乾安地区盐碱地显热通量的测量

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1、乾安地区盐碱地显热通量的测量?支克广 ?涂 ?钢 ?廉 ?毅 ?隋朝阳( 吉林省气象科学研究所, 长春, 130062)付光极 ?王 ?江( 乾安县气象局, 乾安, 131400)摘? ?要? ? 文中给出了用大孔径闪烁仪在 2000 年生长季观测到的盐碱地区显热通量的主要结果, 并初步计算了当地的水热平衡状况。结果表明: 乾安盐碱地区显热通量占净辐射量的百分比在干旱、 非生长季达到 65% , 在多雨、 植被生长季仅为 11% ; 显热通量因降水而明显降低, 幅度与降水强度有关, 反映了当地的气候和土壤特征。文中还把LAS 的测量结果与传统的梯度法作了比较, 结果基本一致。关键词: 显热通量

2、, 盐碱地, 大孔径闪烁仪, 梯度。1? 引? 言吉林省乾安县地处 45?N, 124?E, 由历史和近 期的卫星图片及相关资料分析可以看出, 它处于东北西部荒漠化发展的前沿 1, 因此研究其荒漠化发展的原因具有现实的意义。一个地区的能量、 水分平衡及其变化规律对这 个地区气候和生态环境有重要的影响。中国 20 世纪70 80 年代曾研究了青藏高原辐射和地面热状况, 并探讨了青藏高原地表辐射平衡与中国的气候和天气变化的关系2。1998 年 5 8 月, 在著名的淮河流域试验中也使用了微气象方法测量了淮河流域的能量与水分的循环过程。此外, 在许多生态环 境研究中, 也把能量平衡作为重要的研究手段

3、。本文通过能量平衡的研究来分析荒漠化的成因, 并在 2000 年中作了初步观测。能量平衡的计算, 主要是根据方程 Rn= H + EL+ G, 其中 Rn为净辐射, 代表太阳辐射与地面反射的差; H 为显热 通量, 即加热空气的能量, 反映土壤或植被与空气的能量交换; G 为地热通量, 即加热土壤的能量, 是进入土壤或从土壤中输出的热量; EL为潜热通量, 是土壤蒸发和作物蒸腾所消耗的能量。目前 Rn和 G已有较为准确的仪器可以观测到, EL, H 就成为准 确计算能量平衡的关键。在 2000 年度生长季节, 文中利用了中国与荷兰合建的 LAS 系统?及自建的与之匹配的梯度观测系统, 对能量平

4、衡中的 Rn, H 和 G 项进行了观测, 取得了较完整的资料和较好的分析结果。2? 仪器性能和安装环境2. 1?大孔径闪烁仪系统大孔径闪烁仪( Large Aperture Scintillometer,LAS) 是一种测量显热通量的新型仪器。由华人王鼎义 1978 年提出设想, 后由美国 NOAA 波传播实 验室研制成功。它的原理是: 由发射器发出波长约935 nm 的红外光, 并用 7 kHz 的载波调制。光束通过大气时, 大气折射率因温度、 湿度和气压的波动而 波动, 从而导致光束的无规则折射( 吸收) 。接受器接收到光束, 并测出光束辐射振幅对数的均方差?2ln ( A )。根据王鼎

5、义 4等提出的理论, 折射指数的结第 60卷第 6期 2002 年 12月 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?气? 象? 学? 报 ACTA METEOROLOGICA SINICA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vol. 60, No. 6 December 2002?初稿时间: 2001 年 1 月 18日; 修改稿时间: 2001 年 3 月 20 日。资助课题: 中国与荷兰签订的合作项目?建立关于荒漠化和粮食保障的中国能量与水平衡监测系统?, 乾安 LAS 站是吉林省科技厅发展计划项目( 990218) 。? ? ? ? 采用荷兰瓦赫宁根大学研制的 L

