日照时长对青海湖草地能量平衡的影响

李 甫，李凤霞，周秉荣，肖宏斌，颜亮东

(青海省气象科学研究所,青海 西宁 810001)

太阳辐射能是地-气系统最重要的能量来源。由于大气组分对辐射能的选择性吸收造成大气对太阳短波辐射的直接吸收很弱,主要是吸收地面的长波辐射，所以当太阳辐射穿过大气到达地球表面时将产生一系列的能量再分配，而下垫面的不同会对能量再分配造成影响，从而产生不同下垫面条件下的能量平衡，这是影响植被生产力的重要因素[1]。目前，能量平衡研究因子中的净辐射和土壤热通量可以直接测得，感热和潜热通量通常用涡度相关法、梯度法、整体法、波文比法、彭曼法以及组合法[2-3]等计算。近年来,我国研究人员已对森林[4-8]、草原[9-10]、农田[11-13]、沙漠[14]、冰川[15]以及其他类型[16-17]下垫面的能量平衡及其因子进行了研究分析。青藏高原作为我国天气变化“启动区”，其能量平衡也是研究的热点,李韧等[18]和季国良等[19-20]分别对五道梁的能量平衡方程中各分量特征和地面对大气的加热状况进行了分析研究；李国平等[21]分析了改则、狮泉河的地面能量平衡和地面热源强度；Liu等[22]分析了改则、当雄、昌都三地的近地面层风速、温度和湿度日变化特征及廓线规律；张法伟等[23]和姚德良等[24]利用中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站的数据，前者分析了高寒草甸地面热源强度及其对生物量的影响，后者改进了适合于高寒草甸生态系统的陆地生物圈模式；Tanaka等[25]以1998年“全球能量与水循环亚洲季风之青藏高原试验”加强观测试验期资料为基础分析了青藏高原东部地表能量平衡及能量闭合状况；李泉等[26]分析了西藏高原高寒草甸能量闭合状况。以上研究都是利用晴天或是某个时间段内的平均状况分析能量平衡，少见对不同太阳辐射条件下能量平衡的研究。作为地-气系统的主要能量来源，太阳辐射的能量差异，肯定会导致地-气系统接收的辐射能以及能量的二次分配，进而影响能量平衡及其因子。由于太阳辐射的观测仪器在青海只有个别台站配备，不利于大范围观测研究，而日照时数则不同，大多数台站都有观测数据，加之日照时长与太阳直接辐射息息相关。因此，本研究尝试利用日照时长的差异来模拟太阳辐照能的差异，得到不同太阳辐射条件下的能量平衡差异，进而分析太阳辐射能对草原地-气间能量平衡的影响，为以后进一步研究高原对大气环流的热力作用和太阳辐射对青海草地生产力的影响打下良好基础。

1 研究地区与研究方法

1.2观测要素及时间 在研究地区安置TRM-ZS4环境梯度监测系统进行连续定位观测。观测项目有总辐射、净辐射、反射辐射，2个高度(0.5和2.0 m)的风速风向、空气温度和相对湿度，气压，3个土层深度(0～10、10～30、30～50 cm)土壤热通量、土壤温湿度以及3个深度的土壤水分。自动观测系统自带数据采集仪自动记录观测数据,每5 min记录一次。

为保证大环境的相对一致，选取2009年8月31日-9月17日的观测数据。日照依据时长(R)，分为R1≤3 h、3 h

1.3计算方法 波文比-能量平衡法是通量计算中应用较为广泛的方法之一，胡隐樵[3]根据误差理论分析，比较了在近地面层内各种间接确定湍流通量方法的观测误差，结果表明在相同的观测条件下间接法确定湍流通量波文比法误差较小。波文比法是基于地表能量平衡方程和湍流垂直输送方程计算近地层湍流通量的[28]。

诸如植物冠层储热和地下能量水平输送[29]等因子，对于下垫面为草地等低矮植被类型的能量平衡研究中常常忽略不计，地表能量平衡简化方程为：

Rn=H+λΕ+G；

(1)

式中，Rn为净辐射(W/m2)，H为感热通量(W/m2)，λΕ为潜热通量(W/m2)，G为土壤热通量(W/m2)。

波文1926年定义的波文比β公式为：

β=H/λΕ=γΔt/Δe；

(2)

那么潜热通量λΕ和感热通量H分别表示为：

λΕ=(Rn-S)/(1+β)；

(3)

H=β·(Rn-S)/(1+β)。

(4)

式中，Δt为两个高度的温度差(℃)；Δe为2个高度的水汽压差(kPa)，γ为干湿表常数(kPa/℃)。

2 结果与分析

2.1不同极端日照条件下能量平衡及各分量的日变化特征 研究区域9月份的日照一般在06:00-18:00(12 h)；选取2个日照极端时长(日照时间分别为11.9和0 h)分析能量平衡及分量的差异之所在，为3种日照条件能量平衡的差异分析提供方向和切入点。

