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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 22 期摇 摇 2011 年 11 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
叶冠尺度野鸭湖湿地植物群落含水量的高光谱估算模型 林摇 川,宫兆宁,赵文吉 (6645)……………………
中国水稻潜在分布及其气候特征 段居琦,周广胜 (6659)…………………………………………………………
大豆异黄酮浸种对盐胁迫大豆幼苗的生理效应 武玉妹,周摇 强, 於丙军 (6669)……………………………
黑河中游荒漠绿洲过渡带多枝柽柳对地下水位变化的生理生态响应与适应
张摇 佩,袁国富,庄摇 伟,等 (6677)
……………………………………
……………………………………………………………………………
高寒退化草地甘肃臭草种群分布格局及其对土壤水分的响应 赵成章,高福元,石福习,等 (6688)……………
基于生态足迹思想的皂市水利枢纽工程生态补偿标准研究 肖建红,陈绍金,于庆东,等 (6696)………………
基于 MODIS黄河三角洲湿地 NPP与 NDVI相关性的时空变化特征 蒋蕊竹,李秀启,朱永安,等 (6708)……
高分辨率影像支持的群落尺度沼泽湿地分类制图 李摇 娜,周德民,赵魁义 (6717)……………………………
土壤食细菌线虫对拟南芥根系生长的影响及机理 成艳红,陈小云,刘满强,等 (6727)…………………………
基于网络 K函数的西双版纳人工林空间格局及动态 杨珏婕,刘世梁,赵清贺,等 (6734)……………………
树轮灰度与树轮密度的对比分析及其对气候要素的响应 张同文,袁玉江,喻树龙,等 (6743)…………………
冀北山地阴坡优势树种的树体分维结构 田摇 超,刘摇 阳,杨新兵,等 (6753)……………………………………
帽峰山常绿阔叶林辐射通量特征 陈摇 进,陈步峰,潘勇军,等 (6766)……………………………………………
不同类型拌种剂对花生及其根际微生物的影响 刘登望,周摇 山,刘升锐,等 (6777)……………………………
一种自优化 RBF神经网络的叶绿素 a浓度时序预测模型 仝玉华,周洪亮,黄浙丰,等 (6788)………………
不同种源麻栎种子和苗木性状地理变异趋势面分析 刘志龙,虞木奎,马摇 跃,等 (6796)………………………
黄土丘陵区植物叶片与细根功能性状关系及其变化 施摇 宇,温仲明,龚时慧 (6805)…………………………
干旱区五种木本植物枝叶水分状况与其抗旱性能 谭永芹,柏新富,朱建军,等 (6815)…………………………
火灾对马尾松林地土壤特性的影响 薛摇 立,陈红跃,杨振意,等 (6824)…………………………………………
江苏省太湖流域产业结构的水环境污染效应 王摇 磊,张摇 磊,段学军,等 (6832)………………………………
高温对两种卡帕藻的酶活性、色素含量与叶绿素荧光的影响 赵素芬,何培民 (6845)…………………………
江苏省典型干旱过程特征 包云轩,孟翠丽,申双和,等 (6853)……………………………………………………
黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率 岳摇 平,张摇 强,杨金虎,等 (6866)………………………………
光质对烟叶光合特性、类胡萝卜素和表面提取物含量的影响 陈摇 伟,蒋摇 卫,邱雪柏,等 (6877)……………
铜陵铜尾矿废弃地生物土壤结皮中的蓝藻多样性 刘摇 梅,赵秀侠,詹摇 婧,等 (6886)…………………………
圈养马麝刻板行为表达频次及影响因素 孟秀祥,贡保草,薛达元,等 (6896)……………………………………
田湾核电站海域浮游动物生态特征 吴建新,阎斌伦,冯志华,等 (6902)…………………………………………
马鞍列岛多种生境中鱼类群聚的昼夜变化 汪振华,王摇 凯,章守宇 (6912)……………………………………
基于认知水平的非使用价值支付动机研究 钟满秀,许丽忠,杨摇 净 (6926)……………………………………
综述
植物盐胁迫应答蛋白质组学分析 张摇 恒,郑宝江,宋保华,等 (6936)……………………………………………
沉积物氮形态与测定方法研究进展 刘摇 波,周摇 锋,王国祥,等 (6947)…………………………………………
野生鸟类传染性疾病研究进展 刘冬平,肖文发,陆摇 军,等 (6959)………………………………………………
鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的评估方法 石小涛,陈求稳,黄应平,等 (6967)……………………………
专论
IPBES的建立、前景及应对策略 吴摇 军,徐海根,丁摇 晖 (6973)…………………………………………………
研究简报
柠条人工林幼林与成林细根动态比较研究 陈建文,王孟本,史建伟 (6978)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*344*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄11
封面图说: 滩涂芦苇及野鸭群———中国的海岸湿地,尤其是长江入海口以北的海岸线,多为泥质性海滩,地势宽阔低洼,动植物
资源丰富,生态类型独特,为迁徙的鸟提供了丰富的食物和休息、庇护的良好环境,成为东北亚内陆和环西太平洋鸟
类迁徙的重要中转站和越冬、繁殖地。 一到迁徙季节,成千上万的各种鸟类飞临这里,尤其是雁鸭类数量庞大,十分
壮观。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 22 期
2011 年 11 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 22
Nov. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 40830957, 41075008 ); 公益行业专项 (气象) ( GYHY201006023 ); 中国气象局气候变化专项
(280200S011C00);博士后基金资助(20110490854)
收稿日期:2010鄄11鄄22; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄09
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: jqyueping@ 126. com
岳平,张强, 杨金虎,李宏宇,孙旭映,杨启国,张建忠.黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率.生态学报,2011,31(22):6866鄄6876.
