北京郊区草地夏季能量收支平衡的数值模拟

张小华，高志球，宋玉芝，王琳琳，陈梁，顾荆奕，陈洪良

(1．南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京210044;2．中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京100029;3．苏州市吴中区东山气象站，江苏苏州215107)

0 引言

陆—气相互作用主要通过地—气之间的动量、能量和水汽交换影响大气边界层结构，进而影响局地天气过程和大气环流运动(Bounoua et al．，2002;Defries et al．，2002;Chen et al．，2003)，因此陆面过程的研究一直受国内外相关学者的关注(马耀明等，2000;Gao et al．，2003a，2009;Choi et al．，2004;Bi et al．，2007;吕晶晶等，2013)。从已有的研究可知，陆—气相互作用强度除受到太阳辐射和大气状况等因素影响外，还依赖于地表特征(如:植被类型、土壤温度、土壤湿度、地表粗糙度、地表反照率等);其研究方法以野外观测试验、数值模拟和卫星遥感为主(王介民，1999;Gao et al．，2003b，2004;杨智等，2010)。其中，野外观测试验由于其结果能真实地反映下垫面与大气相互作用的过程，能够为数值模式提供初始值、强迫场和校验场等，因此运用的最为广泛。

精确描述陆—气湍流通量交换物理过程的陆面过程模式是大气环流模式(GCM，General Circulation Models)的重要组成部分。Sellers et al．(1986)研发了简单生物圈模式(SiB，Simple Biosphere Mode1)。SiB综合考虑了辐射平衡、湍流能量输送，以及土壤水热过程。在 SiB基础上，Sellers et al．(1996a，1996b)研发了 SiB2(Simple Biosphere Model 2)，并将其耦合进入GCM。与SiB相比，SiB2有以下几点改进:1)将植被的两层处理方案改为单层处理方案;2)引入了光合—水传导子模式，进一步描述了CO2和水汽在植被内部与外部大气之间的传输过程;3)提出了通过卫星资料反演计算模式所需的三个重要参数:光合作用有效辐射比、总叶面指数和绿色冠层比;4)模式根据全球植物生理形态将SiB中的12种植被类型简化为9种;5)模式充分考虑下垫面植被在大气—土壤之间物质、能量循环中的作用，将反照率、蒸腾和粗糙度等相关学科概念有机结合起来，强调对土壤—植被—大气相互作用复杂过程的描述;6)加入了融雪水方法，从而避免了当表面雪的厚度很薄或正在减少时造成的热通量的快速上升和表面反照率的跳跃;7)调整水文子模式，更好地描述径流，更精确计算在土壤廓线内的相互作用层。SiB2(Sellers et al．，1996a)采用“强迫—恢复”方法模拟地表温度。但有研究(Gao et al．，2004;Hong and Kim，2008;薛彦广等，2010)表明，SiB2 系统性地高(低)估白天(夜间)地表温度。导致SiB2这些偏离的原因至今仍然不十分清楚，但是这些偏离可能直接导致模拟结果的不确定性。Zhang et al．(2012)分析了SiB2中的土壤热传导率表达式，并用土壤热传导率的最新表达式取代了SiB2原来的土壤热传导表达式，并考虑了土壤水分垂直运动造成的土壤热扩散系数的垂直非均匀分布，改进后的SiB2有效地改善了对青藏高原那曲草原地表能量平衡的模拟结果。为了检验陆面过程模式对稀疏草地地表能量分配的模拟能力，本文用土壤热传导率的最新表达式取代SiB2中原有的土壤热传导表达式改进SiB2(简称改进版SiB2)，分别利用原版和改进版SiB2来模拟2010年7月22日—8月5日期间北京郊区阳坊镇坦克打靶场草地的辐射平衡、能量收支等过程，并将原版和改进版SiB2模式的模拟结果与观测资料比较，并进一步验证更新了土壤热传导率方程式后的SiB2(改进版)对地表能量分配的模拟能力。

1 资料来源和方法

1.1 观测站点概况

北京阳坊气候属于暖温带大陆性季风气候的半湿润区，年平均降水量为550～600 mm，降水大部分集中在7、8月。年平均气温11.8℃，无霜期180 d，生长期200 d左右，而且气温季节变化明显。风向多为西北风，最大风力可达9级，高温期与雨季一致。本次大气边界层湍流观测实验地点在阳坊二炮坦克打靶场，植被为稀疏短草(116.112 1°E，40.162 7°N)，该观测站的植被类型代表了北京周边地区的植被类型。

