淮河流域農田生態系統能量變化特征及閉合率分析

謝五三 段春鋒,3 田紅

（1 安徽省氣候中心，合肥 230031；2 安徽省氣象科學研究所/大氣科學與衛星遙感安徽省重點實驗室，合肥 230031；3 壽縣國家氣候觀象臺/中國氣象局淮河流域典型農田生態氣象野外科學試驗基地，壽縣 232200）

0 引言

全球變化的區域響應以及地表變化和人類活動對氣候的影響均是通過大氣邊界層過程來實現的[1-2]。近年來，近地層通量的觀測研究被越來越多的國家和國際組織所重視[3]，其中農田生態系統水熱通量的研究是熱點之一，主要包括農田下墊面的湍流結構和能量交換特征，以及以水汽和CO2為主的各種氣體組分的通量輸送規律等[4-5]。生態系統的能量平衡是系統水熱耦合過程研究的基礎，也一直是農田生態、農業氣象和自然地理等學科研究的重點問題[6]。在農田生態系統中，凈輻射與農田蒸散、土壤熱通量、空氣熱交換以及極少部分儲存的光合能相平衡[7]，近地層農田生態系統能量平衡特征及閉合率對農田下墊面區域上大氣邊界層的動力、熱力結構，多圈層相互作用過程中各種能量、物質交換等研究具有重要意義[8]。根據熱力學第一定律，能量閉合是指渦度相關儀器直接觀測的顯熱通量和潛熱通量與有效能量（土壤熱通量、凈輻射通量、冠層熱儲量三者之和）之間的平衡[9]，針對不同類型的農田生態系統，國內外學者對其能量平衡及閉合率特征進行了一系列研究，如吳東星等[10-11]對華北平原和黃淮海平原典型冬小麥農田、李陽等[12]對低丘紅壤區集水區和田塊、吳錦奎等[13]對黑河中游間作灌溉農田、安東等[14]對密西西比地區農田、叢宏斌等[15]對玉米秸稈地以及田紅等[16-20]對壽縣稻麥輪作等農田生態系統進行大量研究并取得系統性成果。

淮河流域是我國的重要農業區之一，該地區代表東亞季風區的主要氣候條件和生態環境狀況，又是我國農業生產經營活動的典型區域之一，因而研究該區域的能量變化特征及閉合率具有重要意義。壽縣國家氣候觀象臺地處淮河中游南岸，屬亞熱帶半濕潤季風氣候類型，壽縣近地層通量觀測場在2007年7月至2013年4月期間位于九龍觀測站，在2013年5月至今位于窯口觀測站，兩個觀測站下墊面均為平坦、開闊、一致的農作物種植區，一年兩熟，稻麥輪作，基本代表了淮河流域農田生態系統。根據觀測資料的連續性、一致性和缺測率等因素，本文以壽縣九龍觀測站為代表站，運用2007年7月至2013年4月連續7年的觀測資料，選取通量觀測系統中的顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量以及輻射通量等觀測要素，分析能量變化特征及其閉合率，為淮河流域農田下墊面各種能量、物質交換的研究以及區域數值模式陸氣交換參數化的改進等提供參考。

1 資料與方法

壽縣近地面層通量觀測系統由梯度觀測系統和湍流觀測系統組成。梯度觀測系統由5 層溫度、風速、濕度傳感器，5層鉑電阻地溫及土壤水分觀測傳感器，1 層氣壓、風向傳感器、光合有效輻射傳感器、四分量長、短波（向上、向下）輻射傳感器以及紅外地表溫度傳感器等組成。湍流觀測系統由紅外H2O/CO2分析儀和三維超聲風溫儀等組成。主要儀器的基本技術性能見表1。

表1 壽縣通量觀測系統主要觀測儀器的基本技術性能Table1 Technical performance of main instruments in Shouxian flux observation system

根據中國氣象局《近地層通量觀測規范》[21]，對所有數據進行質量控制，包括數據完整性檢查、合理性檢查、一致性檢查、異常值剔除檢驗以及WPL通量修正等，滿足研究需要。

