三江源地區凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析*

張 功，韓輝邦，孫守家，張勁松，鄭 寧

三江源地區凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析*

張 功1,3，韓輝邦2**，孫守家3**，張勁松3，鄭 寧3

（1．安徽省林業科學研究院/安徽黃山森林生態系統國家定位觀測研究站，合肥 239500；2．青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001；3．中國林業科學研究院林業研究所/國家林業局林木培育重點實驗室，北京 100091）

利用三江源地區2018年1-12月渦動相關系統的觀測數據，分析該地區凍土/非凍土期內各能量分項支出分配特征和能量平衡閉合率及其影響因子，以揭示其能量平衡特征。結果表明：顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量變化趨勢與凈輻射相似，且在年尺度、日尺度上具有典型的單峰型變化，但潛熱通量、土壤熱通量的峰值出現時間具有滯后性。非凍土期內，顯熱、潛熱支出以及土壤吸收的熱量占總能量的比例分別為0.38、0.37、0.10；而在凍土期內，上述各能量的支出比分別為0.54、0.19、?0.01。全年能量平衡閉合率為0.69，能量平衡閉合率在凍土期和非凍土期內分別為0.63、0.74。三江源地區凍土期內顯熱支出為主要能量消耗方式，且在該時段內影響能量平衡閉合率的因素主要是湍流動力因子；非凍土期的能量消耗方式為潛熱和顯熱，熱力和動力因子均對能量平衡閉合率產生影響。

渦動相關系統；能量平衡；大氣穩定度；摩擦速度；熱力湍流

能量交換是地氣相互作用的主要過程之一[1]，不僅影響地氣間物質交換的進程，而且也對氣候變化具有重要的推動作用[2]。青藏高原對中國及東亞地區天氣系統的形成具有決定作用，同時該地區的地氣相互作用對全球大氣環流、亞洲季風等具有重要影響[3-4]。在全球變化背景下，由于青藏高原獨特的大氣邊界層熱力結構，其對于氣候變化的響應十分敏感[5]，青藏高原的熱力學特征以及生態環境等對氣候變化的響應受到了廣泛關注。因此，研究青藏高原地區的能量平衡特征對氣象學、生態學、水文學等相關學科具有重要意義。

青藏高原地區先后開展了“全球能量水循環之亞洲季風青藏高原試驗”與“全球協調加強觀測計劃（CEOP）亞澳季風之青藏高原試驗”研究，結果表明青藏高原的近地層和邊界層是大氣中各種熱力、動力效應傳輸的媒介[6-7]，并且局地微氣象條件與下墊面性質特征對此過程具有很大影響[8-9]。青藏高原地氣相互作用的觀測研究已經陸續在阿里[10-11]、珠峰[12-13]、那曲[14-15]、羌塘[16]等地區展開，這些試驗觀測研究主要集中在湍流變化特征、近地層輻射平衡特征、總體輸送系數等方面，有助于揭示青藏高原地區地氣交換特征及機制[17-18]。三江源自然保護區作為青藏高原的核心地帶，是中國重要的水源涵養地，也是中國氣候條件最惡劣、生態環境極脆弱的區域之一[19-20]。在全球變化背景下，為加強生態建設，國家制定了退耕還草、禁牧圍封等一系列保護和恢復措施，三江源地區植被覆蓋度、土壤水熱等狀況發生了改變[21]，這種變化勢必會導致該地區能量的分配發生改變。

