三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析*

张 功，韩辉邦，孙守家，张劲松，郑 宁

三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析*

张 功1,3，韩辉邦2**，孙守家3**，张劲松3，郑 宁3

（1．安徽省林业科学研究院/安徽黄山森林生态系统国家定位观测研究站，合肥 239500；2．青海省人工影响天气办公室，西宁 810001；3．中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091）

利用三江源地区2018年1-12月涡动相关系统的观测数据，分析该地区冻土/非冻土期内各能量分项支出分配特征和能量平衡闭合率及其影响因子，以揭示其能量平衡特征。结果表明：显热通量、潜热通量、土壤热通量变化趋势与净辐射相似，且在年尺度、日尺度上具有典型的单峰型变化，但潜热通量、土壤热通量的峰值出现时间具有滞后性。非冻土期内，显热、潜热支出以及土壤吸收的热量占总能量的比例分别为0.38、0.37、0.10；而在冻土期内，上述各能量的支出比分别为0.54、0.19、−0.01。全年能量平衡闭合率为0.69，能量平衡闭合率在冻土期和非冻土期内分别为0.63、0.74。三江源地区冻土期内显热支出为主要能量消耗方式，且在该时段内影响能量平衡闭合率的因素主要是湍流动力因子；非冻土期的能量消耗方式为潜热和显热，热力和动力因子均对能量平衡闭合率产生影响。

涡动相关系统；能量平衡；大气稳定度；摩擦速度；热力湍流

能量交换是地气相互作用的主要过程之一[1]，不仅影响地气间物质交换的进程，而且也对气候变化具有重要的推动作用[2]。青藏高原对中国及东亚地区天气系统的形成具有决定作用，同时该地区的地气相互作用对全球大气环流、亚洲季风等具有重要影响[3-4]。在全球变化背景下，由于青藏高原独特的大气边界层热力结构，其对于气候变化的响应十分敏感[5]，青藏高原的热力学特征以及生态环境等对气候变化的响应受到了广泛关注。因此，研究青藏高原地区的能量平衡特征对气象学、生态学、水文学等相关学科具有重要意义。

青藏高原地区先后开展了“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验”与“全球协调加强观测计划（CEOP）亚澳季风之青藏高原试验”研究，结果表明青藏高原的近地层和边界层是大气中各种热力、动力效应传输的媒介[6-7]，并且局地微气象条件与下垫面性质特征对此过程具有很大影响[8-9]。青藏高原地气相互作用的观测研究已经陆续在阿里[10-11]、珠峰[12-13]、那曲[14-15]、羌塘[16]等地区展开，这些试验观测研究主要集中在湍流变化特征、近地层辐射平衡特征、总体输送系数等方面，有助于揭示青藏高原地区地气交换特征及机制[17-18]。三江源自然保护区作为青藏高原的核心地带，是中国重要的水源涵养地，也是中国气候条件最恶劣、生态环境极脆弱的区域之一[19-20]。在全球变化背景下，为加强生态建设，国家制定了退耕还草、禁牧围封等一系列保护和恢复措施，三江源地区植被覆盖度、土壤水热等状况发生了改变[21]，这种变化势必会导致该地区能量的分配发生改变。

