廣東龍門地區草地下墊面地表輻射和能量平衡觀測和分析*

丁張巍，溫之平，黎偉標，簡茂球，顏昭潮，李偉權

(1.中山大學季風與環境研究中心∥大氣科學系，廣東 廣州 510275;2.廣東省惠州市龍門縣氣象局，廣東 龍門 516800)

20世紀80年代以來，人們逐漸認識到“土壤-植被-大氣”之間物理、化學、生物等過程的相互作用對全球氣候、環境變化影響的重要性[1]。中國相繼實施了黑河(HEIFE)、內蒙(IMGRASS)、青藏高原(GAME-Tibet/TIPEX)、敦煌(DLSPFE)、淮河(GAME-HUBEX)及黃土高原(LOPEX)等為典型的一系列陸面過程試驗，獲得了大量陸氣觀測數據，取得不少成果：其中，在干旱區發現由綠洲和沙漠的相互作用而產生的綠洲的“冷島效應”和其臨近的沙漠和戈壁地區的“逆濕現象”，干旱地區地表熱量平衡中以感熱為主，潛熱可以忽略不計，從而指出，干旱地區可能是一個水汽輸送和熱能的“匯”[2-4]。內蒙草原試驗則分析了草原溫室氣體、碳氮循環及其源匯特征，探討了半干旱草原生態對氣候變化與人類活動的響應及其在全球變化中的作用[5]。青藏高原試驗揭示了許多觀測事實，如不同地區不同時間感熱、潛熱等分量對能量平衡及熱量輸送貢獻不同；干季近地面層能量收支中，感熱占主導地位，遠大于潛熱通量；濕季，潛熱通量與感熱通量相當；青藏高原東部地區，夏季，潛熱明顯大于感熱[6-8]，而在高原西部，地面熱源中以感熱加熱為主，潛熱只在高原雨季有較明顯的貢獻等[9]。黃土高原試驗中，則將不同季節的熱量平衡與作物生長階段結合起來研究，獲得了熱量平衡及分量對作物生長的影響方面的一些新認識[10-12]。另外，淮河觀測試驗發現水面、稻田、早地下墊面能量收支中，潛熱均大于感熱[13-14]。這些成果為全面理解了各主要地表類型的陸氣相互作用特征，揭示不同尺度下對天氣氣候的影響，在發展和改進具有代表性的地理、生物和氣候區域的陸面過程及參數化方案上起到重要作用。然而，上述這些科學試驗中除GAME-HUBEX在東亞副熱帶半濕潤地區實施外，其他觀測主要集中在我國北方典型干旱、半干旱區及青藏高原寒區，在華南季風濕潤區開展陸面過程觀測研究則較少，已有的少量觀測和研究也多為加強期的湍流通量的觀測或者農田等下墊面進行[15-17]，缺少連續長時間地氣間物質和能量通量的連續觀測和分析。本文利用龍門站2009年9月至2010年1月觀測資料，初步分析了秋、冬季華南季風濕潤區地表輻射特征及能量平衡各分量的日變化規律，并為進一步探索華南季風濕潤區陸氣相互作用的物理過程和氣候變化提供依據。

1 觀測場地和儀器

在教育部“985”計劃一期經費的支持下，中山大學季風與環境研究中心在廣東龍門縣建立了長期觀測實驗站，該站于2006年正式建成并連續觀測至今，是華南地區為數不多的對地氣界面物質和能量交換過程進行長期監測的野外科研實驗站。它坐落于廣東惠州龍門縣城西郊龍門氣象局內 (23°44′N, 14°14′E)，海拔高度70.3 m，該地位于廣東省中部，地處珠江三角洲邊緣，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為20.5 ℃，雨量充沛，1979-2009年均降水量為2 219 mm，是廣東暴雨中心之一，年日照時數為1 628 h。觀測站西面為龍門氣象局觀測場，其余三面均為農田，地勢平坦，四周開闊，當地盛行西南風，其風向上均無樹木和高層建筑遮擋，觀測站下墊面為草地，夏季茂盛時長有高約20 cm雜草，冬季雜草退化，基本上可以代表華南草地下墊面特征。

