王介民200905 近地层能量平衡闭合问题

《王介民200905 近地层能量平衡闭合问题》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、近地层能量平衡闭合问题—综述及个例分析王介民1，2，王维真1，刘绍民2，马明国1，李新1（1中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州7300002北京师范大学遥感科学国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，北京100875）摘要：近地层能量闭合问题，即测量到的感热和潜热通量之和一般总小于近地层可利用能量（净辐射与土壤热通量之差），是近20年来困扰地气相互作用实验研究的主要难点之一。文中对国内外有关研究现状做了综述。与解决此问题的愈益迫切的要求相适应，问题的实质及解决途径近年来已逐渐明朗。‘涡动相关方法’应

2、用在复杂的大气湍流通量观测中的局限，特别是对低频较大尺度湍流通量的低估，仍是关键所在。在理论分析的基础上，本文结合2008年部分‘黑河综合实验’资料对有关计算结果做了具体介绍。以阿柔站6天连续资料为例，仔细计算土壤浅层热储存，在涡动相关资料再处理中加上高低频损失修正等，再参考该站LAS观测对感热通量的提高，能量闭合率可达到99%。当然这只是个例。许多复杂情况下，较大尺度的涡旋或湍流有组织结构（TOS）会有更明显影响。近地层能量闭合问题的根本解决必须考虑后者的贡献，即得到通量的面积平均或空间代表值。关键词：能

3、量平衡；湍流通量；涡动相关方法；大尺度涡旋;黑河综合实验1引言最近10到15年来，不同类型地表与大气间能量、水分和二氧化碳等交换过程的研究得到空前发展。以研究生态系统交换为主的国际通量网（FLUXNET），到2009年3月底，在全球不同地区已有576个通量站（http://www.fluxnet.ornl.gov/fluxnet）。国内有关通量观测研究的发展速度更快，包括中国通量网（ChinaFlux）在内由不同项目在全国各地建立的长期通量观测研究站点已超过100个。这些站点，除包括风温湿梯度、辐射、土壤温

4、湿及热流等观测外，普遍使用涡动相关通量观测系统进行近地层水、热、二氧化碳等通量的直测。涡动相关方法（或涡动协方差方法，简称EC），经过近50年的发展，无疑仍是当前地气交换研究中最先进和首选的通量观测方法。然而，分析有关通量时出现的能量平衡闭合问题，却对EC方法可靠性的认识带来诸多困扰。几乎所有地气交换模式都基于能量和物质平衡基本原理。近地面可利用能量，即净辐射（Rn）与土壤热通量（G）之差（有时还考虑植被冠层热储存S等），应当与所分配的感热通量（H）和潜热通量（lE，E为蒸散量，l为蒸发潜热）之和相等。然而

5、，EC方法观测到的热通量（H+lE）却常常比可利用能量（Rn-G-S）小10%~30%左右。这一系统误差，在上世纪80年代中一些实验中已经发现（如文献[1]）；真正引起重视却是在90年代中更多的陆面过程观测实验开始之后。13国内在对1998年青藏高原加强观测（GAME-Tibet计划）资料的分析中，对此问题的严重性首次做了明确报道[2]。从90年代后期起，有关能量平衡闭合问题的文章大量见诸于国内外杂志；比较有代表性的如Lee（1998）[3]，Twine等（2000）[4]，Sakai等（2001）[5]，

6、Wilson等（2002）[6]，Culf等（2004）[7]等。许多文章都有对各种下垫面通量观测中能量不平衡程度的统计。如Wilson等对FLUXNET22个站（1到4年）通量资料的分析[6]：如以（H+lE）和（Rn-G-S）散点资料线性拟合的斜率判断闭合程度，则闭合率在0.53~0.99之间，平均值为0.79；如以一个较长时段（如一年）热通量之和与可利用能量之和的比值作为闭合率，（1）则EBR在0.34~1.69之间，平均值为0.84。10多年来，随着大量通量站的建立和资料积累，解决此问题的要求愈益迫

7、切。例如：1）模式发展。超过10％的能量闭合观测误差，对大气模式特别是陆面过程模式的检验和发展是不能接受的。2）与热通量观测相似，涡动相关方法也存在对CO2通量的低估并带来对CO2源汇区分析的不确定性[8]，进而影响温室气体收支计算及气候变暖预报。3）许多应用性研究，如近年发展较快的遥感ET（蒸发蒸腾量）模式及其在水资源管理中的应用等，要求对模式产品有较可靠的地面验证；观测对湍流通量的低估，将影响遥感ET的可信度以至一些实际项目的执行[9]。本文主要讨论广为关注的能量平衡闭合问题及可能的解决方法，重点介绍最

8、近两年一些开创性的工作。最后结合‘黑河综合实验’几个通量站的资料，检查部分处理方法的效果。2能量不平衡的缘由及解决途经早期对能量不平衡问题的分析，主要着重于辐射及通量仪器观测精度和土壤浅层热存储订正等，而且有过一些因认识模糊而发生的争论及对各种可能原因的主次不清的罗列（文献略）。近年来，Kanda等（2004）[10]、陈家宜等（2006）[11]等对低频大尺度涡旋贡献的理论探讨，Oncley等（2007）对能量