異質下墊面顯熱通量動態變化及對環境因子的響應

吳海龍，余新曉，張 艷，李軼濤，劉旭輝，黃枝英

（1.北京林業大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083；2.江西省贛西土木工程勘測設計院，江西 宜春336000）

自20世紀90年代中后期開始，大孔徑閃爍儀（Lar ge Apert ure Scintillo meter，LAS）被廣泛用于大尺度水熱通量的測量，使地表水熱通量的研究逐漸從傳統的點或斑塊尺度轉向區域，避免了由于實際下墊面的復雜性和非均勻性造成較大的誤差［1－3］。測量水熱通量的常用方法有波文比—能量平衡法、渦動相關法、梯度擴散法、遙感模型法以及大孔徑閃爍儀法［1，4－6］。到目前為此，對于起伏大，下墊面復雜的非均一地表通量觀測最為有效的方法是大孔徑閃爍儀［7－10］。大孔徑閃爍儀的測量范圍為0.5～10 k m，其觀測尺度恰好符合遙感數據的最小單元［11－12］。

國內外對于大孔徑閃爍儀的研究歷史并不長，國外于上世紀九十年代開始大量研究而國內起步相對較晚，到目前為止北師大的劉紹民教授課題組在這方面做了大量研究［13－14］，其余高校和科研單位也有許多學者進行了相關實驗。黃妙芬等［15］對大孔徑閃爍儀測定顯熱通量的影響因子進行了分析，其研究表明，LAS測定的顯熱通量與天氣條件密切相關，10 c m土層的土壤水分與LAS顯熱通量相關系數達－0.87；土壤表面溫度與LAS顯熱通量相關系數高達0.9以上。白潔等［16］對海河流域不同下墊面上LAS觀測的顯熱通量特征進行了分析，指出顯熱通量有明顯的季節變化特征，且與下墊面植被存在密切關系。王維真等［17］通過對黑河流域不同下墊面水熱通量特征的分析指出，各能量收支分量有明顯的日變化和季節變化趨勢。

大孔徑閃爍儀測定熱通量的原理是在弱湍流以及傳播路徑均勻的條件下，光強度自然對數的方差）與空氣折射指數（）的結構參數存在確定的線性關系，基于此原理小孔徑閃爍儀被廣泛用于測定較短路徑的平均空氣折射指數的結構參數。但當路徑和下墊面復雜化之后，與之間的線性關系不再成立，雖然一些研究［18－21］基于Cliff or d理論設計了大孔徑閃爍儀，這有效地解決了路徑長的問題，但是對于下墊面復雜的山區仍然少有研究。

本文嘗試利用2010年7月—2011年6月首都生態圈生態站的LAS觀測數據對北京典型土石山區復雜下墊面顯熱通量特征進行分析，包括典型日、月和季節變化特征；以及對典型日顯熱通量與土壤溫濕度和空氣溫濕度，風速風向，太陽輻射等常規因子之間的相互關系進行分析，為深入研究復雜下墊面水熱通量提供理論基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究區位于北京市海淀區西山林場鷲峰國家森林公園 （40°03′46″N，116°05′45″E），海拔 100～1 150 m，屬燕山山脈余脈，地處海淀區和門頭溝區交界處。觀測站地面氣象觀測數據統計，年平均氣溫為11.6℃，平均風速4.1 m／s，年平均降水量630 mm，70%的降水量集中在7—8月，年蒸發量約為1 800 mm［22］，屬暖溫帶大陸性氣候。觀測站主要樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis Blu me），側柏（Pl atycl adus orientalis Linn.Franco）和油松（Pinus tabulif ormis），亦有荊條（Vitex negundo var.heterophyll a），孩 兒 拳 頭 （Grewia biloba var.par vif lor a Hand.Mazz），山杏（Pr unus ar meniaca）以及小葉鼠李（Rha mnus par vif olia Bunge）等灌木。

1.2 研究方法

1.2.1 大孔徑閃爍儀工作原理 大孔徑閃爍儀由王庭義于1978年基于閃爍法提出設想，后由美國NOAA波傳播實驗室研制成功［22］。儀器包括發射端，接收端以及數據處理中心。Wang等［21］的研究表明，發射器發射經過高頻調制的一定波長的波束后，接收器接收到孔徑范圍內受光程路徑上溫度、濕度和氣壓擾動影響的光束，并對接收到的信號進行放大、解調及計算處理，從而得到空氣折射指數的結構參數（m－2／3），見式（1）。利用測量的及相關的空氣溫度（Ta）、氣壓（P）等數據，可以計算溫度的結構參數（K2·m－2／3）［17］。最終由求得表面顯熱通量值，見式（3）［15］。式中：δ2lnI——光強I自然對數的方差；D——光學孔徑（m）；L——光徑長度（m）。

