鄒旭東，蔡福，李榮平，米娜，趙胡笳，王笑影，張?jiān)坪?，汪宏宇，賈慶宇

中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166

能量流動和物質(zhì)循環(huán)一直是生態(tài)學(xué)的核心研究內(nèi)容（Law et al.，2002；Launiainen，2010）。氣候、土壤等環(huán)境因子對生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)、水碳循環(huán)有復(fù)雜的影響（Ge et al.，2011；Liu et al.，2011；于貴瑞等，2005）。生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力主要由光合有效輻射控制（唐祥等，2013）。潛熱通量受凈輻射、溫度的影響更為顯著（黃輝等，2011；岳平等，2013）。通過對生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)通量的長期監(jiān)測和分析，可以深刻揭示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能的變化與環(huán)境因子的關(guān)系（譚麗萍等，2015）。

渦度相關(guān)通量觀測技術(shù)普遍用于測量生態(tài)系統(tǒng)水熱碳通量，為解釋生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)生理過程、生態(tài)功能的變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系提供了大量數(shù)據(jù)（王玉輝等，2014）。地表水熱通量（潛熱通量與顯熱通量）是描述近地層大氣和下墊面間水分、能量交換的參數(shù)。水熱通量變化特征及影響因素的研究對于認(rèn)識農(nóng)業(yè)水分循環(huán)及進(jìn)行作物與環(huán)境間的模擬具有重要作用（邱讓建等，2018）。而能量分配過程是決定水循環(huán)、邊界層發(fā)展以及氣候變化的重要方面（陳星等，2016）。國內(nèi)外學(xué)者對不同下墊面的水熱交換情況進(jìn)行了大量的研究，例如：利用渦度相關(guān)系統(tǒng)對日本大阪府堺市城市建筑區(qū)連續(xù)兩年的觀測數(shù)據(jù)分析潛熱、顯熱等能量通量的變化規(guī)律（Ando et al.，2017）；將潛熱通量和顯熱通量列為城市地表結(jié)構(gòu)組分與熱環(huán)境生態(tài)調(diào)控模型的輸入?yún)?shù)（Kuang et al.，2017）；利用渦動相關(guān)系統(tǒng)熱通量觀測數(shù)據(jù)分析若爾蓋濕地近地面水熱交換通量在各季節(jié)內(nèi)的日變化特征，計(jì)算濕地下墊面的能量通量閉合率（陸宣承等，2020）。東北地區(qū)是中國重要的農(nóng)業(yè)基地，但是在東北地區(qū)開展的陸氣作用研究總體較少（鄒旭東等，2017）。本研究試圖基于 2015、2018—2019年榆樹玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測資料，研究玉米農(nóng)田水熱通量的動態(tài)特征，分析水熱通量的氣象影響因子以及能量平衡特征，以期為研究中國東北玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)過程、水分循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化提供依據(jù)，為進(jìn)行水熱調(diào)控或者建立描述玉米地-氣相互作用的數(shù)值模擬系統(tǒng)提供一些參考數(shù)據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域介紹

研究區(qū)域位于吉林省榆樹市中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所榆樹玉米野外試驗(yàn)站（126°31′E，44°51′N，海拔 212 m），試驗(yàn)場用地 4 hm2，種植春玉米，生育期5—10月。土壤類型屬黑土區(qū)，達(dá)到一級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。玉米是榆樹市主要糧食作物，播種面積達(dá)29.6萬公頃。該地區(qū)位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季濕潤多雨，冬季寒冷漫長。溫差較大，7月平均氣溫約22.6 ℃，1月平均氣溫約?18 ℃，年平均氣溫約為5.3 ℃。年降水量500—700 mm，多年平均蒸發(fā)量738.8 mm（曲延光等，2014），無霜期約143 d。經(jīng)統(tǒng)計(jì)2017—2019年地面平均風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)（圖1）。

圖1 榆樹觀測站地理位置（風(fēng)玫瑰圖：2017—2019年）Fig. 1 Location of Yushu observation station (wind rose: 2017-2019)