由于观测地形和湍流运动特征等客观因素的限制，涡动相关系统在草地、农田、森林等常规生态系统下观测的通量数据，一般在进行适当的数据处理和质量控制后即分析其规律特征、揭示影响机制[1-2,7,9]。三江源地区因其独特的地理位置，对环境气候的变化十分敏感，充分了解其地气间的物质能量交换特征，是该地区进行生态、水文等相关研究的基础。然而，许多常规下垫面的数据处理方法和研究结论在该地区未必适用，相关研究也较为缺乏，因此，在该地区进行相关研究更需关注地气交换过程。地气间物质能量交换观测中的能量平衡不闭合，其影响因素众多，而三江源地区的研究主要集中在能量收支规律及能量平衡特征方面[19,22]。为此，本研究以三江源保护区为研究区域，采用涡动相关方法研究该区域冻土/非冻土的能量分配特征以及能量闭合状况，并从湍流发展机理方面分析能量平衡不闭合的原因，旨在提高涡动相关技术在该地区的观测精度和数据质量，从而揭示三江源地区冻土/非冻土季节的能量分配特征及能量平衡闭合规律，探明影响该地区能量平衡闭合率的因素，对进一步揭示青藏高原地气相互作用与气候环境变化具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于青海省玉树藏族自治州玉树县三江源自然保护区内（31°39′-36°12′N；89°45′-102°23′ E），属于青藏高原腹地，是黄河、长江及澜沧江的发源地，海拔为4000-4300m，地貌特征以高原盆地为主。三江源自然保护区属于典型的高原大陆性气候，没有明显的四季分别，只有干、湿季节的差异。研究地点设在三江源境内的隆宝滩国家级自然保护区，仪器安装位置33°12′N，96°30′E，海拔4167m，位于青海省玉树藏族自治州玉树县隆宝镇境内。该地区年平均气温约2.0℃，年平均降水量500～600mm，降水集中在5-9月，占全年降水量的80%以上。该地区湖泊、河流、沼泽众多，高山草甸是主要生态系统。主要植被有圆囊苔草（）、藏北蒿草（）等，伴生植物有花葶驴蹄草（）、龙胆（）和圆穗蓼（）等。土壤以沼泽土和草甸土为主。沼泽土主要分布在湿地区域以及干湿交替区域，而草甸土主要分布在高寒草甸地区。土壤有机碳含量为142.31±18.42g·kg−1，全氮含量为9.76±8.34g·kg−1，全钾含量为14.00±3.29g·kg−1，有机碳、全氮、全钾在沼泽土和草甸土中差异显著。

1.2 观测设备与数据采集

观测设备为开路式涡动相关系统（Eddy covariance，EC），主要包括三维超声风速仪（CSAT3，Campbell Scientific，USA）和CO2/H2O红外气体分析仪（Li-7500A，Li-cor，USA），分别用于测量超声温度、三维风速、CO2和水汽密度，安装在距地面2.5m高度的位置，在距地面1.5m高处安装净辐射仪（CNR-4，Kipp& Zone，Honland），地下5cm深处分南北两向各安装土壤热通量仪（HFP01，Hukseflux，Netherlands），在地下5、10、20、40cm处各安装土壤温湿度传感器（CS655，Campbell Scientific，USA），距地面1.5m高处安装空气温湿度传感器（HMP155，Vaisala，Finland），利用雨量筒进行降水量观测。上述各类传感器全部通过CR3000型数据采集器（Campbell Scientific，USA）进行数据采集与存储，其中三维风、CO2、水汽密度原始数据采样频率为10Hz，经野点剔除、二次坐标旋转、虚温订正、以及WPL校正等在线处理后输出30min平均值进行存储。气象数据采样频率为1Hz，每10min存储一次。研究观测时间为2018年1月1日-12月31日。

1.3 能量平衡状况分析

根据能量守恒定律，某一地区或某一生态系统的能量平衡可表示为[23]

式中，H表示显热通量（W·m−2），LE表示潜热通量（W·m−2），Rn表示净辐射（W·m−2），Gs表示土壤热通量（W·m−2）。Ad表示空气水平运动造成的能量损失（W·m−2），Ae表示人工热源的贡献量（W·m−2），如燃料的燃烧等。在不考虑人类干扰、光合作用能量消耗以及空气水平运动造成能量损失的条件下，式（1）可简化为

采用湍流通量（显热通量H+潜热通量LE）与有效辐射能（净辐射Rn－土壤热通量Gs）的比值即能量平衡率（EBR）[24]来定量评价三江源自然保护区能量闭合状况，表达式为

