全 文 ：第 wu卷 第 u期
u s s y年 u 月
林 业 科 学
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∂²¯1wu o‘²1u
ƒ ¥¨qou s s y
红壤丘陵区人工林能量平衡闭合研究
) ) ) 以江西省泰和县千烟洲为例
刘允芬t 于贵瑞t 李 菊u 宋 霞t 陈永瑞t
kt1 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 tsstst ~ u1 中国农业大学资源与环境学院 北京 tsss|wl
摘 要 } 运用线性回归 !能量平衡闭合率和能量不平衡标准差等方法对湍流通量与可利用能量的关系进行分析 ∀
对红壤丘陵区千烟洲实验站人工林 ussv年能量平衡闭合进行的分析研究表明 }本站可利用能量年累计值 u z|{1u{
#°pu o湍流通量累计值 u vvu1zs #°pu ∀能量平衡闭合率的年值为 yx h ~各月值为 xu h ∗ zy h ot月最低 oy月
最高 ~按季节看是夏季最高 o冬季最低 ~t天内是白天高 o夜间低 o晴天白天可达 {s h以上 ∀湍流脉动对能量闭合有
明显影响 o在摩擦速度低于 s1w °#¶pt时能量闭合随摩擦速度升高而增大 ∀能量不闭合的原因主要是涡度相关仪
器与辐射表测定的源面积之间的差异导致的采样误差 o以及忽略了水平对流产生的影响 ∀
关键词 } 涡度协方差技术 ~能量平衡闭合 ~可利用能量 ~湍流通量
中图分类号 }≥zt{1x 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsu p sstv p s{
收稿日期 }ussw p tu p ut ∀
基金项目 }国家重点基础研究发展规划项目kussu≤…wtuxstl !中国科学院知识创新工程重大项目kŽ≤÷t p ≥• p st p st„ul !中国科学院地
理科学与资源研究所知识创新工程主干科学计划k ≤÷tsŠ p ∞st p sv p sxl资助 ∀
Στυδψ ον Συρφαχε Ενεργψ Βαλανχε Χλοσυρε οφ α Χονιφερουσ Φορεστ Πλαντατιον
ιν Ρεδ Εαρτη Ηιλλψ ΑρεαoΧηινα
) ) ) פ®¨ ±¬¤±¼¤±½«²∏oפ¬«¨ ≤²∏±·¼o¬¤±ª¬¬°µ²√¬±¦¨ ¤¶¤± ¬¨¤°³¯¨
¬∏≠∏±©¨ ±t ≠∏Š∏¬µ∏¬t ¬∏u ≥²±ª ÷¬¤t ≤«¨ ± ≠²±ªµ∏¬t
kt1 Ινστιτυτε οφ Γεογραπηιχ Σχιενχεσ ανδ Νατυραλ Ρεσουρχεσ Ρεσεαρχη o ΧΑΣ Βειϕινγ tsstst ~
u1 Χολλεγε οφ Ρεσουρχεσ ανδ ΕνϖιρονµενταλΣχιενχεσo Χηινα Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss|wl
Αβστραχτ } ∞§§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ k∞≤l ·¨¦«±¬´∏¨ «¤¶¥¨¦²°¨ ¤¶·¤±§¤µ§ °¨ ·«²§·² °¨ ¤¶∏µ¨ ·«¨ ¦¤µ¥²±oº¤·¨µ√¤³²µ¤±§ ±¨¨ µª¼
©¯∏¬¬±·«¨ «¨·¨µ²ª¨ ±¨ ²∏¶¤µ¨¤o ¤±§·«¨ ±¨¨ µª¼ ¥¤¯¤±¦¨ ¦¯²¶∏µ¨ k∞…≤l ¬¶¤± ¬°³²µ·¤±·°¨ ¤± ·² ·¨¶··«¨ µ¨ ¬¯¤¥¬¯¬·¼ ²© ∞≤
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µ¨ªµ¨¶¶¬²±o·«¨ ±¨¨ µª¼ ¥¤¯¤±¦¨ µ¤·¬² k∞…• l ¤±§·«¨ ±¨¨ µª¼ ¬°¥¤¯¤±¦¨ ¶·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²± º¨ µ¨ ¤§²³·¨§¬±·«¬¶³¤³¨µqŒ±·«¬¶
¶·∏§¼¶¬·¨·«¨ ¶∏° ²©¤√¤¬¯¤¥¯¨ ±¨¨ µª¼¤±§·∏µ¥∏¯ ±¨·¨ ±¨ µª¼¬±¤º«²¯¨¼¨ ¤µº¨ µ¨ u z|{1u{ ¤±§u vvu1zs #°pu oµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q
Œ±·«¨ º«²¯¨¼¨ ¤µo·«¨ ∞…• º¤¶yx h o¤±§·«¨ √¤¯∏¨¶²© ¤¨¦«°²±·«º¨ µ¨ xu h ∗ zy h o·«¨ °¬±¬°∏° º¤¶¤³³¨¤µ¨§¬±¤±∏¤µ¼o
¤±§°¤¬¬°∏°¬±∏±¨ qŠ¨ ±¨ µ¤¯ ¼¯ o·«¨ ∞…• ¬±¶∏°°¨ µº¤¶¥¨·¨µ·«¤±·«¤·¬± º¬±·¨µo¤±§¬±§¤¼·¬°¨ oº«¬¦«¦²∏¯§µ¨¤¦«{s h o
¬·º¤¶¥¨·¨µ·«¤±·«¤·¬± ±¬ª«·¬°¨ q ƒ²µ·«¨ ∞…• √¤µ¬¨§ º¬·«·«¨ ©µ¬¦·¬²± √¨ ²¯¦¬·¼o¬·¦²±¦¯∏§¨§·«¤··«¨µ¨ «¤§¤¶¬ª±¬©¬¦¤±·
µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨·«¨ ·∏µ¥∏¯ ±¨·©¯∏¦·∏¤·¬²± ¤±§∞…• q׫¨ ±¨¨ µª¼ ¦¯²¶∏µ¨ ¬±¦µ¨¤¶¨§º¬·«©µ¬¦·¬²± √¨ ²¯¦¬·¼¬±¦µ¨¤¶¨§º«¨ ±·«¨
¤¯·¨µº¤¶¯¨¶¶·«¤±s1w °#¶pt qŒ± °¤±¼¦¤¶¨ ¶·∏§¬¨¶·«¨ µ¤·¬²²©∞…• ¬¶¤¯º¤¼¶¯ ¶¨¶·«¤±t o¬·¬±§¬¦¤·¨·«¤··«¨ ·∏µ¥∏¯ ±¨·¨ ±¨ µª¼
¬¶∏±§¨µ¨¶·¬°¤·¨§¤±§·«¨ ¤√¤¬¯¤¥¯¨ ±¨¨ µª¼¬¶¤§√¨ µ¶¨ o©µ²°·«¬¶³²¬±·o¬·°¤¼ §¨∏¦¨ ·«¤··«¨ ≤’u ©¯∏¬¬¶∏±§¨µ¨¶·¬°¤·¨ ∏±§¨µ·«¨
º¨ ¤®·∏µ¥∏¯ ±¨·¦²±§¬·¬²±¤±§ ²¯º ³«²·²¶¼±·«¨¶¬¶¤¦·¬√¤·¨µ¤§¬¤·¬²±¦²±§¬·¬²±q׫¨ °¤¬±µ¨¤¶²±¶º«¬¦«µ¨¶∏¯·¨§¬±·«¨ ¬°¥¤¯¤±¦¨ ²©
∞…≤ º¨ µ¨ ·«¨ ¤§√¨ ¦·¬²± ¬ª±²µ¨§¤±§·«¨ §¬©©¨µ¨±¦¨ ²©©²²·³µ¬±·¥¨·º¨ ±¨ ·∏µ¥∏¯ ±¨· ±¨¨ µª¼ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·¤±§¤√¤¬¯¤¥¯¨ ±¨¨ µª¼
°¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·q
Κεψ ωορδσ} §¨§¼p¦²√¤µ¬¤±¦¨ ·¨¦«±¬´∏¨ ~ ±¨¨ µª¼ ¥¤¯¤±¦¨ ¦¯²¶∏µ¨ ~¤√¤¬¯¤¥¯¨ ±¨¨ µª¼~·∏µ¥∏¯ ±¨·¨ ±¨ µª¼
含碳温室气体浓度增加是全球气候变暖的主要原因 o定量研究陆地生态系统界面过程对于温室气体的
源汇贡献以及全球温室气体收支平衡的问题 o一直是全球气候变化研究的热点与难点 ∀在区域范围内揭示
和深刻理解 ≤’u 的源汇过程 o是陆地碳循环研究的基础 ∀精确测定大气 p植被 p土壤的 ≤’u 通量 o具有重
大的科学价值和现实意义 ∀利用涡度协方差法k §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ o简称 ∞≤l观测和求算物质与能量通量是
≥º¬±¥¤±®于 t|xt年首次提出的 o被视为确定物质与能量通量的标准方法 ∀根据牛顿热力学第一定律和涡度
相关观测的基本假设 o能量闭合程度可以作为数据质量评价的一个有效途径 ∀所谓的能量闭合是指涡度协
方差方法直接观测的湍流通量k即潜热和显热通量之和l与可利用能量k即净辐射和土壤热通量 !冠层热储量
之差l之间的平衡 ∀能量平衡闭合直接估计潜热和感热通量 o并不涉及其他通量k如 ∞≤ 中最重要的 ≤’u 通
量l o是检验 ∞≤数据的重要指标kŽ¨¯¯ ετ αλqoussul ∀本文报道了红壤丘陵区非均匀地表人工林能量平衡闭
合的初步研究结果 o运用线性回归的最小二乘法k²µ§¬±¤µ¼ ¯¨ ¤¶·¶´∏¤µ¨¶o简称 ’≥l !能量平衡闭合率k ±¨¨ µª¼
¥¤¯¤±¦¨ µ¤·¬²o简称 ∞…• l和能量不平衡标准差k±²µ°¤¯¬½¨ §µ¨¶¬§∏¤¯ ¬±·«¨ ±¨¨ µª¼¬°¥¤¯¤±¦¨ o简称 ∆¨l对湍流通量和
可利用能量的关系进行了分析 o包括能量收支概况 !能量平衡闭合的日变化和季节变化趋势 !能量平衡闭合
与摩擦速度的关系 o并讨论了影响能量平衡不闭合的主要原因 o指出了今后的研究重点 ∀
t 试验区概况和研究方法
111 试验区概况
试验地位于江西省泰和县中国科学院千烟洲试验站kuyβwwχw{δ ‘ottxβswχtvδ ∞l o属典型红壤缓坡丘陵
地貌 o海拔 ys ∗ ttx ° o相对高差 us ∗ xs ° o坡度 s ∗ vsβ ∀主要土壤类型有红壤 !水稻土 !潮土 !草甸土等 o成土
母质多为红色砂岩 !砂砾岩或泥岩以及河流冲积物 ∀
t|{x ) ussv年本站地面气象观测数据统计 o站区年均气温 tz1{ ε o极端最高温度 wv1y ε o出现在 t|{x
年 {月 y日 o极端最低温度 p {1{ ε o出现在 t|||年 tu月 uv日 ~∴s ε 活动积温 y xwv1{ ε o∴ts ε 活动积
温 x |w{1u ε ~平均年降水量 t wzt1u °° o最大年降水量 u wts1w °°kussu年l o最小年降水量 |ww1| °°kussv
年l ~年蒸发量 t ux|1| °° o年均相对湿度 {v h ~年日照时数 t vsy «o太阳总辐射量 wv1vy亿 #°pu ∀具有典
型的亚热带季风气候特征 ∀
千烟洲试区现有林分为 t|{v年前后营造的人工纯林 o主要树种有马尾松k Πινυσ µασσονιαναl !湿地松