1.2 數(shù)據(jù)觀測和處理

渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)安裝在觀測場內(nèi)。周圍地勢平坦開闊，無任何高大建筑物遮蔽，種植作物均為玉米，表現(xiàn)為大范圍均一的下墊面。在非生長季農(nóng)田無作物，地表為裸土。渦度相關(guān)儀傳感器的高度距地4.2 m。自動觀測自2015年開始，使用開路渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Li-7550數(shù)據(jù)采集器、三維超聲風(fēng)速儀（Gill公司）、Li-7500 CO2/H2O分析儀（Li-cor公司）和16 G工業(yè)優(yōu)盤組成。超聲風(fēng)速儀測量三維風(fēng)速和超聲虛溫；Li-7500測量CO2、水蒸汽、CH4和大氣壓力。儀器采樣頻率為10 Hz。通過數(shù)據(jù)處理軟件得到半小時(shí)的潛熱通量（Fl）和顯熱通量（Fs）的時(shí)間系列數(shù)據(jù)。

觀測數(shù)據(jù)受天氣因素以及儀器的物理限制等影響，在用于研究分析之前需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與檢查。參考通量資料剔除的普適標(biāo)準(zhǔn)：某一時(shí)刻通量數(shù)據(jù)與前 5個(gè)時(shí)刻通量觀測數(shù)據(jù)平均值差的絕對值大于5個(gè)觀測時(shí)刻通量觀測數(shù)據(jù)方差的5倍時(shí)視為異常值；受降水影響潛熱通量在正午出現(xiàn)負(fù)值；玉米農(nóng)田夜間凝結(jié)放熱最大值一般不會超過 100 W·m?2，夜間數(shù)據(jù)低于?100 W·m?2應(yīng)予以剔除（郭家選等，2004）。資料剔除處理后的數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)量的93%。輻射、土壤熱通量、土壤濕度資料來自于農(nóng)田熱平衡及小氣候觀測系統(tǒng)。氣象要素分析中日照、氣壓、氣溫、風(fēng)向資料來自于榆樹市氣象站觀測。

1.3 能量平衡計(jì)算

表述輻射和水熱通量之間關(guān)系的地表能量平衡方程為：

式中：

Rn——地表凈輻射通量，當(dāng)?shù)孛娅@得能量時(shí)，Rn取正號，當(dāng)?shù)孛驷尫拍芰繒r(shí)Rn取負(fù)號；

Fl——潛熱通量，是指下墊面與大氣之間水分交換中土壤蒸發(fā)或植被蒸騰、蒸發(fā)所吸收或釋放的能量；

Fs——顯熱通量，表示下墊面與大氣之間不改變相變時(shí)發(fā)生的熱交換能量；

G——土壤熱通量，指下墊面土壤內(nèi)部的熱交換；

ΔS——下墊面熱能存儲，指大氣層內(nèi)植物或障礙物存儲的熱通量，這部分能量較難測量，所占比重較小，常作省略處理。

地表大氣的湍流運(yùn)動中，垂直風(fēng)速能引起垂直感熱平流輸送（張強(qiáng)等，2010）。垂直感熱平流通量Hadv表示為：

式中：

ρ——空氣密度；

Cp——空氣定壓比熱；

Zr——觀測高度；

v——垂直速度；

t——近地層溫度。

在能量平衡方程中，土壤熱通量還應(yīng)包括土壤熱通量板到地表的土壤熱儲存（岳平等，2013）。地表土壤熱通量S表示為：

式中：

ρscs——土壤的體積熱容量；

θ(zi, t) ——0、5 cm處的土壤溫度。

為了表示能量不閉合的程度，設(shè)定能量收支差ΔE為能量收入和能量支出之差的絕對值，表示為：

式中：

Ea——收入能量也是可供能量；

Eb——支出能量；ΔE越接近于0，能量閉合度越高。

2 觀測結(jié)果與分析

2.1 玉米農(nóng)田水熱通量時(shí)間變化特征

Fl的年變化呈單峰型二次曲線（圖2），各年的最大日均值分別出現(xiàn)在2015年7月27日、2018年8月1日、2019年7月10日，都是一年之中最熱的7、8月。Fl的年最小值多出現(xiàn)在最冷的1月，其次是2月和12月。2015、2018—2019年最低值分別為?15.8、?2.0 和?14.4 W·m?2。Fs的日均值低值出現(xiàn)在冬季和夏季，各年最低值分別為?94.5、?36.9、?21.0 W·m?2。Fs的日均值高值集中在春季和秋季，各年最高值分別為 106.5、173.4、155.5 W·m?2，其中 Fs日均高值出現(xiàn)在 5月的天數(shù)最多。雖然在顯熱通量的日均值里各年的11月都出現(xiàn)了高值，但在各年的月均值里并沒有表現(xiàn)出來（圖2b、d）。