当EBR为1时，即表示该系统的能量收支相等，能量闭合；EBR<1表示能量不闭合，且数值越小，能量不闭合现象越严重。

根据2018年1-12月的气象观测数据，将研究区域分为冻土期和非冻土期进行能量平衡特征分析。定义土壤5cm深处日平均温度>0℃期间为非冻土期，<0℃期间为冻土期，因此，确定非冻土期为5-11月，冻土期为1-4月和12月。研究中开路式涡动相关系统观测的30min数据总样本量13860个，其中冻土期样本量6632个，非冻土期样本量7228个。

1.4 辅助参数

在边界层中，湍流动能变化可描述为：湍流动能变化受下垫面摩擦力、气团沉浮、压力输送、湍流机械运输和分子间的黏度扩散等影响。其中，下垫面摩擦（动力因子）与气团沉浮（热力因子）对湍流动能的影响最大，反映湍流动能变化强度的物理量可用大气稳定度（ζ）表示[1,2,25]。大气稳定度（ζ）充分考虑了动力因子与热力因子对湍流强度的影响而被广泛用于描述大气层结条件状态，并认为－0.04≤ζ≤0.04为中性状态；ζ<－0.04 为不稳定状态；ζ>0.04为稳定状态[26]。ζ的计算式为

式中，z表示仪器的观测高度（2.5m），d表示零平面位移（0.01m），L表示Monin-Obukhov 长度（m），计算式为

2 结果与分析

2.1 能量收支各分项及其占比变化分析

2.1.1 逐日变化

三江源地区2018年能量收支各分项逐日总量变化特征如图1所示。由图可知，各能量分量在非冻土期均高于冻土期，显热、潜热通量以及土壤热通量的变化特征与净辐射变化特征相似，各能量分量均具有单峰变化特征。净辐射与显热通量从3月开始增大，并在6月中旬左右出现峰值，最大日总量分别为15.03MJ·m−2·d−1、7.81MJ·m−2·d−1，随后开始逐渐降低；潜热通量与净辐射具有相似的变化趋势，但其峰值出现时间为7月初，峰值大小为8.97MJ·m−2·d−1，与净辐射峰值出现时间相比，潜热通量峰值出现时间存在滞后性。土壤热通量在非冻土期大多数时刻表现为正值，即土壤从地表向土壤深处传递能量，最大能量出现在7月中旬，为2.92MJ·m−2·d−1，10月中旬，土壤热通量开始出现负值，土壤开始由非冻土期向冻土期转变；在冻土期主要表现为负值，即土壤从深层向表层传输能量，能量最大值出现在12月中旬，为2.55MJ·m−2·d−1。4月上旬，土壤热通量开始出现正值，土壤由冻土期向非冻土期转变。

2.1.2 日内变化

将图1中冻土/非冻土期每时刻数据平均，分别得到两个阶段能量收支各分项日平均变化过程，结果见图2。由图2a可见，冻土期净辐射Rn、土壤热通量Gs、显热通量H以及潜热通量LE均表现出典型的单峰型变化趋势，夜间通量较小，变化幅度不明显，白天呈倒“U”型，具有明显的峰值特征。冻土期内净辐射在14：30达到最大值（为323W·m−2），此时显热通量和潜热通量也均达到最大，但两者数值有明显差异，显热通量最大值为150W·m−2，潜热通量仅31W·m−2。土壤热通量在冻土期内的大多数时刻表现为负值特征，说明土壤中的能量传输以向上传输方式为主即深层土壤向土壤表层传输能量，并于16：30达到最大值，但数值极小，仅为0.8W·m−2。可见，在冻土期，显热通量是能量支出的主要形式。

图1 2018年三江源地区土壤能量收支各分项逐日总量变化过程

注：Rn表示净辐射，H表示显热通量，LE表示潜热通量，Gs表示土壤热通量。非冻土期为5-11月，冻土期为1-4月和12月。下同。

Note: Rn is net radiation flux, H is sensible heat flux, LE is latent heat flux, and Gs is soil heat flux. Non-frozen period is from May to Nov. and frozen period is from Jan. to Apr. and Dec. The same as below.

