密西西比地区农田下垫面能量平衡特征研究

摘要 近些年来涡旋相关技术被广泛地应用在大陆生态平衡系统和天空大气之间二氧化碳和水汽等大气物质传动与输送和能量平衡交换的研究中。通过分析密西西比2006年6―9月的通量观测资料，分析了农田下垫面上能量收支的特征及变化规律，并运用OLS（Ordinary Least Squares）和EBR（Energy Balance Ratio）方法对湍流通量（感热与潜热通量之和）与有效能量（净辐射与土壤热通量之差）之间的关系进行了研究。结果表明：在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。大气有效能量和湍流通量之间有很好的相关关系，但是地面湍流通量系统性低于有效能量，存在能量不闭合现象，不闭合率约为24%。在早间和午后这段时间EBR值变化最为强烈，中午前后明显大于早晚，地面能量闭合度在白天的要低于晚上。

关键词 农田下垫面；涡旋；能量闭合度；能量平衡；密西西比地区

中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）17-0163-02

Abstract The eddy correlation technique has been widely applied in research on transmission and exchange of energy between terrestrial ecosystems and the atmosphere and the substance. In this paper，through the analysis of flux observation data during June to September，the characteristics and changes of farmland surface energy budget components were studied，and the relationship between turbulent flux（sum of sensible and latent heat fluxes） and the effective energy（net radiation and soil heat flux difference） was studied by using OLS（Ordinary Least Squares） and EBR（Energy Balance Ratio） methods. The results showed that radiation balance and energy balance are greatly changed under different weather conditions. There is a good correlation between the effective energy and turbulent flux，but the system is less effective than the effective energy，there is no energy closure phenomenon，no-closing rate is about 24%. In the morning and evening，the EBR value is the most intense during the period of sunrise and sunset，and the characteristic of diurnal variation is obvious. Energy close degree is lower during daytime than that at night.

Key words farmland underlying surface；eddy；energy closure；energy balance；Mississippi region

大气净辐射能在内部的分配比例及规律一直是现代化农田生态学、农业气象学和水文学等学科研究的热点[1]。大气圈运动的总热能与动量平衡，主要受地面摩擦和山脉作用而发生变化。因摩擦力的方向和风向相反，在东风带里，地面摩擦力给大气一个自西向东的力矩，使地球持续地给予大气正的总热能与动量，因此近地面层的东风逐渐减弱；在西风带里，地面摩擦力给大气一个自东向西的力矩，地球持续地从大气获取正的总热能与动量。

经过几十年的发展，动量涡度相关法仍是当前地气交换研究中最先进和首选的地气热能与动量平衡通量观测方法，全球各地对各类生态系统大气微观元素通量进行长期观测的涡度相关通量测定站点超过500个[2-6]。根据热力学定律和涡度相关观测的基本假设，理论上热能与动量平衡的程度可以作为观测系统能力和观测数据质量评价的有效的途径[7]。

Kanda等、Oncley等和Foken等研究组分别对低频大尺度涡旋贡献的理论进行探讨，分析能量不平衡的主要原因及其解决途径；Wilson等[5]对DLUXNET（全球通量观测网络）22个站（1～4年）通量资料的分析表明，湍流能量与对流有效能的和比值在0.34～1.69之间，平均值为0.84。李正泉等[2]对中国8个气象通量观测站资料进行了系统性分析，得出能量平衡比率范围为0.58～1.00，总结了热能与动量不闭合的原因。通过文献得到玉米农田热能与动量平衡状况进行了分析，认为由于未考虑0～5 cm土层土壤热储量与忽略冠层储热，大约造成18%的能量损失。

1 资料与方法

地面湍流辐射主要以潜热和感热的形式加热大气层，通过人工放出探空气球测试结果得到，地面热能平衡是不闭合的。针对这样不同的地貌特点、地球表面的热能与动量潜势平衡分析有着重要的意义。

地球大气辐射平衡随纬度增高由正值变为负值。大气地面辐射平衡的这种分布正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。这说明了地气系统的辐射收支长年平均是近于平衡的，因而地球温度并没有十分明显的变热和变冷现象。

本文利用OLS和热能与动量平衡比率方法对热能与动量平衡闭合进行分析。OLS方法是根据最小二乘法原理求出回归斜率和截距，以此分析热能闭合程度。

2 结果与分析

2.1 能量平衡闭合度的日变化

实现分析热能与动量闭合程度的逐日变化规律，将每日的湍流有效位能与湍流通量按照日常的观测时间每30 min分成一类，总共分成48类，对每类30 min的有效位能和通量求出总和，计算出EBR值。图1给出了密西西比地区2006年6―7月的EBR平均日变化趋势，及（Rn-G）和（H+LE）2项的日变化规律。从图中可以得出，0：00―6：00的效果不好，EBR很不稳定，导致EBR值每日变化非常强烈。

除此之外，白天EBR值要远大于夜间，在下午能量平衡闭合状况要优于上午。这是由于有效能量和湍流通量的变化不同步，湍流通量有效能量的变化较有效能量的变化滞后，上午上升，下午下降，下午达到最高，此时湍流运动较强，其能量输送和有效能量也最接近。有效位能和通量均在中午前后达到最大值。在日出、日落这段时间有效能量和通量都接近于0。