波恩比（記為B）是Bowen于1926年提出的概念，將顯熱通量（H）除以潛熱通量（LE），它是表征下墊面能量分配的參數，反映由于下墊面干濕狀況而引起的熱量分配的變化，公式如下：

波恩比表明熱通量交換過程中潛熱通量和顯熱通量各自的作用。

輻射通量分為大氣向下長波輻射（L）、地面向上長波輻射（Lo）、向下短波輻射（S）、向上短波輻射（So）以及地表凈輻射（Rn） ，其中：

當Rn為正值時，表明地面吸收的太陽輻射大于發出的輻射，太陽輻射占主導作用；Rn為負值時則相反，地面向上長波輻射占主導作用。

根據熱力學第一定律，地表能量平衡方程可表示為：

式中：Rn為凈輻射，G為土壤熱通量，Sc為冠層熱儲能，Q為其他來源能量總和，H為顯熱通量，LE為潛熱通量。對于農田生態系統，Sc和Q可忽略不計，因而式（3）可簡化為：

式中：右端即為有效能量、左端為湍流通量。能量平衡殘余量（Res）是指有效能量與湍流通量的差值，而將湍流通量與有效能量相除，即可得到能量閉合率（EBR），即：

2 熱通量變化特征

2.1 顯熱、潛熱通量日變化特征

淮河流域顯熱通量（H）的日變化特征見圖1a，由圖可見，H值具有明顯的日變化規律，呈單峰型結構，日變化幅度較大。從年平均來看，H白天均為正值，夜間均為負值。H值在清晨日出前后（07：30）開始由負轉正，而日出后太陽輻射逐漸增大，溫度也隨之上升，大氣層結趨于不穩定，H值迅速增大，直至正午左右（12：30 ），一般也是一天中溫度最高的時間點，大氣層結相對來說最不穩定，H也相應達到日內最大值（約為84.5 W/m2），之后隨著太陽輻射的減小，H值也隨之減小，直至日落前后（17：00）轉為負值，夜間大氣層結相對穩定，H值變化較小。從各季節平均來看，隨著季節的不同，峰值出現的時間略有不同，春季（3—5月）、夏季（6—8月）和冬季（12—2月）日最大值均出現在12：30左右，秋季（9—11月）日最大值出現在12：00左右。春季峰值最大（為105.5 W/m2）、秋季其次（為85 W/m2）、夏季最小（為70.5 W/m2）。各季節平均日變化幅度分別為118.5、78.0、92.5和84.5 W/m2，即春季最大，秋季次之，冬季第三，夏季最小。對于不同季節，H為正值的時間段也有所差別，由負轉正的時間分別為07：30、07：00、08：00和09：00，而由正轉負的時間分別為17：00、18：00、16：30和16：30，H為正的時長分別為10、11.5、9和8 h，表明由夏季至冬季，H為正的時間逐漸縮短，而由春季至夏季，H為正的時間逐漸加長。

潛熱通量（LE）的日變化特征見圖1b，由圖可見，LE日變化特征明顯，其值均為正，且白天的值遠大于夜間。LE值大約從07：00開始逐漸增大，至午后13：00左右達到最大值（約為166.7 W/m2），之后隨著太陽輻射的減小，LE值逐漸減小，日落后大氣層結趨于穩定，LE值也趨于平穩。從各季節平均來看，LE均為正值，在不同的季節，其峰值出現的時間也有所不同，夏季峰值大約出現在12：00 ，其他各季節峰值均出現在13：00左右；夏季峰值最大（為253 W/m2）、春季和秋季峰值次之（分別為225和145 W/m2）、冬季峰值最小（為60 W/m2）。春、夏、秋季由于降水較多，其LE值遠大于冬季。四個季節平均日變化幅度分別為220、248、141和58 W/m2，即夏季＞春季＞秋季＞冬季。以上是針對所有資料進行綜合分析，得到的是平均狀態下的顯熱、潛熱通量日變化特征，然而對于特殊的天氣類型，顯熱、潛熱通量受到云、降水等因素的影響，呈不規則分布。