6、AS 系统, 在国家卫星气象中心和国家林业总局的指导下完成的。构参数 C2n= 4. 48?2ln ( A)D7/ 3L- 3, 其中 D 是发射光束的直径, L 是光程长度。LAS 的直接产品就是C2n值。知道 C2n值后, 再根据 Hill 等 5的研究:C2T= C2nT2A2T1+0?03 ?- 2 ( 1)式中 C2T为温度结构参数, AT是由色散确定的系数, T 是绝对温度, ? 为 Bowen 比, 在干旱地区, 一般 ? 1, 0. 03/ ? 1, 式( 1) 可进一步简化。求出 C2T 后, 在空气层结不稳定的条件下, H 值通过以下 3个方程求出:C2T(Zs- d)2/

7、 3?2*= C1T1- C2Tz - d L- 2/3 ( 2)u*=- u?( 3)H= ? cpu*?*( 4)其中 C1T, C2T为经验常数, d 为位移高度, Zs为光束距地面的高度, L 为 Obukhov 长度, u*为摩擦速 度, u?, ? ?分别为 x 坐标和z 坐标的脉动速度分量。?*为温度尺度。在非自由对流条件下, 首先应求出摩擦速度, 然后计算出 H 值。而在自由对流条件下, H 与 u*不再有关, 公式可进一步简化。在稳定条件下, H 值的计算意义较小, 文中尚未进行计算。 ? ?仪器安装在乾安县城东南角的郊区, 分布如图1。接收仪距发射仪约 1. 36 km,

8、其中农田和蔬菜约0. 636 km, 盐碱地约 0. 700 km, 光程离地面高度为 0. 006 km。 农田种有玉米和蔬菜, 包括向日葵、 黄豆、 西红柿、 瓜类等。常见的上、 下风向没有较高的建筑物和树林。图 1? 乾安 LAS 站俯视分布2. 2? 大孔径闪烁仪系统的应用考虑到 LAS 在中国是首次使用, 且涡动相关法的成本较高, 因此我们建立了一套梯度观测系统与LAS 进行比较, 并为 LAS 数据的进一步计算提供辅助数据。国外已对 LAS 和涡动相关法作了比较详细的对比, 结果令人满意 6。 梯度观测站建立在乾安县气象站的观测场内, 观测项目包括: 总辐射、 反射辐射、 净辐射;

9、 0. 5, 2, 6,10 m高的风速、 温度、 湿度; 0, 5, 10, 15, 20 cm的地温; 10 cm深的地热通量。传感器测到的电讯号, 经过 16位数模转换器转换成数字信号, 通过 485 口传输到室内的计算机, 进行存储、 计算和图形及数据实时显示。由于这套系统安装较晚, 没有取得 2000 年生长 季的完整资料。7 月份以后的数据比较完整。梯度站观测数据计算方法参见文献 7 和 8 。在 LAS 数据的计算中使用的其它气象数据取自乾 安县气象站的常规观测结果。3? 资料分析3. 1?LAS 测量的 H 值与梯度站的对比 为了判定 LAS 数据的可靠性, 首先把它的数据与梯

10、度观测的数据进行对比。由于 7, 8 月份阴雨连绵, 且两个观测点的下垫面的植被差别较大, 因此选 择了 9 月 21, 23日阴天; 9 月 29 日雨天; 9 月 7, 18,24, 25, 26 日晴天来做比较, 结果显示两者在不同天气条件下对显热通量的观测一致性较好, 图 2 给出其中 3 个典型天气的比较。 ? ?图 3 给出了 10 月 28日的一次能量平衡测量的结果, 其纵坐标表示各项通量的强度, 当时地面比较干燥, 作物已经收割, 减少了因为安装地点、 蒸散量 的不同造成的影响。由图 3 可知, LAS 的测量结果和梯度测量的结果基本一致。由于 LAS 站和梯度站相距 3 km

11、, 下垫面的情况不完全相同, 因此, 一些较小的差别, 如梯度观测数据似乎比 LAS 略低并略 有延迟等, 不能确认为是 LAS 和梯度观测的固有差异。图中净辐射、 地热通量、 显热通量都是实测数据, 并由此三项推算出蒸散所消耗的能量。由 10 月 28 日记录计算, 在白天 8: 00 16: 00 范围内净辐射量累计值为 4. 43 MJ/ m2, 显热通量累计值为 1. 35 MJ/ m2, 占净辐射量的 30%, 地热通量累计值为 1. 23 MJ/ m2, 占净辐射量的 28%, 蒸散通 量累计值 1. 86 MJ/ m2, 占净辐射量的 42% 。? ? LAS 只能测量日出后、

