張小華，高志球，宋玉芝，王琳琳，陳梁，顧荊奕，陳洪良

(1．南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京210044;2．中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029;3．蘇州市吳中區(qū)東山氣象站，江蘇蘇州215107)

0 引言

陸—?dú)庀嗷プ饔弥饕ㄟ^地—?dú)庵g的動(dòng)量、能量和水汽交換影響大氣邊界層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響局地天氣過程和大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)(Bounoua et al．，2002;Defries et al．，2002;Chen et al．，2003)，因此陸面過程的研究一直受國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的關(guān)注(馬耀明等，2000;Gao et al．，2003a，2009;Choi et al．，2004;Bi et al．，2007;呂晶晶等，2013)。從已有的研究可知，陸—?dú)庀嗷プ饔脧?qiáng)度除受到太陽(yáng)輻射和大氣狀況等因素影響外，還依賴于地表特征(如:植被類型、土壤溫度、土壤濕度、地表粗糙度、地表反照率等);其研究方法以野外觀測(cè)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和衛(wèi)星遙感為主(王介民，1999;Gao et al．，2003b，2004;楊智等，2010)。其中，野外觀測(cè)試驗(yàn)由于其結(jié)果能真實(shí)地反映下墊面與大氣相互作用的過程，能夠?yàn)閿?shù)值模式提供初始值、強(qiáng)迫場(chǎng)和校驗(yàn)場(chǎng)等，因此運(yùn)用的最為廣泛。

精確描述陸—?dú)馔牧魍拷粨Q物理過程的陸面過程模式是大氣環(huán)流模式(GCM，General Circulation Models)的重要組成部分。Sellers et al．(1986)研發(fā)了簡(jiǎn)單生物圈模式(SiB，Simple Biosphere Mode1)。SiB綜合考慮了輻射平衡、湍流能量輸送，以及土壤水熱過程。在 SiB基礎(chǔ)上，Sellers et al．(1996a，1996b)研發(fā)了 SiB2(Simple Biosphere Model 2)，并將其耦合進(jìn)入GCM。與SiB相比，SiB2有以下幾點(diǎn)改進(jìn):1)將植被的兩層處理方案改為單層處理方案;2)引入了光合—水傳導(dǎo)子模式，進(jìn)一步描述了CO2和水汽在植被內(nèi)部與外部大氣之間的傳輸過程;3)提出了通過衛(wèi)星資料反演計(jì)算模式所需的三個(gè)重要參數(shù):光合作用有效輻射比、總?cè)~面指數(shù)和綠色冠層比;4)模式根據(jù)全球植物生理形態(tài)將SiB中的12種植被類型簡(jiǎn)化為9種;5)模式充分考慮下墊面植被在大氣—土壤之間物質(zhì)、能量循環(huán)中的作用，將反照率、蒸騰和粗糙度等相關(guān)學(xué)科概念有機(jī)結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)調(diào)對(duì)土壤—植被—大氣相互作用復(fù)雜過程的描述;6)加入了融雪水方法，從而避免了當(dāng)表面雪的厚度很薄或正在減少時(shí)造成的熱通量的快速上升和表面反照率的跳躍;7)調(diào)整水文子模式，更好地描述徑流，更精確計(jì)算在土壤廓線內(nèi)的相互作用層。SiB2(Sellers et al．，1996a)采用“強(qiáng)迫—恢復(fù)”方法模擬地表溫度。但有研究(Gao et al．，2004;Hong and Kim，2008;薛彥廣等，2010)表明，SiB2 系統(tǒng)性地高(低)估白天(夜間)地表溫度。導(dǎo)致SiB2這些偏離的原因至今仍然不十分清楚，但是這些偏離可能直接導(dǎo)致模擬結(jié)果的不確定性。Zhang et al．(2012)分析了SiB2中的土壤熱傳導(dǎo)率表達(dá)式，并用土壤熱傳導(dǎo)率的最新表達(dá)式取代了SiB2原來(lái)的土壤熱傳導(dǎo)表達(dá)式，并考慮了土壤水分垂直運(yùn)動(dòng)造成的土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的垂直非均勻分布，改進(jìn)后的SiB2有效地改善了對(duì)青藏高原那曲草原地表能量平衡的模擬結(jié)果。為了檢驗(yàn)陸面過程模式對(duì)稀疏草地地表能量分配的模擬能力，本文用土壤熱傳導(dǎo)率的最新表達(dá)式取代SiB2中原有的土壤熱傳導(dǎo)表達(dá)式改進(jìn)SiB2(簡(jiǎn)稱改進(jìn)版SiB2)，分別利用原版和改進(jìn)版SiB2來(lái)模擬2010年7月22日—8月5日期間北京郊區(qū)陽(yáng)坊鎮(zhèn)坦克打靶場(chǎng)草地的輻射平衡、能量收支等過程，并將原版和改進(jìn)版SiB2模式的模擬結(jié)果與觀測(cè)資料比較，并進(jìn)一步驗(yàn)證更新了土壤熱傳導(dǎo)率方程式后的SiB2(改進(jìn)版)對(duì)地表能量分配的模擬能力。