Fl和Fs的日動態(tài)都表現(xiàn)為單峰型二次曲線（圖2e、f），中午較大、早晚較小。在Fl各月的日變化中6—9月有較大波動，12月、1—3月Fl曲線較為平緩，表明生長季Fl的日變化大，而冬季Fl的日變化較小。Fs各月的日變化中4—10月波動較大，11—12月、1—3月日變化較小，也是表現(xiàn)為生長季日變化大，冬季日變化小。冬季氣溫較低，還受冰雪覆蓋的影響土壤蒸發(fā)量較小，造成 Fl和 Fs數(shù)值和日變化較小。

圖2 2015、2018—2019年水熱通量年動態(tài)、月動態(tài)，2015年日動態(tài)（潛熱通量Fl, 顯熱通量Fs）Fig. 2 Annual variations of water and heat flux in 2015 and 2018-2019, monthly variations, and diurnal variations in 2015(Fl: latent heat flux; Fs: sensible heat flux)

2.2 水熱通量和環(huán)境因子的關(guān)系

2.2.1 氣象因子

大氣壓、空氣溫度和飽和水汽壓差對水熱通量的影響很大（任雪塬等，2021）。大氣壓和 Fl的年變化相反，冬季氣壓值高，夏季氣壓值低（圖3）。空氣溫度的年變化和Fl相一致，最高溫出現(xiàn)在7月，最低溫出現(xiàn)在1月或12月（表1）。飽和水汽壓差的年變化規(guī)律較大氣壓和空氣溫度不明顯，但其年變化規(guī)律大體也是夏季值大、冬季值小，夏季氣溫高、空氣濕度大，而飽和水汽壓差也大，冬季則相反，這和Fl的年變化規(guī)律一致。

圖3 2015、2018—2019年大氣壓強(qiáng)（圖a）、空氣溫度（圖b）和飽和水汽壓差（圖c）的季節(jié)變化Fig. 3 Seasonal variations of Atmospheric pressure (Fig. a), Air temperature (Fig. b) and Vapor pressure deficit (Fig. c) in 2015,2018-2019

各年份水熱通量的年變化、日變化特征相似。但是 2019年水熱通量的年平均值大于 2015年和2018年，各年的水熱通量存在差異（表 1）。各年的溫度值變化特征相接近，7月平均溫度最大，平均溫度低值是1月或12月。2019年平均溫度高于2015年和2018年，這是2019年水熱通量值較高的主要原因。2019年年降水量為801.4 mm，多于2015年和2018年，尤其較2018年降水量（519.5 mm）增幅較大。在降水的各月分布中，主要集中在 6—8月，這與東北地區(qū)的降水特征一致（孫照渤等，2016），表現(xiàn)為雨熱同季（圖4）。冬季12月、1—2月氣溫較低，降水也少，表現(xiàn)為寒冷干燥。在日照的年變化中，11—12月、1—3月日照值較低。而在作物生長季（5—10月），隨著降水增加、天空云量增多，造成日照時(shí)數(shù)下降，例如2015年5月、8月，2019年7—9月，2020年5月。2019年7—9月日照時(shí)數(shù)值較 2015年小是受大降水量的影響。2019年10—12月日照時(shí)數(shù)大于2015年，和2019年水熱通量值較大表現(xiàn)一致，也說明 2019年的水熱條件較好。

圖4 2015、2018—2020年氣溫、降水和日照月變化Fig. 4 Monthly variations of air temperature, precipitation and sunshine in 2015, 2018-2020

表1 年氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)Table 1 Annual air temperature, precipitation and sunshine hours

2.2.2 土壤濕度

土壤蒸發(fā)在Fl中占比較高，在農(nóng)田休閑期，幾乎全部的Fl都由土壤蒸發(fā)貢獻(xiàn)（邱國玉等，2006；李祎君等，2007）。在2015年 5月 1日—2015年12月31日的觀測資料中，分析4層土壤濕度（10、30、50、70 cm）的變化趨勢（圖5）。降水造成土壤濕度出現(xiàn)較大波動。10 cm土壤濕度的變化最為劇烈，越往深層變化越平緩。10 cm的土壤濕度最小，隨深度增加土壤濕度值增大，各層的變化趨勢一致。10 cm土壤濕度受降水的影響最為敏感，其他深度土壤濕度的影響減弱，出現(xiàn)的波動也有延遲。6月12—28日各層的土壤濕度明顯下降，是因?yàn)榻邓^少和氣溫升高。7月2—21日一直沒有降水，各層的土壤濕度持續(xù)下降。11月17日10、30 cm淺層土壤濕度出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，11月17—29日10 cm土壤濕度由50%直線下降至38%。相比之下30 cm土壤濕度下降幅度減小，變化的時(shí)間有延遲。50、70 cm在11月17日拐點(diǎn)不明顯，但之后也表現(xiàn)為下降趨勢。11月后直至整個(gè)冬季降水量少，各層的土壤濕度處于低值。

