夏季太湖表面辐射和能量通量特征观测分析

夏季太湖表面辐射和能量通量特征观测分析

朴美花;刘寿东;王咏薇;俞晓亮;王伟;肖薇;曹畅;徐家平

【摘要】利用太湖表面2012年6～8月的辐射和湍流通量观测资料,分析了太湖

夏季晴天辐射平衡和能量平衡各组分的日变化特征.结果表明:①2012年夏季晴天

太湖表面向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射日平均值分别为282.6、19.5、425.8、478.6 W/m2,反照率日平均值为0.05;②夏季晴天净辐射、感热通量、潜

热通量和热储项日平均值分别为210.3、3.8、121.8、5.7 W/m2;③夏季晴天感热通量白天为负最小值为-13.4 W/m2,夜间为正最大值为17.3 W/m2.潜热通量晴天白天最大值达到216.6 W/m2,是能量平衡分配的主导;与陆地下垫面不同的是,夜间潜热通量仍保持正值.热储项白天为正,夜间为负,约60％的能量以潜热的形式消耗.

天气过程出现时,湖体稳定的正温层被打破,累积热储项急剧减少.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2014(014)019

【总页数】7页(P1-7)

【关键词】太湖;太阳辐射;热储项;反照率;能量通量

【作者】朴美花;刘寿东;王咏薇;俞晓亮;王伟;肖薇;曹畅;徐家平

【作者单位】南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大

气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;太湖流域

水文水资源监测中心,无锡214024;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;

南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南

京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044

【正文语种】中文

【中图分类】P461.5

湖泊对气候变化有敏锐的指示作用[1]。与陆地相比，湖泊能够储存更多的太阳辐

射能，其热缓冲作用对区域天气和气候具有重要影响[2，3]。随着我国工业化、城镇化的进程加速，大量湖泊遭到了不合理开发利用，引发了一系列生态问题和气候变化[4，5]，这些情况对气候变化的响应都反映在地表辐射平衡和能量平衡过程当中。以地表辐射平衡和能量平衡为主的能量交换过程是地-气相互作用的重要环节，而湖水的热传导性质和粗糙度的不同直接导致湖-气交换与陆-气交换差异显著，因此探讨湖泊表面辐射平衡和能量平衡特征对缓解湖泊的生态压力具有重要意义。

测量水热通量的微气象学方法包括波文比-能量平衡法、通量梯度法、推理建模法

以及涡度相关法[6]等。不同于前三种方法，涡度相关法在计算过程中几乎不存在

任何的假设[7]。涡度相关法1951年由Swinbank首次提出并验证[8]，经过几十

年的发展，已经成为直接测量湍流通量最可靠的方法，也是全球水循环研究中通量测定的标准方法[9]。我国涡度相关法的应用始于20世纪90年代初，王介民等[10]、李家伦等[11]、马耀明等[12]在陆面过程研究中，都应用涡度相关法计算了

水热通量并取得较好效果。国外关于涡度相关法的应用研究较多，在湖泊表面能量通量方面，Rouse等[13]对Great Slave湖5年的涡度相关数据进行了分析，Liu

等[14]验证了密西西比湖7个月的涡度相关数据。此外，Elo等[15]运用通量梯度

法研究了瑞典两个较小湖泊的能量平衡;Lewis等分析了巴伦西亚湖的热机制、混

合和热通量[16];Richter D.等对德国两个湖泊的辐射和能量平衡特征进行了分析[17]。近几年来，涡度相关法在太湖的应用研究也在不断增多，肖薇等针对不同湖区分析了湖-气之间的动量和水热交换系数[18]，邓斌等用气象数据驱动调优的离

线浅水湖泊模型得到水热通量，并与涡度相关法得到的水热通量进行了对比验证[19]。

然而，大部分湖-气能量交换的研究主要集中于美国五大湖、瑞士日内瓦湖和其他

大湖，这些湖泊大多是位于中高纬度的深水湖，而对于纬度偏南的浅水湖泊的研究相对较少。太湖位于江苏省南部，是中国第三大淡水湖泊，面积2338 km2，平均水深1.94 m，最深处2.65 m，具有纬度偏南浅水湖泊的代表性。本项研究利用太湖避风港观测平台2012年6～8月的辐射和通量观测资料，分析并重点阐述夏季

太湖表面辐射及能量通量特征，为深入研究太湖地区陆面过程与天气气候的相互影响以及气候变化的物理机制提供科学依据，也为大型浅水湖泊辐射和能量平衡变化特征研究提供参考。

1 研究方法

1.1 试验观测方法

观测平台位于太湖东部距岸4 km的避风港1号(31°10＇28″N，120°24＇01″E，见图 1)，水上观测平台通量观测站(BFG)于2011年12月15日安装并开始观测。图1 太湖东部避风港1号观测平台位置及观测系统Fig.1 Position and observation system of observation platform bifenggang1 on east Lake Taihu

涡度相关系统架设在距离湖面8.5 m高度处，主要测量三维风速和大气中水汽、

二氧化碳浓度，采样频率为10 Hz。系统由三维超声风速仪(CSAT3，Campbell Scientific Inc.，Logan，UT，USA)和开路的红外气体分析仪(LI 7500，Li-Cor Inc，Lincoln，NE，USA)组成;动量通量、感热通量和潜热通量由一系列10 Hz

的数据以30 min为间隔计算得到。为较好的匹配观测数据，所有的观测仪器的数据输出步长均设置为30 min。辐射平衡的四组分是通过净辐射仪(CNR4，Kipp

＆ Zonen B.V.，Delft，The Netherlands)测量得到。采用小气候系统