由于觀測地形和湍流運動特征等客觀因素的限制，渦動相關系統在草地、農田、森林等常規生態系統下觀測的通量數據，一般在進行適當的數據處理和質量控制后即分析其規律特征、揭示影響機制[1-2,7,9]。三江源地區因其獨特的地理位置，對環境氣候的變化十分敏感，充分了解其地氣間的物質能量交換特征，是該地區進行生態、水文等相關研究的基礎。然而，許多常規下墊面的數據處理方法和研究結論在該地區未必適用，相關研究也較為缺乏，因此，在該地區進行相關研究更需關注地氣交換過程。地氣間物質能量交換觀測中的能量平衡不閉合，其影響因素眾多，而三江源地區的研究主要集中在能量收支規律及能量平衡特征方面[19,22]。為此，本研究以三江源保護區為研究區域，采用渦動相關方法研究該區域凍土/非凍土的能量分配特征以及能量閉合狀況，并從湍流發展機理方面分析能量平衡不閉合的原因，旨在提高渦動相關技術在該地區的觀測精度和數據質量，從而揭示三江源地區凍土/非凍土季節的能量分配特征及能量平衡閉合規律，探明影響該地區能量平衡閉合率的因素，對進一步揭示青藏高原地氣相互作用與氣候環境變化具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣三江源自然保護區內（31°39′-36°12′N；89°45′-102°23′ E），屬于青藏高原腹地，是黃河、長江及瀾滄江的發源地，海拔為4000-4300m，地貌特征以高原盆地為主。三江源自然保護區屬于典型的高原大陸性氣候，沒有明顯的四季分別，只有干、濕季節的差異。研究地點設在三江源境內的隆寶灘國家級自然保護區，儀器安裝位置33°12′N，96°30′E，海拔4167m，位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣隆寶鎮境內。該地區年平均氣溫約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。該地區湖泊、河流、沼澤眾多，高山草甸是主要生態系統。主要植被有圓囊苔草（）、藏北蒿草（）等，伴生植物有花葶驢蹄草（）、龍膽（）和圓穗蓼（）等。土壤以沼澤土和草甸土為主。沼澤土主要分布在濕地區域以及干濕交替區域，而草甸土主要分布在高寒草甸地區。土壤有機碳含量為142.31±18.42g·kg?1，全氮含量為9.76±8.34g·kg?1，全鉀含量為14.00±3.29g·kg?1，有機碳、全氮、全鉀在沼澤土和草甸土中差異顯著。

1.2 觀測設備與數據采集

觀測設備為開路式渦動相關系統（Eddy covariance，EC），主要包括三維超聲風速儀（CSAT3，Campbell Scientific，USA）和CO2/H2O紅外氣體分析儀（Li-7500A，Li-cor，USA），分別用于測量超聲溫度、三維風速、CO2和水汽密度，安裝在距地面2.5m高度的位置，在距地面1.5m高處安裝凈輻射儀（CNR-4，Kipp& Zone，Honland），地下5cm深處分南北兩向各安裝土壤熱通量儀（HFP01，Hukseflux，Netherlands），在地下5、10、20、40cm處各安裝土壤溫濕度傳感器（CS655，Campbell Scientific，USA），距地面1.5m高處安裝空氣溫濕度傳感器（HMP155，Vaisala，Finland），利用雨量筒進行降水量觀測。上述各類傳感器全部通過CR3000型數據采集器（Campbell Scientific，USA）進行數據采集與存儲，其中三維風、CO2、水汽密度原始數據采樣頻率為10Hz，經野點剔除、二次坐標旋轉、虛溫訂正、以及WPL校正等在線處理后輸出30min平均值進行存儲。氣象數據采樣頻率為1Hz，每10min存儲一次。研究觀測時間為2018年1月1日-12月31日。

1.3 能量平衡狀況分析

根據能量守恒定律，某一地區或某一生態系統的能量平衡可表示為[23]

式中，H表示顯熱通量（W·m?2），LE表示潛熱通量（W·m?2），Rn表示凈輻射（W·m?2），Gs表示土壤熱通量（W·m?2）。Ad表示空氣水平運動造成的能量損失（W·m?2），Ae表示人工熱源的貢獻量（W·m?2），如燃料的燃燒等。在不考慮人類干擾、光合作用能量消耗以及空氣水平運動造成能量損失的條件下，式（1）可簡化為

采用湍流通量（顯熱通量H+潛熱通量LE）與有效輻射能（凈輻射Rn－土壤熱通量Gs）的比值即能量平衡率（EBR）[24]來定量評價三江源自然保護區能量閉合狀況，表達式為

當EBR為1時，即表示該系統的能量收支相等，能量閉合；EBR<1表示能量不閉合，且數值越小，能量不閉合現象越嚴重。

根據2018年1-12月的氣象觀測數據，將研究區域分為凍土期和非凍土期進行能量平衡特征分析。定義土壤5cm深處日平均溫度>0℃期間為非凍土期，<0℃期間為凍土期，因此，確定非凍土期為5-11月，凍土期為1-4月和12月。研究中開路式渦動相關系統觀測的30min數據總樣本量13860個，其中凍土期樣本量6632個，非凍土期樣本量7228個。

