额济纳绿洲地表土壤热通量特征及模拟估算

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00061

摘要/Abstract

摘要：

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量，研究其变化特征对理解能量平衡过程具有十分重要的意义。利用中国科学院阿拉善荒漠生态水文试验研究站实际观测数据，分析了额济纳绿洲在不同天气条件（晴天和阴天）和时间尺度下地表土壤热通量变化特征，并采用强迫恢复法对地表土壤热通量进行了估算。结果表明：（1）晴天地表土壤热通量的日总量、平均值、最大值和振幅等都明显大于阴天。（2）在观测期内，地表土壤热通量总体呈先升高后降低的趋势，最大值出现在7月中旬，最小值出现在10月初，二者之间的日均值相差超过了900 W·m^-2。（3）不论晴天还是阴天，净辐射较地表土壤热通量在早晨和晚间都是先达到零值，且净辐射在正午前后先达到峰值。（4）对地表土壤热通量取绝对值可以看出，无论昼夜，均是晴天大于阴天。（5）一天内地表土壤热通量占净辐射的比例随着时间递减。（6）基于强迫恢复法估算的额济纳绿洲地表土壤热通量与实测值具有较好的一致性，可用于地表土壤热通量模拟。

关键词: 土壤热通量, 梯度热量法, 强迫恢复法, 额济纳绿洲

Abstract:

The soil heat flux is an important component of the surface energy balance equation， thus the observation and calculation methods of soil heat flux are of great significance. Aimed at the typical arid area in China-Ejin oasis， and based on the data collected from Alax Desert Eco-Hydrology Research Station， this paper used the gradient calorimetric method to calculate surface soil heat flux and analyzed its variations in different weather conditions （sunny and cloudy days）， results showed that：（1） The total， average， maximum and amplitude values of surface soil heat flux on sunny days were significantly greater than those on cloudy days. （2） During the observation period， the surface soil heat flux generally increased firstly， and then decreased， with the maximum and minimum values appearing in the middle of July and early October， respectively， and the difference between them was more than 900 W·m^-2. （3） No matter it is a sunny or cloudy day， the net radiation reaches zero firstly both in the morning and evening， and also reaches peak values around noon firstly. （4） Taking the absolute value of surface soil heat flux， we can see that the values on sunny days were always greater than those on cloudy days regardless of day and night. （5） The ratio of soil heat flux to net radiation in a day decreased with time. （6） The values of surface soil heat flux estimated by the forced-restore method are in good agreement with the measured values， the forced-restore method can be used to simulate the surface soil heat flux in Ejin Oasis.

Key words: soil heat flux, gradient calorimetric method, forced-restore method, Ejin Oasis

中图分类号:

P463.23

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图/表 11

图1 研究区地理位置

Fig.1 Location of the study area

表1 土壤温度、湿度、热通量和净辐射观测的仪器及有关参数

Table 1 Instruments for the observation of soil temperature， humidity， heat flux and net radiation

名称	型号	生产厂商/国家	安装位置/m
土壤热通量板	HFP01	HUKSEFLUX/荷兰	地下0.1、0.3
土壤温湿度传感器	SMC300	Spectrum/美国	地下0.1、0.3
净辐射	CNR4	Kipp & Zonen/荷兰	地表

图2 晴天和阴天试验地地下0.1 m和0.3 m处土壤温度日变化

Fig.2 Diurnal variations of soil temperatures at 0.1 m and 0.3 m depth underground of the study site on sunny and cloudy days

图3 试验地地下0.1 m和0.3 m处土壤温度月变化

Fig.3 Variations of soil temperatures at 0.1 m and 0.3 m depth underground of the study site

图4 晴天和阴天试验地地表、地下0.1 m和0.3 m处土壤热通量日变化

Fig.4 Diurnal variations of soil heat fluxes at the earth's surface， and the 0.1 m and 0.3 m depth underground of the study site on sunny and cloudy days

图5 试验地地表土壤热通量月变化

Fig.5 Monthly variarion of soil heat flux at the earth's surface of the study site during the observation period

图6 试验地地表土壤热通量和净辐射的关系

Fig.6 Relationship between soil heat flux at the earth's surface and net radiation at the study site

图7 试验地地表土壤热通量模拟

Fig.7 Modeling of soil heat flux at the earth’s surface at the study site

表2 试验地地表土壤热通量验证

Table 2 Verification of soil heat flux at the earth's surface at the study site

天气条件	E₁	d₁	MAE	R²
晴天	0.844	0.918	5.678	0.986
阴天	0.819	0.907	4.117	0.971

表3 地表土壤热通量对能量平衡闭合的影响

Table 3 Influence of soil heat flux exerted on the energy balance ratio

能量平衡闭合率	月份
能量平衡闭合率	5	6	7	8	9	10
(H+LE)/ (R_n- G_0.1)	0.74	0.81	0.83	0.84	0.87	0.85
(H+LE)/(R_n- G₀)	0.77	0.85	0.88	0.90	0.92	0.89

图8 试验期内感热（H）和潜热（LE）通量变化趋势

Fig.8 Variations of sensible and latent heat fluxs during the study period

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