图2 2018年三江源地区冻土/非冻土期能量通量平均值的日变化（数据间隔为30min）

由图2b可见，非冻土期能量收支各分项日内变化过程与冻土期相似，只是各能量分量峰值的出现时间略有差异。非冻土期净辐射Rn、显热通量H以及潜热通量LE均表现出典型的单峰型变化趋势，呈倒“U”型。净辐射峰值（462W·m−2）比冻土期高，峰值出现时间比冻土期早（在13：00），此时显热通量和潜热通量也均达最大值，但两者差异不大，显热通量最大值为143W·m−2，潜热通量最大值为121W·m−2。土壤热通量在大多数时刻表现为正值，说明能量在土壤中的传输方式以地表向深层土壤传输为主，最大值为17W·m−2。土壤热通量昼夜变化幅度较小，为14W·m−2。可见，非冻土期内显热通量与潜热通量是能量的主要支出方式，峰值出现时间提前约1h，且比冻土期内高约130W·m−2。

2.1.3 各分项占比

2018年1-12月三江源地区能量支出方式的季节变化如图3所示。由图可见，在1月和12月，土壤中的能量主要是从深层土壤向表层土壤进行传递，因此，地面主要从土壤吸收热量，能量主要以显热形式向大气输送，显热通量与净辐射能量占比H/Rn分别为0.56和0.50。从2月开始，土壤中的能量开始由表层向深层传输，但能量仍以显热支出为主，占比为0.59；从5月开始，能量以潜热、土壤吸收热形式支出的比例增大，显热支出比例减小，占比分别为0.38、0.11、0.44；随后，能量主要以显热、潜热、土壤吸收热3种形式支出，6月潜热支出比例（LE/Rn）最大，为0.40，8月土壤吸收热占据支出比例达到全年最大值，为0.14。非冻土期内的显热支出占总能量的比例为0.38，潜热支出占比例为0.37，土壤吸收热所占比例为0.10；而在冻土期显热支出占总能量的比例为0.54，潜热支出占比例为0.19，土壤吸收热所占比例为−0.01。

图3 2018年1-12月三江源地区能量支出方式的季节变化

研究区全年显热支出比（H/Rn）为0.45，与人工草地（0.45）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的显热分配比相当，比内蒙古中部典型草原（0.56）低[28]。全年潜热分配比（LE/Rn）为0.30，低于研究区人工草地（0.46）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的潜热分配比，即使非冻土期最大潜热分配比（0.40）也低于上述研究，说明研究区非冻土期内用于水分蒸散的能量与用于显热传输的能量相当。研究区全年土壤吸收热量分配比（Gs/Rn）为0.05，高于人工草地（−0.13）[22]，低于当雄退化高寒草甸（0.04）[29]的土壤吸收热量分配比。

2.2 能量平衡闭合率分析

能量平衡闭合率是评价开路式涡动相关系统（EC）观测结果的重要指标之一，将三江源地区2018年高寒草甸有效辐射能（净辐射Rn－土壤热通量Gs）与湍流通量（显热通量H+潜热通量LE）进行线性回归，得出线性关系作为能量平衡闭合比率，并用来评价EC测量值。如图4所示，三江源地区全年能量平衡闭合率为0.69，位于全球地表能量平衡闭合率区间0.55～0.90范围内[22,30-32]，表明观测的通量数据结果可靠。由图5可知，冻土期内能量平衡闭合率为0.63，而非冻土期内为0.74，说明三江源地区在非冻土期内表现出较高的能量平衡闭合率。

