全 文 ：长白山阔叶红松林生长季热量平衡变化特征 3
关德新 3 3 　吴家兵　王安志　赵晓松　金明淑　徐　浩　戴冠华　何　秀
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　根据长白山阔叶红松林 2001 年 5 月下旬至 10 月上旬微气象梯度观测资料和辐射、土壤热通量
资料 ,用波文比 - 能量平衡方法 (BREB 方法)计算了森林的显热通量和感热通量 ,并计算了森林大气和植
被体的储热量 ,分析了阔叶红松林热量平衡各项的日变化和季节变化 ,结果发现 ,热量平衡 (净辐射) 与太
阳总辐射呈线性关系 ;热量平衡各项都与净辐射有相同的日变化特征 ,为昼正夜负的曲线. 各项的绝对值
一般表现为净辐射 > 潜热通量 > 感热通量 > 储热变化. 受日照时间的影响 ,6～10 月各分量正值的日持续
时间逐渐缩短. 月平均结果 ,白天净辐射 6 月份最大 ,10 月上旬最小 ,变化于 0～527 W·m - 2 ,夜间的净辐
射在 0～ - 121 W·m - 2 . 潜热通量白天和夜间分别在 0～441、0～ - 81 W·m - 2 ,感热通量昼夜分别在 0～
80、0～ - 26 W·m - 2 . 储热变化则为 0～44、0～ - 26 W·m - 2 . 白天潜热通量占净辐射的比例 8～10 月逐渐
下降 ,而感热通量和储热变化的比例 9～10 月明显上升 ,特别在严霜后 2～3d ,出现潜热通量比例突减、感
热通量比例突增的现象. 文中还对通量观测仪器、方法进行了简要分析.
关键词 　热量平衡 　潜热 　感热 　储热量 　日变化 　生长季变化
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1828 - 05 　中图分类号 　S716 　文献标识码 　A
Dynamics of heat balance during growing season of broadleaved Korean pine forest in Changbai Mountains.
GUAN Dexin , WU Jiabing , WAN G Anzhi , ZHAO Xiaosong ,J IN Mingshu , XU Hao , DAI Guanhua , HE Xiu
(Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2004 ,15 (10) :1828～1832.
Based on the gradient measurement of microclimate factors ,radiation and soil heat flux from late May to early
October ,2001 and by the method of Bowen ratio2energy balance (BREB) ,this paper estimated the latent heat
and sensible heat above the broadleaved Korean pine forest in Changbai Mountains. The energy storage of forest
air and vegetative was calculated ,and the seasonal variations of heat balance components of the forest were ana2
lyzed. The results showed that the net radiation of the forest and the solar radiation were linearly correlated. All
the heat balance components had the similar characteristics of diurnal variation to the net radiation , showing
curves positive at daytime and negative at night ,and the terms ranged as net radiation > latent heat > sensible
heat > storage. The time of keeping positive terms in a day became shorter from J une to October as influenced by
shinning time. The highest net radiation was in J une and the lowest in October. The monthly averaged net radia2
tion was 0～527 and 0～ - 121 W·m - 2 ,and the latent heat was 0～441 and 0～ - 81 W·m - 2 for day and
night ,respectively. Sensible heat was 0～80 and 0～ - 26 W·m - 2 ,and energy storage was 0～44 and 0～ - 26
W·m - 2 for day and night ,respectively. The ratio of latent heat to net radiation at daytime decreased gradually
from August to October ,and the ratio of sensible heat and energy storage increased correspondingly. Especially 2
～3 days after the first sever frost ,a sudden drop of latent heat and a sudden bounce of sensible heat were ap2
peared. The instruments and measurement methods of heat flux were also concisely discussed in this paper.
Key words 　Heat balance , Latent heat , Sensible heat , Energy storage , Diurnal variation , Seasonal variation.3 国家自然科学基金项目 (30370293) 、中国科学院知识创新工程项
目 ( KZCX22406)和中国科学院沈阳应用生态研究所知识创新工程资
助项目 (SCXZD0101203201) .3 3 通讯联系人.
2003 - 06 - 25 收稿 ,2004 - 01 - 07 接受.
