中国西北干旱区荒漠和农田下垫面地表能量平衡特征分析

中国西北干旱区荒漠和农田下垫面地表能量平衡特征分析

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非常重要的影响,地表能量平衡又是陆气相互作用研究过程中一个不容忽视的问题。全球干旱区范围分布广大,约占陆地面积的1/3,同时下垫面类型较多,不同下垫面之间地表能量平衡特征差异明显,并且相同下垫面的地表能量平衡特征随季节、天气和土壤

干湿的不同发生剧烈变化。

为了深入了解干旱区地表能量闭合特征,本文选取西北干旱区荒漠和农田两种典型下垫面的陆面观测资料,对比分析了两种下垫面地表能量平衡特征季节变

化及差异,同时也分析了天气状况对能量平衡的影响,并探讨了干旱区不同下垫

面的地表能量平衡特征及影响机制。主要研究成果如下:(1)降水过程对地表能量平衡特征的影响分析显示,在干旱区降水前,荒漠下垫面土壤水分较低,感热通量显著大于潜热通量,地表可利用能量主要以感热形式释放;雨后地表水分充足,潜热通量大于感热通量,地表可利用能量主要以潜热形式释放。

降水前、后能量闭合对比分析表明土壤水分对能量闭合度有显著影响,能量闭合度随着土壤水分增加明显提高,暴雨过程对能量平衡的影响能持续三天左右。

(2)利用EBR方法分析能量平衡显示,通过Plate Cal法和TDEC法计算的地表热通量对能量闭合度的影响存在一定的差异,Plate Cal法得到的能量闭合度优于TDEC法;OLS方法分析显示,TDEC法得到的能量闭合度优于Plate Cal法。

能量平衡特征的季节变化分析显示,选用EBR法分析时,整体闭合度优劣程度为:秋>冬>夏>春;选用OLS法分析时,Plate Cal法和TDEC法得到的闭合度有共同的特征,闭合度优劣程度为:夏>春>秋>冬。(3)荒漠下垫面地表能量不平衡主要受空气热储存和垂直平流输送的影响,其中空气热储存平

均日变化最大值可达 4.7 W?m-2,垂直平流输送平均日变化最大值可达36.3 W?m-2。

补偿空气热储存和垂直平流输后不闭合残差平均日变化最大值由84.1 W?m-2降到了60.6 W?m-2,地表能量平衡的闭合度由82%增至98%。(4)农田非均匀下垫面地表能量不平衡受空气热储存、光合作用、生物量储热和垂直平流输送的影响。

空气热储存平均日变化最大值可达10.6 W?m-2,光合作用平均日变化最大值可达9.9 W?m-2,生物量储热平均日变化最大值可达32.4 W?m-2,垂直平流输送平均日变化最大值可达22.9 W?m-2。补偿空气热储存、光合作用、生物量储热和

垂直平流输后不闭合残差平均日变化最大值由105.9W?m-2降到了79.3 W?m-2,地表能量平衡的闭合度由79%增至90%。

此外,农田下垫面反演的地表温度受到植被冠层的影响,由此地表温度计算得到的地表热通量偏大,出现过闭合现象,而用直接测量的5cm深处的土壤温度计算的土壤热储存更为准确。(5)干旱区荒漠下垫面的闭合度要高于农田非均匀下垫面。

由于荒漠下垫面均匀,影响地表能量不平衡的因素较为单一,更接近理想下垫面,而农田非均匀下垫面影响地表能量不平衡的因素十分复杂。