kΠινυσ ελλιοττιιl !杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl !木荷k Σχηιµα συπερβαl !樟树k Χινναµοµυµ χαµπηοραl以及柑橘
k Χιτρυσρετιχυλαταl等 o常绿覆被占土地总面积的 zy h ∀
ussu年 {月建立了微气象观测塔kuyβwwχu|1tδ ‘ottxβsvχu|1uδ ∞l o海拔 tts1{ ° o坡度 u1{ ∗ tv1xβ o位于上
松塘k塔东北 uzs °处l !西角塘k塔南偏东 vss °处l与平坑垅k塔西北 xss °处lv个小流域交汇点 ∀塔四周
的森林覆盖率均 |s h以上 o西边是湿地松林 o东南以马尾松为主 o东北以杉木为主 o平均树高 tu °∀据 ussv
年调查 o湿地松活立木平均高度为 tu1sv ° o胸径 tx1zy ¦°~马尾松活立木平均高度为 |1xv ° o胸径 tv1tt ¦°~
杉木活立木平均高度为 ts1|x ° o胸径 tv1ut ¦°∀林分基本郁闭 o林下植被有映山红k Ρηοδοδενδρον σιµσιιl !美
丽胡枝子kΛεσπεδεζα φορµοσαl等小灌木 o草本如山芝麻k Ηελιχτερεσ ανγυστιφολιαl !刺芒野古草k Αρυνδινελλα σετοσαl
等 ~近年耐荫的蕨类生长十分旺盛 o已经超过 us 个品种 o如岩穴蕨 k Πτιλοπτερισ µαξιµοωιχζιιl !粉背蕨
kΑλευριτοπτερισ πσευδοpφαρινοσαl !扇叶铁线蕨kΑδιαντυµ φλαβελλυλατυµl等 ∀立木株数约 t w{{株#«°pu ∀
112 研究方法
t1u1t 能量平衡闭合 生物圈中任何一点上的净辐射 Ρ± o是通过其他过程进行的能量交换及转化总量的
确切度量 o因而也称为/辐射平衡0 ∀通常 o当下垫面获得能量时 oΡ± 取正号 ~反之 o当能量由下垫面放出时 o
取负号 ∀一般能量平衡以下式表达kŽ¨¯¯ ετ αλqoussul }
ΛΕ n Η € Ρ± p Γ p Σ p Θ ktl
式中 }Ρ± 为太阳净辐射k • #°pul ~Γ为土壤热k存储l通量k • #°pul ~Σ为植物和大气中的热存储通量k • #
°pul即通过植物和大气的热量传输耗能 o在用涡度协方差方法测定中是指土壤表面到测量仪器高度之间的
空气与生物量的热量储存 o对于植被冠层高于 { °的下垫面而言 o该项对能量平衡的影响是不能忽略的
k¦≤¤∏ª«¨¼ot|{x ~²²µ¨ ετ αλqot|{yl ~Η为显热通量k • #°pul即显热耗能 ~ΛΕ为潜热通量k • #°pul即潜热
耗能 ~Θ为其他来源的能量总和 o由于数量极小常忽略不计 o因而能量平衡表达为 }
ΛΕ n Η € Ρ± p Γ p Σ kul
上式的右端项为可利用能量 o左端项为标准湍流通量 ∀
能量平衡闭合表示湍流通量与可利用能量的关系 o它服从热力学第一定律 o即要求湍流通量与可利用
能量相等 ∀但在目前的研究中 o普遍存在能量平衡不闭合的现象 ∀据报道 oΛΕ n Η一般低于 Ρ± p Γ p Σ o两
wt 林 业 科 学 wu卷
者比值为 xs h ∗ tss h k¨¨ot||{l ∀我们运用 ’≥和 ∞…• 等方法对能量平衡闭合进行分析 ∀其中 ’≥方法
是根据kul式进行能量平衡计算 o并对湍流通量与可利用能量进行线性回归分析 o根据最小二乘法原理求出
回归斜率k¶¯²³¨ l和截距k¬±·¨µ¦¨³·l o根据斜率与截距分析能量平衡闭合的程度 o理想状况下斜率为 t o截距为
s ∀将由涡度相关仪器直接观测的湍流通量与可利用能量的比值 ∞…• 表示为能量平衡率 }
ΕΒΡ € Ε kΛΕ n Ηl Ε k Ρ± p Γ p Σl kvl
另一个用于评价能量平衡闭合程度的因子是能量不平衡标准差 ∆¨ o指可利用能量和湍流通量两者之差
与有效能量的比值 }
∆¨ € ≈k Ρ± p Γ p Σl p kΛΕ n Ηl rk Ρ± p Γ p Σl kwl
∆¨  s表示显热和潜热湍流通量在观测中被低估 o而可利用能量被高估 ~反之 o则表明可利用能量被低
估 o而湍流通量的测量值偏高 ∀
t1u1u 显热通量k Ηl和潜热通量kΛΕl的测定与计算 显热通量k Ηl和潜热通量kΛΕl根据涡度协方差原理
连续测定 ∀该涡度协方差观测系统包括三维超声风速温度计k≤≥„×v o≤¤°³¥¨¯¯ ≥¦¬¨±·¬©¬¦·§o˜≥„l和快速响
应红外 ≤’uΠ‹u ’分析仪kŒ• Š„ o¬zxss o¬p≤²µŒ±¦qo¬±¦²¯±o‘¨¥µ¤¶®¤o˜≥„l o安装在铁塔上距地面 uv °的
伸臂处 o伸臂朝向 ttu1x² o仪器距塔 u °∀可直接测定三维风速 !湿度 !温度和 ≤’u 浓度的平均值及瞬时脉动
值 o通过下式可求出 Η !ΛΕk’«·¤®¬ot|{xl }
Η € ΘΧ³§ ΩχΤχ n ΘΤk Χ³√ p Χ³§l Ωχθχ kxl
ΛΕ € ΚΘΩχθχ kyl
式中 }Θ为空气密度kª#°pvl oΚ为水的汽化潜热k#ªptl oΧ³§和 Χ³√分别为常压下干空气和水蒸汽的比热k#
ªpt ε p tl oΩχ为风速在垂直方向分量的脉动值k¶#°ptl oΤ为气温k ε l oΤχ !θχ分别为温度k ε l !比湿的瞬时脉