1 　引 　　言
森林是陆地生态系统的主体 ,它的能量平衡特
征不仅是森林本身生态效应的重要体现 ,而且对区
域甚至全球的气候有重要的影响 ,所以一直受到人
们的重视[13 ] ,我国一些研究者对不同森林进行了热
量平衡的观测研究[4 ,5 ,7 ,9 ,10 ,14～16 ] ,但由于观测技术
等因素的限制 ,以往的研究多为生长旺季短期的观
测结果 (数日至 1～2 月) ,而生长季时间尺度的研究
则很少[8 ] ,难以反映森林热量平衡的季节变化 ,本
文拟以我国温带典型的植被类型 ———长白山阔叶红
松林为研究对象 ,利用生长季内的长期观测结果分
析其热量平衡的基本特征.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
本项研究在中国科学院长白山森林生态系统定位站 1
号标准地阔叶红松林内进行 ( 42°24′N , 128°6′E , 海拔
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1828～1832
738m) . 林下土壤为山地暗棕色森林土 ,乔木为红松 ( Pinus
koriaensis) 、椴树 ( Tilia am urensis) 、蒙古栎 ( Quercus mon2
golica) 、水曲柳 ( Fraxinus m andshurica) 、色木 ( Acer mimo) .
林分为复层结构 ,平均株高约 26 m ,立木株数约 560 株·
hm - 2 ,总蓄积量 380 m3 ·hm - 2 ,郁闭度 018 ,下木覆盖度
40 %.
212 　观测方法
观测点建有高 62 m 的气象观测塔 ,通过 MAOS2I 小气
候自动观测系统自动采集林上 32 m 高度辐射 (太阳总辐射、
森林反射辐射、净辐射) 、空气温湿度和风速 (高度分别为
215、22、32、50 m) 、林地土壤温度 (深度分别为 0、5、10、15、
20、40、60、100 cm)和气压 (215 m 高度) ,观测频次为每小时
一次 (整点前后 10 min 平均值) . 本文资料的观测时间为
2001 年 5 月 22 日～10 月 14 日 ,其中 6 月和 8 月因仪器调
修有部分缺测. 观测场地地势平缓 ,有足够的风浪区长度 ,即
观测高度与上风方向的均匀下垫面长度的比小于 1/ 100 [3 ] .
213 　计算方法
21311 潜热和显热通量 　森林下垫面能量平衡方程可以表
示为[3 ] :
R n = λE + H + S + P (1)
式中 , R n 为净辐射通量 (W ·m- 2) ;λE 为潜热通量 ( W ·
m
- 2) ; H为显热通量 ( W·m- 2) ; S 为辐射平衡观测高度下的
气层和下垫面储热量变化 ( W ·m- 2) ; P 是森林植被光合作
用消耗的能量 ,一般只占太阳总辐射的 1 % 左右 ,在下面的
计算中忽略不计.
采用波文比 2能量平衡法 (BREB 法) ,波文比β表示为 :
β = HλE = γ
Δt
Δe (2)
那么潜热通量 L E 和显热通量 H 分别表示为
λE = R n - S1 +β (3)
H =
β·( R n - S )
1 +β (4)
式中 ,Δt 为两个高度的温度差 ( ℃) ;Δe为两个高度的水汽压
差 (kPa) ,γ为干湿表常数 ( kPa ·℃- 1) , e 和γ分别由下式计
算 :
e = w - γP( t - tw ) (5)
γ = CPPL vε (6)
式中 , ew 为气温 t ℃时的水面饱和水汽压 ,利用 Goff2Gratch
公式计算[2 ] , t 、tw 分别为干、湿球温度 , P 为气压 (kPa) , 均
由观测系统直接测定并自动记录 , CP 为干空气的定压比热
(11013kJ ·kg- 1 ·℃- 1) ;ε= 01622为常数 ; L v 为水的汽化潜
热 (kJ ·kg- 1) ,可由下列公式计算 [3 ] :
L v = 2500178 - 213601 ta (7)
式中 , ta 为空气温度 ( ℃) .