Yue P,Zhang Q,Yang J H,Li H Y,Sun X Y,Yang Q G,Zhang J Z. Surface heat flux and energy budget for semi鄄arid grassland on the Loess Plateau. Acta
Ecologica Sinica,2011,31(22):6866鄄6876.
黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率
岳摇 平1,2,*,张摇 强1, 杨金虎1,李宏宇1,孙旭映1,杨启国1,张建忠1
(1. 中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,中国气象局干旱气候变化与
减灾重点开放实验室, 兰州 730020; 2.张掖国家气候观象台, 张掖摇 734000)
摘要:利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称 SACOL站)2008 年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地
表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响。 结果表
明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为 2. 269 伊 103 MJ / m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为 1. 210 伊 103 MJ /
m2、1. 117 伊 103 MJ / m2和 0. 069 伊 103 MJ / m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型。 从各能量分量占净辐射的比例
来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气。 草原生长期的能量闭合率为 86. 8% ,非生长期的能量闭合率为
76. 5% 。 与未考虑 0—5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了 11. 3% ,非生长期能量闭合率提高了
12. 0% 。
关键词:SACOL; 黄土高原; 能量通量; 能量闭合率
Surface heat flux and energy budget for semi鄄arid grassland on the Loess Plateau
YUE Ping1,2,*,ZHANG Qiang1,YANG Jinhu1,LI Hongyu1,SUN Xuying1,YANG Qiguo1,ZHANG Jianzhong1
1 Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Deserter of Gansu Province, Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration,
Lanzhou 730020,China
2 Zhangye National Climatological Observatory,Zhangye 734000,China
Abstract: The atmospheric boundary layer is a passage between the atmosphere and the Earth, through which atmospheric
momentum, energy and various substances are transported upwards and downwards. Turbulent transport in the lower
atmospheric planetary boundary layer is an important link for substance and energy exchanges between the atmosphere and
the Earth. The Loess Plateau ranges from the Qinling Mountains to the Yin Mountains in a south鄄north direction, and from
the Riyue Mountains to the Taihang Mountains in a west鄄east direction. The plateau stretches across seven provinces or
autonomous regions and has a total area of more than 6. 268 伊 105 km2 and unique land type and ecological environment. It
lies on the edge of the southeast monsoon area; i. e. , a transition zone from the humid monsoon climate in southeast China
to the inland arid climate in northwest China. The average annual precipitation is generally around 400 mm. The ecological
environment and agricultural production on the Loess Plateau are sensitive to precipitation change, and therefore, the Loess
Plateau is a typical area sensitive to climate change and has vulnerable ecology and agriculture. However, there have been
few studies on the surface energy balance for the typical highland terrain of the Loess Plateau, where the underlying surface
is distinctively heterogeneous but less affected by human activity.
The diurnal and seasonal variations in energy balance components and energy balance characteristics for semi鄄arid
grassland on the Loess Plateau were studied on the basis of radiation, turbulence flux, soil temperature and soil heat flux
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data recorded at the Semi鄄Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University in 2008. The results show that
diurnal variations in energy balance components had the expected single peaks. The yearly net radiation over the grassland
was 2. 269 伊 103 MJ / m2 . The yearly sensible heat flux, latent heat flux and soil heat flux were 1. 210 伊 103, 1. 117 伊 103
and 0. 069 伊 103 MJ / m2, respectively. The energy balance components had obvious seasonal variations. According to the
ratios of energy balance components to net radiation, the sensible heat flux was the main component of net radiation, and
the function of surface soil heat flux was the second factor of the energy balance. The energy balance closure averaged 86.
8% during the growing season but only 75. 5% during the non鄄growing season. The closure of the surface energy balance for
the semi鄄arid grassland increased 11. 3% during the growing season and 12. 0% during the non - growing season after
considering heat storage from the surface to a soil depth of 5 cm.