1 資料來(lái)源和方法

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)概況

北京陽(yáng)坊氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候的半濕潤(rùn)區(qū)，年平均降水量為550～600 mm，降水大部分集中在7、8月。年平均氣溫11.8℃，無(wú)霜期180 d，生長(zhǎng)期200 d左右，而且氣溫季節(jié)變化明顯。風(fēng)向多為西北風(fēng)，最大風(fēng)力可達(dá)9級(jí)，高溫期與雨季一致。本次大氣邊界層湍流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在陽(yáng)坊二炮坦克打靶場(chǎng)，植被為稀疏短草(116.112 1°E，40.162 7°N)，該觀測(cè)站的植被類型代表了北京周邊地區(qū)的植被類型。

1.2 野外試驗(yàn)

在北京陽(yáng)坊二炮坦克打靶場(chǎng)建立一個(gè)12 m高的氣象觀測(cè)塔，將梯度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)架設(shè)其上。分別在4、7.5和11 m處安裝空氣溫濕度探頭(Vaisala，HMP45C)和風(fēng)速傳感器用來(lái)測(cè)量不同高度的風(fēng)速、空氣溫度以及空氣濕度，并在11 m處安裝風(fēng)向傳感器觀測(cè)風(fēng)向。渦動(dòng)相關(guān)微氣象觀測(cè)系統(tǒng)由三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，Campbell Scientific Inc．)，Licor7500水汽和二氧化碳分析儀(Licor，USA)和CR3000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific Inc．)組成。其中三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，Campbell Scientific Inc．)和Licor7500水汽和二氧化碳分析儀(Licor，USA)安裝在距地面高度為10 m處，三維超聲風(fēng)速儀測(cè)量高頻風(fēng)分量(u、v和 w)和超聲虛溫，licor7500水汽和二氧化碳分析儀測(cè)量 CO2和H2O的密度。渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的采樣頻率為10 Hz。CR3000數(shù)據(jù)采集器和大氣壓力傳感器安裝在1.5 m處。同時(shí)，利用兩塊土壤熱通量板(HFP01SC，Campbell Scientific Inc．)進(jìn)行兩層土壤熱通量的測(cè)量(0.05、0.1 m)，利用4個(gè)109土壤溫度傳感器分別測(cè)定不同深度(0.05、0.1、0.2、0.4 m)的土壤溫度，利用兩個(gè) CS616土壤含水量傳感器分別在土壤深度為0.1和0.2 m處進(jìn)行土壤濕度的測(cè)量。在12 m塔附近安裝了一個(gè)TE525MM雨量桶(距離地面高度0.7 m)，四分量輻射表(CRN1，Kipp＆Zonen Inc．，安裝高度1.5 m)。10 Hz的渦動(dòng)數(shù)據(jù)、四層土壤溫度、兩層土壤含水量和雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)都通過CR3000數(shù)據(jù)采集器儲(chǔ)存在2 G的存儲(chǔ)卡上。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和30 min一次的平均值。利用2塊80 W的太陽(yáng)能板和蓄電池為儀器供電。