觀測項目包括輻射、湍流通量、風速風向、空氣溫(濕)度、土壤熱通量及土壤溫(濕)度。輻射觀測包括用安裝在6 m高度上四分量輻射儀(CNR-1，日精度10%)測量的太陽短波輻射、反射輻射、地表長波輻射、大氣長波輻射，空氣溫度和濕度傳感器(HMP45C，溫度精度：±0.2℃，濕度精度：±2%)，土壤熱通量測量則依靠分別埋設于2.5 cm和5 cm 深處2層土壤熱流量板(HFP01，精度：±5%)，土壤溫(濕)度則采用4層(0,-5, -10, -20 cm)土壤溫度傳感器(107-L，精度：±0.2℃)和土壤濕度傳感器(CS616，精度：±0.2℃)。湍流觀測儀器由三維超聲風速儀(CAST3，精度：Ux、Uy<±4.0 cm/s,Uz<±2.0 cm/s,)和H2O和CO2脈動儀(Li7500，CO2精度：0.11 mmol/moL,0.004 3 mmol/m3,0.19 g/m3, H2O精度：0.047 mmol/moL,0.18 mmlo/m3,0.003 3 g/m3)構成，測量動量、熱量、水汽及CO2湍流通量。湍流儀器安分別被安裝在距地面6 m高度上，采樣頻率為10 Hz，通過數據采集器(CR5000)采集并按30 min計算平均值進行輸出。

常規氣象要素和天氣現象觀測由龍門縣氣象觀測站根據日常業務觀測完成，為保證觀測資料的質量，從儀器的調試和觀測等各個環節均采取嚴格的質量控制。觀測資料分析前，去掉因天氣或儀器故障產生的野點，并進行了水汽及感熱通量影響的訂正[18]。

2 觀測結果與分析

2.1 地表輻射收支基本特征

圖1 2009 年 9月 -2010 年 1 月各月地表輻射平衡分量的平均日變化

2.1.1 地表輻射通量月際變化 選取2009年9月-2010年1月每日的半小時輸出數據得到逐月輻射平衡分量各分量的變化特征，由圖1可以看出，輻射平衡各分量的月變化特征明顯，由于受日地距離增遠的影響，太陽短波輻射(DR)從9月的579 W/m2，逐漸減弱到1月327 W/m2，降幅將近50%，(10月例外，由于10月中無降水發生)。地面反射輻射(UR)由于短時間內下墊面情況變化不大，其值在0～100 W/m2波動。地面向上長波輻射(ULR)和大氣向下長波輻射(DLR)都比較穩定，其值均在200～250 W/m2之間。凈輻射(NR)是各輻射分量平衡的結果，是衡量地表面最終通過輻射獲得能量的大小。夜晚，地表支出的輻射多于吸收的太陽短波輻射，凈輻射為負值；日出后，地表吸收的太陽短波輻射多于其支出的輻射，凈輻射為正值。由于長波輻射基本維持在一個不變的水平，地表反射輻射月變化又不大，所以凈輻射與太陽短波輻射保持了比較一致的變化趨勢，由此看來，龍門地區草地下墊面凈輻射的月際變化主要受太陽短波輻射變化控制。

2.1.2 典型天氣下地表輻射通量特征 為了研究各輻射分量在不同天氣條件下日變化特征，分別選取觀測期間秋、冬季典型天氣條件下的一天(秋季晴、陰、雨日為2009年10月10日、10月11日和11月15日，冬季晴、陰、雨日為2010年1月14日、1月15日和1月11日)，分別代表秋、冬兩季典型天氣條件下各輻射通量的日變化情況，其中陰天是選取當日總云量>8成的情況，秋、冬季典型雨日降水量則分別為7.8和23.5 mm。