12、日落前的大气层结具有不稳定状态时的数据, 因此图 3 中没有给出 8: 00 前和 16: 00 后的数据。而梯度法无论白天、 晚上, 一般 情况下都得到合理的结果。781? 6 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 支克广等: 乾安地区盐碱地显热通量的测量? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?3. 2? 乾安盐碱地带 H 值随季节的变化 图4是2000年5 9月乾安县生长季的基本气象环境, 特点是春、 秋干旱, 雨量集中在 6 月下旬 8月末。相应的植被情况是 5 月末 6 月初出苗, 6 月中旬开始进入旺盛生长, 9 月份进入成熟, 枝叶逐渐

13、 枯黄, 10月 10 日前后开始收获。图 5 是 2000 年生长季盐碱地中午 12: 00 时显热通量的旬平均和净辐射量的旬平均, 由图 5 可以782? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 气? ? 象? ? 学? ? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 60 卷?图 4? 2000年 5 9 月乾安县温度、 湿度和降水分布图 5? 2000 年生长季旬显热通量、 净辐射量图 6? 各次明显降水过程前后 LAS 的测量值看出, 在 2000 年生长季中, 显热通量并不像日变化那样随净辐射增加而增加, 相反,

14、 当春季到夏季净辐 射越来越大时, 显热通量却逐渐减小, 净辐射通量由6月份 237. 1 W/ m2增加到 7 月份末 508. 7 W/ m2,增加了 1 倍多, 而生长季中显热通量由最高的117. 97 W/ m2降到 39. 55 W/ m2, 降低了约 67% 。显热通量占净辐射的比例, 由 4 月份干旱而没有植被时的近 65% 降到 7 月中旬的 11% , 而在下半年, 当净辐射量逐渐减少时, 显热通量反而逐步增加到10 月份的 30. 4% , 在 7 月下旬净辐射出现最大值,而显热通量却接近最低值, 这显然是由于降雨和植被生长引起的。雨量集中的 7 月中旬到 8 月末, 与7

15、83? 6 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 支克广等: 乾安地区盐碱地显热通量的测量? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?显热通量的最低值恰好对应。3. 3? 盐碱地区降水前后的显热通量的变化图 6 是生长季中各次主要降水引起的显热通量 的变化, 图中每两个标有数据的柱是一次降水前后晴天中午 12: 00 的显热通量, 中间的柱体是降水, 柱高表示降水量。由图可知, 在每次降水之后, 显热通 量都明显降低, 降低的数量与降水的大小有关。在8月份, 由于降水集中, 在图中未给出。图 7 是 6 月 28 30 日降水过程前后的显热通量 累 积

16、 量 的 变 化 过 程, 图 中 折 线 表 示 每 天8: 00 16: 00点显热通量累计量的变化过程, 由雨前 的 2. 88 MJ/ m2降至雨后的 1.93 MJ/ m2, 然后逐步回升到 7 月7 日的 2. 85 MJ/ m2。这些数据反映了盐碱地保持水分的能力。虽然目前还没有看到国内其它 类型土壤这方面的资料, 无法进行比较, 但本文认为它体现了这个地区自然特征和能量分配的一个方面。图 7? 2000 年 6 月 29 30 日降水过程前后 LAS 值的变化4? 讨论和结论( 1) 在乾安盐碱地区, 2000 年的显热通量在春季干旱季节可占净辐射的 65% 以上, 是典型的干旱地区。而在 7, 8 月份, 显热通量随降水的增加和植 被的生长大幅度降低仅为净辐射的 11% , 与南方多雨湿润地区类似9。(2) 由于盐碱地区植被所占的比例较小, 所以 显热通量受降水的影响较普通地区要大。显热通量占净辐射的比例大小主要取决于降水量的大小。降 水前后显热通量的演变过程在一定程度上反映出该地区土层和植被的特征。( 3