Page 127 - 《高原气象》2022年第1期
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1 期 陆宣承等：若尔盖高寒湿地夏季近地面水平热平流对地表能量闭合度的影响研究 125
设水平输入的热量不使近地面空气升温，则热平流 指累计湍流通量（即感热通量和潜热通量之和）与
可以独立成地表可利用能量的一个收支项，负值表 累计地表可利用能量的比值，反映了能量净收支的
示来自净辐射的能量由于水平热量输送效应而被 平衡程度。
耗散的大小。为了方便理解，令 H A = -F HA ，其中 EBR =
∑
H 代表在能量平衡方程中的水平热平流项，正值表 ∑ ( H + LE ) / (R n - G 10 - H A - S g - S v - S a )
A
示水平热平流造成观测区域能量净支出，负值表示 （5）
水平热平流造成观测区域能量净收入。在实际计 考虑水平热平流和热储存的能量不平衡差额
-
算中， u 由三维超声风速仪测量得到。温度梯度 可以表示为：
( ) 由中心差分 ê é (T 1 - T 2 ) ù ú 的方式近似求得。其 Res = (R n - G 10 - H A - S g - S v - S a) - (H + LE)
-
∂ T
∂x
∆x
û
ë
（6）
中 T 和 T 分别为（x方向上）距离观测场 1 km处的两 式中：Res 为能量不平衡差额（单位：W·m ）； R n 为
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2
1
点的温度， ∆x = 2 km。 净辐射（单位：W·m ）； G 10 表示位于地下 10 cm 处
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植物光合作用热储存（S）是指植物通过光合作用 的土壤通量板测得的土壤热流（单位：W·m ）； S g
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v
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吸收并储存的来自太阳辐射的热量（单位：W·m ） 为地表至地表以下 10 cm 间的土壤热储存； S v 为植
（陆宣承等，2020；Meyers et al，2004）。其计算方 物光合作用引起的热储存（单位：W·m ）， S a 为观
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式如下： 测高度至地表的空气热储存（单位：W·m ）；H 为
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S v = NEE × a （3） 感热通量（单位：W·m ）； LE 为潜热通量（单位：
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式中： S v （单位：W·m ）为单位面积和时间内植物 W·m ）；需要注意的是，上式只有在忽略观测误差
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每消耗 1 mg二氧化碳所对应热通量密度。NEE（单 或各单侧要素的代表性差异等因素引起的能量不
位：mg·m ·s ）是指二氧化碳净通量（Net Ecosys‐ 平衡时才可成立。
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tem Exchange，NEE）。文中假设二氧化碳净通量全 3. 2 水平热平流的形成机理
部由植被光合作用决定，且不考虑空气辐合辐散的 地表与大气间能量交换的物理机制，可从近地
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影响。系数 a （单位：J·mg ）为二氧化碳净通量向 层单位气团的能量传输过程进行分析。白天，除地
热通量转换的系数。在 Meyers et al（2004）的研究 面辐射以外，干燥条件下地表通过热传导的方式将
中，单位面积单位时间，植被消耗 2. 5 mg CO ，所 净辐射能量输送给贴地层的单位气团。这些气团
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消耗的热通量密度为 28 W·m 。因此文中的转换 又会通过热对流、热辐射和热传导的方式将热量进
系数定为11. 2 J·mg ，即a = 11.2 J·mg 。 行进一步传输。其中，近地层单位气团的脉动加剧
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空气热储存（S a ）是指观测高度至地表的空气在 了空气垂直方向的热传导，形成了湍流热通量。而
太阳辐射的加热下所储存的热量（单位：W·m ）。 单位气团的层流引发了垂直或水平方向的热对流，
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计算公式如下（Wang et al，2012）： 成为了平流热通量，即热量平流。以单位体积的地
- ---
z m ∂T 面空间为地表能量收支的分析对象，地面温度分布
S a = ρ a C p∫ dz （4）
0 ∂t 不均匀时，热量平流会引起空间内能量辐合或辐
式中： ρ a 为空气密度（单位：kg·m ）， C p 为空气的 散，影响地-气间湍流交换的通量-廓线关系（张强
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定压热容［单位：J·（kg·℃）］， z m 为观测高度（单 等，1995），从而影响地表能量平衡。但由于花湖
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- ∂T 观测场地理特征和观测条件限制，本文只分析此处
位：m）； T 为气温（单位：℃）。在实际计算中， ∂t
- - ----- 热量平流的水平分量，即水平热平流。同时，区别
可通过差分近似为： T i - T i - 1 - 于将其当作湍流热通量的能量分支来订正湍流通
（T i 为本次时刻的气
∆t
- ----- 量，本文将其理解为一种独立于地表能量收支中各
温， T i - 1 为距离本次时刻30 min前的气温）。 物理量之外的一个新物理量进行讨论。
最小二乘法线性回归（Ordinary Least Squares， 结合式（2）容易看出，水平热平流受地面风和
OLS）是利用湍流通量与可利用能量之间的线性相 水平温度梯度支配，通常只有在非均质下垫面的近
关关系，通过计算拟合直线的斜率，评估研究期间 地层才会产生。图 2 是花湖观测场的地面风频率
的能量闭合度。（李宏宇等，2012a）但由于其对瞬时 图，其背景叠加了观测场正午的温度场。温度场的
能量平衡状况比较敏感，其结果通常小于EBR。 范围是以观测场为圆心，1 km 为半径的圆形区域，
能量平衡比率（Energy Balance Ratio，EBR）是 其分辨率为 30. 0 m。其中北侧的暖区为陆地，南侧