1.4 輔助參數

在邊界層中，湍流動能變化可描述為：湍流動能變化受下墊面摩擦力、氣團沉浮、壓力輸送、湍流機械運輸和分子間的黏度擴散等影響。其中，下墊面摩擦（動力因子）與氣團沉浮（熱力因子）對湍流動能的影響最大，反映湍流動能變化強度的物理量可用大氣穩定度（ζ）表示[1,2,25]。大氣穩定度（ζ）充分考慮了動力因子與熱力因子對湍流強度的影響而被廣泛用于描述大氣層結條件狀態，并認為－0.04≤ζ≤0.04為中性狀態；ζ<－0.04 為不穩定狀態；ζ>0.04為穩定狀態[26]。ζ的計算式為

式中，z表示儀器的觀測高度（2.5m），d表示零平面位移（0.01m），L表示Monin-Obukhov 長度（m），計算式為

2 結果與分析

2.1 能量收支各分項及其占比變化分析

2.1.1 逐日變化

三江源地區2018年能量收支各分項逐日總量變化特征如圖1所示。由圖可知，各能量分量在非凍土期均高于凍土期，顯熱、潛熱通量以及土壤熱通量的變化特征與凈輻射變化特征相似，各能量分量均具有單峰變化特征。凈輻射與顯熱通量從3月開始增大，并在6月中旬左右出現峰值，最大日總量分別為15.03MJ·m?2·d?1、7.81MJ·m?2·d?1，隨后開始逐漸降低；潛熱通量與凈輻射具有相似的變化趨勢，但其峰值出現時間為7月初，峰值大小為8.97MJ·m?2·d?1，與凈輻射峰值出現時間相比，潛熱通量峰值出現時間存在滯后性。土壤熱通量在非凍土期大多數時刻表現為正值，即土壤從地表向土壤深處傳遞能量，最大能量出現在7月中旬，為2.92MJ·m?2·d?1，10月中旬，土壤熱通量開始出現負值，土壤開始由非凍土期向凍土期轉變；在凍土期主要表現為負值，即土壤從深層向表層傳輸能量，能量最大值出現在12月中旬，為2.55MJ·m?2·d?1。4月上旬，土壤熱通量開始出現正值，土壤由凍土期向非凍土期轉變。

2.1.2 日內變化

將圖1中凍土/非凍土期每時刻數據平均，分別得到兩個階段能量收支各分項日平均變化過程，結果見圖2。由圖2a可見，凍土期凈輻射Rn、土壤熱通量Gs、顯熱通量H以及潛熱通量LE均表現出典型的單峰型變化趨勢，夜間通量較小，變化幅度不明顯，白天呈倒“U”型，具有明顯的峰值特征。凍土期內凈輻射在14：30達到最大值（為323W·m?2），此時顯熱通量和潛熱通量也均達到最大，但兩者數值有明顯差異，顯熱通量最大值為150W·m?2，潛熱通量僅31W·m?2。土壤熱通量在凍土期內的大多數時刻表現為負值特征，說明土壤中的能量傳輸以向上傳輸方式為主即深層土壤向土壤表層傳輸能量，并于16：30達到最大值，但數值極小，僅為0.8W·m?2。可見，在凍土期，顯熱通量是能量支出的主要形式。

圖1 2018年三江源地區土壤能量收支各分項逐日總量變化過程

注：Rn表示凈輻射，H表示顯熱通量，LE表示潛熱通量，Gs表示土壤熱通量。非凍土期為5-11月，凍土期為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.