2.1.1不同极端日照条件下能量平衡各分量的日变化特征 两种极端日照条件下，能量平衡存在明显差异。表征地面辐射能收支间差值的净辐射，取地面收入大于支出为正值，反之为负值(下文同)。无日照条件下的净辐射介于-17.2～92.8 W/m2；与此相反，11.9 h日照时，因为白昼吸收的太阳辐射能较多，故而夜间以长波辐射返回大气的热能也较多，进而导致其净辐射昼夜的绝对值比无日照时大很多，介于-44.3～510.8 W/m2(图1a)。

土壤热通量取能量从地面浅层向深层传递为正值，反之为负值(下同)。2种极端日照条件下的土壤热通量最显著的差异在于：无日照时土壤热通量全部为负值，即能量由土壤深层向浅层传递，大小介于2.9～10.0 W/m2；而11.9 h日照条件下，凌晨00：00至次日上午11:00能量是由土壤深层向浅层传递，12:00-23:00由于土壤浅层吸收太阳辐射，温度升高，能量由土壤表层向深层传递，传递的能量介于-27.0～48.4 W/m2(图1b)。

图1 晴天和阴天条件下热量平衡各分量差异分析

感热通量和潜热通量中取地面收入的能量大于支出为正值，地面支出的能量大于收入为负值(下文同)。11.9 h日照条件下，感热通量的值介于-38.7～249.2 W/m2，20:00至次日06:00，地表以感热形式向大气输出能量，07:00-19:00则变成地面以感热形式吸收能量；无日照时感热通量的值只有-4.0～72.5 m2；收入与支出间的转化则分别出现在08:00和20:00(图1c)。地面以潜热形式收支能量的变化与感热通量基本一致，11.9 h日照时潜热通量介于-16.7～259.6 W/m2；无日照时只有-4.1～26.7 W/m2(图1d)。

2.1.2不同极端日照条件下能量平衡的日变化特征 2种极端日照条件下地面在中午前后都是吸收能量，只是11.9 h日照吸收的能量大而已；夜间基本表现为地面支出能量，同样11.9 h日照由于白天吸收的能量较多，夜间支出的能量也较无日照时多(图2)。对于地面吸收或支出的能量，2种极端日照条件下地面与贴地层大气的交换形式差异很大，在某些时段甚至是截然相反(图3)。

2.2不同日照条件下能量平衡各分量的日变化特征 极端日照条件在研究区域发生的概率不高，故按照最长日照时间的60%和25%，将日照时长分为3类来分析其能量平衡特征，可能会更有意义。

图2 极端日照条件下能量收支差异

图3 极端日照条件下波文比差异

2.2.1不同日照条件下能量平衡各分量的差异性分析 对3种日照条件下能量平衡各分量进行方差分析后可知，组间差异极显著(表1)，对各分量在不同日照条件下的值采用最小显著差数法(LSD法)进行多重比较，结果显示，对于净辐射通量、土壤热通量和感热通量而言，R1与R2、R3之间差异极显著，R2和R3之间差异不显著；潜热通量则是R1与R3之间差异极显著，R2和R1、R3之间差异显著(表2)。

表1 3种日照条件下能量平衡各分量的方差分析

表2 能量平衡各分量在3种日照条件下的多重比较

2.2.2不同日照条件下净辐射、土壤热通量日变化分析 不同日照条件的峰值差别比较大，从大到小(R3>R2>R1)依次为：491.8、363.2和173.6 W/m2；绝对最大值分别发生在13:00、16:00和14:00时，故而净辐射曲线对正午是不对称的，这与直接辐射有关(图4)。净辐射由负值转到正值以及由正值转到负值的时刻与日照条件无关，均出现在日出和日落后1.5 h附近。

图4 3种日照条件下净辐射日变化

3种日照条件下的土壤热通量变化趋势一致，只是能量传递方向改变时间稍有差异，地表能量开始向地下传递的起始时间分别为14:00、13:00和12:00；终止时间分别为20:00、21:00和22:00。土壤热通量的峰值及峰值出现时间也存在差异，峰值由大到小分别为36.0(R3)、24.7(R2)和7.5 W/m2(R1)；峰值出现时间在15:00-17:00。R3条件下，土壤热通量的负向最大值出现在08：00，为-16.9 W/m2；R2条件下，负向最大值出现在05：00，为-10.7 W/m2，R1条件下，负向最大值出现在04：00，为-10.3 W/m2(图5)。

2.2.3不同日照条件下感热通量、潜热通量日变化分析 3种日照条件下潜热通量分别在05:00(R2)、07:00(R1、R3)之后，地面开始以潜热方式吸入能量，峰值出现在13:00-14:00，此过程在20:00后改变为地面以潜热方式开始释放能量，R3条件下传递的能量最大。3种日照条件下潜热通量峰值差异很大，由大到小分别为221.3(R3)、153.8(R2)、63.9 W/m2(R1)；相对于R2、R1而言，R3条件下，随着净辐射的变化，潜热通量变化幅度很大，6 h内，增加或减少近220 W/m2(图6)。