动量 ∀
t1u1v 净辐射k Ρ±l 净辐射 Ρ±k • #°pul的 w个分量即向上 !向下短波辐射与向上 !向下长波辐射是由 ≤‘•
p t°• × p uts辐射观测系统kŽ¬³³ i ²±¨ o˜≥„l独立测量得到的 o该系统安装在塔顶部 wu °处 o指向正南
kt{sβl的伸臂上 o距塔 u °∀在研究中 o以净辐射大于 s作为白天的指标 ∀
t1u1w 土壤热通量k Γl 土壤热通量 Γk • #°pul由埋放在地下 v !x ¦°处的土壤热流板测定 ∀
t1u1x 植物 p空气热储存量k Σl 由温湿度梯度观测系统k‹°wx≤ p o⁄¨ ©¯·o ‹²¯ ¤¯±§ ‹∏®¶¨©¯∏¬l测定计算 o
它们分别安装在距地面 t !z !tt !tx和 uv °高度的伸臂上 ∀冠层热储量 Σ的计算公式为 }
Σ € ΣΗ n ΣΚ ΣΗ € 99 τΘ
ηζ
s
ΘΧπkt n s q{wcθl Τ§ζ ΣΚ € 99 τΘ
ηζ
s
ΘΚθβΤβ§ζ
式中 }Σ为冠层热储量k • #°pul o ΣΗ 为冠层内显热通量k • #°pul oΣΚ为冠层内潜热通量k • #°pul o ηζ为观
测高度k°l oΘ为空气密度kª#°pvl o Χπ 为空气比热k#ªpt ε p tl o θβ 为冠层内空气湿度kª#°pvl o cθ 为冠层
内空气平均湿度kª#°pvl o Τβ 为冠层内空气温度k ε l ∀
t1u1y 数据采集 由数据采集器k≤•ts÷ !≤•uv÷和 ≤•xsss o≤¤°³¥¨¯¯ ≥¦¬¨±·¬©¬¦Œ±¦qo²ª¤±o˜× o˜≥„l自动 !连
续采集并存储在计算机中 ∀采样频率为 ts ‹½o在采集实时数据的同时在线计算 vs °¬±的平均通量数据 ∀
t1u1z 缺失数据的插补 由于仪器故障 !系统校正 !天气及风向等因素 o在长期通量观测中往往造成观测数
据丢失 ∀本文采用了查表法和非线性回归法对丢失数据进行插补kƒ¤¯ª¨ ετ αλqousst ~¬∏ ετ αλqoussxl ∀
u 结果与分析
211 能量收支概况
本站净辐射在晴天均呈现为单峰型日变化 o最高值一般出现在午后 ∀晴天白天峰值出现在 tv }ss前后 o
最高值达 {yx1s • #°puky月 uw日 tu }vsl o夜间地表辐射冷却加强 o日最低值一般出现在日落 t «后 o最低值
p tut1u • #°pukts月 uu日 t{ }ssl ∀阴天随着天空状况呈波动变化 ∀从季节看 o本站可利用能量 z月最高 o
u月最低 ∀太阳赤纬由春分的 sβ升至夏至的 uv1xβ o太阳高度角逐渐增大 o日照时间变长 o辐射日总量增大 o
地面获得的能量比冬季明显增加 o放出的能量逐渐减少 o为生物界提供了充足的能量来源 ∀秋冬转换季节则
xt 第 u期 刘允芬等 }红壤丘陵区人工林能量平衡闭合研究
相反 o太阳赤纬逐渐变小 o直至秋分的 sβ ∀全年净辐射累计值 u {tx1{{ #°pu ∀土壤热通量受太阳辐射 !土
壤物理性质 !土壤含水量和植被覆盖率等多种因素影响 o变化规律与净辐射有所不同 o其热量的获取与放出
均比净辐射的时间滞后 ∀一般最高值出现在午后 tx }vs o最低值则出现在清晨 z }ss ) { }ss ∀午后到日落土
壤热流量从地表向土壤深层传递 o从环境中获得热量 ∀夜间到午前土壤热流量是从土壤深层向地表传递 ∀
全年土壤热通量累计值 tz1xx #°pu ∀植被的热储存年累计值为 s1sy #°pu ∀
图 t 能量通量各分量分布特征kussv年l
ƒ¬ªqt ׫¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©¦²°³²±¨ ±·¶²© ±¨¨ µª¼ kussvl
测站的显热通量在晴天为单峰型日分
布 o峰值出现在 tu }vs ) tw }ss o与净辐射峰值
同时出现或约晚 t «o最大值 xut1uz • #°pu
出现在 {月 v日 tv }ss ~夜间最低值一般出现
在日落 t «后或凌晨 ∀夜间的负值主要是由
于夜间植被冠层温度比空气温度低 ∀测站的
潜热通量在晴天亦为单峰型日分布 o出现时
间与净辐射峰值同时或约晚 t «o晴天白天最
大值 {|t1uw • #°pu出现在 y月 tt日 tv }vs ∀
夜间正负值交错出现 o阴雨天夜间潜热通量
基本为正值 ∀从月份看 o湍流通量从 ts月至
次年 t月以显热为主 o其中 tt !tu月最明显 ~
u !v !|月显热与潜热通量数值接近 ~w ) {月
潜热通量明显高于显热通量 ~这种交替变化
正反映了测站下垫面植被和水分状况的季节
变化 ∀全年显热通量累计值 {zt1tv #°pu o
潜热通量年累计值为 t wyt1x #°pu ∀见图 t ∀
212 能量平衡闭合的初步分析
u1u1t 不同时间段的能量平衡闭合 利用 ’≥方法对 ussv年按月 !季 !年 !日进行能量平衡分析 o各月的湍
流通量和可利用能量间的统计回归斜率为 xu h ∗ zs h ot月最低 oy月最高 ~按季节看是夏季最高 o冬季最低 ~
全年全天数据的回归斜率计算结果为 yx h o全年白天时段数据的回归斜率计算结果为 y| h ∀截距的月值为