Key Words: SACOL; the Loess Plateau; energy fluxes; energy balance closure
黄土高原北起阴山、南至秦岭、西抵日月山、东达太行山,地跨我国 7 个省区,总面积超过 62. 68伊104 km2,
具有独特的植被类型和生态环境特征[1]。 由于地处东南季风影响区的边缘,属东南湿润季风气候向西北内
陆干旱气候过渡带,黄土高原地区生态环境和农业生产对降水量变化的响应十分敏感,是典型的气候变化敏
感地带,也是生态和农业脆弱地区[2鄄3]。 开展黄土高原地区地表能量闭合状况的分析,无论在区域气候还是
全球变化研究中都具有重要意义[4鄄5]。 黄土高原农田下垫面的通量观测结果表明,该地区能量不闭合现象非
常明显[6鄄7]。 但是,对于受人类活动影响较小、下垫面具有显著不均匀性的黄土高原半干旱草地地表能量通
量年变化的分析较少[1,4]。
地表能量通量能够直接影响地面温度、水分输送及植被生长发育与生态系统生产力[8]。 研究半干旱地
区的能量交换过程,有助于进一步了解区域气候系统的能量和物质循环以及气候变化过程。 但自 20 世纪 80
年代末发现野外观测实验中地表能量普遍具有显著的不平衡现象以来,为了解导致能量不闭合的潜在因素,
先后开展了大量的观测分析[9鄄18]。 21 世纪初开展的 EBEX鄄2000 试验专门针对地表能量平衡问题进行观测研
究[19鄄20]。 目前来看,土壤鄄植被鄄大气之间的能量储存未充分计入是造成地表能量不平衡的主要原因
之一[15,18,21]。
本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称 SACOL站)实测土壤温度梯度和热通量梯度资料,通
过温度积分法将实际测量通量推算到地表;分析了黄土高原半干旱草地年地表能量变化特征,讨论了地表至
热通量板之间的热量储存对地表能量闭合率的影响。 本文研究结果能够帮助了解黄土高原半干旱草地地表
能量平衡特征,有助于认识地表土壤热通量对能量闭合率影响,为改进数值模式中半干旱区域陆面过程参数
化方案奠定基础。
1摇 资料与方法
1. 1摇 研究区域概况
兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称 SACOL站)位于甘肃黄土高原榆中地区的一块塬上(35毅57忆N,
104毅08忆E),海拔高度为 1966 m,地处温带半干旱气候区,年降水量为 381. 8 mm,20 cm 口径水面蒸发量为
1528. 5 mm,年平均气温为 6. 7 益。 该观测场下垫面均匀平坦,植被为天然荒漠草地,优生植被为多年生草本
长芒草,伴生植被为赖草和冷蒿等,受人类活动影响较小。 但从较大范围来看,该观测站所代表的下垫面具有
沟壑梁峁形成的显著不均匀性,属于黄土高原典型地形地貌特征[1]。
1. 2摇 观测资料及数据处理
本文使用的观测资料包括太阳总辐射、反射辐射、地表长波辐射、大气长波辐射、土壤热通量、土壤温度和
超声仪观测的感热与潜热等。 土壤热通量由自校正热热通量板(HFP01SC鄄L,Hukseflux,准确度为依3% ) 测
定,埋设深度为距地表 5、10 cm。 地表辐射观测包括向上和向下短波辐射(CM21,Kipp&Zonen)、向上和向下
长波辐射(CG4,Kipp&Zonen),观测高度 1. 5 m,仪器型号、架设高度等参数详见文献[4]。 选用了 2008 年的资
7686摇 22 期 摇 摇 摇 岳平摇 等:黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率 摇
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料,剔除了有降水时次的数据。 观测资料为 24 h连续观测,自动记录。 文中所用资料采取的质量控制方法如
下:首先,对原始资料进行噪音剔出;其次,对 30 min的通量数据进行了坐标轴倾斜校正和 WPL校正,具体资
料控制方法参见文献[22]。 在实际分析时所有资料都处理成半小时平均资料,文中时间均为北京时。
1. 3摇 土壤热储存的计算
为了解能量闭合状况,需要获取土壤表层的热通量。 现有的气象梯度观测系统通常观测的是距离地表一
定深度的土壤热通量[18,21]。 因此,在能量平衡方程中,土壤热通量不仅指土壤热通量板测定的热通量,还应
包括土壤热通量板到地表的土壤热储存。
利用 HFP01SC热通量板的观测值及 0、2 cm和 5 cm各层土壤温度,通过温度积分法可将 HFP01SC 的测
量结果校正到地表[23]:
Gs = G5 +
籽scs
驻t 移
z = 0
z = 5cm
T zi,t + 驻( )t - T zi,( )[ ]t 驻z (1)
式中, Gs 为校正到地表的土壤热通量(W / m2); G5 为热通量板观测到 5 cm深度土壤热通量; 籽scs 是土壤的体
积热容量(J·m-3·K-1); T( zi,t) 为 0、2 和 5 cm深度处的土壤温度(益)。
其中, 籽scs 是土壤的体积热容量,可根据式(2)得到:
籽scs = -
鄣G
啄( )z /
鄣Tg
鄣
æ
è
ç
ö
ø
÷
t
(2)
2 cm和 5 cm土壤温度可观测得到,0 cm温度则由地表长波辐射换算得到[15]:
Tsfc =
R尹L - 1 - 着( )g R
引
L
着g
æ
è
ç
ö
ø
÷
滓
1 / 4
(3)
式中, R尹L 和 R引L 分别为向上和向下地表长波辐射(W / m2); 着g 为地表比辐射率,取值为 0. 96; 滓 是 Stefan鄄
Boltzmann常数,其值为 5. 67伊10-8 W·m-2·K-4。
地表能量平衡方程表示为[ 24 ]:
Rn - Gs = HL + H (4)
采用线性回归(Ordinary linear regression, ORL )分析方法,对 SOCAL站( H + LE )与( Rn - G )进行 OLR
分析,回归系数中斜率代表能量平衡程度。 能量闭合的理想状况是( H + LE )和( Rn - G )之间线性回归的
斜率为 1、截距为 0,但通常二者之间线性关系的截距不能经过原点。
2摇 结果与讨论
2. 1摇 能量通量分量的日变化及分配特征
陆地生态系统通过感热和潜热的形式与大气进行热量和水汽交换。 不同的生态系统由于自然气候环境
和下垫面性质不同,地表热量交换存在差异。 为分析各季节黄土高原半干旱草地背景条件下地表各主要能量
分量(净辐射、感热通量、潜热通量和地表土壤热通量)的日变化特征,选择了 2008 年 1 月 6 日、4 月 5 日、7 月
5 日和 10 月 6 日的资料(图 1)。 可见,黄土高原半干旱草地能量平衡各分量呈显著的日变化,典型晴日能量
平衡各主要分量呈明显的单峰型变化趋势。
典型晴日净辐射日最大值出现时间差异不大,在 13:00—13:30。 冬季,09:30—10:00 净辐射通量变为正
值,即转变为地表能量的收入项,13:00 达到日最大值 251 W / m2,至 17:00—17:30 转变成负值。 一天中净辐
射大于零的时间仅为 7. 5 h,期间的平均净辐射通量为 161 W / m2。 全天超过 2 / 3 的时间表现为净辐射能量的
损失,其平均净辐射值为-49 W / m2。 春季,日间在 08:00—08:30 净辐射通量变为正值, 13:30 达到日最大值
(485 W / m2),18:00—18:30 转变成负值,一天中净辐射出现正值的时间比冬季明显延长,达到 10. 5 h,净辐