圖2 秋冬兩季典型晴陰天下輻射收支日變化特征

圖2和圖3分別為觀測期間秋、冬季典型天氣條件下(各選一天)地表輻射平衡各分量日變化曲線特征。從圖中可以看出，除了地面長波輻射(ULR)和大氣長波輻射(DLR)的日變化比較小外，地表輻射平衡各分量的日變化十分明顯。受不同天氣條件影響，日變化曲線在形狀上有一定的差異，在日變幅、日峰值等方面都存在顯著的季節變化。太陽短波輻射(DR)在晴天時表現為非常平滑的拋物線形態：日出后，太陽短波輻射隨太陽高度角增大而增加，在正午12點左右達到最大值，然后逐漸減小，在夜間出現最小值。反射輻射(UR)、凈輻射(NR)日間變化趨勢和太陽短波輻射類似。隨著天氣狀況改變，太陽短波輻射受云量、降水分布波動較大，所以陰、雨天條件下其曲線極不規則，出現了雙峰或多峰型。陰天時，由于云對太陽總輻射的削弱，秋、冬陰天時太陽短波輻射(DR)最大值分別從其秋(冬)季晴天時的743 W/m2(668 W/m2)減小到642 W/m2(647 W/m2)，而在雨天，削減尤甚，秋、冬季其峰值均不超過150 W/m2。

圖3 秋冬兩季典型雨天時輻射通量和土壤熱通量的日變化特征

反射輻射(DR)的日變化趨勢與太陽總輻射(UR)一致，這主要是因為反射輻射只隨太陽總輻射和地表反照率的變化而發生變化，而在較短的時間內，地表反照率變化不大，所以反射輻射與太陽短波輻射保持一致的變化。地面長波輻射(ULR)和大氣長波輻射(DLR)日變化不明顯，但地面長波輻射略大于大氣長波輻射，秋、冬季典型晴、陰、雨天里兩者的日平均差值分別為45，31，6 W/m2和53，25，5 W/m2，說明兩者差值幅度雨天最小，陰天次之，晴天最大，這可能是因為陰天和雨天的溫差變化小的緣故。

凈輻射(NR)是各輻射分量平衡的結果，是衡量地表面最終通過輻射獲得能量的大小。它在日變化中，與太陽短波輻射保持了比較一致的變化趨勢，說明太陽短波輻射是凈輻射變化的主導因子。夜晚，地表支出的輻射多于吸收的太陽短波輻射，凈輻射為負值；日出后，地表吸收的太陽短波輻射多于其支出的輻射，凈輻射為正值；中午前后凈輻射達到極大值，隨后逐漸減小，日落時又恢復為負值，并完成一天的循環。秋、冬季晴天凈輻射日平均值分別為126，89 W/m2。而在陰天，由于云對太陽短波輻射的削弱，其日平均值同比減小28 ，10 W/m2，日變化曲線也表現出雙峰型甚至多峰型結構。雨天，受其主要貢獻者太陽短波輻射嚴重減少的影響，凈輻射峰值只在100～110 W/m2之間，只有非降水天最大值的1/5左右。

2.1.3 輻射分量日總量月際變化特征 地面長波輻射、大氣長波輻射、反射輻射和凈輻射在2009年9月-2010年1月期間月平均日積分值如圖4所示，從圖中可以看出在輻射平衡中地面長波輻射(ULR)貢獻最大，大氣長波輻射(DLR)次之，之后依次為太陽短波輻射(DR)、凈輻射(NR)和反射輻射(UR)。地面長波輻射月平均日積分值數月來一直穩定在20 MJ/m2左右，大氣長波輻射日積分值不低于17 MJ/m2，太陽短波輻射主要受地球與太陽距離的影響，從9月開始一直處于減小的趨勢(除10月外，由于10月中為無降水發生)，地面反射輻射日積分值月際變化與太陽短波輻射類似。