{1{z ∗ ux1vx • #°pu o年 !季值为 v1s{ ∗ us1wv • #°pu ∀回归方程的决定系数 Ρu 值为 s1zw ∗ s1|{k见表 t !图
u o全年计算中的夜间值除外l ∀
表 1 不同时间段能量平衡计算结果
Ταβ .1 Τηε ρεσυλτσ οφ ΕΒΧ δυρινγ διφφερεντ περιοδσ
时段 °¨ µ¬²§ 斜率 ≥¯ ²³¨ 截距 Œ±·¨µ¦¨³·Πk • #°pul Ρu Π ν
t月 ¤±∏¤µ¼ s1xt{ u tw1{zu s1zv{ w  s1sst t wz{
u月 ƒ ¥¨µ∏¤µ¼ s1yts | ts1yxy s1{wx y  s1sst t vv{
v月 ¤µ¦« s1yxy u ts1ut| s1{v{ {  s1sst t wzy
w月 „³µ¬¯ s1yxy x {1{zw s1{{u v  s1sst t wvz
x月 ¤¼ s1yzv y ts1ss| s1{u| |  s1sst t w{t
y月 ∏±¨ s1zsw y tw1x|y s1{{t t  s1sst t wvy
z月 ∏¯¼ s1yz| w u|1uzu s1|{s x  s1sst t w{y
{月 „∏ª∏¶· s1yzs v tz1wyv s1{y| t  s1sst t w{s
|月 ≥ ³¨·¨°¥¨µ s1ywz u ty1y|v s1{|y |  s1sst t wvw
ts月 ’¦·²¥¨µ s1x{v t us1yv| s1{xs t  s1sst t w{t
tt月 ‘²√ °¨¥¨µ s1xyv y t|1{ww s1{vv |  s1sst t wvx
tu月 ⁄¨ ¦¨ °¥¨µ s1xw| w ux1vwx s1{wt s  s1sst t w{u
年 ≠ ¤¨µ s1yw| x ty1wty s1{zz {  s1sst tz www
冬季 •¬±·¨µ s1xxz x tz1vxv s1{sz v  s1sst w u|{
春季 ≥³µ¬±ª s1yyv t |1zvt s1{xt |  s1sst w v|w
夏季 ≥∏°° µ¨ s1y{w u us1wuy s1|tw y  s1sst w wsu
秋季 „∏·∏°± s1ytt y t|1swy s1{zu t  s1sst w vxs
全年白天 ⁄¤¼·¬°¨ ²© º«²¯¨¼¨ ¤µ s1y {{x v1s{v s1{x| y  s1sst { zs|
全年夜间 ‘¬ª«·¬°¨ ²© º«²¯¨¼¨ ¤µ s1ttw { u1||| s1suw u  s1sx { zvx
u1u1u 日能量平衡 对
每个月选取了连续晴好天
气进行相关分析 o在晴好
天气条件下能量平衡程度
较高 ∀分析表明 o利用全
天数据计算的湍流通量和
可利用能量的统计回归斜
率为 xu h ∗ zy h o而利用
晴天白天数据计算的结果
最高可达 {w h k表 ul ∀
u1u1v 能量平衡率的日
变化 根据kvl式分别按
年 !月 !日计算了能量平衡
率k∞…• l ∀可利用能量和
湍流通量均在下午 tu }vs
前后达到最大值 ∀白天时
段可利用能量均大于湍流通量 o而夜间则湍流通量大于可利用能量 ∀夜间湍流通量基本为零 o而可利用能量
yt 林 业 科 学 wu卷
图 u 各季能量平衡比较kussv年l
ƒ¬ªqu ׫¨ ¦²°³¤µ¬¶²± ²© ∞…≤ ¬± §¬©©¨µ¨±·¶¨¤¶²±¶kussvl
为负值 o主要是由于夜间地
面释放的热量大于吸收的
热量 ∀ ∞…• 白天为正 o夜间
为负 o日出后 ∞…• 值不断
增大 o直至午后最高 o傍晚
下降接近 s ~在早晨和傍晚
即白天和夜间转换时由于
大气稳定度发生了明显改
变 oΡ± p Γ p Σ及 ΛΕ n Η也
处于明显的转折时段 o∞…•
值变化最为剧烈 ∀全年
∞…• 平均日变化值在白天
高于 s1y o夜间低于 s1uk图
vl ∀ ∞…• 白天的最大值夏
季高于 s1{ !春季高于 s1z !
秋季高于 s1y o而冬季仅接
近 s1xk图略l ∀另外 o∞…•
的高低与可利用能量的绝
对值亦呈正相关关系 o即可
利用能量越大则能量平衡度越高 ∀
表 2 连续晴好天气能量平衡计算结果
Ταβ .2 Τηε ϖαλυεσ οφ ΕΒΧ ιν τψπιχαλσυχχεσσιϖε συνλιγητ δαψσ
日期k月Π日l
⁄¤·¨k°²±·«Π§¤¼l
连续晴天 ×¼³¬¦¤¯ ¶∏¦¦¨¶¶¬√¨ ¶∏±¯¬ª«·§¤¼¶ 连续晴天白天 ⁄¤¼·¬°¨ ²©¶∏¦¦¨¶¶¬√¨¶∏±¯¬ª«·§¤¼¶
斜率 ≥¯ ²³¨ 截距 Œ±·¨µ¦¨³·Πk • #°pul Ρ
u ν Π 斜率 ≥¯ ²³¨ 截距 Œ±·¨µ¦¨³·Πk • #°pul Ρ
u ν Π
tΠtu ) tΠtw s1xy vt1zz s1{w tww  s1sss t s1yz p t1w| s1y{ w|  s1ss st
tΠty ) tΠt{ s1xy vu1ww s1{x tww  s1sss t s1ys uu1yz s1yt w{  s1sss t
uΠw ) uΠy s1x| vs1ty s1{z tww  s1sss t s1yw tw1y| s1y| xx  s1sss t