射通量明显增大,期间的平均净辐射值为 310 W / m2。 夏季,07:00—07:30 净辐射通量变为正值,日最大值为
604 W / m2,至 19:00—19:30 转变成负值,一天中净辐射大于零的时间为 12. 0 h,期间的平均净辐射为
376 W / m2。 秋季,08:00—08:30 净辐射通量变为正值,日最大值 438 W / m2,至 17:00—17:30 转变成负值,一
8686 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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天中净辐射大于零的时间为 9. 0 h,期间的平均净辐射值为 274 W / m2。
潜热通量和感热通量的日变化趋势与净辐射相似,但其日变化曲线均不如净辐射平滑,潜热通量尤为明
显,这是由间歇性湍流传输所致[25]。 从潜热通量来看,冬季由于地面低温冻结,加之黄土高原半干旱区降水
稀少,水汽传输非常微弱,导致半干旱草地平均潜热通量不足 5 W / m2。 春季,随着土壤解冻和降水量的增加,
潜热通量显著增加,达到 47 W / m2。 夏季是黄土高原半干旱草地的主要降水时段,地表也是相对较高的湿润
时期,潜热通量日平均值为 54 W / m2。 秋季,潜热通量显著减小,日平均仅为 33 W / m2。 从各季的感热通量日
变化来看,其变化趋势与潜热通量非常相似。 感热通量输送冬季最弱,日平均值约为 18 W / m2,夏季最强,为
74 W / m2。
地表土壤热通量在各季也呈单峰型日变化趋势,峰值出现时间较净辐射提前约 1—1. 5 h, 约在 12:00 前
后。 计算结果显示,地表土壤热通量不仅变化幅度明显比 5 cm深度的观测值大,而且其日变化的相位与 5 cm
深度观测量存在较大差别。
图 1摇 2008 年不同季节季能量平衡分量日变化
Fig. 1摇 Diurnal variation of energy flux over semi鄄arid grassland in different seasons
2. 2摇 能量通量分量的季节变化
以年为时间尺度,黄土高原半干旱草地的净辐射、感热、潜热和土壤热通量近似呈单峰型变化。 但是受中
小尺度天气变化的影响,能量平衡各分量均呈现锯齿状波动,特别是雨季日间差异较大。 黄土高原半干旱草
地能量平衡分量的年变化特征与阳伏林和周广胜[26]在内蒙古荒漠草原观测结果基本一致。 表 1 给出了黄土
高原半干旱草地逐月能量通量值及分配特征。 可以看出,净辐射的最大值出现在 7 月(338. 52 MJ / m2),最
低值出现在 1 月(22. 05 MJ / m2 );感热通量的最大值出现在 7 月(190. 07 MJ / m2 ),最低值出现在 2 月
(34郾 75 MJ / m2);潜热通量的最大值出现在 6 月(163. 57 MJ / m2),最低值出现在 1 月(12. 89 MJ / m2);地
表土壤热通量的最大值出现在 7 月(29. 58 MJ / m2),最低值出现在 12 月(-27. 87 MJ / m2)。 从月累计量来
看:草原生长期(4—9 月)地表土壤热通量为正,即土壤获得能量;而非生长期(1—3 月、10—12 月)地表土壤
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热通量为负,表明地表向大气提供热量,是能量系统的热源。
表 1摇 黄土高原半干旱草地月能量通量、分配特征及气候因子
Table 1摇 Characteristics of monthly energy flux, partitioning and climatic factors for semi鄄arid grassland on Loess Plateau
月份
Month
净辐射
Net radiation
/ (MJ / m2)
潜热通量
Latent heat flux
/ (MJ / m2)
感热通量
Sensible heat flux
/ (MJ / m2)
土壤热通量
Soil heat flux
/ (MJ / m2)
降水
Precipitation
/ mm
气温
Temperature
/ 益
1 22. 05 12. 89 45. 25 -19. 45 10. 8 -10. 0
2 24. 65 40. 33 34. 75 -0. 24 2. 5 -7. 6
3 177. 01 76. 58 119. 78 -14. 45 6. 5 5. 2
4 252. 89 131. 50 132. 07 26. 11 24. 3 10. 2
5 310. 53 156. 17 152. 74 28. 27 23. 2 14. 7
6 332. 82 163. 57 142. 48 27. 96 55. 6 17. 7
7 338. 52 98. 76 190. 07 29. 58 43. 4 19. 9
8 337. 30 148. 80 142. 30 26. 73 87. 4 17. 4
9 252. 76 153. 00 71. 15 19. 57 95. 7 13. 3
10 145. 76 89. 76 65. 23 -7. 85 32. 6 8. 1
11 49. 95 31. 08 56. 49 -18. 70 4. 0 0. 5
12 24. 99 15. 42 58. 39 -27. 87 0. 9 -5. 9
合计 Total 2269. 23 1117. 86 1210. 70 69. 66 386. 9
2. 3摇 干湿季节能量通量分量的分配特征
分析地表能量一方面可以了解地表能量闭合状况,另一方面可依据净辐射的主要消耗项,分析和判断下
垫面的干湿状况。 图 2 为草原生长期 SACOL站净辐射与感热、潜热通量的散点图。 净辐射与感热通量、潜热
通量之间成线性关系:
H = 0. 369Rn + 8. 608摇 摇 R = 0. 959 (5)
LE = 0. 268Rn + 26. 784摇 摇 R = 0. 917 (6)
图 2 给出了非生长期 SACOL站净辐射与感热、潜热通量的散点图。 净辐射与感热通量、潜热通量之间也
满足线性关系:
H = 0. 402Rn + 13. 459摇 摇 R = 0. 961 (7)
LE = 0. 159Rn + 11. 340摇 摇 R = 0. 833 (8)
由式(5)—(8)可知,草原生长期感热通量占净辐射的 36. 9% ,潜热通量占净辐射 26. 8% ;非生长期感热
通量占净辐射的 40. 2% ,潜热通量占净辐射 15. 9% 。 草原生长期,降水量占年总量的 85. 2% ,地表相对湿润,
潜热通量在地表能量分配中所占比例较大,潜热通量约为感热通量的 2 / 3。 非生长期,由于降水量较少,地表
相对干燥,潜热通量约为感热通量的 1 / 3。 总体来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要通过感热形式加热大
气。 在华北农田下垫面,潜热通量则在能量分配中起主导作用,潜热通量占净辐射的 59. 5% ,感热通量仅为
净辐射的 9. 4% ,潜热通量是感热通量的 5 倍[27]。 在敦煌典型干旱下垫面,夏季潜热通量约为感热通量的
1 / 2[28]。 相对华北农田下垫面而言,SACOL 站地处黄土高原半干旱气候带,地表相对干燥,潜热对大气的加
热作用明显较弱;但与西北典型干旱区相比,黄土高原半干旱草地明显偏湿,潜热通量在能量分配中所起的作