圖4 輻射分量月際日積分值

圖5 2009 年 9月 -2010 年 1月各月地表能量通量的平均日變化

2.2 地表能量平衡特征

2.2.1 地表能量月際變化特征 圖5為2009年9月-2010年1月期間，每個月晴天的潛熱通量(LE)、感熱通量(HS)、土壤熱通量(Gn)和凈輻射(NR)的月際變化。由圖看出，潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量和凈輻射日變化是很明顯的。其日變化特征都是一天中隨著日出逐漸增大，繼而在中午達到頂峰，然后逐漸減小，晚上為負值。9月份，潛熱通量峰值可達226 W/m2，明顯高于感熱通量92 W/m2的峰值，這是由于此時地面長有茂密的草地，植被生長旺盛，蒸騰作用大，植物潛熱交換強烈。此后，潛熱通量減小，感熱通量增大，11月份，感熱通量達到115 W/m2，潛熱通量減小為76 W/m2，感熱通量開始超過潛熱通量，因為此時地表已為枯草，植物枯亡，植物潛熱活動減弱，感熱交換加強。土壤熱通量(Gn)的變化比較平緩，并且值比較小。

圖6 秋冬兩季典型晴、陰天時地表能量收支日變化特征

2.2.2 典型天氣下地表能量特征 圖6為觀測期間典型天氣條件下能量平衡各分量日變化曲線特征，由于雨天期間超聲儀器觀測得通量不可信，故不討論雨天期間通量變化。由圖6可知，能量平衡各分量日變化比較明顯，潛熱通量和感熱通量日變化趨勢相似，但由于它們的變化還受著下墊面、平流等復雜因素的影響，即使晴天它們的變化曲線也不像凈輻射那樣光滑，日變化呈無規則型。白天日出后，隨著太陽輻射加熱地表，植物的蒸騰作用或水分的蒸發引起潛熱的增大，產生自地面有向大氣的水汽蒸發過程，潛熱通量值大于零，并在中午前后達到峰值；夜間，潛熱交換沒有白天強烈，產生很小的潛熱通量正值，同時還伴隨潛熱通量為負值的現象，說明這段時間地面不斷吸收水汽，水汽有從大氣向地表輸送；感熱通量在白天同樣由于太陽短波輻射的增加而增加，地面向大氣輸送熱量，為正值，日落后由于地表輻射冷卻損失熱量，為負值，大氣向地面輸送熱量。此外，還發現感熱、潛熱通量日變化有明顯的季節性。從數值上看，秋、冬季晴(陰)天日潛熱通量最大值分別為253(166)W/m2、214(162)W/m2，其秋季日峰值比冬季值高；感熱通量變化則相反，其日峰值在秋季比冬季值低，秋、冬兩季晴(陰)天感熱通量最大值分別為169(164)W/m2、218(205)W/m2，這可能因為天氣狀況和下墊面變化有關，此時天氣干燥，降水少，草地處于枯亡期，植被耗水少，植株蒸騰作用小，植物覆蓋率低，使得草地潛熱活動相對減弱，感熱交換相對增強。

白天，地表吸收的凈輻射除了以感熱、潛熱通量的形式傳播到大氣中，還有部分能量向下傳導到土壤中去，即為土壤熱通量(Gn)。土壤熱通量也存在明顯日變化，但變幅相對小，達到日峰值的時間滯后于凈輻射。在非雨天里，白天土壤熱通量為正值，即土壤溫度上層暖下層冷，從暖地面向下傳導熱量進入地下；夜間為負值，對應土壤溫度下層暖上層冷，下層土壤向上釋放能量。而由雨天期間的土壤熱通量日變化(圖4)可以看出，土壤熱通量全天為負值，且其日平均值的絕對值比晴、陰天時值都大，說明土壤不光在降水天釋放熱量，而且比非降水天時地面向深層土壤輸送的能量比都多。