1.2 野外试验

在北京阳坊二炮坦克打靶场建立一个12 m高的气象观测塔，将梯度自动观测系统架设其上。分别在4、7.5和11 m处安装空气温湿度探头(Vaisala，HMP45C)和风速传感器用来测量不同高度的风速、空气温度以及空气湿度，并在11 m处安装风向传感器观测风向。涡动相关微气象观测系统由三维超声风速仪(CSAT3，Campbell Scientific Inc．)，Licor7500水汽和二氧化碳分析仪(Licor，USA)和CR3000数据采集器(Campbell Scientific Inc．)组成。其中三维超声风速仪(CSAT3，Campbell Scientific Inc．)和Licor7500水汽和二氧化碳分析仪(Licor，USA)安装在距地面高度为10 m处，三维超声风速仪测量高频风分量(u、v和 w)和超声虚温，licor7500水汽和二氧化碳分析仪测量 CO2和H2O的密度。涡动相关系统的采样频率为10 Hz。CR3000数据采集器和大气压力传感器安装在1.5 m处。同时，利用两块土壤热通量板(HFP01SC，Campbell Scientific Inc．)进行两层土壤热通量的测量(0.05、0.1 m)，利用4个109土壤温度传感器分别测定不同深度(0.05、0.1、0.2、0.4 m)的土壤温度，利用两个 CS616土壤含水量传感器分别在土壤深度为0.1和0.2 m处进行土壤湿度的测量。在12 m塔附近安装了一个TE525MM雨量桶(距离地面高度0.7 m)，四分量辐射表(CRN1，Kipp＆Zonen Inc．，安装高度1.5 m)。10 Hz的涡动数据、四层土壤温度、两层土壤含水量和雨量观测数据都通过CR3000数据采集器储存在2 G的存储卡上。存储的数据包括实时数据和30 min一次的平均值。利用2块80 W的太阳能板和蓄电池为仪器供电。

测量数据由于受到天气因素、环境条件以及仪器本身的属性限制等影响，在分析资料前，用数据处理软件(Edire)对获得的原始数据进行质量控制，主要包括6方面:野点检测和校正、坐标旋转、平面拟合、趋势去除、WPL 校正(Webb et al．，1980)、稳态检验。去掉不合理或因仪器出现故障、天气等原因产生的异常数据，并进行数据订正插补。

1.3 通量计算

湍流热量、动量和水汽交换控制着输送给大气的热量、大尺度运动的动能耗散、大气的水分收支。目前计算地表湍流通量的方法很多，既有直接进行测量的涡动相关(eddy covariance)法，也有间接计算方法如波文比—能量平衡法(Bowen ratio energy balance method)，空气动力学法(aerodynamics/flux profile method)等。由于涡动相关法是通过快速传感器测定大气中湍流运动产生的风速脉动和物理量脉动，直接计算风速脉动和某物理量(如温度、CO2和H2O等)脉动的协方差来计算能量和物质通量。计算过程中，几乎不存在任何假设，且方法直接、简易，但必须使用高精度、响应速度极快的湍流脉动传感器。近年来，由于超声风速计和高性能气体分析仪的开发和改进，涡动相关法已成为直接测定大气与群落CO2交换通量的最可靠方法，也是世界上CO2、水热通量测定的标准方法(沈艳等，2005)。本文应用的资料是通过涡动相关法测得。

涡动相关法(eddy covariance)计算感热(H)、潜热(Le)通量公式为:

其中:¯ρ、cp和L分别表示测量高度处大气平均密度(kg·m－3)、大气比热(J·kg－1·K－1)和汽化潜热(J·kg－1);w'、q'和 T'分 别 表 示 垂 直 风 速w(m·s－1)、比湿 q(g·kg－1)和气温 T(K)的脉动量。

地表土壤热通量G0的计算公式如下:

其中:G1为0.05 m处测得的土壤热通量测量值;Cg(1.47 × 106J·m－3·s－1)是土壤的体积热容量(Gao，2005);Δz为热通量板上层的土壤厚度，取0.05 m;Ts为0.05 m深浅土层的平均温度(地表温度和5 cm处温度的平均值得到)。