用也更加显著。
图 2 给出了净辐射与地表土壤热通量(Gs)的散点图。 草原生长期净辐射与地表土壤热通量满足:
Gs = 0. 307Rn - 24. 407, R = 0. 924 (9)
非生长期净辐射与土壤热通量满足:
Gs = 0. 341Rn - 11. 374, R = 0. 873 (10)
根据式(9)—(10)可知,黄土高原半干旱草地生长期地表土壤热通量占净辐射的 30. 7% ,非生长期占净
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辐射的 34. 1% 。 相对于感热和潜热通量而言,土壤热通量占净辐射的比例在草原生长期和非生长期都比较
稳定。 从各能量分量占净辐射的比例来看,在黄土高原半干旱草地,地表土壤热通量的作用非常重要,仅次于
感热通量。
图 2摇 各能量分量占净辐射比率
Fig. 2摇 Ratios of energy components to net radiation
2. 4摇 能量平衡特征分析
2. 4. 1摇 土壤热通量相位和振幅日变化状况
能量平衡方程中各能量分量是指同一观测平面的测量结果,但陆面过程观测中,各能量分量通常不在同
一个平衡面上,由此导致观测量不同步,进而会对地表能量闭合率产生影响。 实际观测中,超声仪架设在距地
表一定的高度处,净辐射是地表的观测量,土壤热通量通常是 2—10 cm深度处的观测量。 在近地层为常通量
层的条件下,涡动相关法测量的湍流通量(感热和潜热通量)的不同步问题应该不明显,而能量的不同步主要
由土壤热通量引起[24]。 以 2008 年 7 月 24 日 SACOL站 HFP01SC热流量板观测值( G5)、式(1)推算的地表土
壤通量( Gs )以及土壤热量储存量( Gs - G5)为例分析其日变化特征(图 3)。 可以看出,5 cm深度处土壤热通
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量最大值出现在 14:00,地表土壤热通量的最大值出现在 12:30;5 cm 深度处土壤热通量的日变化幅度在
-31. 5—91. 5 W / m2; 地表土壤热通量的日变化幅度在-59. 6—160. 5 W / m2。 土壤热量储存量其变化幅度在
-32. 0—97. 3 W / m2。 SACOL站 0—5 cm土壤热量储存相与 5 cm深度观测值基本 G5 基本相当。
图 3摇 土壤热通量相位和振幅日变化
摇 Fig. 3摇 Diurnal variation of the phase and amplitude of soil heat
flux at the SACOL
地表土壤热通量不仅变化幅度明显比 5cm 深度的
观测值大,而且其日变化的相位与 5 cm 深度观测量存
在较大差别。 前者是由于地表到土壤热通量板之间土
层的热量储存,导致日变化过程中出现最大值偏小、最
小值偏大,后者是由于能量在土壤内传递过程中的延迟
导致相位滞后[24]。 Horton 和 Wierenga[29]早在 1983 年
报道了地表土壤热通量的峰值出现时间比净辐射提前
的现象;Gao 等[30]在研究土壤热通量和地表温度日变
化的位相差异对能量平衡的影响时,利用考虑热传导和
热对流过程的改进热传导方程,得出地表土壤热通量峰
值比净辐射峰值出现提前 0—3 h。
2. 4. 2摇 未考虑土壤热量储存时能量闭合状况
理论上讲,地表能量收入和支出应当维持平衡,但
事实上能量不闭合几乎是所有地表通量观测中存在的
问题[15鄄20]。 对( H + LE )与( Rn - G5)进行 OLR分析,可得到未考虑 0—5 cm的土壤热量储存条件下 SACOL
站地表能量平衡特征。 图 4 分别给出了生长期和非生长期黄土高原半干旱草地能量平衡状况。 在显著性水
平为 0郾 1译的条件下,生长期( H + LE )与( Rn - G5)的线性回归系数分别是:截距为 26. 034;标准偏差( SD )
为 40. 642;相关系数( R )为 0. 960;斜率为 0. 745,即地表能量闭合率为 74. 5% 。 在显著性水平为 0. 1译的条
件下,非生长期( H + LE )与( Rn - G5)的线性回归系数分别是:截距为 21. 236;标准偏差( SD )为 27. 417;相
关系数( R )为 0. 943;斜率为 0. 645,即地表能量闭合率为 64. 5% 。 地表能量不闭合程度非常明显:生长期被
低估的能量为 25. 5% ,非生长期被低估的能量高达 35. 5% 。
600
450
300
150
0
-150
600
450
300
150
0
-150
-150 0 150 300 450 600 -150 0 150 300 450 600
可利用能量 (Rn -G5) Available energy/(W/m2)
感热
与潜
热通
量之
和/(W
/m2 )
Sum
of se
nsibl
e and
laten
t hea
t flux
es
y = 0.745x + 26.034R = 0.960SD = 40.642P < 0.0001
y = 0.645x + 21.236R = 0.943SD = 27.417P < 0.0001
生长期 非生长期
图 4摇 未考虑 0—5cm土壤热量储存时的能量平衡特征
Fig. 4摇 Energy balance characteristics without considering heat storage from the surface to a soil depth of 5 cm
2. 4. 3摇 土壤热量储存对闭合率的贡献
地表土壤热通量估算是几乎所有边界层和生态网络站能量平衡分析中要涉及的关键问题。 正确估算土
壤热通量,可显著改善地表能量不平衡问题,尤其在裸露或植被稀疏地区效果更加明显[16]。 作为地表能量平
衡的一部分,土壤热通量在地表能量再分配过程中占有重要作用。 以往大多研究中未能考虑地表至热通量板
之间的土壤热量储存是造成地表能量不平衡的关键因素之一[15,24,27]。 本文利用实测土壤热通量梯度和土壤
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温度资料,根据式(1)将 HFP01SC 的测量结果校正到地表( Gs )后,对( H + LE )与( Rn - Gs )进行 OLR 分
析。 图 5 给出了能量平衡方程中用考虑了 0—5 cm的土壤热量储存后 SACOL站地表能量闭合特征。 黄土高
原半干旱草地生长期(图 5),在显著性水平为 0. 1译的条件下,( H + LE )与( Rn - Gs )的回归系数分别是:截
距为 14. 769; SD为 35. 587; R为 0. 966;斜率为 0. 868,即地表能量闭合率为 86. 8% 。 非生长期(图 5),在显
著性水平为 0. 1译的条件下,( H + LE )与( Rn - Gs )的回归系数分别是:截距为 17. 753; SD为 30. 269; R为
0. 930;斜率为 0. 765,即地表能量闭合率为 76. 5% 。 与图 4 给出的结果相比,考虑了 0—5 cm 的土壤热量储
存后,草原生长期能量闭合率提高了 11. 3% ,即 0—5 cm 土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为 11. 3% ;非
