引入垂直感热平流和土壤热存储补偿对黄土高原地表能量平衡关系的修正外文翻译资料

 2022-11-27 14:26:07

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引入垂直感热平流和土壤热存储补偿对黄土高原地表能量平衡关系的修正

张强， 李宏宇，赵建华

中国气象局兰州干旱气象研究所, 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室, 中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室, 兰州 730020; 甘肃省气象局, 兰州 730020;兰州大学大气科学学院, 兰州 730000

摘要：关于复杂下垫面表面能量平衡问题的研究很少，本文利用黄土高原的数据陆面过程试验研究（LOPEX）和地表能量平衡特征的资料，计算了土壤储热及垂直感热平流，分析了它们的贡献对地表能量的不平衡，并讨论了垂直速度和温度梯度的作用机理表面层对垂直感热平流的影响。研究发现, 近地层垂直速度为垂直感热平流提供了必要的动力条件, 较强的近地层垂直温度梯度提供了产生垂直感热平流的能量基础; 尤其在上升运动时, 垂直感热平流对地表能量平衡的贡献更加明显; 在地表能量平衡方程中引入土壤热储存项和垂直感热平流输送项后, 地表能量不平衡差额平均日峰值由125.1 W/m-2降低到41.5 W/m-2, 日平均地表能量不平衡差额由59.0 W/m-2减少到26.4 W/m-2, 地表能量闭合度由0.78 提高到0.94, 地表能量平衡的程度大大提高。

关键词：地表能量失衡、黄土高原、垂直感热平流、土壤储热、垂直速度、温度梯度

引言：地球表面能量收支基本处于平衡状态是人类对地球系统能量过程的最基本认识之一[1]。由于表面的不均匀性仪器精度的限制和测量技术，大多数观测实验找到表面能的不平衡。不平衡问题在一些著名的实验中，产生高达30%的误差[2.3]，这已构成了一个日益严重的土地表面处理研究问题。在最近几十年里，许多测量技术改进的解决方案，数据的质量控制和物理的详细分析因素已被应用于调查不平衡的原因并在一定程度上改善不平衡条件[4.9]。在许多的能量平衡的误差测量然而，实地调查仍然超过20% [10.12]。以前的研究讨论了能量转移的影响中尺度垂直运动和化学储能植物生理过程中消耗的不平衡[13.17 ]。此外，Finnigan等人。[18]和静脉等。[19]研究了垂直感热的贡献平流对地表能量收支的作用。最近的测量在黄土高原上进行表明，垂直感热平流在表面上确实影响表面能平衡[20]。然而，进一步研究发现在能量平衡的变化不同从垂直速度的趋势[ 21 ]，垂直感热平流的物理机制是很复杂的。总体而言，以往的研究只强调表面能量平衡的重要性，以及很少注意是支付改善的不平衡和搜索最终解决方案。缺乏系统的认识地表能量失衡的解决方案。

我国黄土高原地区是全球十分重要而独特的地理区域，分布范围十分广泛, 是我国干旱半干旱地区的重要组成部分. 该地区沟险峻纵横, 下垫面起伏和不均匀性较明显, 其地表能量不平衡问题具有一定的复杂性和典型性. 对该地区地表能量不平衡问题研究不仅需要充分考虑在许多地区影响比较显著的浅层土壤热储存量的贡献[22], 而且还需要考虑该地区沟险峻地貌和下垫面不均匀引起的垂直感热平流输送的作用. 所以, 本文试图利用陇中黄土高原榆中陆面过程综合观测资料, 探讨通过引入近地层垂直感热平流项和浅层土壤热储存项, 从物理机制上改进地表能量平衡方程, 并用观测试验资料检验改进的效果.该研究会丰富对地表能量不平衡问题的理解,发展从物理上改进地表能量不平衡问题的思路。