圖1 顯熱通量（a）和潛熱通量（b）日變化Fig. 1 Daily variation of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b)

2.2 顯熱、潛熱通量月變化特征

H從1月開始逐漸增加，6月達到最大值，其中6月上旬達到峰值，約為59 W/m2，之后開始下降，8月和9月多在10 W/m2以下。10月又明顯增加，10月上旬達到一年中次高峰，約為33 W/m2，之后又明顯下降（圖2a）。6月和10月H出現峰值與相應時段的下墊面變化有直接聯系，6月和10月下墊面分別處于水稻收割到小麥分蘗期前和麥收割后的裸地，裸地下墊面土壤較干燥，空氣濕度小，H均有十分明顯的增大。

圖2 顯熱通量（a）和潛熱通量（b）月變化Fig. 2 Monthly variation of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b)

LE從1到5月快速地增大，在5月初達到峰值，約為132 W/m2；之后5—6月有著明顯的下降，6月上旬末只有25 W/m2；6月LE突然下降與H的突然增加均與下墊面處于小麥收割后的裸地有關。7—8月明顯增加，8月初達到峰值，約為151 W/m2，之后又迅速下降，總體呈現M型（圖2b）。

2.3 顯熱、潛熱通量年變化特征

本文所用的資料為壽縣國家氣候觀象臺2007年7月—2013年4月連續7年的觀測資料，由于2007年和2013年資料不完整，在分析各通量年變化特征時，選取2008—2012年共5年完整的資料。各年（2008—2012年）年均顯熱通量分別為14.1、13.8、16.4、20.1和18.6 W/m2，總體呈現增加趨勢，線性趨勢系數為1.54，即平均每年增加1.54 W/m2。各年（2008—2012年）年均潛熱通量分別為58.3、58.4、58.0、54.5和43.1 W/m2，總體呈現減小趨勢，線性趨勢系數為-3.44，即平均每年減小3.44 W/m2。

2.4 波恩比變化特征

圖3a為淮河流域波恩比日變化圖，由圖可見，波恩比存在明顯的單峰型日變化特征。從年平均來看，07：30—17：00，波恩比＜1，LE占主導。波恩比在中午11：30左右達到日最大值，為0.53。夜間H為負值，波恩比也為負值。在02：00左右達到最小值-1.1，在晝夜交替時段（07：30和17：00）的波恩比絕對值則最小，接近于0。從各季節平均來看，白天冬季的波恩比峰值在各季中最大（達1.3），表明冬季熱通量交換過程以H為主，其他季節波恩比小于1，LE占主導地位；春秋季波恩比峰值大于夏季，分別為0.51和0.62；夏季峰值最小，為0.35。在特殊天氣狀況下，顯熱、潛熱通量受到云、降水等因素的影響，日變化呈不規則分布，波恩比也呈不規則分布。

圖3 波恩比的日（a）、月（b）變化Fig. 3 Daily variation (a) and monthly variation (b) of Bowen ratio

年平均波恩比為0.43，表明LE是淮河流域農田生態系統下墊面吸收能量的主要消費者。一年中，1月、6月和11月初波恩比大于1（圖3b），表明H是下墊面吸收能量的主要消費者。前者主要是由于1月降水是一年中最少的月份，LE也很小；后者主要是由于6月和11月初下墊面為裸地而引起。其余時間波恩比均小于1，隨氣候狀況的不同而波動變化，說明LE是農田生態系統下墊面吸收能量的主要消費者。各年（2008—2012年）年均波恩比分別為0.36、0.38、0.59、0.68、0.39，總體呈現上升趨勢，線性趨勢系數為0.0367。

