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。     

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。     

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。      

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。     

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...     

半干旱区退化草地地表能量收支

利用吉林通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测试验站2002年10月~2003年12月在退化草地下垫面获得的近地层湍流通量及能量的连续观测资料(样本间隔30min),分析了半干旱地区退化草地下垫面近地层能量的日变化、季节变化特征;同时还讨论了干湿季转换期及不同季节近地层能量收支特征,以及天气状况对近地面层能量收支的影响。     

半干旱区陆面过程观测试验的仪器精度和观测误差分析

利用定西试验基地2017年5月的平行对比观测资料,分析陆面过程观测试验的仪器精度和观测误差。结果表明:HMP45D型空气温湿度传感器、107-L型土壤温度传感器、WAA151型风速仪、HFP01型土壤热通量板和涡动系统(CSAT3+Li-7500)观测数据的偏差较小,均在允许范围内,说明相同仪器之间的观测数据基本一致,但观测土壤湿度的CS616型仪器在使用时需要订正;不同型号仪器观测长短波辐射的一致性很高,其相关系数均近乎1;观测数据的偏差也直接影响能量闭合率,试验中湍流通量观测偏差造成地表能量闭合率0.61%~2.20%的不确定性,可利用能量观测偏差造成地表能量闭合率0.08%~1.67%的不确定性。     

东北半干旱地区夏季能量水分传输过程分析

利用2015年8月锦州气象站的观测资料和中国地面气候资料日值数据集(V3.0),分析东北半干旱地区夏季能量水分传输过程。结果表明:锦州地区8月两次降水过程对近地面气象要素造成的差异较为明显。锦州站2 m气温和比湿都具有明显的日变化特征,较深层土壤升温与浅层土壤升温相比存在滞后效应。8月锦州站的CO2通量平均值为-0.17 mg/(m2·s),表现为"碳汇"。陆—气之间的能量交换主要依赖于水汽相变所传输的能量。地表反照率的日变化趋势大致为"U"型。潜热通量和感热通量平均值分别为71.9、29.7 W/m2。强烈的向下短波辐射使土壤和地表增温,同期降水量也偏少,是2015年夏季该地区出现的干旱的主要原因。能量不平衡的现象普遍存在,在考虑能量平衡时,考虑土壤热储量情况下的能量闭合率比不考虑时高2%～3%,夜间数据可以忽略。云量的增多会降低能量闭合程度。     

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。     

Effects of the soil heat flux estimates on surface energy balance closure over a semi-arid grassland

Soil heat flux is important for surface energy balance (SEB), and inaccurate estimation of soil heat flux often leads to surface energy imbalance. In this paper, by using observations of surface radiation fluxes and soil temperature gradients at a semi-arid grassland in Xilingguole, Inner Mongolia, China from June to September 2008, the characters of the SEB for the semi-arid grassland were analyzed. Firstly, monthly averaged diurnal variations of SEB components were revealed. A 30-min forward phase displacement of soil heat flux (G) observed by a fluxplate at the depth of 5-cm below the soil surface was conducted and its effect on the SEB was studied. Secondly, the surface soil heat flux (G _s) was computed by using harmonic analysis and the effect of the soil heat storage between the surface and the fluxplate on the SEB was examined. The results show that with the 30-min forward phase displacement of observed G, the slope of the ordinary linear regression (OLR) of turbulent fluxes (H+LE) against available energy (R _n-G) increased from 0.835 to 0.842, i.e., the closure ratio of SEB increased by 0.7%, yet energy imclosure of 15.8% still existed in the SEB. When G _s, instead of G was used in the SEB equation, the slope of corresponding OLR of (H+LE) against (R _n-G _s) reached 0.979, thereby the imclosure ratio of SEB was reduced to only 2.1%.     

Three-year Variations of Water, Energy and CO$_2$ Fluxes of Cropland and Degraded Grassland Surfaces in a Semi-arid Area of Northeastern China

Based on 3 years （2003-05） of the eddy covariance （EC） observations on degraded grassland and cropland surfaces in a semi-arid area of Tongyu （44°25′N, 122°52′E, 184 m a.s.1.）, Northeast China, seasonal and annual variations of water, energy and CO2 fluxes have been investigated. The soil moisture in the thin soil layer （at 0.05, 0.10 and 0.20 m） clearly indicates the pronounced annual wet-dry cycle; the annual cycle is divided into the wet （growing season） and dry seasons （non-growing season）. During the growing season （from May to September）, the sensible and latent heat fluxes showed a linear dependence on the global solar radiation. However, in the non-growing season, the latent heat flux was always less than 50 W m^-2, while the available energy was dissipated as sensible, rather than latent heat flux. During the growing season in 2003-05, the daily average sensible and latent heat fluxes were larger on the cropland surface than on the degraded grassland surface. The cropland ecosystem absorbed more CO2 than the degraded grassland ecosystem in the growing season in 2003-05. The total evapotranspiration on the cropland was more than the total precipitation, while the total evapotranspiration on the degraded grassland was almost the same as the total annual precipitation in the growing season. The soil moisture had a good correlation with the rainfall in the growing season. Precipitation in the growing season is an important factor on the water and carbon budget in the semi-arid area.     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响