圖5 不同深度土壤含水量季節(jié)變化（2015年）Fig. 5 Seasonal variations of soil moisture at different depths (2015)

2.2.3 降水量

2019年降水最多，然后是2015、2018年。水熱通量的各年變化大小順序也是2019、2015、2018年，F(xiàn)l的分布狀況是2019年最大，但2018年值略高于2015年值，年均值分別為33.8 W·m?2和33.5 W·m?2，和降水量分布不完全一致?？傮w上各年5—9月降水多的時(shí)期Fl也都表現(xiàn)為高峰時(shí)期（圖6）。2019年5—9月的降水量為 717.1 mm，占全年的90.1%，較大的降水過程造成觀測數(shù)據(jù)異常，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。較多降水造成土壤蒸發(fā)增加，大概統(tǒng)計(jì)這幾個(gè)月的Fl平均值達(dá)到80.4 W·m?2，大于年平均值34.8 W·m?2。但是Fl和降水并不完全一致，F(xiàn)l的上升和下降呈波動狀，2019年 6月 20日—7月 10日降水量不大，為 65 mm，F(xiàn)l值高達(dá) 98.5 W·m?2，這時(shí)Fl的高值還是受高溫和日照的影響。2019年8月20日—9月10日降水量為148.4 mm，F(xiàn)l值為91.5 W·m?2，因?yàn)殚L時(shí)間的陰雨天氣使得日照減少，造成Fl值下降。冬季降水時(shí)出現(xiàn)Fl小峰值，但總體冬季Fl處于低值。

圖6 2015、2018—2019年潛熱通量和降水日變化Fig. 6 Daily variations of Latent heat flux and precipitation in 2015, 2018-2019

Fs各年分布狀況和降水量一致，2019年最大，然后是2015年和2018年（圖7）。全年的Fs分布形狀都是兩高三低，在春季和秋季兩次出現(xiàn)波峰，春季的波峰更為明顯。2019年4—5月的Fs值為45.4 W·m?2，9—11 月的 Fs值為 30.3 W·m?2。降水量越大、連續(xù)時(shí)間越長，F(xiàn)s減少越多，而降水后又有所回升（支克廣等，2002）。6—8月是全年降水集中的時(shí)期，2019年5—8月降水為520.7 mm，占全年的65.5 %，而6—8月Fs值為21.7 W·m?2，低于春季和秋季。2019年 12月、1—3月 Fs均值為 8.7 W·m?2，冬季和早春因?yàn)榈蜏睾蜕偃照盏脑騀s處于低值。2015、2018年的情況和2019年類似。

圖7 2015、2018—2019年顯熱通量和降水日變化Fig. 7 Daily variations of Sensible heat flux and precipitation in 2015, 2018-2019

2.3 能量過程

2.3.1 凈輻射

凈輻射Rn是Fl和Fs的主要驅(qū)動能源，其值的大小和變化直接決定著水熱通量的大小和變化趨勢。凈輻射主要受云量的影響，凈輻射的日變化相似于二次曲線（圖 8a）。最大值出現(xiàn)的時(shí)間段是10:00—13:00，提前于Fl和Fs，夜里出現(xiàn)負(fù)值。年變化的分布是4—7月值高、冬季值低（圖8b）。全年的最大值出現(xiàn)在5月19日12:00，為857.5 W·m?2。

圖8 凈輻射（Rn）的日、年變化Fig. 8 Diurnal and annual variations of net radiation (Rn)

