半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对能量平衡的影响

测 量 往 往 存 在 不 可 忽 视 的 误 差，且 难 以 准 确 校
１ ６］ ，从而导 致 结 合 土 壤 热 通 量 板 测 量 的 温 度 积 正［
分法 （ 下称Ｉ 的计算结果存在很大的不确定 ＴＨＰ 法 ）
［ １ ７］ 对比分析了谐波法和Ｉ 性。 Ｊ ａ ｃ ｏ ｂ ｓ ｅ ｔ ａ ｌ ． ＴＨＰ
半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对 能量平衡的影响
＊， 左金清１－２， 王介民３， 黄建平２， 李维京１， 王国印２， 任宏利１
（ １．中国气象局 国家气候中心／中国气象局气候研究开放实验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １； ２．兰州大学 大气科学学院 ，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０； ） ３．中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室 ，甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０
第２ 高 原 气 象 ９卷 第４期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９ Ｎ ｏ ． ４ ， ２ ０ １ ０年８月 ２ ０ １ ０ Ａ ｕ ｕ ｓ ｔ ｇ Ｐ Ｌ ＡＴ Ｅ ＡＵ ＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ ＧＹ ］ ： 左金清 ，王介民 ，黄建平 ，等 ．半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对能 量 平 衡 的 影 响 ［ Ｊ ．高 原 气 象 ， ２ ０ １ ０， ２ ９（ ４） ８ ４ ０ －８ ４ ８
［ ］ ２ ０－２ １
；地 表 比 辐 射 率 ε 射（ 单 位 ： Ｗ · ｍ－２ ） ｇ取经验值
－８ （ ） ； ０． ９ ６ Ｓ ｔ ｅ ｆ ａ ｎ－Ｂ ｏ ｌ ｔ ｚ ｍ ａ ｎ ｎ 常数σ＝５． ６ ７×１ ０ Ｗ －２ －４ ·ｍ ·Ｋ 。
包括感热 用于地表能量 平 衡 评 估 的 湍 流 通 量 （ ，由 涡 动 相 关 通 量 观 测 系 统 的 观 测 计 和潜热通量 ） 算 得 到， 该 系 统 主 要 由 三 维 超 声 风 速 温 度 仪 （ ） 和红外气体分析仪 （ Ｃ Ｓ ＡＴ ３， Ｃ ａ ｍ ｂ ｅ ｌ ｌ Ｌ Ｉ －７ ５ ０ ０， ｐ 组 成 。 观 测 高 度 为 ３ ｍ，原 始 数 据 的 采 Ｌ Ｉ －Ｃ Ｏ Ｒ） ，湍 流 通 量 的 计 算 时 段 为 ３ 。 样频 率 为 １ ０Ｈ ｚ ０ｍ ｉ ｎ 在获得湍 流 通 量 之 前 ，数 据 经 过 了 严 格 的 质 量 控 制 。 有关湍流通量的计算及数据质量控制的详细介 ］ 。 绍可参见文献 ［ ２ ３ ２． ２ 自校正热通量板的原理 ｕ ｋ ｓ ｅ ｆ ｌ ｕ ｘ 公司研 发 的 新 型 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ自 荷兰 Ｈ 校正热通量 板 ，为 厚 ５ ｍｍ、直 径 ８ ０ ｍｍ 的 圆 盘 。 其热传导系数λ ８ Ｗ ·ｍ－１ ·Ｋ－１ 。 与其它型 ｍ ＝ ０． 号的热通量 板 不 同 ，ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的圆盘上表面贴着 一个薄膜加热器 ，用于产生一个已知大小的热 通量 ，并 通 过 测 量 探 头 对 φ 的 响 应 来 实 现 Ｗ ·ｍ－２ ） φ（ ［９］ 。 在 理 想 条 件 下 ，即 土 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的自校正 功 能 １ ／ 壤与热通量板之间接触 良 好 且 λ ２ λ ｍ＝ ｓ 时 ，将 有 φ 的热通量 向 下 流 过 热 通 量 板 到 板 下 的 土 壤 中 。 另 ／ 外， ２ 的热通量将 向 上 流 入 板 上 方 的 土 壤 中 。 实 φ 际上 ，土壤和通量板 的 热 传 导 系 数 往 往 不 一 致 ，因 此流过热通 量 板 的 实 际 通 量 为 φ ｈ。 实 际 通 量 与 理
法 ，认为谐波法的计算结果更为准确 。 然而 ，谐波 法的前提是假设土壤垂直分布均匀 ，实际情况往往
１ ８］ 难以满足 此 条 件 。 鉴 于 此 ，阳 坤 等 ［ 最近发展了
Ｔｓ ｆ ｃ ＝