生长期能量闭合率提高了 12. 0% ,即 0—5 cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为 12. 0% 。 此外,当考虑
了 0—5 cm土壤层的热量储存后,回归系数中截距、标准偏差和相关系数都得到了较大改善。 可见,地表至土
壤热通量板之间的土壤热流储存是影响黄土高原半干旱草地地表能能量平衡的一个非常重要的因子。
-150 0 150 300 450 600 -150 0 150 300 450 600
可利用能量 (Rn - G5) Available energy/(W/m2)
600
450
300
150
0
-150
600
450
300
150
0
-150
感热
与潜
热通
量之
和/(W
/m2 )
Sum
of se
nsibl
e and
laten
t hea
t flux
es
y = 0.868x + 14.769R = 0.966SD = 37.587P < 0.0001
y = 0.765x + 17.753R = 0.930SD = 30.269P < 0.0001
生长期 非生长期
图 5摇 考虑了 0—5cm土壤热量储存时的能量平衡特征
Fig. 5摇 Energy balance characteristics considering heat storage from the surface to a soil depth of 5 cm
虽然地表至土壤热通量板之间的土壤热流储存对黄土高原半干旱草地地表能能量平衡特征具有重要影
响,但其影响程度在各月中存在显著。 表 2 给出了虑土壤热量储存和未考虑土壤热量储存条件下 SOCAL 站
2008 年逐月线性回归系数。 可以发现,考虑了 0—5 cm 土壤层的热量储存后,地表能量闭合率明显提高,各
月地表能量闭合率增加程度在 3%—22% 。
表 2摇 2008 年逐月线性回归系数
Table 2摇 Ordinary linear regression (OLR) coefficients for energy balance
月份
Month
(H+LE) Vs (Rn-Gs)
截距
Intercept
斜率
Slope
相关系数
Coefficients
(H+LE) Vs (Rn-G5)
截距
Intercept
斜率
Slope
相关系数
Coefficients
1 10. 713 0. 693 0. 930 12. 478 0. 590 0. 905
2 23. 111 0. 631 0. 899 23. 151 0. 604 0. 924
3 23. 551 0. 889 0. 968 33. 257 0. 669 0. 949
4 12. 216 0. 978 0. 979 23. 027 0. 803 0. 960
5 10. 174 0. 929 0. 980 17. 113 0. 806 0. 964
6 7. 747 0. 902 0. 980 16. 099 0. 779 0. 967
7 17. 381 0. 763 0. 954 24. 148 0. 702 0. 966
8 1. 169 0. 871 0. 982 4. 574 0. 751 0. 968
9 2. 008 0. 894 0. 975 6. 560 0. 751 0. 964
10 4. 333 0. 890 0. 975 10. 891 0. 709 0. 958
11 13. 423 0. 713 0. 950 16. 332 0. 592 0. 937
12 18. 334 0. 577 0. 945 18. 985 0. 547 0. 929
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3摇 结论与讨论
(1)晴日黄土高原半干旱草地能量平衡各分量呈明显的单峰型日变化趋势。 能量平衡各分量季节变化
特征明显。 草地全年获得的净辐射约为 2. 269 伊 10-3 MJ / m2;感热、潜热和土壤热通量年总量分别为 1. 210伊
10-3 MJ / m2、1. 117伊10-3 MJ / m2和 0. 069伊10-3 MJ / m2。
(2)黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气。 草原生长期感热通量占净辐射的 36. 9% ,潜
热通量占净辐射 26. 8% ;非生长期感热通量占净辐射的 40. 2% ,潜热通量占净辐射 15. 9% 。 从各能量分量占
净辐射的比例来看,地表土壤热通量在能量分配中的作用仅次于感热通量。
(3)能量平衡方程中使用 5 cm深度观测的土壤热通量进行计算,草原生长期的能量闭合率为 74. 5% ,非
生长期的能量闭合率为 64. 5% 。 生长期被低估的能量为 25. 5% ,非生长期被低估的能量高达 35. 5% 。
(4)能量平衡方程中使用考虑了 0—5 cm深度的土壤热量储存后,生长期的能量闭合率为 86. 8% ,非生
长期的能量闭合率为 76. 5% 。 与未考虑 0—5 cm 深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了
11. 3% ,非生长期能量闭合率提高了 12. 0% 。
理论上能量闭合是成立的,但大量的涡动相关法观测结果表明,不论下垫面性质如何,出现能量不闭合的
现象都比较严重。 近地层能量不闭合问题是指测量到的感热和潜热通量之和小于近地层可利用能量(净辐
射鄄土壤热通量)。 该现象是近 20 年来困扰地气相互作用实验研究的主要难点之一,也是生态学家和微气象
学家所关注的焦点问题。 目前认为,导致能量不闭合的原因可能是:涡动相关仪器系统对高频信号的响应不
足以及资料处理过程带来的低频信号损失[31];辐射观测系统、土壤热通量和涡动相关系统传感器本身的感应
源区不同导致的误差[32];复杂的环境条件下,湍流的水平和垂直平流输送损失[33];观测高度以下的空气储存
热、植被层储热以及净光合作用产生的生物化学贮存热[34];地表到土壤热通量板之间的土壤储存热会对地表
能量闭合程度产生重要影响[15,21,24,27]。
地表能量平衡测量中,观测的土壤热通量往往距地表有一定深度,使得土壤热通量的测量值与净辐射、感
热和潜热通量不在同一个平衡面上;另外,由于土壤热通量的相位会随土壤深度的加深而延迟,导致地表能量
闭合率降低[21,24]。 因此,分析地表能量平衡特征时,须准确获取地表的土壤热通量,才能有效消除地表至热
流量板之间的热量储存对地表能量平衡产生的影响。 在考虑了 0—5 cm土壤热量储存后,黄土高原半干旱草
地全年能量收支闭合程度从 69. 2%提高到了 81. 1% ,但是仍有 18. 9%的能量不明。 如果考虑感热和潜热通
量频率损失项(抑8% )、冠层和空气热量储存项(抑3% ),闭合程度会得到进一步的改善,全年能量闭合程度
将会达到约 92% 。 地表能量还是无法完全闭合,这也是需要进一步研究的内容。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 22 November,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Hyperspectral estimation models for plant community water content at both leaf and canopy levels in Wild Duck Lake wetland
LIN Chuan, GONG Zhaoning, ZHAO Wenji (6645)