21312 储热量的计算 　储热量变化 S 包括 3 个分量 :
S = S a + S v + S g (8)
式中 , S a 为观测高度下的气层储热量变化 , S v 为植被体储热
量变化 , S g 为土壤热通量 ,其中 S g 由热通量板直接测定 , S a
根据空气温、湿度梯度资料计算 :
S a =∫
Z
r
0
ρCP
5 Ta5 t dz +∫Zr
0
λ5 e5 t dz (9)
式中 ,第一项为干空气内能变化 ,第二项为空气湿度变化引
起的空气内能变化 , Zr 为净辐射的观测高度 (32 m) ,ρ为空
气密度 ( Kg ·m- 3) ,由下式计算 :
ρ = PR d Ta (1 + 01378 e/ P) (10)
式中 , R d 为干空气比气体常数 (287 J ·Kg - 1 ·K- 1) , Ta 为气
温 ( = 273 + t) , (9) 式的积分用 215、22、32 m 高度的温度和
湿度资料 ,采取差分方法近似计算.
植被体储热量变化 S v 根据下式计算[4 ]
S v = Cv ·Δv ·h (11)
式中 , h 为植物体有效厚度 ,即一定面积上植物体积与林地
面积之比 ,本研究样地的总蓄积量为 380 m3·hm - 2 ,植物体
有效厚度为 h = 318 cm , Cv 为植物体的容积热容量 ,根据文
献[4 ]取 21926 MJ·m - 3 ,ΔTv 为有效植物体深度为 015 h 处
的温度变化 ,由于植物体有效厚度是一个折算量 , Tv 是一个
虚拟温度 ,可以用 015 h 深度的树干温度代替 [4 ] ,但树干温
度受树木径级、观测高度、树干阴阳面、树种等因素的影响 ,
观测比较困难. 我们用下面的方法间接计算ΔTv 的值.
将植被体假设为厚度为 h 的一层物质 (有效植被层) ,
它和林地土壤一样单面接收透过冠层的太阳辐射 ,二者具有
相同形式的热传导方程 ,分别为5 Ts5 t = Ks 52 Ts5 z2 (12)5 Tv5 t = Kv 52 Tv5 z2 (13)
式中 , Ts 、Tv 分别为林地土壤和有效植被层的温度 , Ks 、Kv
分别为二者的热扩散系数 , t 、z 分别为时间和深度. 给定边
界条件
T (0 , t) = T0 + A 0sin 2πτ t (14)
式中 , T0 为表面温度的日平均值 , A 0 为表面温度振幅 ,τ为
日周期长度 ,则方程 (12) 、(13) 有相同形式的解 (只列出一
个表达式)
T ( z , t) = T0 + A 0exp - z πKτ
sin 2πτ t -
z
2
τ
Kπ (15)
深度 z 处的温度振幅为
A z = A 0exp ( - z π/ Kτ) (16)
假设土壤和有效植被层具有相同的表面温度振幅 A 0 ,
土壤 zs 深度与植被层 z v 深度的温度振幅相等 ,则根据 (16)
有
zs/ z v = Ks/ Kv (17)
根据 (17) 、(15) 可知 ,土壤 zs 深度与植被层 z v 深度的位
相也相同 ,即二者温度变化一致 ,因此 ,如果已知 Ks 、Kv 和
928110 期 　　　　　　　　　　　　关德新等 :长白山阔叶红松林生长季热量平衡变化特征 　　　　　　　　　　　
植被层代表厚度 z v ,可以用土壤深度
zs = z v Ks/ Kv (18)
的温度代替植被层的温度进行储热量变化 S v 的计算. 本文
的计算中 ,由于降水次数和降水量均很少 ,忽略了土壤的 Ks
随土壤湿度的变化 ,取平均值 110 ×10 - 6 [11 ] ,植被体 Kv 取立
木的平均值 210 ×10 - 7 [12 ] , z v = 015 h = 119 cm ,得到 zs =
4125 cm. 根据 0 cm 和 5 cm 深度的土壤温度资料进行线性
内插 ,得到 zs = 4125 cm 深度的温度变化ΔTv ,代入 (11) 式
计算植被体储热量变化 S v 的值.
3 　结果与分析
311 　净辐射与总辐射的关系
净辐射 (辐射平衡)是森林生态系统中太阳辐射
能量进行转化的总量 ,用于蒸发散、湍流交换和系统
各个组分的温度改变 ,以及光合作用等 ,对森林生态
系统的生态过程具有重要意义. 根据观测资料 ,净辐
射 R n 与总辐射 R0 有很好的线性关系 ,各月的回归
方程和相关系数分别为 :
5 月 : R n = 01756 R0 - 251028 　R2 = 01982
6 月 : R n = 01754 R0 - 181176 R2 = 01972
7 月 : R n = 01728 R0 - 191253 R2 = 01976
8 月 : R n = 01723 R0 - 431618 R2 = 01971
9 月 : R n = 01721 R0 - 551856 R2 = 01978
10 月 : R n = 01647 R0 - 491111 R2 = 01980
式中 ,回归常数随着生长季进程有所改变 ,是下垫面
特征和天气条件综合作用的结果.
