半干旱地区地表能量特征数据资料和计算方法

半干旱地区地表能量特征数据资料和计算方法

1.1 数据资料[13]

SACOL站观测的主要项目包括：近地层基本气象要素、地表辐射系统、土壤温湿度和热通量、近地层的物质和能量通量、气溶胶光学特性、空气环境质量监测系统、温湿度垂直廓线仪和天空云的状况等。我们采用了SACOL站2007年到2012年连续六年的观测资料，包括空气温度、土壤湿度、降水量、风速、水汽压差、土壤热通量、净辐射量、太阳长短波辐射的月平均变化值、辐射通量等。常规气象要素（风速、温度、相对湿度）由观测场中32.4m的高度塔观测，观测高度分别为1、2、4、8、12、16和32 m共7层。辐射观测系统为四辐射分量系统，包括向上、向下太阳辐射以及长波辐射；土壤含水量的观测层次分别为地表以下0.05、0.10、0.20、0.40和0.80m；土壤热通量的观测层次分别为地表以下0.05和0.10 m；地面观测还包括地表温度、大气压、雨量和蒸发量。除湍流通量数据资料为10 Hz的以外，其他数据资料频率均采用半小时制。

表1.1 SACOL站观测仪器简介

观测项目安装高度/深度（m）仪器型号厂家

空气温度1,2,4,8,12,16和32 HMP45C-L Vaisalla, 芬兰

空气湿度1,2,4,8,12,16和32 HMP45C-L Vaisalla, 芬兰风速1,2,4,8,12,16和32 014AL Met One, 美国

风向8.0 034B_L Met One, 美国

向下/向上短波辐射 1.50 CM21 Kipp&Zonen, 荷兰

向下/向上长波辐射 1.50 CG4 Kipp&Zonen, 荷兰

STP01-L50 Hukseflux, 荷兰土壤温度0.02, 0.05, 0.10, 0.20,

0.50,0.80

土壤湿度0.05, 0.10, 0.20,

CS616-L Campbell, 美国

0.40, 0.80

气压8.0 CS105 Vaisala, 芬兰

降水0.50 TE525MM-L R. M Young, 美国

CO2通量 2.88 CSAT 3和Campbell, 美国

感热通量LICOR 7500

潜热通量

土壤热通量0.05, 0.10 HFP01SC‐L Hukseflux, 荷兰

通榆站利用的辐射和通量仪器型号和厂家与SACOL一致。目前，通榆站已经运行了近10年，不仅为陆气相互作用、大气边界层、气溶胶的观测与研究积累了丰富长期连续的资料，而且也取得了大量的研究成果。如在干旱、半干旱区陆气相互作用的能量平衡、陆面过程参数的研究、水分和物质循环、湍流通量的计算与研究、辐射与大气气溶胶等方面取得了重要的研究结果[15]。

1.2 土壤热通量计算方法

土壤热通量计算方法：

一维土壤热传导方程（TDE）为：

（1.1）

其中t（s）为时间，Z（m)代表土壤深度，T（K)是土壤温度，

是土壤热容量，是土壤热传导系数，G（W m-2）为土壤热通量。积分方程，得到

（1.2）其中为某一参考位置处的土壤热通量。如给定土壤温度廓线T（Zi），方程的离散形式为：

（1.3）

在参考位置的热通量可由热流板观测得到，也可取参考位置足够深，使得G （Zref）相对于表层热通量可忽略，即假设G（Zref）=0。土壤水分含量由观测得到，土壤空隙度也比较容易测量，我们假定这些量均已知，则可得到热容量。用Yang and Wang[16]2008年提出了一种新的土壤温度廓线的插值方法（TDEC)，

从而可以计算土壤热通量。

结果分析

2.1 SACOL站能量变化

2.1.1 能量月平均的年际变化

图1 SACOL站净辐射Rn、土壤热通量Gs、潜热通量LE、感热通量Hs的月平均的年

际变化

图1为SACOL站两年净辐射、土壤热通量、潜热通量和感热通量月平均的年际变化，四个变量有明显的年季变化差异，生长季节值偏高，非生长季节偏低。除净辐射以外，其余三个变化两年变化趋势都不一致，2008年感热通量比2007年大，而潜热通量是2007年相对偏大。净辐射和感热通量的月变化范围比较大，而潜热通量在生长季节变化范围比较大，非生长季节变化范围较小。土壤热通量月平均值在0值附近变化，在2-8月份土壤热通量为正值，9月到次年的1月基本为负值。

2.1.2能量季节平均日变化

图2 SACOL站净辐射Rn、土壤热通量Gs、潜热通量LE、感热通量Hs的四个季节平

均日变化

图2为SACOL站净辐射、土壤热通量、潜热通量、感热通量的四个季节平均日变化。四个变量日变化均为“U”型变化，净辐射、潜热通量和感热通量在14:00左右达到峰值，土壤热通量相对滞后，在15:00左右达到最大。净辐射、土壤热通量和潜热通量都在夏季达到最大，春季次之，其次是秋季，冬季最小，但土壤热通量在冬季夜间却高于其他三个季节。感热通量春季最大，夏季次之，秋季和冬季相差不多。

2.2SACOL站能量分配

2.2.1能量分配的变化

图3 SACOL站2007年1月1日~2008年12月31日能量百分比Hs/Rn、LE/Rn、Gs/Rn

的时间变化

图3给出了感热通量、潜热通量和土壤热通量在净辐射中所占的比例，感热通量和潜热通量存在着明显的负相关。土壤热通量所占的比例相对感热通量和潜热通量小，基本维持在18%左右。

2.3能量分配与降水的变化

图4 SACOL站2007年1月1日~2008年12月31日能量百分比Hs/Rn、LE/Rn、Gs/Rn和

降水月平均变化

图4为SACOL站能量分配和降水月平均变化图，感热通量和潜热通量存在明显的负相关变化，潜热通量与降水的变化趋势相近，在降水比较充沛的生长季节（5-9月份），潜热通量占主导地位，由于2007年降水量偏多，使得2007年6-10月份潜热通量比感热通量值大，2008年只有9月份，潜热通量比感热通量值大。

表1 2007年和2008年能量在净辐射的比例

Hs/Rn LE/Rn Gs/Rn

2007 0.38 0.33 0.2

2008 0.42 0.30 0.2

从表1可以看出，2008年感热通量在净辐射中所占的比例明显大于2007年，潜热通量所占的比例在2007年大于2008年。能量分配在两年内存在差异，与降水量的变化关系密切，在降水量偏多的2007年，潜热通量所占比例相对偏多。

2.4不同下垫面类型能量特征对比

2.2.1 SACOL站、通榆草地站和通榆农田站能量日变化