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u1u1w 湍流脉动对能量平衡的影响 导致能量平衡不闭合的原因是多方面的 o对于这一普遍现象至今尚
没有充分的解释 ∀据分析湍流脉动对能量闭合有一定的影响 o这可以通过分析摩擦速度与能量闭合的关系
来实现 ∀我们分别对白天段 !夜间段以及全天的摩擦速度与能量平衡闭合的关系进行了分析 ∀对各个时段
的数据依照摩擦速度数值的大小均分成 ts个数据子集 o对每个子集的数据分别计算其湍流通量和可利用能
量间的回归斜率 ∀结果表明在摩擦速度低于 s1w °#¶pt时 o各个时间段的斜率均表现出随摩擦速度升高而增
大的趋势 o摩擦速度高于 s1w °#¶pt后 o斜率变化不明显 ~在摩擦速度低于 s1w °#¶pt时 o夜间段的斜率虽然较
小 o但是斜率随摩擦速度升高而增加的变化比白天明显 ∀在湍流脉动小时 o能量平衡闭合程度随湍流脉动
增强而增加 o表明湍流脉动弱是本站夜间能量平衡闭合程度低的一个重要原因k图 wl ∀
zt 第 u期 刘允芬等 }红壤丘陵区人工林能量平衡闭合研究
图 v ussv年能量通量与能量平衡率日变化
ƒ¬ªqv ⁄¬∏µ±¤¯ √¤µ¬¤·¬²±¶²© ±¨¨ µª¼ ©¯∏¬¤±§∞…• ¬± ussv
u1u1x 能量不平衡标准差与 ≤’u 通量的关系 为了评
价能量不平衡和 ≤’u 通量k Φ¦l之间的关系 o根据能量不
平衡标准差 ∆¨ 把所有半小时数据分成 v组kŽ¨¯¯ oussul ∀
第 t组¿∆¨¿ [ s1ts o标记为/ „≤0 o表示可以接受的闭合
k¤¦¦¨³·¤¥¯¨¦¯²¶∏µ¨l ~第 u组 ∆¨  s1ts o标记为/ ƒ0 o表示
低通量k¯ ²º ©¯∏¬¨¶l o对于可利用能量而言湍流通量被低
估 ~第 v 组 ∆¨  s1ts 标记为 / ‹ƒ0 o表示高通量 k«¬ª«
©¯∏¬¨¶l o湍流通量被高估 ∀把白天的所有半小时 ≤’u 通
量数据按 ΠΑΡ值的大小分成 x组 k第 t组 }xs  ΠΑΡ 
vss ~第 u组 }vss  ΠΑΡ  yss ~第 v组 }yss  ΠΑΡ  t sss ~
第 w组 }t sss  ΠΑΡ  t xss ~第 x组 }ΠΑΡ  t xss ∀ ΠΑΡ
的单位 }Λ°²¯#°pu¶p tl ∀分析受 ΠΑΡ 影响时 ≤’u 通量与
图 w 白天 !夜间和全天 ’≥斜率与
摩擦速度的关系
ƒ¬ªqw ׫¨ ’≥ ¶¯²³¨ ¤ª¤¬±¶·©µ¬¦·¬²± √¨ ²¯¦¬·¼
能量不平衡标准差 ∆¨ 之间的数量关系时发现 o由于仅取白天时段
的数据 o在所有 ΠΑΡ级别下 ≤’u 通量全部为负值 o即表示植物从大
气中获取 ≤’uk见图 xl ~每个 ΠΑΡ 组内 oΦ¦随 ∆¨ 不同而有很大差
别 o在湍流通量被低估的第 t组 Φ¦比第 u和 v组明显偏低 o总体上
分别低 vz h和 vv h o特别值得注意的是在 ΠΑΡ最低的第 t组kxs 
ΠΑΡ  vssl即刚刚日出或接近日落的时段 oΦ¦比/ „≤0和/ ‹ƒ0组低
|y h ∀以上分析表明在湍流通量被低估的情况下 oΦ¦也有被低估
的危险 o尤以白天与夜间交换时段明显 ∀经·检验证明 o在/ „≤0和
/ ‹ƒ0u组条件下在同样 ΠΑΡ 分组内 Φ¦之间没有显著差异 ∀在不
同的 ΠΑΡ分组之间 oΦ¦随 ΠΑΡ的增加以直角双曲线的形式增加 ∀
v 讨论与结论
311 讨论
图 x 不同 ΠΑΡ分组 ≤’u 通量与能量平衡
不闭合标准差的关系
ƒ¬ªqx • ¨¯¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨ ± ≤’u ©¯∏¬¤±§·«¨ ±²µ°¤¯¬½¨ §
µ¨¶¬§∏¤¯ ¬±·«¨ ±¨¨ µª¼¬°¥¤¯¤±¦¨ ∏±§¨µ§¬©©¨µ¨±·¦¤·¨ª²µ¼
²©³«²·²¶¼±·«¨¶¬¶¤¦·¬√¤·¨µ¤§¬¤·¬²±
ussv年本站可利用能量年累计 u z|{1u{ #°pu o湍流
通量累计值 u vvu1zs # °pu o即全年的能量利用率为
{w h o与国际通量观测网kƒ˜÷‘∞×l站点的能量闭合研究
结果一致 }湍流通量比可利用能量一般低估 ts h ∗ vs h
kŽ¨¯¯ ετ αλqoussul ∀综合 ƒ˜÷‘∞×学者的研究k≥·¤±±¤µ§ ετ
αλqot||w ~¤«µ·ot||{ ~׺¬±¨ ετ αλqousssl o结合我们的工
作 o能量平衡不闭合的原因可从以下几方面讨论 }
v1t1t 测定源面积不一致造成的取样误差 涡度相关仪
器观测的源面积和辐射表观测的源面积不完全一致 ∀因
为净辐射表的源面积半径与传感器的放置高度有关 o这一
高度不随时间和风速风向而变化 o但有时可能受塔的结构
或周围植被的影响 ∀涡度相关仪器的源面积大小并非固
定不变 o多数情况下受上升气流的影响 o近似为一个椭圆 ∀
理论与实际观测中 o净辐射表的观测源区同涡度相关的通
量源面积总是不一致的 ∀当涉及 Γ !Η和 ΛΕ的观测时 o假
设源面积一致会出现更多问题 }土壤热通量板观测到的地面面积比使用净辐射表测量的源面积和涡度相关