2.3 土壤溫度日變化特征

地表和大氣間能量的傳輸將直接引起土壤溫度的變化。圖7和圖8揭示了秋、冬季典型晴天、陰天和雨天地表和土壤溫度日變化特征。土壤溫度日變化主要集中在距地面以下0～10 cm土壤層，越往深處振幅變化越小。典型晴、陰天時土壤表層(Ts)和5 cm深度(T5)的溫度變化基本一致，表現為正弦曲線，但表層土壤溫度日變幅大于5 cm深層土壤。地表溫度在早7時左右降到谷底，日出后隨太陽輻射增加，地表和5 cm深層土壤溫度上升，在15時左右達到最高，但由于土壤吸收熱量后，地溫的升高會有相對滯后的過程，5 cm深土壤溫度谷值和峰值出現的時間就比地表滯后約2 h，說明土壤溫度變化不光受太陽輻射影響，還跟熱量傳導引起的溫度時滯有關。10 cm深處溫度(T10)顯示為幅度很小的反相變化，即在午后溫度達到最低，在午夜為最高。20 cm深處地溫(T20)基本已不存在日變化，全天幾乎同一溫度值。各層土壤溫度變化不僅跟天氣狀況有關，晴天各層地溫高于陰天，同時還跟季節變化相關，秋季各層地溫明顯要高于冬季。雨天時，地表和淺層5 cm深土壤溫度會因降水引起溫度的降低導致下降很快，日變化遠比晴、陰天時小，而10 cm深土壤溫度呈遞減趨勢。

圖7 秋冬兩季典型晴陰天時土壤溫度日變化特征

圖8 秋季、冬季典型雨天時土壤溫度日變化特征

3 結 論

利用2009年9月-2010年1月在廣東龍門地區草地下墊面運用渦動相關法測得的湍流、輻射和地熱通量觀測資料，分析了龍門草地地表輻射和能量平衡特征，結果分析表明：

1)地表輻射平衡分量和能量平衡分量的月際變化明顯。輻射平衡分量中太陽短波輻射在9月份最大，1月份最小。地面反射輻射和長波輻射都比較穩定。凈輻射月變化與太陽短波輻射月變化一致。地表能量平衡分量中，潛熱通量在9月份明顯高于感熱通量，此后，潛熱通量開始減小，感熱通量增加，10月份，兩者數值相當，11月份開始，感熱通量已經反超潛熱通量。

2)在典型晴天下輻射通量除長波輻射外均表現為標準的單峰日循環形態，白天達到最大值，夜晚落至最小值。在陰、雨天，由于受云和降水的影響，各分量受到不同程度減弱，曲線波動大，日變化曲線表現為雙峰甚至是多峰的形態，地面長波輻射略大于大氣長波輻射，兩者的差值雨天最小，陰天次之，晴天最大。在秋季到冬季的各月輻射平衡中輻射平衡中，地面長波輻射貢獻最大，大氣長波輻射次之，之后依次為太陽短波輻射、凈輻射和反射輻射。

3)與晴天相比，陰天潛熱、感熱都減少。與秋季相比，冬季潛熱減少，感熱增加。在秋、冬季典型天氣條件下，潛熱白天有自地表向大氣的水汽蒸發過程，夜間則反之，存在水汽從大氣向地表輸送負水汽輸送現象。感熱白天自地面向大氣輸送熱量，日落后反向運輸，由大氣向地面輸送熱量。在典型降水天里地熱流量全天為負值，土壤從深層向地表釋放熱量。

4)無論秋、冬季晴天還是陰天，地表和淺層土壤溫度都表現為準正弦曲線。土壤溫度的活動層基本在10 cm土壤層內，10 cm以下土壤溫度幾乎無日變化特征，土壤溫度變化不僅受太陽輻射影響，而且還受熱量傳導引起的時間滯后效應影響，各層土壤溫度峰(谷)值出現的時間隨著土層厚度增加而延遲，雨天時地面和淺層土壤溫度呈下降趨勢。各層土壤溫度不僅跟天氣狀況有關，晴天各層地溫要高于陰天，還跟季節變化相關，秋季各層土嚷溫度高于冬季。

致謝:廣東省惠州市氣象局、龍門縣氣象局同仁對觀測的支持與協助。

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