Page 139 - 《高原气象》2022年第1期

1 期 武月月等：黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆‐气间的水热交换特征分析 137
生也使得浅层土壤含水量突然增加，5. 0 cm土壤含 热通量先减小后增大，与潜热通量相同，在 12月底
水量在这一阶段明显增多（图 2），而且变化幅度明 左右存在谷值，这段时间内的感热通量值与潜热通
显，下垫面水汽充足，潜热通量占主导地位。在融 量相当，两者相差不大。在完全冻结前期，土壤处
冻阶段里，土壤温度开始降低，土壤开始冻结，出 于冻结状态，地气之间的温差很小，同时这一阶段
现冻融循环的现象，虽然这一阶段只有 40 天左右， 净辐射较小，感热通量值不大；完全冻结后期，虽
但土壤含水量降低，地表的蒸发作用减弱，潜热通 然土壤仍冻结，但是此时净辐射开始增大，地表温
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量明显有所下降，最大值仅为 47. 3 W·m ，值都低 度上升，使得感热通量有小幅度增加。
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于 50. 0 W·m 。随后，土壤呈现完全冻结，冻土的 地表热通量是影响能量平衡方程的重要因子。
含冰量增多且变化较小，含水量相比于完全融化阶 整体而言，地表热通量在观测时间范围内一直比较
段明显减小，而且含水量值比较稳定，没有太大的 稳定，全年的月变化不大，大部分值在 0. 0 W·m -2
变化，地表蒸发减弱使得潜热通量继续减少，在这 附近浮动。白天大气向土壤传输能量，热通量为
156 天里，潜热通量的值均小于 30. 0 W·m 。但是 正，夜间土壤向大气传输能量，热通量为负。地表
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在整个完全冻结阶段里，潜热与感热通量相差不 热通量主要受到地气间温差的影响，下垫面状况也
大，与许多站点在春秋季以潜热为主不同（葛骏 起到重要作用。完全融化阶段的地表热通量整体
等，2016；董希成等，2013，马伟强等，2005），这 会比其他三个阶段大一些，大部分值为正，地表从
可能与湖泊有关，陆‐气之间水相变引起的热量交 大气吸收热量，变化比完全冻结阶段大，最大值出
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换在冬季也占很大份额。在漫长的完全冻结阶段 现在 2014年 6月 26日，为 13. 9 W·m ，其中热通量
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后，气温开始回升，土壤温度随之增大，冻土开始 值小于 10. 0 W·m 的天数约占这一阶段总天数的
融化，含水量也开始增加。虽然冻融阶段也只有 40 4/5。在融冻阶段和冻融阶段，热通量的变化不明
天，但潜热通量的值有显著增加，这期间，最大潜 显，均有较小范围的减小和增大。与完全融化阶段
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热通量达到了 59. 7 W·m 。在融冻阶段、冻融阶段 相比，完全冻结阶段的热通量有一定减小，大部分
以及完全融化阶段里，潜热通量与感热通量的变化 值为负，土壤为完全冻结，土壤温度很小，地表向
较为相近，潜热通量在三个阶段的平均值为 21. 9 大气释放热量，但其值在这段时间里的变化仍比较
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W·m ，感热为20. 3 W·m 。 稳定，热通量最大值仅为9. 6 W·m 。
感热通量是由于湍流运动而在地气间传输的 4. 2 近地面陆‐气间水热交换通量的日变化
能量通量。在观测时间里，感热通量的变化较潜热 首先，本文对数据质量进行了评估，能量闭合
通量而言，比较稳定，波动幅度没有潜热大。与潜 率是检验通量数据质量的主要方法之一，在理想下
热通量变化的时间相似，感热通量在 2014 年 6-10 垫面中，地表能量平衡方程可以表示为：
月变化较为稳定，没有太大的浮动，而且值比潜热 R - G = H + LE （9）
通量小。在完全融化阶段，表层土壤含水量较高， 地表能量由植被、下垫面和气候等因素相互影
加上在植被生长季节，净辐射主要用于近地面水分 响（任雪塬等，2021），且对能量平衡闭合的研究表
蒸散发，相对而言，潜热通量大于感热通量（Tana‐ 明 ，无 论 观 测 站 点 地 表 多 平 坦 ，各 站 点 通 常 有
ka et al，2001；王少影等，2012），感热通量的值普 10%~30% 的能量不闭合现象（Stannard et al，1994；
遍比潜热通量小，在这段时间里潜热通量起主要作 田志伟等，2016；陆宣承等，2020）。基于此，本文
用。感热通量的变化平缓，最大值为 34. 1 W·m ， 利用以下公式计算能量平衡：
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出现在 2014 年 6 月 7 日，与同一阶段最大潜热通量 R - G = H + LE + Sp + Sa （10）
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相 比 ，少 了 48. 6 W·m ，其 中 感 热 通 量 值 小 于 根据在各冻融阶段所选取的典型晴天日，对这
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20. 0 W·m 之间的天数就有 73 天，约占完全融化 几日的地表能量闭合度进行了研究分析，图 4 为两
阶段总天数的 60%。随后土壤开始冻结，感热通量 个冻融状态下地表能量闭合状况，完全融化和完全
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增大，最大值达到了 36. 3 W·m ，感热通量与潜热 冻结阶段的闭合度分为为 56% 和 57%，完全冻结的
通量的差值减小。与融冻阶段相比，冻融阶段中感 闭合度略高于完全融化阶段；图 6 为两个过程时地
热通量的变化明显，其值波动较大，此时土壤开始 表能量闭合状况，冻融阶段的闭合率与融冻阶段相
融化，净辐射显著增大，土壤含水量开始增加但是 同，均为52%。
不高，净辐射转换为感热通量的份额比完全融化阶 为了探究高寒草原土壤冻融过程中水热交换
段多。感热通量在完全冻结阶段大体呈对称状，感 的日变化特征，选取每个阶段典型晴天能量进行分