2 试验设计

2.1 SiB2参数的设定

SiB2中的大多数参数体现了植被的基本物理和生物特性，如辐射传输模式中叶片的反照率和传输率、土壤子模式中的水文参数等。SiB2对参数设置非常敏感，Colello et al．(1998)检验了SiB2对高草类大草原整个生长期间内的温度变化、能量分配和CO2通量变化的模拟能力，先后使用SiB2隐含参数值和根据实际情况调整后的参数值作了对比，发现调整参数后的SiB2能够准确地模拟出地表能量收支的日变化。本文参数由实测和经验估计得到，并根据SiB2的植被类型的划分，该植被类型属于类型6(Sellers et al．，1996b，即短草草地。土壤类型属于类型4(Sellers et al．，1996b)，即介于粘壤土和砂质粘壤土之间。根据实测值可知，短草的顶部和底部的平均高度分别为0.6和0.1 m，观测期间的植被覆盖率为80%，总土层的深度为1.0 m，三个土壤层次分别为地表层(0～0.02 m)、根区(0.02～0.3 m)和补给区(0.3～1.0 m)。调整的参数如表1所示。

2.2 强迫数据

SiB2模式共需要输入6个强迫变量，分别为向下短波辐射、向下长波辐射、水汽压、气温、观测高度上的风速和降水量。图1为7月22日—8月5日期间的野外试验测量的6个气象强迫变量的时间序列。这一时期向下短波辐射的最大值(平均值)为757.23 W·m－2(144.46 W·m－2)，向下长波辐射的最大值(平均值)为 479.25 W·m－2(429.06 W·m－2)。参考高度(4 m)处的风速、水汽压和温度的平均值分别为 2.17 m·s－1、26.65 hPa和302.30 K。

图1 SiB2气象强迫量的时间序列 a．向下短波辐射(单位:W·m－2);b．向下长波辐射(单位:W·m－2);c．4 m高度处水平风速(单位:m/s);d．4 m高度处水汽压(单位:hPa);e．4 m高度处空气温度(单位:K);f．降水量(单位:mm)Fig．1 Time series of the atmospheric forcing quantities used by SiB2 a．downward short-wave radiation(units:W·m －2);b．downward-wave radiation(units:W·m －2);c．horizontal wind speed(units:m/s)at 4 m altitude;d．vapor pressure(units:hPa)at 4 m altitude;e．air temperature(units:K)at 4 m altitude;f．precipitation(units:mm)

在整个观测期间，强迫量中向下短波辐射和气温都表现出明显的日变化。向下短波辐射的最大值达到757.23 W·m－2，平均值144.46 W·m－2。平均向下长波辐射白天(夜晚)436.42 W·m－2(420.95 W·m－2)。向下长波辐射的日变化不明显，平均值为429.06 W·m－2。平均向下短波辐射白天(夜晚)276.58 W·m－2(0.82 W·m－2)。整个实验阶段，降水量少(DOY 215，降雨日)，土壤处于干旱状态，土壤体积含水量平均值为9.42%。

2.3 初始化

SiB2中有8个量需要设置初值，分别为冠层温度、地面温度、土壤深层温度、冠层体腔温度、观测高度气温、表层土壤湿度、根区土壤湿度和深层土壤湿度。这些初始值根据观测值设定(表2)。

表2 SiB2初始化参数设置Table 2 Initial parameters used in SiB2

2.4 SiB2的改进

2.4.1 SiB2中用于土壤温度模拟的“强迫—恢复”方法

传统方法中，假设传导是土壤热传输的唯一途径。Deardorff(1978)假设一个无限薄的土壤表层，推导地表温度(Tg)的表达式:

地表日平均温度(¯T)的表达式:

其中:G0=Rn－H－Le是地表热通量是土壤的热扩散率;Cg是土壤的体积热容量。为年温度变化的穿透深度(Deardorff，1978)。

方程(4)和(5)构成了完整的“强迫—恢复”方法的方程。它们被广泛地应用在陆面过程中进行地表温度诊断。简化生物圈模式(SiB2)也正是采用它们进行地表温度的模拟。

2.4.2 改进版“强迫—恢复”方法

Gao et al．(2003c，2008)将热传导和热对流方程合并，推导出土壤温度方程的解析解:

而对于地表日平均温度(¯T)的诊断，仍然采用方程(5)。

本文用Gao et al．(2008)改进版强迫—恢复方法取代SiB2中使用的强迫—恢复方法。并对改进版SiB2的模拟能力进行检验。

3 结果与分析

已有的研究表明，当辐射与能量平衡分量小于－100 W·m－2时，仪器的误差与地表能量分量的大小相当，妨碍了地表能量平衡的研究(Gao et al．，2004)。因此，本文主要分析观测的感热和潜热通量大于－100 W·m－2数据，并忽略降水期间的资料。