图4 三江源地区全年能量数据收支平衡分析（数据间隔为30min）

图5 三江源地区冻土期（a）和非冻土期（b）能量数据收支平衡分析（数据间隔为30min）

2.3 能量平衡闭合率的主要影响因素分析

2.3.1 大气稳定度

三江源地区冻土期与非冻土期的能量平衡闭合率随大气稳定度变化特征如图6所示。由图可知，在非冻土期内，能量平衡闭合率的最大值为0.74，出现在大气弱不稳定（近中性）条件下，即ζ为0.03时，以此点为基准，随着稳定度向稳定状态和不稳定状态发展，能量平衡闭合率均开始下降，且稳定状态下的闭合率降低速率最快。当大气达到极稳定状态，即ζ为1.31时，能量平衡闭合率降至0.24。冻土期内的能量闭合也表现出相似的变化规律。冻土期内能量平衡闭合率最大值为0.68，此时ζ为−0.07。随着稳定度逐渐趋向为极不稳定或稳定状态，能量平衡闭合率均呈现出减小特征，且在ζ为1.71时能量平衡闭合率达到冻土期最低值0.32。因此可知，稳定度在极不稳定或极稳定状态下的能量平衡闭合率比近中性条件下低。在大气层结条件不稳定状态下，当ζ<−0.20时，冻土期的能量平衡闭合率小于非冻土期；而在大气层结条件稳定状态下，ζ>0.20时，冻土期的能量平衡闭合率大于非冻土期。

图6 三江源地区能量平衡闭合率随稳定度的变化特征

大量实验亦表明，在大气处于极不稳定或极稳定状态时，能量平衡闭合率较低的现象十分普遍，此时通常会出现较大尺度的湍涡[33]，而涡动相关系统对这类湍涡观测能量不足，在固定时间内（通常为30min）难以获得完整的湍流，造成能量闭合程度降低[34-35]。

2.3.2 摩擦速度

摩擦速度常作为湍流切应力作用的场合对各项湍流参数起支配作用的特征速度，广泛用于近地面层以致整个大气边界层结构及大气湍流扩散问题的定量分析。由图7可知，研究区在冻土期与非冻土期内的能量平衡闭合率随摩擦速度的变化特征相似，均随着摩擦速度的增大而增大，当摩擦速度达到一定程度时，能量平衡闭合率随着摩擦速度的增大呈现减小趋势。全年能量平衡闭合率最大值出现在非冻土期，为0.76，此时摩擦速度为0.38m·s−1。

图7 三江源地区能量平衡闭合率随摩擦速度的变化特征

摩擦速度在冻土期的分布范围（0.04～0.52）大于在非冻土期的分布范围（0.10～0.43），且摩擦速度大于0.48m·s−1时，能量平衡闭合率由0.62降至0.60，下降幅度较小；在非冻土期内，摩擦速度由0.38m·s−1变为0.43m·s−1时，能量平衡闭合率由0.76降至0.57。由此说明，在一定范围内，摩擦速度对湍流具有促进作用，摩擦速度越大，湍流发展越旺盛，涡动相关系观测结果越理想，能量平衡闭合率接近1[36]。结合图6可知，在大气层结条件不稳定时，摩擦速度减小是导致能量平衡闭合率较低的主要原因。

2.3.3 热力湍流

动力因素和热力因素皆可影响大气稳定性，从而导致湍流运动。图8表示能量平衡闭合率随热力湍流的变化特征。由图可知，三江源地区热力湍流运动主要以向上运动为主，当热力湍流向下运动，且运动强度为0.01℃·m·s−1时，能量平衡闭合率具有最低值，为0.25。当热力湍流发展旺盛时，湍流运动方向无论向下还是向上，能量平衡闭合率均表现出不同程度的提高，最大能量平衡闭合率为0.78。在非冻土期内，当湍流方向向下时，热力湍流强度达到0.13℃·m·s−1后，能量平衡闭合率开始表现为下降趋势；在冻土期内，热力湍流强度随能量平衡闭合率的变化存在与非冻土期相似的变化特征。