………
………………………………………………………………………………
Potential distribution of rice in china and its climate characteristics DUAN Juqi,ZHOU Guangsheng (6659)…………………………
Effects of seed soaking with soybean isoflavones on soybean seedlings under salt stress
WU Yumei, ZHOU Qiang, YU Bingjun (6669)
………………………………………………
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Ecophysiological responses and adaptation of Tamarix ramosissima to changes in groundwater depth in the Heihe river basin
ZHANG Pei, YUAN Guofu, ZHUANG Wei, et al (6677)
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Melica przewalskyi population spatial pattern and response to soil moisture in degraded alpine grassland
ZHAO Chengzhang,GAO Fuyuan,SHI Fuxi,et al (6688)
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A study on ecological compensation standard for Zaoshi Water Conservancy Project based on the idea of ecological footprint
XIAO Jianhong, CHEN Shaojin, YU Qingdong, et al (6696)
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Spatial鄄temporal variation of NPP and NDVI correlation in wetland of Yellow River Delta based on MODIS data
JIANG Ruizhu, LI Xiuqi, ZHU Yongan, et al (6708)
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Marshclassification mapping at a community scale using high鄄resolution imagery LI Na, ZHOU Demin, ZHAO Kuiyi (6717)………
The impact of bacterial鄄feeding nematodes on root growth of Arabidopsis thaliana L. and the possible mechanisms
CHENG Yanhong, CHEN Xiaoyun, LIU Manqiang, et al (6727)
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Spatial and dynamic analysis of plantations in Xishuangbanna using network K鄄function
YANG Juejie,LIU Shiliang,ZHAO Qinghe,et al (6734)
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Contrastive analysis and climatic response of tree鄄ring gray values and tree鄄ring densities
ZHANG Tongwen, YUAN Yujiang, YU Shulong, et al (6743)
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Fractal structure of dominant tree species in north鄄facing slope of mountain of northern Hebei
TIAN Chao,LIU Yang,YANG Xinbing,et al (6753)
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Characteristics of radiation fluxes of an evergreen broad鄄leaved forest in Maofeng Mountain, Guangzhou, China
CHEN Jin, CHEN Bufeng, PAN Yongjun, et al (6766)
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Effects of seed鄄dressing agents on groundnut and rhizosphere microbes LIU Dengwang,ZHOU Shan,LIU Shengrui,et al (6777)……
Time series prediction of the concentration of chlorophyll鄄a based on RBF neural network with parameters self鄄optimizing
TONG Yuhua, ZHOU Hongliang,HUANG Zhefeng,et al (6788)
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A trend surface analysis of geographic variation in the triats of seeds and seedlings from different Quercus acutissima provenances
LIU Zhilong, YU Mukui, MA Yue, et al (6796)
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Comparisons of relationships between leaf and fine root traits in hilly area of the Loess Plateau, Yanhe River basin, Shaanxi
Province, China SHI Yu,WEN Zhongming,GONG Shihui (6805)…………………………………………………………………
An analysis on the water status in twigs and its relations to the drought resistance in Five woody plants living in arid zone