圖2 2018年三江源地區凍土/非凍土期能量通量平均值的日變化（數據間隔為30min）

由圖2b可見，非凍土期能量收支各分項日內變化過程與凍土期相似，只是各能量分量峰值的出現時間略有差異。非凍土期凈輻射Rn、顯熱通量H以及潛熱通量LE均表現出典型的單峰型變化趨勢，呈倒“U”型。凈輻射峰值（462W·m?2）比凍土期高，峰值出現時間比凍土期早（在13：00），此時顯熱通量和潛熱通量也均達最大值，但兩者差異不大，顯熱通量最大值為143W·m?2，潛熱通量最大值為121W·m?2。土壤熱通量在大多數時刻表現為正值，說明能量在土壤中的傳輸方式以地表向深層土壤傳輸為主，最大值為17W·m?2。土壤熱通量晝夜變化幅度較小，為14W·m?2。可見，非凍土期內顯熱通量與潛熱通量是能量的主要支出方式，峰值出現時間提前約1h，且比凍土期內高約130W·m?2。

2.1.3 各分項占比

2018年1-12月三江源地區能量支出方式的季節變化如圖3所示。由圖可見，在1月和12月，土壤中的能量主要是從深層土壤向表層土壤進行傳遞，因此，地面主要從土壤吸收熱量，能量主要以顯熱形式向大氣輸送，顯熱通量與凈輻射能量占比H/Rn分別為0.56和0.50。從2月開始，土壤中的能量開始由表層向深層傳輸，但能量仍以顯熱支出為主，占比為0.59；從5月開始，能量以潛熱、土壤吸收熱形式支出的比例增大，顯熱支出比例減小，占比分別為0.38、0.11、0.44；隨后，能量主要以顯熱、潛熱、土壤吸收熱3種形式支出，6月潛熱支出比例（LE/Rn）最大，為0.40，8月土壤吸收熱占據支出比例達到全年最大值，為0.14。非凍土期內的顯熱支出占總能量的比例為0.38，潛熱支出占比例為0.37，土壤吸收熱所占比例為0.10；而在凍土期顯熱支出占總能量的比例為0.54，潛熱支出占比例為0.19，土壤吸收熱所占比例為?0.01。

圖3 2018年1-12月三江源地區能量支出方式的季節變化

研究區全年顯熱支出比（H/Rn）為0.45，與人工草地（0.45）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的顯熱分配比相當，比內蒙古中部典型草原（0.56）低[28]。全年潛熱分配比（LE/Rn）為0.30，低于研究區人工草地（0.46）[22]、海北天然高寒草甸（0.44）[27]的潛熱分配比，即使非凍土期最大潛熱分配比（0.40）也低于上述研究，說明研究區非凍土期內用于水分蒸散的能量與用于顯熱傳輸的能量相當。研究區全年土壤吸收熱量分配比（Gs/Rn）為0.05，高于人工草地（?0.13）[22]，低于當雄退化高寒草甸（0.04）[29]的土壤吸收熱量分配比。

2.2 能量平衡閉合率分析

能量平衡閉合率是評價開路式渦動相關系統（EC）觀測結果的重要指標之一，將三江源地區2018年高寒草甸有效輻射能（凈輻射Rn－土壤熱通量Gs）與湍流通量（顯熱通量H+潛熱通量LE）進行線性回歸，得出線性關系作為能量平衡閉合比率，并用來評價EC測量值。如圖4所示，三江源地區全年能量平衡閉合率為0.69，位于全球地表能量平衡閉合率區間0.55～0.90范圍內[22,30-32]，表明觀測的通量數據結果可靠。由圖5可知，凍土期內能量平衡閉合率為0.63，而非凍土期內為0.74，說明三江源地區在非凍土期內表現出較高的能量平衡閉合率。

圖4 三江源地區全年能量數據收支平衡分析（數據間隔為30min）

圖5 三江源地區凍土期（a）和非凍土期（b）能量數據收支平衡分析（數據間隔為30min）

2.3 能量平衡閉合率的主要影響因素分析

2.3.1 大氣穩定度

三江源地區凍土期與非凍土期的能量平衡閉合率隨大氣穩定度變化特征如圖6所示。由圖可知，在非凍土期內，能量平衡閉合率的最大值為0.74，出現在大氣弱不穩定（近中性）條件下，即ζ為0.03時，以此點為基準，隨著穩定度向穩定狀態和不穩定狀態發展，能量平衡閉合率均開始下降，且穩定狀態下的閉合率降低速率最快。當大氣達到極穩定狀態，即ζ為1.31時，能量平衡閉合率降至0.24。凍土期內的能量閉合也表現出相似的變化規律。凍土期內能量平衡閉合率最大值為0.68，此時ζ為?0.07。隨著穩定度逐漸趨向為極不穩定或穩定狀態，能量平衡閉合率均呈現出減小特征，且在ζ為1.71時能量平衡閉合率達到凍土期最低值0.32。因此可知，穩定度在極不穩定或極穩定狀態下的能量平衡閉合率比近中性條件下低。在大氣層結條件不穩定狀態下，當ζ0.20時，凍土期的能量平衡閉合率大于非凍土期。

