壤植被系统截留的总辐射也高。     

陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2008年夏季的观测资料,分析了陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制,计算了地表和5 cm深处土壤热通量板之间的热储存,并对地表能量不平衡特征重新进行了计算和评价。当把土壤热储存作为地表能量收支的一部分考虑后,不平衡差额绝对值平均降低了23 W.m-2,能量不闭合度平均减小了0.104,利用最小二乘法(OLS)进行线性回归得到的平均不闭合度减小了0.085。从白天和晚上的能量不闭合度频率分布也能够看出,土壤热储存对地表能量收支平衡有很大改善。但即使考虑了土壤热储存项,地表能量不闭合仍然很明显。除了土壤热储存,边界层大气不同形式的输送能力作为对地气能量通量交换过程中的重要因素,对能量不平衡也会产生深远影响。结果显示,地表能量不闭合度分别与垂直速度w、水平风速u和对流速度尺度w*有较密切的关系。涡动相关法通量计算中常通过坐标旋转强迫垂直速度变为零,然而非零的垂直速度和垂直平流是真实存在的,忽略垂直平流热量输送是产生地表能量不平衡的重要原因。     

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。     

大口径闪烁仪及其在地表能量平衡监测中的应用

介绍了LAS仪器的测量原理及数据处理方法, 并利用中荷合作项目CEWBMS中获得的河南郑州LAS测站2000年的观测资料, 同时结合其它辅助资料, 对观测点附近地区的能量平衡状况进行了分析。分析结果表明, 由LAS测值得到的显热通量值, 以及结合净辐射资料间接得到的潜热通量值, 合理地反映出了当地能量平衡状况的季节变化, 显示出一年之中当地大部分的净辐射能用于潜热通量的释放。其数据结果所表征的当地下垫面干湿程度的变化与同期的降水及土壤相对湿度相比, 表现出了相当好的一致性, 这为拓展LAS在局地地表能量平衡监测中的应用提供了物理依据。     

东亚地区的地表面辐射平衡、热量平衡及冷热源问题的研究

本文是<我国辐射平衡、热量平衡及水分平衡的研究>工作中的一部份。根据我国七十多个日射台站1974年前的全部实测资料,推求出适合于我国实际情况的计算方法。计算了我国300多个台站的太阳辐射各分量(直达辐射、散射、辐射、总辐射)数值。同时设计了计算理论公式的计算图,求得了这些台站的有效辐射量,从而得到我国辐射平衡及其各分量。又根据我国六个台站热量平衡观测资料,得到土壤热交换量与气温变化的关系,确定了土壤热交换量。并采用和计算了与我国邻近的国外几十个台站辐射平衡各分量及研究成果。最后分析了东亚地区的辐射平衡、热量平衡及冷热源的时空分布。     

利用光谱资料估算土壤热通量与净辐射的比值

由于缺乏庞大的水文测量系统,难于得到地表能量平衡各分量的准确空间平均值.本文旨在建立一种利用遥感方法估测不同作物冠层状况下地表能量平衡分量之一的土壤热通量的方法,以用于区域地表能量平衡研究.在亚利桑那州靠近菲尼克斯城的Maricopa农业中心,连续几天测定了裸地、苜蓿地及棉田的净辐射(Rn)和土壤热通量(G),并利用多波段辐射仪测得地面反射率.结果表明:中午土壤热通量和净辐射的比(G/Rn)与简单比及标准化差植被指数呈线性相关.棉田的G/Rn估算值实际上与不同太阳天顶角和方位角得到的光谱资料所引起的植被指数变化没什么关系,因此多波段光谱资料可为区域能量平衡研究提供一种能准确计算土壤热通量区域平均值的方法.     

学点英语

辐射地球所获得的能量几乎全部都是太阳以辐射的方式提供的。我们所用的全部能量(除核能、地球物理能及潮汐能以外)均来自太阳。一亿年前死亡的植物变成了石油,那时植物利用太阳辐射,通过光合作用产生的碳氢化合物构成了石油的主要成份。我们筑坝或建水电站时,仅仅是利用了曾受太阳加热而蒸发,然后又降落在山区的那一部分雨水。太阳直接地和间接地开动着这部巨大的天气机器。地面上接受的太阳能量分布是不均匀的,因而造成了各地不同的热型气候。我们所指的辐射取决于波长或波的频率,这两者是彼此相关的。无线电波长在几分米到几公里之     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

与“温室效应”和“辐射平衡”有关词的定名

在气象名词审定工作中,一个名词的审定往往涉及一些与之相关的名词如何定。这里试举二例,并提出有关词的定名建议,希望从讨论中得出最合理的定名。一、关于“温室效应”园艺学中的“温室效应Greenhouse effect”指的是玻璃或塑料薄膜等透明或半透明覆盖物列覆盖范围内空气的增暖作用。由于大气能使太阳短波辐射透过到达地面,且易吸收地面的长波辐射形成逆辐射,从而导致大气低层的增暖,因而气象学界也长期     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

青藏高原两类下垫面地表能量分配对气候要素的响应研究

利用青藏高原北麓河观测站（退化高寒草甸）和玛曲观测站（高寒草原）2014年地面观测资料,通过组合分类法,对比分析了两类下垫面生长季土壤含水量、水汽压差和净辐射对地表能量分配的直接影响和间接影响,并且利用路径分析法研究了影响地表能量分配的关键气候因子。结果表明:北麓河站和玛曲站潜热占比（潜热通量与地表可利用能量的比值）对土壤含水量的响应分别处于土壤水分抑制阶段和能量抑制阶段。其中,北麓河站潜热占比在水汽压差较大时随土壤含水量增长较快,受净辐射的影响较小;而玛曲站潜热占比随土壤含水量的变化趋势受水汽压差和净辐射的影响均较小。北麓河站潜热占比随水汽压差的增大先减小后趋于不变,并且潜热占比对水汽压差的敏感性随土壤含水量的增大而减小;而玛曲站潜热占比随水汽压差的增大先增大后趋于不变,几乎不受土壤含水量和净辐射的影响。北麓河站和玛曲站潜热占比均随净辐射的增大趋于稳定,其稳定值分别与土壤含水量和水汽压差有关。路径分析结果显示,降水是影响北麓河站潜热占比的主要气候因子,而气温是影响玛曲站潜热占比的主要气候因子。     

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含:（1）地表温度计算，（2）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（3）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.