測(cè)量數(shù)據(jù)由于受到天氣因素、環(huán)境條件以及儀器本身的屬性限制等影響，在分析資料前，用數(shù)據(jù)處理軟件(Edire)對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，主要包括6方面:野點(diǎn)檢測(cè)和校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平面擬合、趨勢(shì)去除、WPL 校正(Webb et al．，1980)、穩(wěn)態(tài)檢驗(yàn)。去掉不合理或因儀器出現(xiàn)故障、天氣等原因產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)訂正插補(bǔ)。

1.3 通量計(jì)算

湍流熱量、動(dòng)量和水汽交換控制著輸送給大氣的熱量、大尺度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能耗散、大氣的水分收支。目前計(jì)算地表湍流通量的方法很多，既有直接進(jìn)行測(cè)量的渦動(dòng)相關(guān)(eddy covariance)法，也有間接計(jì)算方法如波文比—能量平衡法(Bowen ratio energy balance method)，空氣動(dòng)力學(xué)法(aerodynamics/flux profile method)等。由于渦動(dòng)相關(guān)法是通過快速傳感器測(cè)定大氣中湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)速脈動(dòng)和物理量脈動(dòng)，直接計(jì)算風(fēng)速脈動(dòng)和某物理量(如溫度、CO2和H2O等)脈動(dòng)的協(xié)方差來(lái)計(jì)算能量和物質(zhì)通量。計(jì)算過程中，幾乎不存在任何假設(shè)，且方法直接、簡(jiǎn)易，但必須使用高精度、響應(yīng)速度極快的湍流脈動(dòng)傳感器。近年來(lái)，由于超聲風(fēng)速計(jì)和高性能氣體分析儀的開發(fā)和改進(jìn)，渦動(dòng)相關(guān)法已成為直接測(cè)定大氣與群落CO2交換通量的最可靠方法，也是世界上CO2、水熱通量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法(沈艷等，2005)。本文應(yīng)用的資料是通過渦動(dòng)相關(guān)法測(cè)得。

渦動(dòng)相關(guān)法(eddy covariance)計(jì)算感熱(H)、潛熱(Le)通量公式為:

其中:ˉρ、cp和L分別表示測(cè)量高度處大氣平均密度(kg·m－3)、大氣比熱(J·kg－1·K－1)和汽化潛熱(J·kg－1);w'、q'和 T'分 別 表 示 垂 直 風(fēng) 速w(m·s－1)、比濕 q(g·kg－1)和氣溫 T(K)的脈動(dòng)量。

地表土壤熱通量G0的計(jì)算公式如下:

其中:G1為0.05 m處測(cè)得的土壤熱通量測(cè)量值;Cg(1.47 × 106J·m－3·s－1)是土壤的體積熱容量(Gao，2005);Δz為熱通量板上層的土壤厚度，取0.05 m;Ts為0.05 m深淺土層的平均溫度(地表溫度和5 cm處溫度的平均值得到)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 SiB2參數(shù)的設(shè)定

SiB2中的大多數(shù)參數(shù)體現(xiàn)了植被的基本物理和生物特性，如輻射傳輸模式中葉片的反照率和傳輸率、土壤子模式中的水文參數(shù)等。SiB2對(duì)參數(shù)設(shè)置非常敏感，Colello et al．(1998)檢驗(yàn)了SiB2對(duì)高草類大草原整個(gè)生長(zhǎng)期間內(nèi)的溫度變化、能量分配和CO2通量變化的模擬能力，先后使用SiB2隱含參數(shù)值和根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整后的參數(shù)值作了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)調(diào)整參數(shù)后的SiB2能夠準(zhǔn)確地模擬出地表能量收支的日變化。本文參數(shù)由實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)得到，并根據(jù)SiB2的植被類型的劃分，該植被類型屬于類型6(Sellers et al．，1996b，即短草草地。土壤類型屬于類型4(Sellers et al．，1996b)，即介于粘壤土和砂質(zhì)粘壤土之間。根據(jù)實(shí)測(cè)值可知，短草的頂部和底部的平均高度分別為0.6和0.1 m，觀測(cè)期間的植被覆蓋率為80%，總土層的深度為1.0 m，三個(gè)土壤層次分別為地表層(0～0.02 m)、根區(qū)(0.02～0.3 m)和補(bǔ)給區(qū)(0.3～1.0 m)。調(diào)整的參數(shù)如表1所示。