312 　热量平衡各分量日变化的季节动态
辐射平衡各分量各月的平均日变化 ,有如下特
点 (图 1) :1)净辐射、潜热通量、感热通量、储热变化
都随着净辐射的变化而形成明显的日变化特征 ,一
般特征是白天为正值 ,夜间为负值. 不论白天的正值
还是夜间负值的绝对值 ,一般都表现为净辐射 > 潜
热通量 > 感热通量 > 储热变化. 在日出附近 ,各分量
由负值上升为正值 ,在日落附近 ,各分量由正值下降
为负值. 受可照时季节变化等因素的影响 ,6～10 月
各分量正值持续时间逐渐缩短 ,而负值持续时间则
相应变长 ,如 6 月的正值持续时间大约为 12 h ,而
10 月下旬则只有约 6 h. 2)在观测期间 ,白天净辐射
6 月份最大 ,中午平均最大值为 527 W·m - 2 ,5 月下
旬、7 月和 9 月次之 ,中午平均最大值为 450～506
W·m - 2 , 8 月较小 (394 W·m - 2 ) , 10 月上旬最小
(223 W·m - 2) ,净辐射的这种变化特征主要与太阳
高度和天空状况 (云量) 有关 ,6 月太阳高度最大 ,云
量较少 ,总辐射和净辐射最大 ;5 月下旬和 7 月太阳
高度稍小 ,净辐射次之 ;8 月不仅太阳高度变小 ,云
量也增多 ,净辐射较小 ;9 月云量减少 ,净辐射有所
增加 ,10 月上旬太阳高度更小 ,净辐射也很小. 夜间
净辐射 5～8 月变化不大 ,负极值一般在 - 70～ - 90
W·m - 2 , 9 月负值较大 , 可达 - 121 W ·m - 2 .
3) 5～10月潜热通量平均最大值分别为413、441、401、
图 1 　生长季各月热量平衡分量的平均日变化
Fig. 1 Monthly2averaged diurnal variation of heat balance components during the growing season.
Ⅰ1 净辐射 Rn Net radiation ; Ⅱ1 潜热λE Latent heat ; Ⅲ1 感热 H Sensible heat ; Ⅳ1 储热 S Heat storage.
0381　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
310、351、146 W·m - 2 . 夜间负值 5～8 月间差异不
大 ,负极值一般在 - 45～ - 70 W·m - 2 ,而 9 月负值
较大 ,可达 - 81 W·m - 2 . 感热通量平均最大值变化
于 52～80 W·m - 2 ,夜间的平均负极值变化于 - 15
～ - 26 W·m - 2 . 储热变化平均最大值变化于 27～
44 W·m - 2 ,夜间平均负极值变化于 - 10～ - 26 W·
m
- 2
.
313 　热量平衡各分量平均日总量的月季变化
辐射平衡各分量平均日总量的月季变化特点如
图 2 所示 ,潜热通量、感热通量、储热变化随着净辐
射增减而增减 ,净辐射总量在 6 月最大 (11107 MJ
m
- 2·d - 1) ,10 月上旬最小 (0176 MJ m - 2·d - 1) ,潜
热通量变化于 0173～9118 MJ·m - 2·d - 1 ,感热通量
变化于 0111～1144 MJ·m - 2·d - 1 ,储热变化变化于
- 0117～0167 MJ·m - 2·d - 1 ,9 月和 10 月上旬的储
热量为负值.
图 2 　热量平衡各分量平均日总量的月季变化
Fig. 2 Seasonal variation of the monthly2averaged daily sum of heat bal2
ance components.
314 　热量平衡各项比例的季节变化
由于受森林物候和气象条件的影响 ,辐射平衡
各项比例也存在季节变化 ,如图 3 所示 ,白天潜热通
量占净辐射的比例由 5～7 月变化不大 ( 0176 左
右) ,8 月以后逐渐下降 ,特别是 10 月上旬下降最快
(为 0156) ,感热通量的比例 5～7 月变化不大 (0118
图 3 　白天热量平衡各分量占净辐射比例的季节变化
Fig. 3 Seasonal variation of ratio of heat balance ocmponents to net radiation.