圖6 三江源地區能量平衡閉合率隨穩定度的變化特征

大量實驗亦表明，在大氣處于極不穩定或極穩定狀態時，能量平衡閉合率較低的現象十分普遍，此時通常會出現較大尺度的湍渦[33]，而渦動相關系統對這類湍渦觀測能量不足，在固定時間內（通常為30min）難以獲得完整的湍流，造成能量閉合程度降低[34-35]。

2.3.2 摩擦速度

摩擦速度常作為湍流切應力作用的場合對各項湍流參數起支配作用的特征速度，廣泛用于近地面層以致整個大氣邊界層結構及大氣湍流擴散問題的定量分析。由圖7可知，研究區在凍土期與非凍土期內的能量平衡閉合率隨摩擦速度的變化特征相似，均隨著摩擦速度的增大而增大，當摩擦速度達到一定程度時，能量平衡閉合率隨著摩擦速度的增大呈現減小趨勢。全年能量平衡閉合率最大值出現在非凍土期，為0.76，此時摩擦速度為0.38m·s?1。

圖7 三江源地區能量平衡閉合率隨摩擦速度的變化特征

摩擦速度在凍土期的分布范圍（0.04～0.52）大于在非凍土期的分布范圍（0.10～0.43），且摩擦速度大于0.48m·s?1時，能量平衡閉合率由0.62降至0.60，下降幅度較小；在非凍土期內，摩擦速度由0.38m·s?1變為0.43m·s?1時，能量平衡閉合率由0.76降至0.57。由此說明，在一定范圍內，摩擦速度對湍流具有促進作用，摩擦速度越大，湍流發展越旺盛，渦動相關系觀測結果越理想，能量平衡閉合率接近1[36]。結合圖6可知，在大氣層結條件不穩定時，摩擦速度減小是導致能量平衡閉合率較低的主要原因。

2.3.3 熱力湍流

動力因素和熱力因素皆可影響大氣穩定性，從而導致湍流運動。圖8表示能量平衡閉合率隨熱力湍流的變化特征。由圖可知，三江源地區熱力湍流運動主要以向上運動為主，當熱力湍流向下運動，且運動強度為0.01℃·m·s?1時，能量平衡閉合率具有最低值，為0.25。當熱力湍流發展旺盛時，湍流運動方向無論向下還是向上，能量平衡閉合率均表現出不同程度的提高，最大能量平衡閉合率為0.78。在非凍土期內，當湍流方向向下時，熱力湍流強度達到0.13℃·m·s?1后，能量平衡閉合率開始表現為下降趨勢；在凍土期內，熱力湍流強度隨能量平衡閉合率的變化存在與非凍土期相似的變化特征。

當熱力湍流方向向上時，非凍土期熱力湍流對能量平衡閉合率的貢獻約為0.52，而在凍土期熱力湍流對能量平衡閉合率的貢獻約為0.31。結合圖6、圖7可知，在大氣運動狀態不穩定條件下，凍土期內的能量平衡閉合率主要受摩擦速度的影響，而在非凍土期內熱力因素與動力因素均會影響能量平衡閉合率。

圖8 三江源地區能量平衡閉合率隨熱力湍流的變化特征

注：熱力湍流為負表示湍流運動反方向向下。

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

3 結論與討論

3.1 討論

三江源地區各能量收支具有明顯的單峰變化特征，凈輻射（Rn）、顯熱通量（H）、潛熱通量（LE）以及土壤熱通量（Gs）的峰值出現時間存在差異性。出現這一現象的主要原因是，在非凍土期內三江源地區降雨豐富[22]，植被生理活動旺盛，水分傳輸活動增強，顯熱通量與潛熱通量過程得到加強；凍土期內地面、土壤凍結，水汽傳輸受到限制，特別是在降雪前后，潛熱過程受到限制[22,30]。從全年能量支出形式看，顯熱通量與潛熱通量是主要能量支出方式，土壤并非能量消耗的主體，且在凍土期內土壤能量還存在從深處向表層傳輸的現象。結合圖6、7、8分析可知，在凍土期內動力因素是湍流的主要動力，因此，在不穩定狀態或偏穩定狀態下，摩擦速度的減小會降低能量平衡閉合率；非凍土期內，太陽輻射增加，地表溫度增加，湍流活動較強，同時由于土壤解凍以及降水豐富，土壤含水量豐富[22]，熱力因素與動力因素共同影響湍流的狀態，水分蒸發活動強烈，潛熱通量輸送增加明顯。因此，在非凍土季節表現出更好的閉合率。