2.2 強(qiáng)迫數(shù)據(jù)

SiB2模式共需要輸入6個(gè)強(qiáng)迫變量，分別為向下短波輻射、向下長(zhǎng)波輻射、水汽壓、氣溫、觀測(cè)高度上的風(fēng)速和降水量。圖1為7月22日—8月5日期間的野外試驗(yàn)測(cè)量的6個(gè)氣象強(qiáng)迫變量的時(shí)間序列。這一時(shí)期向下短波輻射的最大值(平均值)為757.23 W·m－2(144.46 W·m－2)，向下長(zhǎng)波輻射的最大值(平均值)為 479.25 W·m－2(429.06 W·m－2)。參考高度(4 m)處的風(fēng)速、水汽壓和溫度的平均值分別為 2.17 m·s－1、26.65 hPa和302.30 K。

圖1 SiB2氣象強(qiáng)迫量的時(shí)間序列 a．向下短波輻射(單位:W·m－2);b．向下長(zhǎng)波輻射(單位:W·m－2);c．4 m高度處水平風(fēng)速(單位:m/s);d．4 m高度處水汽壓(單位:hPa);e．4 m高度處空氣溫度(單位:K);f．降水量(單位:mm)Fig．1 Time series of the atmospheric forcing quantities used by SiB2 a．downward short-wave radiation(units:W·m －2);b．downward-wave radiation(units:W·m －2);c．horizontal wind speed(units:m/s)at 4 m altitude;d．vapor pressure(units:hPa)at 4 m altitude;e．a(chǎn)ir temperature(units:K)at 4 m altitude;f．precipitation(units:mm)

在整個(gè)觀測(cè)期間，強(qiáng)迫量中向下短波輻射和氣溫都表現(xiàn)出明顯的日變化。向下短波輻射的最大值達(dá)到757.23 W·m－2，平均值144.46 W·m－2。平均向下長(zhǎng)波輻射白天(夜晚)436.42 W·m－2(420.95 W·m－2)。向下長(zhǎng)波輻射的日變化不明顯，平均值為429.06 W·m－2。平均向下短波輻射白天(夜晚)276.58 W·m－2(0.82 W·m－2)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，降水量少(DOY 215，降雨日)，土壤處于干旱狀態(tài)，土壤體積含水量平均值為9.42%。

2.3 初始化

SiB2中有8個(gè)量需要設(shè)置初值，分別為冠層溫度、地面溫度、土壤深層溫度、冠層體腔溫度、觀測(cè)高度氣溫、表層土壤濕度、根區(qū)土壤濕度和深層土壤濕度。這些初始值根據(jù)觀測(cè)值設(shè)定(表2)。

表2 SiB2初始化參數(shù)設(shè)置Table 2 Initial parameters used in SiB2

2.4 SiB2的改進(jìn)

2.4.1 SiB2中用于土壤溫度模擬的“強(qiáng)迫—恢復(fù)”方法

傳統(tǒng)方法中，假設(shè)傳導(dǎo)是土壤熱傳輸?shù)奈ㄒ煌緩?。Deardorff(1978)假設(shè)一個(gè)無(wú)限薄的土壤表層，推導(dǎo)地表溫度(Tg)的表達(dá)式:

地表日平均溫度(ˉT)的表達(dá)式:

其中:G0=Rn－H－Le是地表熱通量是土壤的熱擴(kuò)散率;Cg是土壤的體積熱容量。為年溫度變化的穿透深度(Deardorff，1978)。

方程(4)和(5)構(gòu)成了完整的“強(qiáng)迫—恢復(fù)”方法的方程。它們被廣泛地應(yīng)用在陸面過程中進(jìn)行地表溫度診斷。簡(jiǎn)化生物圈模式(SiB2)也正是采用它們進(jìn)行地表溫度的模擬。

2.4.2 改進(jìn)版“強(qiáng)迫—恢復(fù)”方法

Gao et al．(2003c，2008)將熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方程合并，推導(dǎo)出土壤溫度方程的解析解:

而對(duì)于地表日平均溫度(ˉT)的診斷，仍然采用方程(5)。

本文用Gao et al．(2008)改進(jìn)版強(qiáng)迫—恢復(fù)方法取代SiB2中使用的強(qiáng)迫—恢復(fù)方法。并對(duì)改進(jìn)版SiB2的模擬能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

已有的研究表明，當(dāng)輻射與能量平衡分量小于－100 W·m－2時(shí)，儀器的誤差與地表能量分量的大小相當(dāng)，妨礙了地表能量平衡的研究(Gao et al．，2004)。因此，本文主要分析觀測(cè)的感熱和潛熱通量大于－100 W·m－2數(shù)據(jù)，并忽略降水期間的資料。

3.1 凈輻射

由圖2可見，地表凈輻射的日變化非常明顯，白天為正值，晚上為負(fù)值。即白天地表得到能量，晚上損失能量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，測(cè)量的平均凈輻射白天(夜晚)為161.49 W·m－2(－37.29 W·m－2)。原版SiB2模擬的平均凈輻射白天(夜晚)為133.10 W·m－2(－38.68 W·m－2)。改進(jìn)版SiB2模擬的平均凈輻射白天(夜晚)為153.39 W·m－2(－27.99 W·m－2)。由于天氣原因，7月30日(DOY 210，陰天)和8月4日(DOY 215，強(qiáng)降雨)的凈輻射的值比較低。改進(jìn)版SiB2模擬的凈輻射白天比原版SiB2模擬的結(jié)果稍有提高，但夜晚的模擬結(jié)果卻沒有原始SiB2模擬的結(jié)果好，改進(jìn)后的SiB2夜晚高估凈輻射。在整個(gè)模擬時(shí)間段，原版SiB2低估凈輻射11.32%，改進(jìn)版SiB2低估凈輻射5.81%。

圖2 實(shí)際觀測(cè)的凈輻射時(shí)間變化以及原版SiB2和改進(jìn)版SiB2的模擬結(jié)果(單位:W·m－2)Fig．2 Temporal variation of observed net radiation and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.2 感熱通量

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，感熱通量在總體能量分配中占主導(dǎo)(圖3)。由圖3可見，感熱通量變化范圍為－30～300 W·m－2。測(cè)量的平均感熱通量白天(夜晚)為75.24 W·m－2(－4.49 W·m－2)。原版SiB2模擬的平均感熱通量白天(夜晚)為70.52 W·m－2(－4.91 W·m－2)。改進(jìn)版SiB2模擬的平均感熱通量白天(夜晚)為83.36 W·m－2(0.55 W·m－2)。7月30日(DOY 210，陰天)和8月4日(DOY 215，強(qiáng)降雨)的感熱通量明顯變低，其最大值均低于50 W·m－2。由圖3可知，在模擬的前期改進(jìn)版SiB2在白天高估感熱通量，在整個(gè)模擬時(shí)間段改進(jìn)版的SiB2在夜間均高估感熱通量。原版SiB2在晴天的夜間低估感熱通量，在陰雨天的夜間高估感熱通量。在整個(gè)模擬時(shí)間段，原版SiB2低估感熱通量8.88%，改進(jìn)版SiB2低估0.64%。

圖3 實(shí)際觀測(cè)的感熱通量時(shí)間變化以及原版SiB2和改進(jìn)版SiB2的模擬結(jié)果(單位:W·m－2)Fig．3 Temporal variation of observed sensible heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.3 潛熱通量