（
），
↑ ↓ 其中 ， 和 ＲＬＷ 分别为向上和向下的地表长波辐 ＲＬＷ
一种对土壤热传导系数不敏感的温度积分法 ，并称 。 此外 ，为 改 善 土 之为温度预报校正法 （ Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法） 壤 参 数 变 化 对 热 通 量 板 测 量 结 果 的 影 响，荷 兰 Ｈ ｕ ｋ ｓ ｅ ｆ ｌ ｕ ｘ 公司近年研发了一种具 有 自 校 正 功 能 的 ［ ［ １ ９］ １ ６］ 。ｖ 热通量 板 （ 通过 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ） ａ ｎ Ｌ ｏ ｏ ｎ ｅ ｔ ａ ｌ ． 实验室试验指 出 ，其 热 通 量 观 测 精 度 可 达 ５％ ；野 也 表 明 了 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的测量准确 度的明显改进 。 因 此 ，在 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 热通量观测基
１ 引言
人类活动和地表变化对气候系统的影响以及对 全球变化的区域响应 ，均是通过地 — 气之间的能量 和物质交换过程来实现的 。 对这些交换过程的深入 研究 ，将有助于进一步了解区域气候系统的能量和 物质循环以及气候变化过程 。 总能量守恒是地 — 气 之间能量交换的一个重要约束条件 。 然而 ，近十几 年的观测试验研究指出 ，由最先进的涡动相关方法 观测计算的湍流 通 量 （ 感 热 通 量 Ｈ 和 潜 热 通 量λ Ｅ 之和 ） 一般仅为 地 表 可 利 用 能 量 （ 净 辐 射 Ｒｎ 与 土 壤 热通量 Ｇ 之差 ） 的７ ０％ ～９ ０％ 左 右 ；而 且 几 乎 每 个 ］ １－６ 。随 通量观测站都存在地表能量不平衡的问题 ［ 着时间的 推 移 ，地 表 能 量 平 衡 闭 合 问 题 需 亟 待 解
；改回日期 ： ２ ０ ０ ９ ０ ４ １ ５ ２ ０ ０ ９ ０ ６ ２ ９ 收稿日期 ： － － － － ） ； ） 共同资助 ４ ０ ６ ３ ３ ０ １ ７ ９ ７ ３ 计划项目 （ ２ ０ ０ ６ Ｃ Ｂ ４ ０ ３ ６ ０ ６ 基金项目 ：国家自然科学基金重点项目 （ ，女 ，广西昭平人 ，在读博士生 ，主要从事短期气候预测研究 ． ： １ ９ ８ ３—） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｕ ｏ ４ ２ ５＠ｈ ｏ ｔ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：左金清 （ ｊ ｑ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｌ ｚ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＊ 通信作者 ：黄建平 ． ＠ ｊ ｐ
２ ，但 偏 差 结果仅偏差约 １％ ； Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法与 Ｉ ＴＨＰ 法的计算 结 果 之 间 也 具 有 很 好 的 线 性 关 系 （ Ｒ ＝０． ９ ９）
达到 ９％ 左右 。 相对于 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的实测结果 ，由 谐 波 法 和 Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法计算的 Ｇ Ａ Ｃ Ｏ Ｌ 站的地表 ０可将 Ｓ 能量闭合率分别提高 ６％ 和 ７％ 左右 ；利用温度积分法将 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的 实 测 结 果 校 正 到 地 表 后 ，地 表 能 量闭合率也提高了约 ６％ 。 因此 ，在对涡动相 关 通 量 做 了 常 规 订 正 的 情 况 下 ，当 充 分 考 虑 了 土 壤 热 存 储后 ， Ｓ Ａ Ｃ Ｏ Ｌ 站的地表能量闭合率可提高 ６％ ～７％ ，达到 ８ ２％ ～８ ３％ 左右 。 关键词 ：土壤热通量 ；谐波分析 ；温度预报校正法 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ０ ５ ３ ４ ２ ０ １ ０ ０ ４ ０ ８ ４ ０ ０ ９ Ｐ ４ ６ ３． ２ ３ － － － 中图分类号 ： 文献标识码 ：Ａ
４ 期
左金清等 ：半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对能量平衡的影响 ８ ４ １