1 观测资料介绍

本文研究资料来自坐落在陇中黄土高原榆中的SACOL 站. 该站位于35.94°N,104.13°E, 海拔高度为1961m,它位于一个过渡地带之间潮湿的季风和干燥的非季风气候区，它是黄土地区的典型观测点高原陆面过程实验（LOPEX）程序[23，24 ]。该网站有0.08平方公里的面积，并位于在萃英山顶，这是一个近北西到西的榆中校区兰州大学。现场周围的表面是覆盖的自然植被，主要包括短草。在一个大的空间尺度上，非均匀的基础由复杂的不平坦的地形，形成的表面反映黄土高原地貌的典型特征。

SACOL 站的观测项目相对比较齐全, 包括地表辐射分量: 测量仪器架设在1.5 m 高处; 6 层土壤温度:感应头埋在2,5,10,20,50和80cm 深度; 5 层土壤湿度:感应头分别埋在5,10, 20, 40 和80 cm 深度; 2 层土壤热流量: 热流板埋置在5 和10 cm; 一套三维超声风速仪: 感应头架设在3 m 高处. 这些观测仪器在国际上比较通用, 精度相对比较高, 其主要技术指标已有文献[25]做过详细说明. 并且, 对所有资料均做过比较严格的质量控制[26], 尽可能消除观测误差。本研究主要用2008 年夏季6 月1 日至8 月15日期间的观测资料, 这段资料是在仪器标定初期进行观测的, 仪器性能较好, 资料误差较小, 也相对比较连续. 并且,为了保证资料的可靠性, 还剔除了多云天和降水天等明显非定常天气条件下的观测资料.所以, 实际用来分析的资料总共有11 d, 这些资料相对可靠、连续, 基本能够代表典型夏季晴天的特征.同时, 为便于分析, 把这11 d 按先后顺序编为1~11的时间序列. 本文所用时间均为北京时。

2 修正地表能量平衡方程

2.1地表能量失衡

在水平和均匀的表面的理想条件下和稳定的大气，地表能量平衡通常是表示为[ 27 ]

（1）

上式中,H0 为地表感热通量,EO为地表潜热通量, GO 为地表土壤热通量, 单位均为W/m-2. 它们一般能够用近地层感热、潜热通量和浅层土壤热通量来代替.Rno为地表净辐射, 可由下式计算得到:

（2）

其中, RSd为地表总辐射, RSn为地表反射辐射, RId为大气向下长波辐射, RIn为地表向上长波辐射, 单位均为W/m-2, 可直接观测得到。

底层的表面是异质的和大气热状态不稳定。此外，它是土壤热通量直接测量。因此，方程（1）在大多数情况下并不满意；即，左侧方程（1）不等于右边的区别它们是能量失衡的剩余。这个剩余的表面能量不平衡计算公式为：

(3)

上式中D0为不平衡差额, (Rn0 G)为地表可利用能量,(H0 E0)为地表有效能量, 也就是实际观测到的地气交换的热通量。另外, 为了表征每天小时尺度能量不平衡的平均状况,还应给出不平衡差额绝对值的日平均值, 可用来计算, 其中i 表示时间序列.

实验研究发现不平衡问题的很多原因。仪表精度影响数据质量的测量误差在很大程度上有助于不平衡。其他重要因素包括持续改变大气状态和不均匀性表面。严格的数据质量控制前收集磁通数据可以大大减少不平衡。不过即使已经进行了质量控制，仍然有一个明显的不平衡可能与忽视的热量土壤层和垂直热对流的储存转移。

2.2 考虑土壤热存储项

目前的测量技术是不能直接测量土壤真正的土壤热通量，这是经常被替换通过测得的土壤热通量在浅层中计算。在我们的研究中，热的最浅深度通量板为5厘米，这是一个长期适合长期黄土高原的热通量观测。如果埋葬板集更浅，储热的计算变得困难和容易暴露在表面的板通过风和土壤侵蚀。上面的土壤层板可以存储相当大的能量，这是被称为土壤热储存期和结果有很大的差异之间的真实表面的热通量和测量通量。在特别是在干旱和半干旱地区具有强烈的加热由太阳辐射，在同一土层中的蓄热比其他气候区更大。合并储存期限，式（1）改写为：

