Page 151 - 《高原气象》2022年第6期

高 原 气 象 41 卷
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地表土壤热通量（单位：W·m ）；P 为贮存在生物体 Rn - G
ET = （7）
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内的热量（单位：W·m ）；Q 为其他能量的总和（单 LE (1 + β )
位：W·m ），包括植物进行光合作用时转变的化学 净辐射通过四分量辐射仪观测得出，计算公式
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能和向其他方向（主要指水平方向）移出或移入的能 为：
量。其中，Q很小一般可以忽略不计，在植被稀疏的 Rn = SR down + LR down - SR up - LR up （8）
区域，P也通常忽略不计，这样能量平衡方程为： 式中：SR down 为向下短波辐射，和总辐射大小接近；
Rn = LE + H + G （2） LR down 为向下长波辐射，也称大气逆辐射；SR 为向
up
根据 Bowen（1926）提出的波文比概念，用以 上短波辐射，也称反射辐射，LR 为向上长波辐
up
下表达式表示： 射，也称地表长波辐射。
Δθ 地表土壤热通量是反应地表与浅层土壤之间
H ρCK h Δz
β = = （3） 的热交换，直接很难测定。通常会将土壤热通量板
LE Δq
Δz
ρLK w 埋在土层的某一深度进行测量，但很难反映真实的
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式中：β 为波文比；ρ 为空气密度（单位：kg·m ）， 地表土壤热通量。这就需要对其修正才能减小计
它是气压、气温和水汽浓度的函数；C 为空气的定 算的感热和潜热通量的误差。修正地表土壤热通
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压比热，一般为 1005 J·kg ·K ；L 为水的汽化潜 量 的 方 法 主 要 有 PlateCal 法 （Liebethal et al，
热 ，它 是 温 度 的 函 数 ，即 ：L=（2500. 78-2. 36T） 2005），谐波法（Heusinkveld et al，2004）和 TDEC
J·g ；K 和 K 分别为热量和水汽的湍流交换系数 法（阳坤和王介民，2008）。本文通过 Liebethal et
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h
w
（单位：m·s ）； Δθ 和 Δq 分别为不同高度的位温和 al（2005）提出的 PlateCal 方法对其进行修正，该方
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湿度的高度差（单位：m）； Δz 为观测的高度差（单 法通过参考土壤某一层观测的土壤热通量来计算
位：m）。 地表土壤热通量。计算表达式为：
根据 Monin-Obukhov 相似理论，假设热量和水 0 ∂ρcT ( z )
+
G 0 = G z ref ∫ dz （9）
汽的湍流交换系数相等，即 K =K ，可简化式（3） z ref ∂t
w
h
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为： 式中：G 为所求的地表土壤热通量（单位：W·m ），
0
C Δθ ΔT 是土壤某一深度观测的土壤热通量
β = ⋅ = γ （4） 向下为正； G z ref
L Δq Δe （单位：W·m ）；z 表示土壤层深度（单位：m）；T 是
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CP
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式中：γ = 为干湿球常数（单位：hPa·K ）； C 为 随深度变化的温度（单位：K）； ρc是土壤热容量（单
εL
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位 ：J·kg ·K ）。 可 由 以 下 经 验 公 式 计 算 得 出
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空气的定压比热（单位：J·kg ·K ）； P 为试验地气
（Sellers et al，1996）：
压（单位：hPa）； ε取 0. 622，为水汽和空气的分子量
ρc = ρ dry c dry + ρ w c w θ （10）
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之比； L为水的汽化潜热（单位：J·g ）。如果气温为
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定值，干湿球常数 γ 可简化为 0. 65×10 P hPa·K 。 ρ dry c dry ≈ (1 - θ sat ) × 2.1 × 10 6 （11）
干湿球常数的另一种表达通过单位换算可表示为 式中：θ 是土壤体积含水量（单位：%）； θ sat 是土壤
0.00163 饱和含水量（单位：%）； ρ dry c dry 为干土壤的热容量
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γ = P hPa·K 。ΔT 为两个高度温度差（单
L （单位：J·kg ·K ）； ρ w c w 是液态水的热容量，一般
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位：K）； Δe为两个高度实际水汽压差（单位：hPa），
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取 4. 20×10 J·kg ·K ，对冻土还要考虑地下冰的
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这样就可以求得波文比值 β。由于大风、降水等天
热容量。
气的发生可能会影响空气温度和湿度的探头，造成
假设从土壤热通量板的位置到表层土壤均一，
计算的感热和潜热会有异常值，因此本文通过向蛟
土壤温度是线性变化的，式（9）就可以用以下离散
等（向皎等，2016）人在相似研究区所使用的方法
形式表达：
对异常值进行处理。 1 0
由式（2）和式（3）可以推导出感热通量，潜热通 G 0 = G z ref + Δt ∑ [ ρc ( z i ，t + Δt )T ( z i ，t + Δt )
量以及蒸散量ET（单位：mm）： z ref
β ( Rn - G ) -ρc ( z i ，t )T ( z i ，t ) ] Δz （12）
H = （5）
1 + β 这样上式中的地表土壤热通量就可以由直接
Rn - G 观测的浅层土壤热通量和对应土壤层的温度计算
LE = （6）
1 + β 得到。