TAN Yongqin, BAI Xinfu, ZHU Jianjun, et al (6815)
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The effect of fire on soil properties in a Pinus massoniana stand XUE Li, CHEN Hongyue, YANG Zhenyi, et al (6824)……………
Water鄄environment effects of industry structure in Taihu Lake Basin in Jiangsu Province
WANG Lei, ZHANG Lei, DUAN Xuejun, et al (6832)
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Effect of high temperature on enzymic activity, pigment content and chlorophyll fluorescence of two Kappaphycus species
ZHAO Sufen, HE Peimin (6845)
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Analysis on characteristics of a typical drought event in Jiangsu Province
BAO Yunxuan, MENG Cuili, SHEN Shuanghe, et al (6853)
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Surface heat flux and energy budget for semi鄄arid grassland on the Loess Plateau
YUE Ping,ZHANG Qiang,YANG Jinhu,et al (6866)
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Effects of light quality on photosynthetic characteristics and on the carotenoid and cuticular extract content in tobacco leaves
CHEN Wei, JIANG Wei,QIU Xuebai,et al (6877)
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Cyanobacterial diversity in biological soil crusts on wastelands of copper mine tailings
LIU Mei, ZHAO Xiuxia, ZHAN Jing, et al (6886)
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Stereotypic behavior frequency and the influencing factors in captive Alpine musk deer (Moschus sifanicus)
MENG Xiuxiang, GONG Baocao, XUE Dayuan, et al (6896)
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Zooplankton ecology near the Tianwan Nuclear Power Station WU Jianxin, YAN Binlun, FENG Zhihua, et al (6902)………………
Diel variations of fish assemblages in multiple habitats of Ma忆an archipelago, Shengsi, China
WANG Zhenhua, WANG Kai, ZHANG Shouyu (6912)
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A novel cognitive鄄based approach to motivation for non鄄use value ZHONG Manxiu, XU Lizhong, YANG Jing (6926)………………
Review
Salt鄄responsive proteomics in plants ZHANG Heng, ZHENG Baojiang, SONG Baohua, et al (6936)…………………………………
Research progress on forms of nitrogen and determination in the sediments LIU Bo, ZHOU Feng, WANG Guoxiang, et al (6947)…
Review of research progress of infectious diseases in wild birds LIU Dongping, XIAO Wenfa, LU Jun, et al (6959)…………………
Review on the methods to quantify fish忆s ability to cross velocity barriers in fish passage
SHI Xiaotao, CHEN Qiuwen, HUANG Yingping, et al (6967)
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Monograph
Intergovernmental Science鄄Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services: foundation, prospect and response strategy
WU Jun, XU Haigen, DING Hui (6973)
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Scientific Note
A comparative study of the spatial鄄temporal patterns of fine roots between young and mature Caragana korshinskii plantations
CHEN Jianwen, WANG Mengben, SHI Jianwei (6978)
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2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 22 期摇 (2011 年 11 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 22摇 2011
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