2.5 土壤熱通量變化特征

土壤熱通量（G）是地表能量平衡的重要組成部分，為能量平衡分析中關鍵所在，G為正值，表明能量由地表向土壤深層傳導，G為負值則表明能量由土壤深層向大氣傳導。淮河流域土壤熱通量具有明顯的日變化特征（圖4a），且呈單峰型結構，白天為正，夜間為負，且絕對值白天大于夜間，說明G從深層向大氣傳導較弱，而由地表向深層傳導相對較強。年平均上，08：30左右由負轉正，13：00左右達到最大值，為45 W/m2，18：00左右由正轉負。對于不同的季節，正、負值轉化的時刻也有所不同，春、夏、秋、冬各季節由負轉正的時刻依次為08：30、08：00、09：30和10：30，由正轉負的時刻分別為19：00、18：00，17：00，17：30；夏季G的日變化峰值出現的最早，在12：30左右，其次為春季和秋季，峰值出現在13：00左右，冬季最晚，峰值出現在14：00左右。春季G的峰值最大，達62 W/m2，其次為夏季和秋季，分別為57和35 W/m2，冬季峰值最小，為27 W/m2。四季的季平均日變化幅度分別為78，73，55和44 W/m2，即春季＞夏季＞秋季＞冬季。土壤熱通量年內分布呈現為明顯的單峰型分布（圖4b）。從1月逐漸增大，5月達到最大，之后又逐漸減小，12月達到最小。1月、9—12月土壤熱通量為負值，2—8月為正值。各年（2008—2012年）年均土壤熱通量分別為0.003、-0.083、2.647、0.405和7.710 W/m2，總體呈現增加趨勢，線性趨勢系數為1.59，即平均每年增加1.59 W/m2。

圖4 土壤熱通量的日（a）、月（b）變化Fig. 4 Daily variation (a) and monthly variation (b) of soil heat flux

3 輻射通量變化特征

3.1 輻射通量日變化特征

圖5為淮河流域各輻射分量的日變化圖，由圖可見，除L日變化幅度較小外，其他各輻射分量和Rn均具有明顯的日變化特征，均呈單峰型分布，日間變化較大，夜間相對穩定。由整個觀測期總平均的日變化可見，S、So和Rn均在12:30左右達到極值，其值分別為520.9、77.8和372.4 W/m2；而Lo滯后約l h，在13：30左右達到最大值（434.1 W/m2），L相對更晚，約在14：30左右達到最大值（364.9 W/m2）。

S在各季的日變化幅度最大，其中春季峰值最大，夏季次之，冬季最小，春、夏、秋、冬四季的極大值分別為620、573、481和394 W/m2。So在各季節的日變化趨勢與S基本一致，各季日平均極大值分別為92、80、74和61 W/m2，春季峰值最大，夏季次之，冬季最小。L在各季的日變化幅度均很小，春、夏、秋、冬四季的季平均日變化幅度分別為22、21、14和10 W/m2，四季最大值分別為353、438、370和290 W/m2，夏季峰值最大、秋季次之、冬季最小。Lo在各季的日變化明顯，四季的季平均日變化幅度分別為75、50、57和55 W/m2，春、夏、秋、冬最大值分別為436、487、439和366 W/m2，夏季峰值最大，春秋季次之，冬季最小。

Rn的日變化特征明顯，白天Rn為正值，太陽輻射起主導作用；而夜間無太陽輻射，Rn為負值，地面向上長波輻射起主導作用；春、夏、秋、冬四季凈輻射的日變化最大值分別為449、443、338和249 W/m2，春季峰值最大，夏季次之，冬季最小；四季Rn的季平均日變化幅度分別為489、472、375和291 W/m2，春季最大，夏季次之，冬季最小。

3.2 輻射通量月變化特征

整個觀測期輻射通量各分量年內的逐月變化（圖6）表明：各個輻射值呈現單峰型的年變化特征，變化幅度各不相同。就整個觀測期總平均而言，Lo總平均值最大，為395 W/m2，L次之，為351 W/m2，S為148 W/m2，Rn為79 W/m2，So最小，為23 W/m2；且各輻射分量均為正值，Rn亦為正值，表明S是輻射平衡的主要貢獻項。