当热力湍流方向向上时，非冻土期热力湍流对能量平衡闭合率的贡献约为0.52，而在冻土期热力湍流对能量平衡闭合率的贡献约为0.31。结合图6、图7可知，在大气运动状态不稳定条件下，冻土期内的能量平衡闭合率主要受摩擦速度的影响，而在非冻土期内热力因素与动力因素均会影响能量平衡闭合率。

图8 三江源地区能量平衡闭合率随热力湍流的变化特征

注：热力湍流为负表示湍流运动反方向向下。

Note: The thermal turbulence <0 indicates that the turbulent motion is downward.

3 结论与讨论

3.1 讨论

三江源地区各能量收支具有明显的单峰变化特征，净辐射（Rn）、显热通量（H）、潜热通量（LE）以及土壤热通量（Gs）的峰值出现时间存在差异性。出现这一现象的主要原因是，在非冻土期内三江源地区降雨丰富[22]，植被生理活动旺盛，水分传输活动增强，显热通量与潜热通量过程得到加强；冻土期内地面、土壤冻结，水汽传输受到限制，特别是在降雪前后，潜热过程受到限制[22,30]。从全年能量支出形式看，显热通量与潜热通量是主要能量支出方式，土壤并非能量消耗的主体，且在冻土期内土壤能量还存在从深处向表层传输的现象。结合图6、7、8分析可知，在冻土期内动力因素是湍流的主要动力，因此，在不稳定状态或偏稳定状态下，摩擦速度的减小会降低能量平衡闭合率；非冻土期内，太阳辐射增加，地表温度增加，湍流活动较强，同时由于土壤解冻以及降水丰富，土壤含水量丰富[22]，热力因素与动力因素共同影响湍流的状态，水分蒸发活动强烈，潜热通量输送增加明显。因此，在非冻土季节表现出更好的闭合率。

涡动相关（EC）方法是目前地气间物质与能量交换观测的主流方法，在全球通量观测领域具有重要地位。在全球地表通量的观测研究中，能量不闭合是普遍存在的现象。能量不闭合的原因通常被归结为高频与低频损失、土壤浅层热储量的估算、仪器的观测误差以及平流效应造成的通量低估等四个方面，其中高低频的损失可造成5%～10%的低估效应[37]。本研究利用青藏高原三江源地区的EC系统2018年全年观测数据分析能量平衡特征，得出该地区的能量闭合程度为0.69，比青藏高原其它地区的能量闭合程度略高。

在分析能量闭合时采用简化的能量平衡方程，忽略了土壤储存热、冠层及空气柱（观测探头到地表高度的空气柱）的储存热、植物光合作用消耗的能量。土壤热通量板埋在土壤中深达5cm处，致使更多的热量储存在0-5cm土层，这在一定程度上加大了能量的非闭合。在考虑土壤浅层热储量和修正平流效应后，能量闭合可提高约23%[38]，例如SACOL站中热通量板与地表间的热储量在夏季可占净辐射的7%～8%[39]，并且在观测中考虑土壤水分的运动后，EC观测的能量平衡状况得到了显著的改善[40]。研究中的土壤热存储、空气热存储、以及土壤水分运动对土壤热通量的影响等能量修正方法在干旱半干旱区域、黄土高原具有较好的结果[38-41]。这类修正方法在青藏高原地区是否适用，其不确定性如何还需结合更多的辅助观测数据进行验证。此外，植被冠层的热量存储以及光合作用对能量的消耗也影响着能量平衡闭合率，因此，结合该通量站点的植被季节动态的观测，如LAI或NDVI的变化规律，以及不同植被的光合速率强度，进一步分析三江源地区冻土期与非冻土期的植被覆盖度的变化对能量闭合的影响是后续研究的重要内容。