９］ 。土 壤 热 通 裸露或 植 被 稀 疏 地 区 改 善 更 为 明 显 ［
， ；下 垫 面 植 被 为 天 然 荒 漠 草 系统分类检索 》 １ ９ ９ ５） 地 ，优生植被为多年 生 草 本 长 芒 草 ，伴 生 植 被 为 赖 草和冷蒿等 。 有关 Ｓ Ａ Ｃ Ｏ Ｌ 站的详细介绍可参 见文 ］ 。 献［ ２ ２ 本文使用的土壤观测资料包括土壤温度 、湿 度 。 土壤温度观 和热通量 ，采样时间间隔均为 １ ０ｍ ｉ ｎ 测分为 ６ 层 ，分别是地表以下 ２， ５， １ ０， ２ ０， ５ ０和 ；土 壤 湿 度 观 测 分 ８ ０ｃ ｍ（ Ｓ Ｔ Ｐ ０ １－Ｌ，Ｈ ｕ ｋ ｓ ｅ ｆ ｌ ｕ ｘ） 为 ５ 层 ：５，１ ０，２ ０，４ ０和８ ０ｃ ｍ （ Ｃ Ｓ ６ １ ６－ Ｌ， ，准确度为 ±２． 。 土壤热通量 由 自 校 Ｃ ａ ｍ ｂ ｅ ｌ ｌ ５％ ） ｐ ，准 确 度 为 正热通 量 板 （ ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ－Ｌ，Ｈ ｕ ｋ ｓ ｅ ｆ ｌ ｕ ｘ 测定 ，测量深度为 ５ｃ ±３％ ） ｍ。 地表辐射观测包括 、 向上和向 下 的 短 波 辐 射 （ ＣＭ ２ １，Ｋ ｉ ＆Ｚ ｏ ｎ ｅ ｎ） ｐ ｐ ） ，观 向上和向下的长波辐射 （ Ｃ Ｇ ４，Ｋ ｉ ＆Ｚ ｏ ｎ ｅ ｎ ｐ ｐ 。分析 测高度为 １． ５ｍ，采样时间间隔亦为 １ ０ｍ ｉ ｎ 由地表长波辐射换算得到 ： 中所用的地表温度 Ｔｓ ｆ ｃ，
决 。 一方面 ，所有大气模式中的陆面过程模块均 是 基于地表能 量Baidu Nhomakorabea守 恒 原 理 而 构 造 的 。 大 于 １ ０％ 的 闭 合误差 ，对模式特别是陆面模式的检验和进一步 发 展是不可接受的 。 另一方面 ，许多应用问题 ，如 利 用卫星遥感反演陆面蒸发蒸腾量进而指导水资源管 理等 ，其主要方法也 是 基 于 地 面 能 量 平 衡 原 理 ；反 演结果也需要利用地表观测来检验 。 能量闭合率的 高低 ，已成为当前检验涡动相关通量观测质量优劣 的标准之一 。 土壤 — 植被 — 大气之间的能量储存未充分计入 ］ ７－８ 。作为 是造成地表能量不平衡的主要原因之一 ［ 地表能量平衡的一部分 ，地表的土壤热通量在 地表 能量再分配过程中占有重要作用 ；正确估算土壤热 通量可显著改善地表能量不平衡的问题 ，特别是 在
［ １ ０］
。
目前 ，计算地表 土 壤 热 通 量 的 方 法 有 多 种 ，如 常用的温度积分法或结合实测土壤热通量的温度积 分法
［ １ １］
、谐波 法
［ １ ２］
、经 验 法
［ １ ３］
，以 及 同 时 考 虑 热 等。 由 于 热 通 量 板
扩散和热对 流 机 制 的 方 法
［ ］ １ ４－１ ５
↑ ↓ ＲＬＷ １－ε ＲＬＷ －（ ｇ） ε σ ｇ ／ １ ４
如５～１ 埋设的土 量 ，一般用地表下某一深度 （ ０ｃ ｍ） 壤热通量板直测 ，或结合土壤中多层温度和湿度观 测推算得到 。 由于土壤温度和热通量等常有很大的 垂直梯度变化 ，不同 层 次 又 有 明 显 的 相 位 差 异 ，因 此 ，由地表以下的温 、湿 度 和 通 量 观 测 准 确 估 算 地 表的土壤热通量 ，已成为近年来人们广为关注的问 题之一
摘 要 ：利用 ２ 站 的 观 测 资 料 ，对 比 分 析 了 地 表 ０ ０ ８ 年 ７ 月兰州大学半干旱 气 候 与 环 境 观 测 （ Ｓ Ａ Ｃ Ｏ Ｌ） 土 壤 热 通 量 的 三 种 计 算 方 法 ，即 谐 波 法 、温 度 预 报 校 正 法 （ 以及结合自校正热通量板 Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法） （ ；进而分析了三种不 同 方 法 的 计 算 结 果 对 地 表 能 量 平 衡 的 影 测量的温度积分法 （ ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ） Ｉ ＴＨＰ 法 ） 响 。 比较 ５ｃ ｍ 深度处谐波法和 Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法的计算结 果 与 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ 的 实 测 结 果 ，三 者 的 相 位 基 本 一 致 ， 相互之间均具有很好的线性关系 ；谐波法 与 Ｔ Ｄ Ｅ Ｃ 法 的 计 算 值 较 为 接 近 ，但 分 别 比 ＨＦ Ｐ ０ １ Ｓ Ｃ的实测 。 对于地 表 的 土 壤 热 通 量 （ ，谐 波 法 与 Ｔ 值偏大了 ２％ 和 ６％ （ 主要发生在夜间 ） Ｇ Ｄ Ｅ Ｃ法两者的计算 ０）