图5 3种日照条件下土壤热通量日变化

图6 不同日照条件下潜热通量日变化

感热通量在晚20：00至次日早07：00之间，土壤以感热形式向大气传递能量，反之，土壤以感热形式吸收能量(图7)。显而易见，R3条件下，感热通量峰值最大(254 W/m2)，R2条件下次之(186 W/m2)，R1条件下最低(113 W/m2)。由于R3条件下白昼土壤从大气吸收的能量较多，所以在20:00后，土壤以感热形式输出的能量比R2、R1条件下多。三者负向峰值出现时间一致，均为21:00，负向峰值由大到小分别为35.0(R3)、9.3(R2)和8.1 W/m2(R1)。

图7 不同日照条件下感热通量日变化

2.33种日照条件下能量平衡的日变化分析 将能量平衡公式Rn=H+λΕ+G中的土壤热通量移到公式的另一边，得到，Rn-G=H+λΕ；表明地面吸收(支出)辐射能后，除去向下(上)传递的能量，其他收入(支出)的能量以感热和潜热形式与贴地层大气交换。其中，Rn-G称为地面热源强度[30]。故将能量平衡的变化分地面热源强度和波文比2个方面来具体分析地面能量收支和收支形式的分配情况。

地面热源强度变化与净辐射的变化相似，08:00-19:00，3种日照条件的地面热源强度均为正值，即地面从外界吸收能量，而其余时间内，则地面热源强度均为负值，地面向外界输送能量(图8)，但总体是地面接收能量。虽然3种日照条件改变能量收支的时间一样，但传输能量的大小却有很大不同，3种日照条件的加热场强度最大值从大到小(R3>R2>R1)依次为475.6、339.7和171.1 W/m2。

3种日照条件下，波文比的变化具有很大差异，不过总体而言，感热在整个地面能量收支中占有较重要的地位(图9)。R3条件下，感热在能量传递过程中明显占据主导地位，特别是日落时间段(18:00-次日06:00)，感热通量是潜热通量的1.5倍以上，表明能量交换主要以湍流为主；日出以后，随着地面和大气温度的快速变化，水汽相变收支的能量增强，潜热通量比重开始增大，并在14：00附近达到最大值，只是此时也仅是比感热通量稍大而已。R2条件下，09:00之前潜热所占比重较大，10:00-19:00，感热所占比重较大，此后两者几乎持平。而R1条件下，在07:00-10:00时间段内潜热通量略大于感热通量，其余时间潜热通量比感热通量小。

图8 3种日照条件下地面加热场日变化规律

图9 3种日照条件下波文比日变化规律

3 讨论与结论

2种极端日照条件下能量平衡存在极大差异，主要表现在能量收支的大小以及地-气之间能量交换的主要形式等方面，此外，各分量在2种条件下也存在大小、收支转换时间等差异，特别是土壤热通量，在无日照时，全部为负值。这就说明，虽然阴天地面也可以吸收一部分散射的太阳辐射能，但相比于太阳直接辐射还是很小，仅占其18%左右，而且对于给定的太阳高度角和大气物理特性，散射的太阳辐射能也基本相同，所以用日照时间长短可以近似地反映太阳辐射能的大小，为讨论3种日照条件的能量平衡问题提供了试验依据。

通过方差分析和多重比较证实3类条件下能量平衡分量存在明显差异，各类的能量平衡及其分量具有明显的规律。首先是峰值随日照时长的减少而减小；其次是峰值出现的时间也不相同，日照大于7 h下峰值出现时间最早；再次是除了土壤热通量外地面能量收支转换的时间基本相同。日照在3～7 h内条件下的净辐射、土壤热通量和感热通量的差异不显著，这可能是因为，日照时长虽然介于3和7 h之间，但日照的出现时间却不同，譬如日照出现上午和中午时，日照时长一样，但接收到的能量却相差很大，造成组内差异较大，从而掩盖了组间差异。这个问题需要在多年同时相段资料内选取大量观测数据，将日照时长和日照时间同时作进一步细化研究。另外，3种日照条件下感热和土壤热通量峰值出现时间的差异，可能与10 cm土壤内储存的能量的差异有关，因10 cm以上土壤中含有大量植物根系，为了不破坏植被无法安插土壤热通量板，所以将0～10 cm土壤作为一个整体来研究地面能量的收支。但忽略地表和热流板之间的土壤热存储会造成感热和潜热的计算误差[31-32]。土壤热通量的差异还可能是因为日照长小于7 h下常常伴有降水会增加土壤水分进而增加导热率有关[7]。

由于高原地表空气密度较小，所以相同强度的地面热源其加热效应要比平原地区大一倍，所以造就了青藏高原对大气的热力作用[30]。地面热源强度分析可知，环青海湖地区在9月上中旬，地表一直是吸收能量，而且与日照时长呈正相关。地-气之间的交换形式随日照时长的增加，变化有点复杂，20:00至次日08:00间，日照时长大于7 h感热明显增大，日照时长小于7 h差异不大；其他时间不同日照时长间的差异较小，日照时长小于7 h感热和潜热比值一直都在1附近，而日照时长大于7 h感热通量明显大于潜热通量，这可能是因为日照较短的2种条件下大都有降水，地面和大气湿度的增强增大了潜热的比重。

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