3.2 结论

（1）三江源地区净辐射、潜热通量、显热通量、土壤热通量在年尺度与日尺度上均表现出明显的单峰型日变化特征。从年尺度上分析，显热通量与净辐射具有相似变化规律，且峰值时间也较为一致，潜热通量与土壤热通量的峰值出现时间延迟。

（2）在冻土期内显热通量是能量支出主要形式，深层土壤向地表传输热量明显；非冻土期内能量的主要支出方式是显热与潜热，土壤热量由地表向深层土壤传播明显，土壤热通量的量级比潜热通量和显热通量小。

（3）三江源地区冻土期内动力因素是湍流的主要驱动力，在不稳定条件下，摩擦速度的降低在一定程度会降低能量平衡闭合率，且冻土期内的能量平衡闭合率为0.63；非冻土期湍流以热力因素和动力因素为主要驱动力，湍流发展旺盛，因而具有较高能量平衡闭合率，为0.74。

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Mechanistic and Characteristics of Near-surface Energy Balance in Frozen/Non- frozen Soil Period of the Three-River Headwater Region

ZHANG Gong1,3, HAN Hui-bang2, SUN Shou-jia3, ZHANG Jin-song3, ZHENG Ning3

(1. Anhui Academy of Forestry/Anhui Huangshan Forest Ecosystem National Positioning Observation Station, Hefei 239500, China; 2. Qinghai Province Weather Modification Office, Xining 810001; 3. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry/Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Beijing 100091)

The exchanging of Energy and water between land and atmosphere over Qinghai-Tibet Plateau play an important role in climate system in China and eastern Asia. As the core area of the Qinghai-Tibet Plateau, the Three-River headwater region is an important water conservation area in China, and the heating and energy exchange over there is significantly. However, there is not any observation about interaction between land and atmosphere in the Three-River headwater region due to the formidable natural conditions. To get more information about the heating effect and energy exchange in this region, measurement has been carried out at location of 33°12′N, 96°30′E, with an altitude of 4167m, based on eddy covariance system (CAST3 and Li-7500A) from January to December. The data observed from eddy covariance system in frozen soil period (from January to April and December) and non-frozen soil period (from May to November) were used to analyze the distribution of each energy component, energy balance closure rate and influence factors of the energy balance closure rate in this area, respectively. The results showed that trends of sensible heat, latent heat, and soil heat flux were consistent with net radiation. Each of them had typical unimodal changes on both annual and daily scales. However, there is time lagging between the maximum of latent and soil heat flux. Total daily net radiation and sensible heat flux increased from March and got the maximum at mid-June, with values of 15.03MJ·m-2·d-1and 7.81MJ·m-2·d-1, respectively. The proportion of sensible heat during non-frozen soil period was 0.38, latent heat was 0.37, and the proportion of soil heat consumption was 0.10, while during the period of frozen soil, the proportion of the above item is 0.54 and 0.19, -0.01, respectively. The annual energy balance closure of the Three-River headwater region was 0.69, energy balance closure rate in frozen / non-frozen soil period was 0.63 and 0.74, respectively. It can be concluded that sensible heat was the main energy budget item during the frozen soil period, and turbulent forcing is the key factor that affects the energy balance closure rate in the Three-Rivers headwater region, while both latent and sensible heat were the ways of energy consumption, and the dominated factors affected energy balance closure rate were thermal and kinetic factors during the non-frozen soil period.

Eddy covariance system; Energy balance; Atmospheric stability; Friction velocity; Thermal turbulence

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.05.003

张功,韩辉邦,孙守家,等.三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析[J].中国农业气象,2020,41(5):288-298

2019−12−16

韩辉邦，E-mail：hmjerry@163.com；孙守家，E-mail：ssj1011@163.com

中央级公益性科研院所基本科研业务费“三江源湿地温室气体通量变化及增温潜势研究”（CAFYBB2016SY003）；国家自然科学基金“基于双波段闪烁仪法获取大尺度地表水热通量的研究”（41771364）

张功，E-mail：12720484zg@sina.cn