左右) ,8～10 月有所增加 ,10 月上旬为 0128 ,储热
变化 5～8 月变化不大 (0106 左右) ,10 月上旬上升
到 0116. 这反映了消耗于植被生命活动的能量 (主
要为蒸腾耗热)比例下降 ,而消耗于物理环境的能量
比例上升.
　　森林物候对能量分配的影响更明显地反映在阔
叶树落叶前后几天 ,如图 4 所示 ,9 月 20 日之前的
最低气温都高于 5 ℃,20 日下降为 217 ℃,21 日凌
晨第一次出现了严霜 (即气温低于 0 ℃) ,日最低气
温 - 119 ℃,22 日凌晨气温也较低 ( - 111 ℃) ,比例
较大的阔叶树叶基本停止了生命活动 ,这样就使下
垫面蒸散水分的面积迅速减小 ,出现了如图所示的
24 日潜热通量比例突然减小、而感热通量比例突然
增大的现象 ,其突变比气温突变滞后 2～3 d ,可能是
由于突然枯死叶片的水分继续蒸发而导致的.
图 4 　严霜前后白天热量平衡分量 (a)和气温变化 (b)
Fig. 4 Sharp variation of the ratio of heat balance components to net radi2
ation (a) and variation of temperature at crown (b) around serious frost .
4 　讨 　　论
在生长季内 ,森林净辐射与总辐射有很好的线
性关系 ,线性方程的回归系数随着季节进程有所变
化 ,是下垫面特征和天气条件综合作用的结果.
热量平衡各项都与净辐射有相同的日变化特
征 ,白天为正值 ,夜间为负值. 不论白天的正值还是
夜间负值的绝对值 ,一般都表现为净辐射 > 潜热通
量 > 感热通量 > 储热变化. 受可照时季节变化的影
响 ,6～10 月各分量正负值持续时间相应地改变.
观测期间的月平均结果表明 ,白天净辐射 6 月
138110 期 　　　　　　　　　　　　关德新等 :长白山阔叶红松林生长季热量平衡变化特征 　　　　　　　　　　　
份最大 (中午平均最大值 527 W·m - 2) , 10 月上旬
最小 (223 W·m - 2) , 夜间的净辐射在 0～ - 121 W·
m
- 2
. 潜热通量白天和夜间分别在 0～441、0～ - 81
W·m - 2 ,感热通量昼夜分别在 0～80、0～ - 26 W·
m
- 2
. 储热变化则为 0～44、0～ - 26 W·m - 2 .
热量平衡各项比例也存在季节变化 ,白天潜热
通量占净辐射的比例 8～10 月逐渐下降 , 10 月上旬
下降最快 ,而感热通量和储热变化的比例 9～10 月
逐渐上升 ,反映了植被生命活动 (蒸腾) 能力的季节
变化. 森林物候对能量分配的影响更明显地反映在
落叶前后几天 ,在秋季严霜后 2～3 d ,出现潜热通量
比例突然减小、而感热通量比例突然增大的现象.
辐射平衡各项的观测、计算有不同的方法 ,如净
辐射的观测 ,多采取单表 (长短波同感应面)方法 (本
文也采用此方法) ,近年来国际上有采用四表方法
(长短波分表)的趋势 ,不同的观测仪器和方法得到
结果可能有所差异. 潜热通量和感热通量以往多采
用间接方法计算 (如本文采用的 BREB 方法 ,其他如
空气动力学方法、Penman2Monteith 方法等) ,直接
测定的 Lysimeter 方法很少在森林中应用 (主要原
因是树大根深) ,近年来发展起来的涡动相关方法逐
渐成为主流的直接测定方法 ,但由于仪器昂贵 ,在国
内森林尚未普遍应用 ,而在欧洲、美洲已有较多的研
究报道[1 ,6 ] . 不同的观测和估算方法的比较 ,仍然是
森林2大气间物质通量、能量通量研究的重要内容.
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作者简介 　关德新 ,男 ,1962 年生 ,博士 ,研究员 ,主要从事
生态气象、森林生态效应方面的研究 ,发表论文 30 余篇. E2
mail :guandexin @hotmail. com ,dxguan @iae. ac. cn
2381　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