S在1—5 月逐漸增大，5 月達到最大，為213 W/m2，6—12月S呈逐漸減小趨勢，由于水汽和云的影響，S最大值出現在5月，而L在7月達到極值。So在1—5月逐漸上升，6—7月明顯下降并穩定在20～30 W/m2，8月以后迅速下降。第一個峰值出現在4月，第二月峰值出現在8月。6—7月的突然下降可能是由于So與下墊面植被狀況及土壤濕度有關，6—7月是淮河流域降水最為集中的時期。L和Lo年內變化較為相似，呈現明顯的單峰型分布，1月最小，分別為274和320 W/m2，7月最大，分別為434和463 W/m2。Rn在1—5月迅速增加，6月有所下降，7月后迅速減小。1月最小，為25 W/m2，5月最大，為131 W/m2，7月次之，為125 W/m2。

圖5 向下短波（a）、向上短波（b）、向下長波（c）、向上長波輻射分量（d）和凈輻射（e）的日變化Fig. 5 Daily variation of downward shortwave (a), upward shortwave (b), downward longwave (c), upward longwave radiation (d) and net radiation (e)

3.3 輻射通量年變化特征

向下短波、向上短波、向下長波、向上長波輻射分量和凈輻射年變化特征見圖7，由圖7可知，各個輻射分量和凈輻射的線性趨勢系數均為正值，由高到低分別為向下長波輻射L（2.75）、向上長波輻射Lo（2.02）、凈輻射Rn（1.93）、向下短波輻射S（1.31）、向上短波輻射So（0.42），表明各個輻射分量和凈輻射均呈現不同程度的上升趨勢，其中向下長波輻射L上升幅度最大，而向上短波輻射So上升幅度最小。

4 能量閉合率

圖8a為淮河流域能量平衡殘余量（Res）的平均日變化圖，由圖8a可以看出，Res的日變化呈明顯的單峰型分布特征，其值在白天06：30左右由負轉正，之后逐漸增大，至11：00左右達到日最大值（約為95 W/m2），之后逐漸減小，在15：30左右轉為負值，至18：00左右達到日最小值（約為37 W/m2），總體來看，白天能量殘余量大于夜間。殘余量的存在表明湍流通量和有效能量不相等，也即能量是不閉合的。從能量平衡殘余量的月變化來看（圖8b），4月和5月為負值，表明觀測湍流通量大于有效能；3月和6月接近于0；其他月份為正值，表明有效能大于湍流通量。從四季來看，殘余量春季最小，夏季次之，而秋季最大。

利用觀測資料，計算淮河流域有效能量（Rn-G）和湍流通量（LE+H）線性回歸的關系式如下：（LE+H）=（Rn-G）×0.9943-3.6819，復相關系數達到0.905。線性回歸線基本均在1:1線以下，說明湍流通量小于有效能量，并且能量通量越小的時候，兩者越接近，表面渦度相關儀器直接觀測的湍流能量有被低估趨勢（圖9）。

圖6 向下短波（a）、向上短波（b）、向下長波（c）、向上長波輻射分量（d）和凈輻射（e）的月變化Fig. 6 Monthly variation of downward shortwave (a), upward shortwave (b), downward longwave (c), upward longwave radiation (d) and net radiation (e)

整個觀測期間（包括白天和夜間），能量平衡比EBR平均為94%，即是全天的能量平衡比，閉合率相對較好；白天和夜間分開計算可知，白天的能量平衡比為84%，夜間相對較差，僅為47%，白天能量平衡比明顯優于夜間，這與湍流混合強度有很大關系，白天湍流較強，有利于能量閉合，而夜間湍流減弱，能量閉合率下降，早晨日出和傍晚日落時間段，由于有效能量（Rn-G）接近于零，導致能量平衡比EBR變化非常劇烈。從各月和四季來看，能量閉合率5月最大，12月最小；春季最大，夏季次之，冬季最小。總體來看，淮河流域農田生態系統能量存在不閉合現象，但其閉合率相對較高，表明通量觀測系統資料質量較好，代表性和可靠性強。