由圖4可見，潛熱通量的變化范圍為－20～150 W·m－2。測(cè)量的平均潛熱通量白天(夜晚)為38.76 W·m－2(2.60 W·m－2)，原版SiB2模擬的平均潛熱通量白天(夜晚)為25.87 W·m－2(－2.69 W·m－2)，改進(jìn)版SiB2模擬的平均潛熱通量白天(夜晚)為27.15 W·m－2(－1.82 W·m－2)。

由圖4中測(cè)量的潛熱通量時(shí)間序列可知，試驗(yàn)期間，潛熱通量持續(xù)減小。事實(shí)上，在整個(gè)試驗(yàn)階段天氣比較晴朗，土壤濕度很低，7月31日(DOY 210)天氣雖轉(zhuǎn)陰，但沒有降水，土壤干旱的情況未緩解。原版SiB2和改進(jìn)版SiB2在晴天的夜間低估潛熱通量，在陰雨天的夜間高估潛熱通量。在整個(gè)模擬時(shí)間段，原版SiB2和改進(jìn)版SiB2低估潛熱通量分別為39.96%和36.98%。從圖4還可看出，實(shí)驗(yàn)初期的感熱和潛熱通量的模擬結(jié)果不好，造成這種結(jié)果可能的原因:1)由于儀器的安裝使得土壤、植被被破壞;2)實(shí)驗(yàn)期間植被有所改變;導(dǎo)致模式需要的參數(shù)(如植被覆蓋率、葉面積指數(shù))等發(fā)生了變化。由此可見，導(dǎo)致SiB2這些不精確性的原因至今仍然不十分清楚，需要進(jìn)一步的研究。

圖4 實(shí)際觀測(cè)的潛熱通量時(shí)間變化以及原版SiB2和改進(jìn)版SiB2的模擬結(jié)果(單位:W·m－2)Fig．4 Temporal variation of observed latent heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

3.4 地表熱通量

圖5 實(shí)際觀測(cè)的地表熱通量時(shí)間變化以及原版SiB2和改進(jìn)版SiB2的模擬結(jié)果(單位:W·m－2)Fig．5 Temporal variation of observed soil heat flux and corresponding results simulated by original SiB2 and modified SiB2(units:W·m－2)

圖5是原版SiB2和改進(jìn)版SiB2模擬以及實(shí)際觀測(cè)的地表熱通量(G0)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖5可知，土壤熱通量的日變化明顯，土壤熱通量的變化范圍為－100～200 W·m－2。測(cè)量的平均土壤熱通量白天(夜晚)為 47.51 W·m－2(－25.13 W·m－2)，原版SiB2模擬的平均土壤熱通量白天(夜晚)為36.60 W·m－2(－31.11 W·m－2)，改進(jìn)版SiB2模擬的平均土壤熱通量白天(夜晚)為42.26 W·m－2(－26.70 W·m－2)。由圖5可知，在整個(gè)模擬時(shí)間段，原版SiB2和改進(jìn)版SiB2均低估土壤熱通量，低估約為4%。實(shí)際觀測(cè)的土壤熱通量表明，晴朗天氣條件下土壤熱通量較大;陰雨天氣條件下，太陽(yáng)輻射較弱，導(dǎo)致土壤熱通量很小如7月30日(DOY 210，陰天)和8月4日(DOY 215，強(qiáng)降雨)。原版SiB2和改進(jìn)版SiB2白天的模擬結(jié)果基本相同，但改進(jìn)版SiB2在夜間模擬的土壤熱通量比原版SiB2模擬的值大。

圖6 實(shí)際觀測(cè)的感熱通量(a，e)、潛熱通量(b，f)、地表熱通量(c，g)和凈輻射(d，h)與原版SiB2(a，b，c，d)及改進(jìn)版 SiB2(e，f，g，h)的模擬結(jié)果的散點(diǎn)圖Fig．6 Scatterplots of the observed(a，e)sensible heat flux，(b，f)latent heat flux，(c，g)surface heat flux，and(d，h)net radiation and the corresponding quantities simulated by(a，b，c，d)original SiB2 and(e，f，g，h)modified SiB2