的通量源面积要小几个数量级 ∀估算高大植被的热储存时也存在类似的问题 ∀如果下垫面的空间异质性很
强 o则采样面积的不匹配会给能量平衡闭合带来更大的误差 ∀本站的能量平衡不闭合就与测定源面积不一
致造成的取样误差有很大关系 ∀
{t 林 业 科 学 wu卷
v1t1u 仪器测定中的系统误差 影响能量闭合度的第 u个可能原因是仪器的系统误差及仪器没有按时标
定或不正确标定产生的误差 ∀比如热通量板与周围土壤的导热系数不一致会导致土壤热通量板观测数据不
精确 o同时土壤热通量板同样可以改变它所观测的环境条件 o尤其是限制土壤水分运移k¤¼²¦¦«¬ ετ αλqo
t||xl ∀净辐射表的型号不同加之在标定中使用了不正确的程序 o则产生的偏差在白天可以达到 tx h kƒ¬¨ §¯
ετ αλqot||u ~≥·¤±±¤µ§ ετ αλqot||wl ~而净辐射观测值的偏差造成能量平衡不闭合的程度比实际更大 ∀通常
净辐射白天偏高 !夜间偏低对能量不平衡产生影响 ∀涡度相关方法中 ΛΕ和 Η是通过超声风速仪测定的风
速 !温度和红外分析仪测定的水汽浓度计算的 o如果仪器本身有误差 o或者安装仪器的支架对超声风速仪产
生遮蔽 o将直接影响在某些风向条件下的能量闭合度 ∀
v1t1v 低估或忽略了某些能量汇 在能量闭合度分析中 o我们利用 x个要素kΛΕ oΗoΡ± oΓ oΣl来估计系统
能量 o虽然使用了土壤热通量板 o但传感器之上的土壤热储量却会丢失 ∀对于稀疏林冠 o即使土壤热通量板
埋得很浅 o热存储项的损失也会很大k≥·¤±±¤µ§ ετ αλqot||wl ∀由于使用土壤热通量板造成的热存储明显降低
而增大了可利用能量 o会降低能量闭合度k¤¼²¦¦«¬ετ αλqot||xl ∀由于温度变化迅速 o冠层热存储变化占清
晨净辐射的很大一部分 o造成能量闭合度低 ~下午 o温度变化通常较小 o能量闭合度较高 o说明低估存储量有
可能降低能量闭合度的值 ∀即使对每一个组分都精确测量 o仍然会在冠层中出现额外的能量汇 o不过一般认
为这些能量汇值较小 o通常省略掉了 o造成了可利用能量的估算误差 ∀
v1t1w 高频或低频的通量损失 涡度相关技术对总的湍流通量的低估与高频或低频损失k低通滤波或高频
滤波l有关 ∀超声风速计和 ≤’u 分析仪的空间距离亦可视为一个低通滤波器造成的高频损失 o出现额外损
耗从而低估了水汽通量 o因此湍流通量被低估k¨∏±¬±ª ετ αλqot||yl ∀对于高大林木而言 o湍流的时间尺度较
大k„±§¨µ¶²± ετ αλqot|{w ~…¤¯§²¦¦«¬ετ αλqot|{{l o高频低估量较小 ∀但设在高大植物区站点的能量闭合度也
并不是很好 o说明在这里低频通量损耗是能量失衡的主要因素 ∀因此研究如何对频率的响应进行矫正是减
小能量不闭合的途径之一 ∀
v1t1x 忽略了平流的作用 目前在涡度相关研究中几乎所有的 ƒ˜÷‘∞×站点都认为包括 ≤’u 在内的标量
平流可以被忽略k°¤º ετ αλqousssl o通过坐标轴旋转可以忽略垂直平流 o所以平均垂直速度总为 sk¦¬¯¯ ±¨ o
t|{{l ∀然而 o非零的平均垂直速度以及垂直平流是存在的 ∀夜间当脉动较弱时k低摩擦速度l o较低的能量
闭合度往往伴随着漏流 o即在低洼地区形成平流和水汽以及 ≤’u 聚集 o从而造成本站能量平衡不闭合 ∀正
如 ¨¨和 ‹∏kussul提出的假说 }夜间能量闭合度差是由于产生了平均垂直平流 ∀
v1t1y 能量平衡闭合与 ≤’u 通量 在涡度相关研究中能量不闭合的问题是否导致 ≤’u 通量观测出现误差 o
是人们关心的问题 o对此需要针对不同的原因分别分析kŽ¨¯¯ ετ αλqoussul ∀如果能量平衡不闭合是由于测
定源的面积问题 !净辐射测定中的仪器偏差或忽略了能量源汇 o那么并不直接影响 ≤’u 通量的测定 o不能因
此而怀疑 ≤’u 通量的测定有系统误差 ∀但由超声风速计或 ≤’u 分析仪的偏差引起 ≤’u 通量的测定偏差 o尤
其是安装 u者有一定空间距离时 o≤’u 通量的测定会出现误差 ∀如忽略了水平对流 !丢失高频或低频通量
时 o所测定的 ≤’u 通量会产生误差 o特别是在夜间摩擦速度低时 ∀当湍流通量低于有效能量时 o平均 ≤’u 通
量的量级相对于一个给定的 °„• 大约会低 tx h o因而能量不平衡就可能影响 ≤’u 通量的估算精度 ∀
312 结论
tl ussv年全年可利用能量中净辐射 u {tx1{{ #°pu o土壤热通量累计值 tz1xx #°pu o植被的热储存
年累计值为 s1sy #°pu ~
ul湍流通量在秋末冬初以显热通量为主 o从春季到初秋以潜热通量为主 ∀全年显热通量累计值 {zt1tv
#°pu o潜热通量累计值为 t wyt1xy #°pu ~
vl本站的月份能量平衡率为 xu h ∗ zs h ot月最低 oy月最高 ~夏季最高 o冬季最低 ~利用全天数据分析的
结果是 yx h o而利用白天数据分析的结果为 x| h ∗ {w h o存在能量不闭合现象 ~
wl 全年 ∞…• 平均日变化值在白天高于 s1y o夜间低于 s1u o∞…• 在白天最大 ~夏季高于 s1{ o春季高于
s1z o秋季高于 s1y o而冬季仅接近 s1x ~