利用涡度相关技术, 于2006年7月27日至8月10日在内蒙古半干旱草原三种放牧强度的下垫面进行微气象观测。本文分析了放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响, 发现: (1)放牧降低植被覆盖率, 使地表反射率增大。(2)放牧使潜热通量减小。而放牧强度最大的锡林河河道潜热通量最大,表明土壤水分状况是半干旱草原地表能量收支的决定性因素。(3)羊草和冬季放牧观测点日平均CO2通量分别为-1.92 g?m-2?d-1和0.73 g?m-2?d-1, 表明放牧可以使草地由CO2的汇转变为源。锡林河河道为CO2的汇, 日平均CO2通量-3.35 g?m-2?d-1, 与羊草比较, 锡林河河道吸收CO2更多, 表明土壤湿度是影响半干旱草原CO2通量交换的重要因素。(4) 放牧通过减小叶面积指数, 减弱植被的光合作用能力。     

Towards Closing the Surface Energy Budget of a Mid-latitude Grassland

Observations for May and August, 2005, from a long-term grassland meteorological station situated in central Netherlands were used to evaluate the closure of the surface energy budget. We compute all possible enthalpy changes, such as the grass cover heat storage, dew water heat storage, air mass heat storage and the photosynthesis energy flux, over an averaging time interval. In addition, the soil heat flux was estimated using a harmonic analysis technique to obtain a more accurate assessment of the surface soil heat flux. By doing so, a closure of 96% was obtained. The harmonic analysis technique appears to improve closure by 9%, the photosynthesis for 3% and the rest of the storage terms for a 3% improvement of the energy budget closure. For calm nights (friction velocity u _* < 0.1 m s⁻¹) when the eddy covariance technique is unreliable for measurement of the vertical turbulent fluxes, the inclusion of a scheme that calculates dew fluxes improves the energy budget closure significantly.     

土壤水分条件对内蒙古典型草原水汽和二氧化碳通量的影响研究

本文基于2007年和2008年生长季内蒙古羊草和大针茅草原湍流观测资料,分析了两种典型草原下垫面生长季的不同土壤水分条件下水汽和二氧化碳通量交换特征及其控制因子。主要结果如下:（1）在植被生长峰值期,日尺度上,干旱条件下土壤湿度是潜热通量的主要控制因子,而土壤水分条件较好时潜热通量主要受净辐射控制。（2）与大针茅草原相比,羊草草原叶面积指数较大,水分条件较好时,其潜热通量平均值更大,CO₂吸收能力更强,吸收CO₂更多;但在土壤水分胁迫出现时,羊草草原叶面的气孔闭合度急剧增加,大针茅草原的潜热通量、和CO₂吸收反而更大,表现出更为耐旱的植被特性。（3）地表导度可以用来解释土壤水分条件对羊草和大针茅草原碳水通量的影响。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

北京郊区草地夏季能量收支平衡的数值模拟

北京郊区地表能量分配可能影响北京地区的天气和气候。为了进一步检验陆面过程模式对北京郊区具有代表性的稀疏草地地表能量分配的模拟能力,利用原版和改进版简化生物圈模式(SiB2,Simple Biosphere Model 2)模拟了2010年7月22日-8月5日期间北京郊区阳坊镇坦克打靶场草地的辐射平衡、能量收支以及地表热通量。并将模拟结果与实际测量的数据进行对比,结果表明:1)原版SiB2低估净辐射11.32%,改进版SiB2则低估净辐射5.81%,主要原因是改进版SiB2更新了土壤热传导率计算方法,从而提高了土壤温度(包括地表温度)模拟结果的精度,进而改善了地表向上的长波辐射模拟结果的准确性;2)改进版SiB2同时改善了感热通量和潜热通量的模拟结果,但是原版SiB2和改进版SiB2均低估了土壤热通量。     

上海秋冬季地表能量平衡及CO2通量特征分析

利用2012年11月11日至2013年1月20日上海秋冬季涡动相关通量观测资料,对比分析地表能量平衡和CO₂通量在不同天气条件下的日变化特征。结果表明：2012-2013年上海晴天和多云天气条件下,最大能量通量为储热项,其次为感热项;用于蒸发的潜热通量项最小,低于50 w·m^-2。储热项日峰值出现在11时,出现时间早于净辐射通量,而在日落前转为负值。感热项日变化曲线并不以12时为中心呈对称分布,日落后感热项仍为明显正值。中午至日落时波文比值为3以上。感热通量受风向影响最大,在主导风向为西北风时,感热通量日峰值从其他风向的175 w·m^-2左右减小至120 w·m^-2左右。霾和云对短波辐射均表现为衰减作用,云的衰减作用明显大于霾。云使地表向上长波辐射和净长波辐射明显减少,而使大气逆辐射增加。晴天条件下,全天表现为CO₂排放源,且日变化呈双峰型,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上峰值。