式中：β——波文比（無量綱），引入了此項是考慮到濕度脈動的影響；P——大氣壓（Pa）；Ta——參考高度的空氣溫度（K）。

式中：H——顯熱通量（W／m2）；ρ——空氣密度（kg／m3）；Cp——空氣定壓比熱［J／（kg·K）］；z——高度（m）；d——位移高度（m）；u＊——摩擦速度（m／s）；L——奧布赫夫長度（m）；a1，a2——系數，在不同的文獻中的取值不同。

1.2.2 儀器布設 大孔徑閃爍儀（BLAS450，德國）發射端安裝于海拔760 m的山頂，接收端位于海拔120 m的山腳下，儀器安裝高度為10 m，光徑長度2 290 m。光徑沿途的植被變化從低海拔到高海拔依次為闊葉喬木，針闊混交喬木，灌木，針葉林和灌木。在發射端，接收端及兩者之間分別安裝有自動氣象站用于觀測雨量、風速、風向、大氣壓強、空氣溫濕度、太陽總輻射等。靠近接收端安裝一臺Em50（美國Decagon公司）用于分層測定土壤溫濕度（2，5，10，15，20 c m）。站點詳細布設與儀器配置信息見表1。

表1 站點詳細布設與儀器配置

1.2.3 數據采集與處理

（1）大孔徑閃爍儀數據。大孔徑閃爍儀的數據處理包括數據的篩選，缺失數據的插補，數據質量控制，及無效數據剔除等［23］。觀測站儀器的記錄頻率為1 min，由數據采集器自動存儲原始數據，為了更好地表征生態系統顯熱通量動態變化，本研究中各變量均采用30 min平均值計算。

（2）輔助數據。氣象站與Em50土壤水分溫度電導率測定儀數據采集頻率均為5 min，取30 min內的平均值作為分析數據。數據整理與分析運用Excel 2010和SPSS 18統計軟件，作圖軟件采用Sigmaplot 11。

2 結果與分析

2.1 典型晴天顯熱通量變化規律

以春夏秋冬4個季節為劃分標準并結合實際天氣和數據采集情況，選擇4個典型日（2010-07-08，2010-09-23，2010-12-22，2011-03-21）對顯熱通量的變化規律進行分析，數據時間序列為24 h，結果見圖1。7月8日、9月23日、12月22日、3月21日的日顯熱通量平均值分別為32.165，21.487，11.942，15.943 w／m2，夏至日顯熱通量值最大，冬至日顯熱通量值最小，春分和秋分日峰值位于兩者之間。夏至日前后為植被生長的旺盛期，植被各項生理活動旺盛，尤其是對水分的吸收和蒸騰蒸發強烈。下墊面植被生長活動對森林小氣候的影響很大，因此該時段顯熱通量值較大，植被非生長期顯熱通量值明顯降低。

4個典型日在凌晨3：00和中午11：00左右均有峰值出現，3月21日、7月8日、9月23日、12月22日達到最大峰值的時間分別是11：28，10：28，09：06，01：43，從年初到年末顯熱通量的日變化峰值時間逐漸從中午向上午偏移。秋分日顯熱通量值波動最為明顯，冬至日顯熱通量值波動較為平緩，說明秋分日是湍流最活躍的時期。

2.2 日變化規律的環境控制

4個典型晴天顯熱通量值變化規律不同，其影響因子也不同，利用主成分分析對顯熱通量值與土壤溫濕度、空氣溫濕度、風速、風向、下墊面蒸發散、太陽輻射等16個因子的相關性進行研究（表2），篩選出影響顯熱通量的主要因子。按照特征值＞1，累計貢獻率＞85%選取主成分特征向量，各典型日約2～4個。結果發現，土壤溫度在每個典型日中第一主成分中的特征向量均比較大，土壤溫度在影響該地區顯熱通量值的諸多因子中始終處于主導地位。夏至日第一主成分中2 c m與15 c m深處土壤含水量的特征向量也較大，同樣也是主導因子，表明土壤含水量對顯熱通量值的變化規律有非常大的影響。春分日除土壤含水量外，空氣溫度的第一主成分特征向量也較大，表明在暖溫帶大陸性氣候區，隨著季節溫度的變化，顯熱通量值也將呈現出一定的規律性。風速、風向、蒸散發與太陽輻射等其他因子的特征向量的最大值出現在第二、三主成分中，表明它們在影響顯熱通量值變化的因子中居于次要地位。