从图中还可以看出，有效能量峰值达到500 W/m2，而湍流通量的峰值也达到了350 W/m2，因为是夏季，所以峰值可以达到此高度。

2.2 能量闭合度特征

图2是密西西比地区2006年6―7月有效能量（Rn-G）和湍流通量（H+LE）的关系，从线性拟合关系可看出6―7月的斜率为0.78，相关系数为0.92，说明能量闭合度为78%。之前的研究学者有过研究并指出过，一般认为不平衡程度在10%～30%为合理范围。本文的能量不平衡程度为24%，恰好属于这个范围，说明涡度相关法适用该地区[8-10]。

2.3 湍流强度对能量闭合程度的影响

理论上能量不闭合是成立的，但足够多的涡动湍流观测结果表明，不论地面性质如何，出现热能与动量不闭合的现象都比较严重。地层能量不闭合情况是指测量到的感热和潜热之和小于地面可利用热量（净辐射土壤热通量）。

目前认为，净辐射动量主要以潜热和感热的形式加热大气，但是通常对于地面能量的观测显示，能量平衡是不闭合的。在夜间不闭合的程度与湍流动量混合的程度有很大的关系，影响这个平衡关系的闭合程度因素有很多。热能与动量平衡本身不闭合性基于涡度湍流测定的能量通量数据存在能量平衡不闭合现象是一个普遍现象。大气感热与潜热通量观测的数据质量很大程度上取决于环境条件和订正方法的正确应用，因此需要对数据进行处理与质量控制。地面到土壤热能通量板之间的土壤储存热能会对地面闭合程度产生重要影响：作物高层大气的热储量往往被忽略；由于低层通滤波和高层通滤波的影响效果，涡度动量与湍流通量的相关技术往往会低估湍流通量；地面的非一致性及尺度效应[11-13]。

3 结论与讨论

分析结果表明，能量不闭合现象的原因主要归结为仪器本身的测量误差；特定天气条件下平流通量不可忽略；地面热能与动量的湍流通量的测定是在海平面下一定深度，并没有考虑到该深度上方地球表面的热量与动量，即表层土壤热储存未考虑；生长季作物高层的热能与湍流储量是要被忽略的；由于低层大气通滤波和高层大气通滤波的作用，涡度湍流动能与动量相关技术往往会被低估；同时地球地面土壤的不一致性及尺度效应对能量不闭合有着直接影响。

自从20世纪80年代末发现户外试验中地球表面热能与动量普遍具有显著的不平衡现象以来，为解释导致能量不闭合的因素，这里先后开展了很多分析。21世纪初开展的EBEX-2000试验是特别针对地球表面热量与动量平衡问题进行的研究。目前可以知道，地球上土壤与植被和大气之间的能量储存未充分计入是造成地球表面热能与动量不平衡的原因之一。另外，地表的能量平衡问题关系到海洋、陆面、植被和大气之间的能量流动分配，水分的蒸发和循环过程是近年来区域模式和全球气候模式关注的热点问题之一。

4 参考文献

[1] 杨晓光，沈彦俊，张录达.麦田水热传输的控制效应及非线性特征分析[J].中国农业大学学报，2000（1）：101-104.

[2] 李正泉，于贵瑞，温学发，等.中国通量观测网络（ChinaFLUX）能量平衡闭合状况的评价[J].中国科学（D辑：地球科学），2004（增刊2）：46-56.

[3] 温学发，于贵瑞，孙晓敏，等.复杂地形条件下森林植被湍流通量测定分析[J].中国科学（D辑：地球科学），2004（增刊2）：57-66.

[4] LEE X.Forest-air fluxes of carbo water and energy over nonflatterrain[J].Bound-layer Meteor，2002，103：277-301.

[5] WILSON K，GOLDSTEIN A，FALGE E，et al.Energy balance closure at FLUXNET setae[J].Agric For Meteorol，2002，113：223-243.

[6] 高志球，卞林根，陆龙骅，等.水稻不同生长期稻田能量收支，CO2通量模拟研究[J].应用气象学报，2004，15（2）：129-140.

[7] 朱蓉，徐大海.大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及实验研究[J].应用气象学报，2005，16（3）：273-282.

[8] 祥德，陈联寿.青藏高原大气科学实验研究进展[J].应用气象学报，2006，17（6）：13.

[9] 伟君，许振柱，王玉龙，等.玉米农田水热通量动态与能量闭合分析植物生态学报[J].植物生态学报，2007，37（6）：1132-1144.

[10] MAHRT L.Flux sampling errors for aircraft and towers[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1998，15（2）：406-419.

[11] 闫永銮，郝卫平，白清俊，等.华北冬小麦拔节期和灌浆期水分胁迫的WUE效应研究[J].灌溉排水学报，2012，31（1）：49.

[12] 刘树华，茅宇豪，胡非，等.不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究[J].地球物理学报，2009，52（3）：12.

[13] 沈彦俊，刘昌明.麦田能量平衡及潜热分配特征分析[J].生态农业研究，1997，1（5）：14-19.