王介民200905 近地层能量平衡闭合问题VIP专享VIP免费

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（E，E为蒸散量，为蒸发潜热）之和相等。然而，EC方法观测到的热通量（H+E）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。国内在对1998年青藏高原加强观测1（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]，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+E）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，重点介绍最近两年一些开创性的工作。最后结合‘黑河综合实验’几...