xl 在湍流脉动小的时候能量平衡闭合程度随湍流脉动的增强而增加 o表明湍流脉动弱是本站夜间能量
平衡闭合程度低的一个原因 ~
|t 第 u期 刘允芬等 }红壤丘陵区人工林能量平衡闭合研究
yl 在湍流通量被低估的情况下 oΦ¦也有被低估的危险 o尤以白天与夜间交替时段明显 ~
zl 综合分析本站能量不闭合的原因为 }本站属于非均匀下垫面及忽略了水平对流 ~
{l 由于我们把能量平衡闭合程度作为检验 ∞≤ 数据的重要指标 o那么在 ∞…• 值低的时段k比如夜间和
冬季l o相应的 Φ¦也可能被低估 o在没有完全解决该低估问题以前 o对于这个时段的数据分析与使用应从更
多的环境控制因子考虑并进行严格的计算与处理 ∀
参 考 文 献
„±§¨µ¶²± ⁄ ∞o∂ µ¨°¤≥ …o •²¶¨±¥¨µª‘qt|{w1∞§§¼ ¦²µµ¨ ¤¯·¬²± ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·¶²© ≤’u o ¤¯·¨±·«¨¤·¤±§¶¨±¶¬¥¯¨«¨¤·©¯∏¬¨¶²√¨ µ¤¦µ²³¶∏µ©¤¦¨ q…²∏±§p¤¼¨ µ
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…¤¯§²¦¦«¬⁄ ⁄o  ¼¨¨ µ¶× ° qt|{{1 „ ¶³¨¦·µ¤¯ ¤±§ ¤¯ªp¦²µµ¨ ¤¯·¬²± ¤±¤¯¼¶¬¶²©·∏µ¥∏¯ ±¨¦¨ ¬± ¤§¨¦¬§∏²∏¶©²µ¨¶·¦¤±²³¼q…²∏±§p¤¼¨ µ ·¨¨²µ²¯²ª¼ owx }vt p x{
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¬∏≠∏±©¨ ± o≥²±ª ÷¬¤o ≠∏Š∏¬µ∏¬o ετ αλqussx1≥¨ ¤¶²±¤¯ √¤µ¬¤·¬²± ²© ≤’u ©¯∏¬¤±§¬·¶ ±¨√¬µ²±° ±¨·¤¯ ©¤¦·²µ¶¬± √¨¨ µªµ¨ ±¨ ¦²±¬©¨µ²∏¶³¯¤±·¤·¬²±q≥¦¬¨±¦¨ ¬± ≤«¬±¤
≥¨ µ¬¨¶⁄}∞¤µ·«≥¦¬¨±¦¨¶ow{k≥∏³³q´l }tuv p tvu
¤«µ·qt||{1 ƒ¯ ∏¬¶¤°³¯¬±ª µ¨µ²µ¶©²µ¤¬µ¦µ¤©·¤±§·²º µ¨¶q²∏µ±¤¯ ²© „·°²¶³«¨µ¬¦¤±§ ’¦¨¤± ≥¦¬¨±¦¨ otx }wty p wu|
¤¼²¦¦«¬≤ o…µ¬¶·²º Žqt||x1≥²¬¯¶∏µ©¤¦¨ «¨ ¤·©¯∏¬}¶²°¨ ª¨ ±¨ µ¤¯ ∏´¨¶·¬²±¶¤±§¦²°° ±¨·¶²± ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·¶q„ªµ¬¦∏¯·∏µ¤¯ ¤±§ƒ²µ¨¶· ·¨¨²µ²¯²ª¼ ozx }wv p
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²²µ¨ ≤ oƒ¬¶¦« Š qt|{y1 ∞¶·¬°¤·¬±ª«¨¤·¶·²µ¤ª¨ ¬± „°¤½²±¬¤±·µ²³¬¦¤¯ ©²µ¨¶·q„ªµ¬¦∏¯·∏µ¤¯ ¤±§ƒ²µ¨¶· ·¨¨²µ²¯²ª¼ ov{ }twz p ty|
’«·¤®¬∞qt|{x1 ’±·«¨ ¶¬°¬¯¤µ¬·¼¬± ¤·°²¶³«¨µ¬¦©¯∏¦·∏¤·¬²±¶²©¦¤µ¥²± §¬²¬¬§¨ oº¤·¨µ√¤³²µ¤±§·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²√¨ µ√ ª¨¨·¤·¨§©¬¨ §¯¶q…²∏±§¤µ¼p¤¼¨ µ ·¨¨²µ²¯²ª¼o
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°¤º ˜ o…¤¯§²¦¦«⁄ ⁄o  ¼¨¨ µ¶× ° o ετ αλqusss1 ≤²µµ¨¦·¬²±¶²© §¨§¼¦²√¤µ¬¤±¦¨ ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·¶¬±¦²µ³²µ¤·¬±ª¥²·«¤§√ ¦¨·¬√¨ ©¨©¨¦·¶¤±§§¨±¶¬·¼©¯∏¬¨¶q…²∏±§¤µ¼p
¤¼¨ µ ·¨¨²µ²¯²ª¼ o|z }w{z p xtt
≥·¤±±¤µ§⁄Œo …¯¤±©²µ§ ‹ oŽ∏¶·¤¶ • ° o ετ αλqt||w1 „° ²±¶²²±. |s ¬¨³¨µ¬° ±¨·q • ¤·¨µ• ¶¨²∏µ¦¨¶• ¶¨¨¤µ¦«ovs kxl }t uuz p t uv|
׺¬±¨ × ∞oŽ∏¶·¤¶ • ° o‘²µ°¤±  o ετ αλqusss1 ≤²µµ¨¦·¬±ª §¨§¼p¦²√¤µ¬¤±¦¨ ©¯∏¬∏±§¨µ¨¶·¬°¤·¨¶²√¨ µ¤ªµ¤¶¶¯¤±§q„ªµ¬¦∏¯·∏µ¤¯ ¤±§ƒ²µ¨¶· ·¨¨²µ²¯²ª¼ otsv }
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k责任编辑 于静娴 张君颖l
su 林 业 科 学 wu卷