(4)

这里, S 是0到5cm 层的土壤热储存量. 由此, (3)式可改写为:

(5)

上式中, Ds 是补充了土壤热储存量S 之后的地表能量不平衡差额, S 可下式[28]计算:

(6)

上式中，可以用差分来近似表示：

(7)

将(7)式代入(6)式, 并进行离散处理后可以变为：

(8)

其中,为土壤的体积热容, 单位为J(m3 K)-1; T(zi,t)为各层土壤温度, 单位为℃, 这里0.2取0.5 cm 深的土壤温度. 对于同一种土壤来说, 土壤体积热容量主要随土壤体积含水量变化, 可以表示为[29]

（9）

其中,CSd是干土壤体积热容, 黄土壤可取为2.3times;106J(m3 K)-[30];是土壤粒隙度, 观测点实测值为0.53[26];CW是水的体积热容, 一般为4.19times;106 J (m3 K)-1[21];是土壤体积含水量,位为m3 m-3, 可观测得到有研究[26]已对该方法计算的土壤热储存量进行了验证, 认为其与土壤热传导方程等方法的计算值比较一致。

2.3垂直感热平流项

垂直感热平流可以被认为是热垂直平流引起的转移，有别于湍流运动对热量的垂直输送。一般情况下均匀的表面和稳定的气氛的条件下，大气几乎处于静态平衡状态没有垂直的平流，因此，垂直的效果不考虑平流。然而，过于复杂地形和非均匀的表面，在表面热空间分布或地形提升效果通常引起局部环流和中尺度和小尺度运动，导致垂直运动小而对能源预算有显著影响。加热有时辐射引起大的空气温度梯度在表面层。由于不均匀的垂直大气温度分布，垂直平流转热，诱导垂直感热平流。在考虑垂直感的贡献热对流、地表能量平衡方程（4）改写为：

（10）

在上式中, Hvad是近地层垂直感热平流通量, 单位为W/m-2. 由此, (5)可改写为:

（11）

这里, Dv是补充了土壤热储存项和垂直感热平流项后的能量不平衡差额. 垂直感热平流通量Hvad可用下式计算[20]

（12）

其中,是空气密度,CP是空气定压比热; Zr为超声风速仪探头的垂直高度;w是近地层垂直速度, T 是近地层大气温度. 假定w 在近地层较小的梯度范围内不变,上式可简化为:

（13）

这里,wr是近地层zr高度的垂直速度, T / z 是近地层zr高度处的温度梯度, 可分别由超声观测系统和微气象塔观测系统得到. 在本文中, zr取3 m。

3 结果与讨论

3.1土壤热存储项对地表能量的不平衡影响

图1 是未作任何修正前初始的地表能量不平衡差额变化特征, 这里所有地表能量平衡分量均是直接观测值, 仅对数据做了必要的质量控制, 对近地层潜热通量进行了虚温湿度订正以及WPL 修正[31]。如图，如果没有物理修正的能量平衡，残留在我们的研究中是有意义的。许多以前的研究[32，34]得出结论，能源不平衡总是体现于可用能量的低估即地表有效能量低于可利用能量。事实上，可用的能量高于白天热通量之和虽然趋势在夜间相反。白天，山顶的可用能量过剩超过120 W M-2，而在晚上，可用的能源通常不超过90W M -2。所以全天地表能量收支总体仍然表现为地表有效能量低于可利用能量即有效能量被低估。平均热通量的总和约为60 W M -2小于可用能量。这样的大剩余无疑是一个严重的问题，为土地与大气间相互作用的研究。它也影响天气分析和气候评价[ 35 ]，也阻碍了陆面过程模式和遥感反演等工作的进一步发展。

为了更好地了解土壤热储存的影响能量失衡，地表土

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