两种估算浅层土壤热参数及热通量的方法对比

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1、两种估算浅层土壤热参数及热通量的方法对比　　摘要：土壤热参数对估算地表热通量和研究地表能量平衡具有重要的意义。基于土壤温度实测资料，利用谐波法和热传导对流法估算了浅层土壤热扩散率，进而计算了土壤热通量的值，并将结果与热通量板观测值进行对比，验证了这两种方法的可靠性。结果表明：谐波法和热传导对流法估算的风积沙热扩散率结果均比较合理；谐波法能够较好地模拟土壤剖面温度，而热传导对流法的模拟结果较差；谐波法会低估白天热通量最大值和晚上热通量最小值，而热传导对流法能够较好地模拟夜间的土壤热通量。　　关键词：温度；谐波法；热传导对流法；热扩散率；土壤热通量　　中图分类号：S8

2、12文献标志码：A文章编号：1672-1683（2015）06-1143-04　　Abstract：Soilthermalparametersplayanimportantroleinestimatinggroundheatfluxandinvestigatinggroundenergybalance.Inthispaper，basedonthemeasuredsoiltemperaturedata，thermaldiffusivityofshallowsoilwasestimatedusingtheharmonicmethodandheatconductivit

3、yandconvectionmethod，andthentheheatfluxwascalculatedandcomparedwiththatmeasuredbytheheatfluxplatetoverifytheapplicabilityofthetwomethods.Theresultsshowedthat（1）thethermaldiffusivities10estimatedbyboththeharmonicmethodandconductivityandconvectionmethodarereasonable；（2）theharmonicmethod

4、cansimulatethesoiltemperatureofverticalprofilebetterthantheheatconductivityandconvectionmethod；and（3）theharmonicmethodunderestimatesthemaximumheatfluxduringdaytimeandminimumheatfluxatnight，whereastheheatconductivityandconvectionmethodcanperformgoodsimulationofsoilheatfluxatnight.　　Key

5、words：temperature；harmonicmethod；heatconductivityandconvectionmethod；thermaldiffusivity；soilheatflux　　土壤的热通量是地表能量平衡的重要组成部分，而土壤热通量的大小受到土壤热参数的影响，因此，准确赋值热参数对研究地球表面能量平衡具有重要的意义[1]。10　　计算土壤热通量需要确定三个参数：土壤热扩散率、土壤热传导率和土壤体积热容。由于土壤热传导率等于热扩散率和体积热容的乘积，因此，二者知其一即可[2-4]。目前，估算土壤热参数具有很多种方法[5-10]，一些研究者[

6、11-15]假定土壤热扩散率不随深度和含水率变化，在一维热传导方程的基础上分别利用相位法、振幅法、对数法、反正切法和谐波法推导出浅层土壤的热扩散率，并通过模拟浅层土壤温度和热通量与观测值进行对比，认为高阶谐波法结果最为稳定。然而事实上，土壤中热的传输不仅包含热传导过程，还包括热对流过程。Gao等[16-19]考虑了土壤中液态水的对流作用，利用一阶谐波模型推导出了一种新的估算土壤热扩散率和热通量的方法，然而，这种方法的可靠性并未得到广泛验证。　　为了深入了解热对流过程对估算土壤热参数和热通量的影响，本文以干旱半干旱地区陕北风积沙为研究对象，利用地下水位埋深2m时土壤

7、剖面上温度资料，分别采用谐波法和热传导对流法推求浅层土壤热扩散率进而估算热通量的大小，同时与观测结果进行对比，进一步验证这两种方法的可靠性，为准确描述包气带中水汽热运移提供理论支持。　　1试验场地介绍　　试验观测站位于陕西省西安市长安大学渭水校区，试验区设置圆柱形玻璃钢观测井一个，直径为1m，井中水位埋深为2m。试验介质取自陕北毛乌素沙地的均质风积沙[20]，含水率为0.07～0.34m3/m3，干容重为1.52mg/m3。在观测井地下5cm、10cm、20cm、30cm处设置4个温度探头，对包气带土壤剖面上的实时温度进行连续观测，数据自动记录于数据采集器内，监测

8、频率为每3