圖6a是原始SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的感熱通量的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.911 2。圖6b是原始SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的潛熱通量的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.600 4。圖6c是原始SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的地表熱通量(G0)的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.963 9。圖6d是原始SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的凈輻射的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.963 9。圖6e是改進(jìn)版SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的感熱通量的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.886 8。圖6f是改進(jìn)版SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的潛熱通量的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.630 2。圖6g是改進(jìn)版SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的地表熱通量的對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.956 6。圖6h改進(jìn)版SiB2模擬的與實(shí)際觀測(cè)的凈輻射，相關(guān)系數(shù)為0.941 9。由圖6可知，改進(jìn)后的SiB2對(duì)感熱通量、潛熱通量以及凈輻射的模擬結(jié)果有所提高。

3.5 地表能量收支

地表能量收支描述為:

地表能量的平衡閉合以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，認(rèn)為感熱和潛熱通量之和應(yīng)該與凈輻射通量、土壤熱通量以及其他形式的熱量之和相互平衡。然而在陸—?dú)庀嗷プ饔醚芯恐杏^測(cè)計(jì)算到的地表能量收支很難達(dá)到平衡。Wilson et al．(2002)對(duì) FLUXNET的22個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了能量平衡閉合研究，發(fā)現(xiàn)各通量觀測(cè)站點(diǎn)普遍存在能量不閉合的現(xiàn)象。很多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立測(cè)量得到的能量平衡方程的各個(gè)分量不能很好地閉合(Wang et al．，2000;Tanaka et al．，2001;Gaoet al．，2000，2003b;Heusinkveld et al．，2004;李正泉，2004;吳家兵等，2004;劉允芬等，2006)。目前認(rèn)為能量不閉合的原因主要是渦度相關(guān)儀器與輻射表測(cè)定的源面積之間的差異導(dǎo)致的采樣誤差，以及忽略了水平對(duì)流產(chǎn)生的影響，能量不平衡的問題需要進(jìn)一步的研究。

圖7比較了陽(yáng)坊的感熱與潛熱之和(Le+H)與地表可用能量(Rn+G0)。n=244是總樣本數(shù)(673)剔除下雨和小于0 W·m－2的數(shù)據(jù)所得。正比例函數(shù)回歸線為0.98。而Gao(2005)和Jacobs et al．(2008)之前的研究結(jié)果為0.9，相對(duì)來(lái)說(shuō)陽(yáng)坊試驗(yàn)點(diǎn)的能量閉合較好。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)版SiB2提高了凈輻射和向上長(zhǎng)波輻射的模擬結(jié)果。SiB2模擬的凈輻射值與測(cè)量值相比，原版SiB2低估凈輻射11.32%。改進(jìn)版SiB2低估凈輻射5.81%，改進(jìn)版SiB2提高了凈輻射的模擬結(jié)果。

2)由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段土壤體積含水量平均值為9.42%，土壤處于干旱狀態(tài)。所以感熱通量占總體能量分配的主導(dǎo)地位，其變化范圍為－30～300 W·m－2。SiB2模擬的和測(cè)量的感熱通量、潛熱通量和土壤熱量通量時(shí)間變化一致。改進(jìn)版SiB2提高了感熱通量和潛熱通量的模擬結(jié)果。原版SiB2和改進(jìn)版SiB2分別低估感熱通量8.88%和0.64%。原版SiB2和改進(jìn)版SiB2分別低估潛熱通量39.96%和36.98%。改進(jìn)版SiB2提高了夜間的土壤熱通量的模擬能力。

圖7 實(shí)際觀測(cè)的感熱和潛熱之和與地表可用能量的散點(diǎn)圖Fig．7 Scatterplot of the sum of observed sensible and latent heat fluxes and the observed surface available energy

3)SiB2模式仍然存在著很多的不確定性。導(dǎo)致模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值有所偏差。模式需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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