2.3.2 土壤熱通量

土壤熱通量在能量方程中，除了ΔS以外相對較小，全年的收支平衡上略有虧缺，2015年的平均值為?6.8 W·m?2。觀測中有3個(gè)土壤熱通量的采集傳感器，埋置于5 cm處，而小于5 cm土層的土壤熱通量沒有考慮，使得觀測值比實(shí)際地表上發(fā)生的土壤熱通量值要小，造成計(jì)算的能量方程出現(xiàn)不閉合。土壤熱通量來源于太陽輻射，日變化和凈輻射相似，但在時(shí)間上表現(xiàn)滯后，這可能是受土壤本身物理性質(zhì)的影響，最大值出現(xiàn)在 11:00—14:00（圖9a），2015年最大值出現(xiàn)在3月19日12:00，為88.4 W·m?2。土壤熱通量日高值和變化幅度在4—7月較大（圖9b）。

圖9 土壤熱通量動態(tài)Fig. 9 Diurnal and annual variations of soil heat flux

土壤濕度的增加造成感熱、潛熱等能量過程增大，就會體現(xiàn)在土壤熱通量增加，所以土壤濕度的變化對于陸面能量過程有著重要影響。淺層的土壤濕度變化較為劇烈，深層的土壤濕度變化較為平緩，對于淺層較大的波動，土壤熱通量也有較大反應(yīng)（圖10）。在土壤濕度的下降時(shí)段，土壤熱通量也出現(xiàn)下降，較淺層的土壤水分下降時(shí)間基本同步。當(dāng)土壤水分下降停止時(shí)，土壤熱通量會有回升，回升后的土壤熱通量的值往往低于土壤水分下降之前。

圖10 土壤熱通量與土壤含水量（2015年）Fig. 10 Relationship between soil heat flux and soil moisture (2015)

各月份Rn與Fs、Fl和G的日變化都是單峰型二次曲線（圖 11a—d），但有時(shí)數(shù)值差距較大，日變化中G最小，Rn遠(yuǎn)大于其他項(xiàng)，例如2015年3月（圖11a）。7、9月日變化值大于3、5月。Rn日最大值出現(xiàn)在10:00—13:00，F(xiàn)s、Fl和G相對于Rn有時(shí)間滯后，最大值出現(xiàn)在11:00—14:00。在3—5月、10—11月Fs大于Fl，其他月份Fl大于Fs，這不同于錦州生態(tài)站（李祎君等，2007）。在月均值中 Fl和 Fs差值最大的是 8月，2015年8月 27日11:00 Fl和 Fs的差值達(dá)到 416 W·m?2。8月之后 Fl下降的幅度大于Fs，10—11月Fs大于Fl。12月、1—2月Fs下降變大，冬季Fl大于Fs。到了春季Fs又表現(xiàn)為快速上升，數(shù)值超過了Fl。而夏季之后Fs小于Fl（圖11e）。各能量項(xiàng)每年都在周而復(fù)始地做著重復(fù)的變化。

圖11 2015年各項(xiàng)能量過程的日變化（a：3月；b：5月；c：7月；d：9月）、月動態(tài)（e）Fig. 11 Diurnal variations (a: March; b: May; c: July; d: September) and monthly variations (e) of energy balance in 2015

2.3.3 能量平衡分析

利用渦度相關(guān)儀器系統(tǒng)測定的Fl和Fs，結(jié)合觀測的Rn和G以及Hadv、S進(jìn)行榆樹玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡分析（圖 12a）。其中水熱通量 Fl、Fs和 Hadv之和小于可供能量Rn減去 G和S，存在能量不閉合的現(xiàn)象。對比 2015年地表能量平衡中能量收支項(xiàng)小時(shí)平均值（圖12b）。增加Hadv和S項(xiàng)后，能量支出用Fl+Fs+Hadv代替Fl+Fs，可供能量也就是地表獲得的收入能量用Rn?G?S代替Rn?G。不論白天還是夜間能量支出占能量收入的比例都有較大的提高。白天的平均比例由43.8%提高到78.0%，夜間的平均比例由26.0%提高到64.2%。而且15:00、16:00能量的收支比例由大于 1變?yōu)?93.2%和96.3%，顯得更為合理。