圖7 向下短波、向上短波、向下長波、向上長波輻射分量和凈輻射的年變化Fig. 7 Annual variation of downward shortwave, upward shortwave, downward longwave, upward longwave radiation and net radiation

圖8 能量平衡殘余量的日（a）、月（b）變化Fig. 8 Daily variation (a) and monthly variation (b) of residual energy balance

圖9 湍流通量和有效能之間的關系Fig. 9 The relationship between turbulent flux and effective energy

5 結論與討論

1）淮河流域農田生態系統顯熱通量呈單峰型日變化分布，白天為正，夜間為負。潛熱通量同樣呈單峰型結構，且均為正值。顯熱通量和潛熱通量在月變化上均呈現M型雙峰結構。顯熱通量年變化總體呈增加趨勢，而潛熱通量總體呈減小趨勢。顯熱和潛熱通量的分布特征與日照密切相關，同時受云、降水等多種因素的影響。波恩比日變化呈明顯的單峰型結構，年平均波恩比為0.43，且總體呈現上升趨勢。土壤熱通量日變化呈單峰型分布，白天為正，夜間為負；月變化亦呈單峰型分布，5月最大，12月最小，總體呈現增加的年變化趨勢。

2）向下短波輻射日變化幅度最大，白天大夜間小，向上短波輻射日變化趨勢與其基本一致。地面向上長波輻射日變化幅度大于大氣向下長波輻射，而大氣向下長波輻射日變化幅度相對較小。凈輻射的日變化特征明顯，夜間為負，白天為正，中午達到最大。各個輻射分量和凈輻射均呈現單峰型月變化特征，變化幅度各不相同，地面向上長波輻射總平均值最大，大氣向下長波輻射次之，其次為向下短波輻射和凈輻射，向上短波輻射最小，各輻射分量和凈輻射均為正值。年變化上，各個輻射分量和凈輻射均呈現不同程度的上升趨勢。

3）能量平衡殘余量日變化呈單峰型分布，白天為正，夜間為負，殘余量的存在表明有效能量和湍流通量是不相等的，能量平衡存在不閉合特征。有效能量和湍流通量線性回歸線基本在1:1線以下，表明湍流通量小于有效能量。能量平衡比平均為94%，白天明顯優于夜間；5月最大，12月最小；春季的能量閉合率最大，其次是夏季，冬季最小。總體來看，能量閉合率相對較高，通量觀測系統資料質量是可靠的。

從理論上說，農田生態系統能量應是閉合的，但在實際觀測中，由于多種因素影響，計算出的能量存在不閉合，淮河流域農田生態系統也是如此，導致能量不閉合的因素可能有：①儀器測量誤差，主要包括技術性誤差、儀器自身系統誤差以及數據處理造成的誤差等，儀器的不準確標定和數據處理的不規范直接影響能量平衡閉程度，對儀器的交叉標定和確保數據采集器的正常運行可以減少能量平衡閉合研究的不確定性[22]；②能量平衡各分量（Rn，G，H，LE）觀測的高度和時空尺度有差異，測量面積的不匹配等因素可能給能量閉合帶來誤差[8]；③忽略了其他能量吸收項而造成的誤差，例如土壤熱通量板上層土壤的熱儲量、冠層熱儲量中植被的熱儲量、植物的光合耗能等能量吸收項未加以考慮，給有效能量的估算帶來誤差[9]；④垂直平流造成的誤差，在渦度相關技術通量觀測中，認為垂直平流可以通過坐標旋轉使得垂直風速為零而被忽略，然而垂直風速和垂直平流不為零是真實存在的，因而造成了誤差[23]；⑤高頻與低頻湍流通量損失造成的誤差，湍流通量由于低通濾波的作用和高通濾波的作用而被低估，此外，超聲風速儀和紅外氣體分析儀的空間分離也會充當低通濾波的角色造成高頻損失等[24]。淮河流域農田生態系統能量不閉合主要是由哪方面因素造成的？各影響因素對能量不閉合的貢獻如何？這有待于進一步研究。