3.1 净辐射

由图2可见，地表净辐射的日变化非常明显，白天为正值，晚上为负值。即白天地表得到能量，晚上损失能量。整个实验期间，测量的平均净辐射白天(夜晚)为161.49 W·m－2(－37.29 W·m－2)。原版SiB2模拟的平均净辐射白天(夜晚)为133.10 W·m－2(－38.68 W·m－2)。改进版SiB2模拟的平均净辐射白天(夜晚)为153.39 W·m－2(－27.99 W·m－2)。由于天气原因，7月30日(DOY 210，阴天)和8月4日(DOY 215，强降雨)的净辐射的值比较低。改进版SiB2模拟的净辐射白天比原版SiB2模拟的结果稍有提高，但夜晚的模拟结果却没有原始SiB2模拟的结果好，改进后的SiB2夜晚高估净辐射。在整个模拟时间段，原版SiB2低估净辐射11.32%，改进版SiB2低估净辐射5.81%。

图2 实际观测的净辐射时间变化以及原版SiB2和改进版SiB2的模拟结果(单位:W·m－2)Fig．2 Temporal variation of observed net radiation and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.2 感热通量

在整个实验期间，感热通量在总体能量分配中占主导(图3)。由图3可见，感热通量变化范围为－30～300 W·m－2。测量的平均感热通量白天(夜晚)为75.24 W·m－2(－4.49 W·m－2)。原版SiB2模拟的平均感热通量白天(夜晚)为70.52 W·m－2(－4.91 W·m－2)。改进版SiB2模拟的平均感热通量白天(夜晚)为83.36 W·m－2(0.55 W·m－2)。7月30日(DOY 210，阴天)和8月4日(DOY 215，强降雨)的感热通量明显变低，其最大值均低于50 W·m－2。由图3可知，在模拟的前期改进版SiB2在白天高估感热通量，在整个模拟时间段改进版的SiB2在夜间均高估感热通量。原版SiB2在晴天的夜间低估感热通量，在阴雨天的夜间高估感热通量。在整个模拟时间段，原版SiB2低估感热通量8.88%，改进版SiB2低估0.64%。

图3 实际观测的感热通量时间变化以及原版SiB2和改进版SiB2的模拟结果(单位:W·m－2)Fig．3 Temporal variation of observed sensible heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.3 潜热通量

由图4可见，潜热通量的变化范围为－20～150 W·m－2。测量的平均潜热通量白天(夜晚)为38.76 W·m－2(2.60 W·m－2)，原版SiB2模拟的平均潜热通量白天(夜晚)为25.87 W·m－2(－2.69 W·m－2)，改进版SiB2模拟的平均潜热通量白天(夜晚)为27.15 W·m－2(－1.82 W·m－2)。

由图4中测量的潜热通量时间序列可知，试验期间，潜热通量持续减小。事实上，在整个试验阶段天气比较晴朗，土壤湿度很低，7月31日(DOY 210)天气虽转阴，但没有降水，土壤干旱的情况未缓解。原版SiB2和改进版SiB2在晴天的夜间低估潜热通量，在阴雨天的夜间高估潜热通量。在整个模拟时间段，原版SiB2和改进版SiB2低估潜热通量分别为39.96%和36.98%。从图4还可看出，实验初期的感热和潜热通量的模拟结果不好，造成这种结果可能的原因:1)由于仪器的安装使得土壤、植被被破坏;2)实验期间植被有所改变;导致模式需要的参数(如植被覆盖率、叶面积指数)等发生了变化。由此可见，导致SiB2这些不精确性的原因至今仍然不十分清楚，需要进一步的研究。

图4 实际观测的潜热通量时间变化以及原版SiB2和改进版SiB2的模拟结果(单位:W·m－2)Fig．4 Temporal variation of observed latent heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.4 地表热通量

图5 实际观测的地表热通量时间变化以及原版SiB2和改进版SiB2的模拟结果(单位:W·m－2)Fig．5 Temporal variation of observed soil heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