圖12 2015年能量閉合情況Fig. 12 Energy closure in 2015

地表熱通量S數(shù)值取決于一定厚度土壤在單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化差。S全年平均的日變化也呈現(xiàn)單峰形狀，小時(shí)平均值為 6.8 W·m?2，與甘肅榆中SACOL觀測站的小時(shí)平均值6.2 W·m?2（梁捷寧等，2013）相接近，但是日變化中高、低值變動幅度較大。05:00—14:00地表土壤熱通量是正值，吸收熱量，09:00達(dá)到最高值，為 98.3 W·m?2；其他時(shí)間都是負(fù)值，釋放熱量，18:00降到最低值，為?58.6 W·m?2。垂直感熱平流通量 Hadv日變化表現(xiàn)為單峰曲線，上午、中午正值，下午至夜間負(fù)值。其值的大小取決于氣溫在垂直方向的變率和垂直風(fēng)速。平均最大值出現(xiàn)在 09:00，為 40.9 W·m?2。平均最小值出現(xiàn)在17:00，為?15.8 W·m?2。小范圍來講陸面能量傳輸觀測系統(tǒng)并不是一個(gè)孤立、封閉的系統(tǒng)，而是時(shí)刻受著周圍環(huán)境的影響，與周圍環(huán)境保持著物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化和輸送。午后至傍晚一方面地面湍流增強(qiáng)引起局地環(huán)流增強(qiáng)，另一方面太陽輻射減弱，而感熱、潛熱和地表熱量存儲由吸收逐漸轉(zhuǎn)為釋放，使得地面的能量傳輸過程更為復(fù)雜，增加了觀測和物理過程描述的誤差和不確定，甚至出現(xiàn)能量支出大于收入等明顯的能量不閉合現(xiàn)象。20:00之后進(jìn)入夜間，各能量項(xiàng)在能量平衡中所占比例又趨于穩(wěn)定。

參照公式（4）在各月份地表能量收支的日變化中（圖 13），Ea1、Eb1是考慮地表熱通量和垂直感熱平流通量的可供能量和支出能量，Ea2、Eb2是沒考慮 S和 Hadv的可供能量和支出能量。ΔE1是加入地表熱通量和垂直感熱平流的能量收支差，ΔE2中沒有考慮地表熱通量和垂直感熱平流。全年的平均值ΔE2達(dá)到了80.6 W·m?2，其中4月的平均值最大，為104.4 W·m?2，1月平均值最小，為30.8 W·m?2。ΔE1全年平均值減小到27.7 W·m?2，4月平均值為43.7 W·m?2，1 月平均值為 18.3 W·m?2。在各月份的能量閉合比例中6—8月能量閉合優(yōu)于其他月份。7月平均能量閉合比率最高，Eb1/Ea1達(dá)到 0.83，其中09:00—15:00的能量閉合率均超過0.8，Eb2/Ea2為0.57。9月白天能量閉合較好，Eb1/Ea1為0.89，Eb2/Ea2為0.59。12月、1—2月能量閉合度較低，1月Eb1/Ea1為0.55，Eb2/Ea2為0.41。各能量項(xiàng)都有明顯的日變化，高值出現(xiàn)在中午，低值在夜間。Ea1、Eb1、Ea2、Eb2日變化夏季最大，冬季最小。各月份之間日高值的變化較大，日低值差距不大。其中夏季日高值最大，冬季日高值最小，7月Ea1最大值為451.1 W·m?2，出現(xiàn)在12:00，1月Ea1最大值為57.1 W·m?2，也出現(xiàn)在12:00。各月Ea1日低值為?40.0—?100.0 W·m?2。與其他能量項(xiàng)相比，Hadv和 S各月變化較小，變化范圍分別為?50.0—100.0 W·m?2和?100.0—150.0 W·m?2。Hadv和S 各月平均日變化中，也表現(xiàn)為日高值差距更明顯、日低值差距不明顯。Hadv日高值3—5月較大、7—9月較小。S日高值1—2月、12月較小，而其他月份的平均日高值相接近。

圖13 2015年不同月份地表能量平衡日變化特征Fig. 13 Diurnal variation characteristics of land surface energy balance in different months of 2015

