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/Rn2007 0.38 0.33 0.22008 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图5 SACOL站和通榆退化草地（TYcy）和农田站（TYnt）净辐射、土壤热通量、潜热通量和感热通量平均日变化图5为SACOL站、通榆退化草地和农田站净辐射、土壤热通量、潜热通量和感热通量平均日变化趋势对比图，通榆农田站的感热通量和土壤热通量相比SACOL站和通榆草地多，通榆农田土壤热通量的变化幅度比其余两个站点大。

SACOL站的潜热通量值最大，通榆两个站点的相差不多，感热通量三个站点相差不大，只是达到峰值的时间SACOL站相对晚一点。

2.2.2 Bowen比的时间变化图6 SACOL站和通榆退化草地（TYcy）和农田站（TYnt）Bowen比的时间变化图为SACOL站和通榆退化草地和农田站Bowen比日平均的变化，SACOL站和通榆农田的Bowen比日变化的变化范围为0~10，而通榆草原Bowen比平均值在0~20间波动，2007年11月到2008年3和2008年9月到12月Bowen比相对较大，其余月份与农田站相差不多。

2.5通榆站能量分配变化图7 通榆退化草地站（TYcy）和农田站（TYnt）2007年1月1日~2008年12月31日能量百分比Hs/Rn、LE/Rn、Gs/Rn的时间变化表2 三个站点能量分配比例Hs/Rn LE/Rn Gs/RnSACOL 2007 0.38 0.33 0.2 2008 0.42 0.30 0.2TYcy 2007 0.41 0.29 0.12 2008 0.45 0.21 0.8TYnt 2007 0.43 0.22 0.13 208 0.35 0.21 0.9图为通榆退化草地站（TYcy）和农田站（TYnt）两年能量分配的时间变化趋势，结合表中列出的三个站点感热通量、潜热通量和土壤热通量在净辐射通量中的比例看出。

在分析的两年时间里，SACOL站总体上以感热通量为主，约占净辐射的40%，潜热通量次之，约占31.5%，土壤热通量最小，占20%。

通榆退化草地站同样是感热通量所占比例最大，约43%，潜热通量相对较小，占净辐射的25%，土壤热通量占净辐射的10%。

通榆农田站感热通量、潜热通量和土壤热通量分别占经净辐射的39%，21.5%，11%。

比较三个站点，发现感热通量在净辐射中所占的比例最大，其次是潜热通量，土壤热通量所占的比例最小。

其中感热通量在通榆退化草地中所占的比例相比其余两站点高，SACOL中潜热通量和土壤热通量所占比例相对较大。

2.6 三个站点Bowen随土壤湿度的变化图8 SACOL站、通榆退化草地和农田站Bowen比与土壤湿度的关系图为SACOL站、通榆退化草地和农田站Bowen比随土壤湿度的变化，三个站点的Bowen比值都随着土壤湿度的增大以指数形式减小，在土壤湿度相对较小的时候，通榆退化草地站和农田站的Bowen比大于SACOL站的Bowen比，通榆退化草地的Bowen最大，农田站次之，SACOL站相对最小。

从关系图中看出，三个站点在土壤湿度相对较小时，Bowen比变化范围比较大，在土壤湿度相对较大时，Bowen比变化比较小，基本在1.0值附近波动。

2.7能量平衡近地层地步能量平衡可以表示为Hs+LE=Rn-Gs+S+QHs和LE分别为感热通量和潜热通量，由涡动相关系统直接观测得到；Rn 为净辐射；Gs为地表热通量；S为地面与涡动相关系统传感器假设高度间空气中或植被冠层间存储的热量；Q为其他的热量的源或者汇项；Rn-Gs为有效能量。

研究的半干旱区，植被稀疏且冠层高度比较低，因而上式中S和Q项较净辐射项为小项，可以忽略。

在进行能量平衡分析时，采用线性拟合方法从过原点和拟合曲线不过原点两种不同的方法拟合；过原点的线性拟合在计算斜率时使得部分数据不能在拟合中很好的进行拟合估计，因为其要求统一过原点，即截距为0，容易进行比较；不过原点的线性拟合更为精确，但是每个比较时段都有自己不同的截距，不方便进行比较。

2.7.1 SACOL站能量平衡图8 SACO站2007年~2008年考虑土壤热储存量的能量平衡（四幅依次是不考虑夜间时次和考虑夜间时次时y=kx拟合，y=kx+b拟合）图9 SACO站2007年~2008年不考虑土壤热储存量的能量平衡（四幅依次是不考虑夜间时次和考虑夜间时次时y=kx拟合，y=kx+b拟合）图为不考虑土壤热通量和考虑土壤热通量两种情况下SACOL站的闭合率。