图5是原版SiB2和改进版SiB2模拟以及实际观测的地表热通量(G0)随时间的变化趋势。由图5可知，土壤热通量的日变化明显，土壤热通量的变化范围为－100～200 W·m－2。测量的平均土壤热通量白天(夜晚)为 47.51 W·m－2(－25.13 W·m－2)，原版SiB2模拟的平均土壤热通量白天(夜晚)为36.60 W·m－2(－31.11 W·m－2)，改进版SiB2模拟的平均土壤热通量白天(夜晚)为42.26 W·m－2(－26.70 W·m－2)。由图5可知，在整个模拟时间段，原版SiB2和改进版SiB2均低估土壤热通量，低估约为4%。实际观测的土壤热通量表明，晴朗天气条件下土壤热通量较大;阴雨天气条件下，太阳辐射较弱，导致土壤热通量很小如7月30日(DOY 210，阴天)和8月4日(DOY 215，强降雨)。原版SiB2和改进版SiB2白天的模拟结果基本相同，但改进版SiB2在夜间模拟的土壤热通量比原版SiB2模拟的值大。

图6 实际观测的感热通量(a，e)、潜热通量(b，f)、地表热通量(c，g)和净辐射(d，h)与原版SiB2(a，b，c，d)及改进版 SiB2(e，f，g，h)的模拟结果的散点图Fig．6 Scatterplots of the observed(a，e)sensible heat flux，(b，f)latent heat flux，(c，g)surface heat flux，and(d，h)net radiation and the corresponding quantities simulated by(a，b，c，d)original SiB2 and(e，f，g，h)modified SiB2

图6a是原始SiB2模拟的与实际观测的感热通量的对比，相关系数为0.911 2。图6b是原始SiB2模拟的与实际观测的潜热通量的对比，相关系数为0.600 4。图6c是原始SiB2模拟的与实际观测的地表热通量(G0)的对比，相关系数为0.963 9。图6d是原始SiB2模拟的与实际观测的净辐射的对比，相关系数为0.963 9。图6e是改进版SiB2模拟的与实际观测的感热通量的对比，相关系数为0.886 8。图6f是改进版SiB2模拟的与实际观测的潜热通量的对比，相关系数为0.630 2。图6g是改进版SiB2模拟的与实际观测的地表热通量的对比，相关系数为0.956 6。图6h改进版SiB2模拟的与实际观测的净辐射，相关系数为0.941 9。由图6可知，改进后的SiB2对感热通量、潜热通量以及净辐射的模拟结果有所提高。

3.5 地表能量收支

地表能量收支描述为:

地表能量的平衡闭合以热力学第一定律为基础，认为感热和潜热通量之和应该与净辐射通量、土壤热通量以及其他形式的热量之和相互平衡。然而在陆—气相互作用研究中观测计算到的地表能量收支很难达到平衡。Wilson et al．(2002)对 FLUXNET的22个站点进行了能量平衡闭合研究，发现各通量观测站点普遍存在能量不闭合的现象。很多学者在研究中发现，独立测量得到的能量平衡方程的各个分量不能很好地闭合(Wang et al．，2000;Tanaka et al．，2001;Gaoet al．，2000，2003b;Heusinkveld et al．，2004;李正泉，2004;吴家兵等，2004;刘允芬等，2006)。目前认为能量不闭合的原因主要是涡度相关仪器与辐射表测定的源面积之间的差异导致的采样误差，以及忽略了水平对流产生的影响，能量不平衡的问题需要进一步的研究。

图7比较了阳坊的感热与潜热之和(Le+H)与地表可用能量(Rn+G0)。n=244是总样本数(673)剔除下雨和小于0 W·m－2的数据所得。正比例函数回归线为0.98。而Gao(2005)和Jacobs et al．(2008)之前的研究结果为0.9，相对来说阳坊试验点的能量闭合较好。

4 结论

1)改进版SiB2提高了净辐射和向上长波辐射的模拟结果。SiB2模拟的净辐射值与测量值相比，原版SiB2低估净辐射11.32%。改进版SiB2低估净辐射5.81%，改进版SiB2提高了净辐射的模拟结果。

2)由于整个实验阶段土壤体积含水量平均值为9.42%，土壤处于干旱状态。所以感热通量占总体能量分配的主导地位，其变化范围为－30～300 W·m－2。SiB2模拟的和测量的感热通量、潜热通量和土壤热量通量时间变化一致。改进版SiB2提高了感热通量和潜热通量的模拟结果。原版SiB2和改进版SiB2分别低估感热通量8.88%和0.64%。原版SiB2和改进版SiB2分别低估潜热通量39.96%和36.98%。改进版SiB2提高了夜间的土壤热通量的模拟能力。

图7 实际观测的感热和潜热之和与地表可用能量的散点图Fig．7 Scatterplot of the sum of observed sensible and latent heat fluxes and the observed surface available energy

3)SiB2模式仍然存在着很多的不确定性。导致模拟的结果与实测值有所偏差。模式需要进一步的研究和改进。

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