生長季 5—9月能量閉合情況相對較好。冬季的能量閉合情況較差，主要是因?yàn)闅鉁剌^低，1、2、12月的平均最高氣溫都低于0 ℃，而水汽在0 ℃以下的環(huán)境中不斷地凝結(jié)放熱，大多數(shù)時(shí)間水熱通量都是負(fù)值。而在夜間和傍晚水熱通量是正值時(shí)，占可供能量的比例普遍較低。多云天氣能量閉合率一般較高，比如整個(gè)1月占可供能量比例最高的是1月18日，為99.5%，多云轉(zhuǎn)小雪，日照時(shí)數(shù)為0 h。2015年5月18日能量閉合為98.3%，雷雨—多云，日照時(shí)數(shù)為0 h。6月7日能量閉合為92.1%，中雨—多云，日照時(shí)數(shù)為2.4 h。在有日照的陰雨天能量閉合情況較差，這和其他地區(qū)的研究相一致（曹寰琦等，2018）。2015年5月19日雷雨—多云，日照時(shí)數(shù)為11.9 h，能量閉合為79.5%。6月18日雷雨，日照時(shí)數(shù)為9 h，能量閉合為76.9%。晴天的能量閉合情況較好。6月19日無降水，日照時(shí)數(shù)為13.3 h，能量閉合為86.5%。7月15日晴天，日照時(shí)數(shù)為12.9 h，能量閉合為89.6%。春季雖然有時(shí)晴天，但是能量閉合度低，可能是受風(fēng)速大的影響。支出能量 Eb1大于可供能量 Ea1在各月份都有發(fā)生，多數(shù)出現(xiàn)在夜間和傍晚。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)冬季和夜晚能量不閉合更顯著，這是因?yàn)闅鉁剌^低或氣溫下降造成水汽凝結(jié)，F(xiàn)l和 Fs出現(xiàn)負(fù)值。造成能量不閉合的原因是多方面的。土壤熱通量測量的是5 cm以下深度的土壤熱通量，沒有考慮埋放深度以上0—5 cm的土壤儲存熱量，盡管對5 cm以上的地表土壤熱通量S進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算，但是不能確定計(jì)算過程完全準(zhǔn)確和出現(xiàn)誤差。能量平衡方程中下墊面熱能存儲ΔS項(xiàng)很小而且較難測量，常被忽略不計(jì)，這樣下墊面的植被和光合作用所消耗的能量變化就被忽略了。分析結(jié)果表明生長期能量閉合情況明顯優(yōu)于休農(nóng)期，主要是受環(huán)境氣溫的影響。渦度相關(guān)系統(tǒng)的測量忽略了水平和垂直方向風(fēng)速對流，榆樹觀測場地滿足下墊面均一且地勢平坦的條件，而且通過分析發(fā)現(xiàn)能量閉合程度與風(fēng)向變化之間并沒有相關(guān)性。另外能量平衡各分量測定時(shí)出現(xiàn)的儀器觀測誤差，各項(xiàng)觀測時(shí)所采用的不同的精度計(jì)算方法對于觀測結(jié)果的影響都會造成能量不閉合。很多研究發(fā)現(xiàn)渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的 Fl和 Fs都有不同程度的低估，能量閉合程度在60%—90%，甚至更低（張永強(qiáng)等，2002）。

3 結(jié)論

（1）Fl和Fs的日變化呈單峰型二次曲線，峰值出現(xiàn)在正午 12:00—13:00。Fl的年變化呈單峰型二次曲線，日均值高值出現(xiàn)在夏季；而Fs的年變化呈雙峰型曲線，F(xiàn)s的日均值高值出現(xiàn)在春季和秋季。Fl的年變化和大氣壓相反，與氣溫呈正相關(guān)。水熱通量高值的年份對應(yīng)的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量也較大。

（2）降水對 Fl和 Fs都有明顯影響，F(xiàn)l對降水的反應(yīng)更為敏感，連續(xù)的降水對Fs有阻礙作用。凈輻射和土壤熱通量的日變化和年變化基本與水熱通量相似，呈單峰型二次曲線，凈輻射峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，土壤熱通量峰值出現(xiàn)時(shí)間有一定滯后。土壤熱通量的數(shù)值較其他通量小得多，Rn遠(yuǎn)大于其他項(xiàng)。各能量項(xiàng)都有著明顯的季節(jié)變化，多數(shù)夏季最大、冬季最小。春季出現(xiàn) Fs超過 Fl，夏季 Fl明顯高于Fs。

（3）能量閉合情況有明顯的日變化和年變化，白天較好、夜里較差，夏季較好、冬季較差。能量閉合較差主要是受較低氣溫的影響，水汽的凝結(jié)放熱導(dǎo)致熱量無法和輻射建立起正常的能量平衡關(guān)系式。造成能量不閉合的其他原因還來自于渦度相關(guān)系統(tǒng)對水熱通量的估算值偏低。在增加了地表土壤熱通量和垂直感熱平流通量后，能量平衡閉合有了較大改善。