渦動相關（EC）方法是目前地氣間物質與能量交換觀測的主流方法，在全球通量觀測領域具有重要地位。在全球地表通量的觀測研究中，能量不閉合是普遍存在的現象。能量不閉合的原因通常被歸結為高頻與低頻損失、土壤淺層熱儲量的估算、儀器的觀測誤差以及平流效應造成的通量低估等四個方面，其中高低頻的損失可造成5%～10%的低估效應[37]。本研究利用青藏高原三江源地區的EC系統2018年全年觀測數據分析能量平衡特征，得出該地區的能量閉合程度為0.69，比青藏高原其它地區的能量閉合程度略高。

在分析能量閉合時采用簡化的能量平衡方程，忽略了土壤儲存熱、冠層及空氣柱（觀測探頭到地表高度的空氣柱）的儲存熱、植物光合作用消耗的能量。土壤熱通量板埋在土壤中深達5cm處，致使更多的熱量儲存在0-5cm土層，這在一定程度上加大了能量的非閉合。在考慮土壤淺層熱儲量和修正平流效應后，能量閉合可提高約23%[38]，例如SACOL站中熱通量板與地表間的熱儲量在夏季可占凈輻射的7%～8%[39]，并且在觀測中考慮土壤水分的運動后，EC觀測的能量平衡狀況得到了顯著的改善[40]。研究中的土壤熱存儲、空氣熱存儲、以及土壤水分運動對土壤熱通量的影響等能量修正方法在干旱半干旱區域、黃土高原具有較好的結果[38-41]。這類修正方法在青藏高原地區是否適用，其不確定性如何還需結合更多的輔助觀測數據進行驗證。此外，植被冠層的熱量存儲以及光合作用對能量的消耗也影響著能量平衡閉合率，因此，結合該通量站點的植被季節動態的觀測，如LAI或NDVI的變化規律，以及不同植被的光合速率強度，進一步分析三江源地區凍土期與非凍土期的植被覆蓋度的變化對能量閉合的影響是后續研究的重要內容。

3.2 結論

（1）三江源地區凈輻射、潛熱通量、顯熱通量、土壤熱通量在年尺度與日尺度上均表現出明顯的單峰型日變化特征。從年尺度上分析，顯熱通量與凈輻射具有相似變化規律，且峰值時間也較為一致，潛熱通量與土壤熱通量的峰值出現時間延遲。

（2）在凍土期內顯熱通量是能量支出主要形式，深層土壤向地表傳輸熱量明顯；非凍土期內能量的主要支出方式是顯熱與潛熱，土壤熱量由地表向深層土壤傳播明顯，土壤熱通量的量級比潛熱通量和顯熱通量小。

（3）三江源地區凍土期內動力因素是湍流的主要驅動力，在不穩定條件下，摩擦速度的降低在一定程度會降低能量平衡閉合率，且凍土期內的能量平衡閉合率為0.63；非凍土期湍流以熱力因素和動力因素為主要驅動力，湍流發展旺盛，因而具有較高能量平衡閉合率，為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

張功,韓輝邦,孫守家,等.三江源地區凍土/非凍土期近地層能量平衡特征及其影響因子分析[J].中國農業氣象,2020,41(5):288-298

2019?12?16

韓輝邦，E-mail：hmjerry@163.com；孫守家，E-mail：ssj1011@163.com

中央級公益性科研院所基本科研業務費“三江源濕地溫室氣體通量變化及增溫潛勢研究”（CAFYBB2016SY003）；國家自然科學基金“基于雙波段閃爍儀法獲取大尺度地表水熱通量的研究”（41771364）

張功，E-mail：12720484zg@sina.cn