圖1 典型晴天顯熱通量變化規律

表2 主成分（PCA）的因子負荷量、特征根與貢獻率

2.3 環境控制因子與顯熱通量的相關性分析

在16個環境控制因子中，選擇前3個主成分中占主要地位的11個因子作為主要因子變量，進一步分析它們與顯熱輸送的關聯程度（表3）。從表3可知，4個典型晴天顯熱通量與各因子的關聯程度不同，土壤含水量、土壤溫度與顯熱通量值呈極顯著相關，4個典型晴天5 c m處土壤溫度多與顯熱通量值成正相關關系，土壤含水量多與顯熱通量值呈負相關關系，即土壤水分充足時，植物蒸騰作用明顯，蒸騰吸熱過程中減少了向大氣中輸送的熱量，因而造成顯熱通量值的降低，而土壤溫度多與土壤含水量成負反饋關系［24］，說明土壤溫度與顯熱通量值應呈正相關關系。

表3 不同環境控制因子與顯熱通量的相關性

春分日與夏至日太陽輻射與顯熱輸送表現出顯著的正相關關系，秋分日與冬至日兩者關系不顯著，這是由于從春季到夏季太陽輻射值逐漸升高，夏季太陽輻射值最大，從秋季到冬季太陽輻射逐漸減小，冬季太陽輻射值最低，而顯熱通量變化規律與太陽輻射變化規律基本一致，故而顯熱通量與太陽輻射之間呈顯著正相關。另外，風向與風速與顯熱輸送也表現出了顯著的相關性，這與暖溫帶大陸性氣候特征風多干燥這一特點密不可分，觀測站海拔高度100～1 150 m，巨大的高度差也是造成風向與風速對顯熱通量規律產生不可避免的影響的重要原因。

3 結論

3.1 顯熱通量變化規律

LAS鷲峰站點日變化規律與平坦（或均勻）下墊面基本一致，即顯熱通量與天氣條件密切相關，具有明顯的季節性變化規律［3，24－25］。4個典型晴天均有峰值出現，或單峰或雙峰，從年初到年末顯熱通量峰值從中午逐漸向上午偏移；秋分日顯熱通量值波動最為明顯，是湍流最活躍的時期，冬至日顯熱通量值波動較為平緩；夏至日顯熱通量值最大，處于波峰期，冬至日顯熱通量值最小，處于波谷期，春分與秋分日峰值位于兩者之間，從波谷期開始熱通量值逐漸增加；LAS鷲峰站點顯熱通量數值均偏小，其原因主要在于研究區地形起伏大，所測數據不能完全代表所在區域的實際情況。目前該領域的研究多基于平坦下墊面的實驗布設［15，26］，深入分析地形起伏較大區域大孔徑閃爍儀測定顯熱通量的空間代表性的應用是未來研究的發展趨勢。

3.2 LAS鷲峰站點顯熱通量的主要影響因子及相互關系

影響LAS鷲峰站點顯熱通量變化的控制因子很多，主成分分析表明，土壤溫度、土壤含水量、空氣溫度、下墊面蒸散發、風速、風向以及太陽有效輻射是影響顯熱通量值的主導因子，除此之外，不同典型晴天的主導因子不同，如春分日：土壤含水量、空氣溫度；夏至日：2 c m與15 c m深處土壤含水量。土壤溫度在每個典型日中特征向量均較大，處于主導地位，風速、風向、蒸散發與太陽輻射等其他因子的特征向量的最大值出現在第二、三主成分中，表明它們在影響顯熱通量值變化的因子中居于次要地位。

相關性分析表明，土壤含水量、土壤溫度與顯熱通量值呈極顯著相關，其余控制因子與典型晴天的關聯程度不同，如春分日與夏至日太陽輻射與顯熱輸送表現出顯著正相關關系，秋分日與冬至日兩者關系不顯著。受下墊面植被組成復雜，地形起伏大等因素的影響，風向與風速與顯熱輸送也表現出了顯著的相關性，說明風向與風速也會對顯熱通量變化規律產生不可避免的影響。

平原和低山丘陵區非均一下墊面條件下利用大孔徑閃爍儀測量顯熱通量已有不少研究，但在地形起伏大、下墊面復雜的地區研究較少。需要說明的是通量空間代表性的研究以及利用大孔徑閃爍儀測量通量的能量平衡研究在山區還急需深入，只有基于LAS的空間代表性得到了充分的肯定之后，LAS廣泛應用于山區通量值的測定才具有可靠的理論基礎。

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