低丘紅壤區(qū)旱田水熱通量特征及其氣象影響因素

景梽淏，景元書，賈秋洪(1.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044)

0 引 言

近年來，地表水熱通量特征一直是生態(tài)系統(tǒng)與大氣相互作用的研究重點(diǎn)，也是土壤-植被-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)中不同功能作用層水分上行運(yùn)動(dòng)的重要聯(lián)系樞紐和水量平衡研究的關(guān)鍵[1]。在地表水熱交換過程中，存在能量的傳遞和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，并間接影響一定空間尺度上的氣候狀況[2]。其中，潛熱通量和感熱通量反映的就是水汽和熱量之間的作用過程，潛熱通量主要體現(xiàn)在水的相變過程中，感熱通量主要體現(xiàn)在湍流式的熱交換，這兩個(gè)因子反映著一定區(qū)域內(nèi)的水熱交換狀況，影響著區(qū)域氣候特性，指導(dǎo)著區(qū)域農(nóng)田灌溉，并影響作物生長(zhǎng)[3,4]。因此，對(duì)水熱通量的監(jiān)測(cè)和模擬具有現(xiàn)實(shí)意義。

農(nóng)田是以耕種作物為中心，且受人類活動(dòng)影響最為強(qiáng)烈的生態(tài)系統(tǒng)，涉及了較多能量物質(zhì)交換以及水文生態(tài)過程[5]。農(nóng)田能量平衡特征分配和相關(guān)影響因子的分析一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，對(duì)于理解變化環(huán)境下農(nóng)田水循環(huán)和提高農(nóng)田水管理極為重要，已有很多學(xué)者對(duì)其開展研究。例如，Steduto和Hsiao詳細(xì)討論了美國(guó)加州兩種水分處理下玉米水熱通量的小時(shí)、日、季節(jié)變化，并分析了造成差異的原因[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)田小氣候與能量平衡特征的研究始于20世紀(jì)70年代，且大都集中在大宗作物農(nóng)田小氣候特征上，然后逐漸研究能量平衡特征與作物生物特征、產(chǎn)量、品質(zhì)等的相互關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控和改善農(nóng)田環(huán)境[7]。李勝功采用波文比能量平衡法和空氣動(dòng)力學(xué)梯度法分析了進(jìn)行灌溉和無(wú)灌溉大豆田的熱量平衡特點(diǎn)。結(jié)果表明：白天，進(jìn)行灌溉大豆田的凈輻射高于無(wú)灌溉大豆田凈輻射占太陽(yáng)輻射的比例，白天凈輻射的大部分分配給潛熱交換，其次用于顯熱交換，土壤熱交換最少[8]。李袆君等人在2007年采用渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)錦州玉米田水熱通量狀況進(jìn)行了為期兩年的觀測(cè)，分析了玉米田水熱通量的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征、水熱通量與環(huán)境因子的關(guān)系以及地表能量平衡狀況，認(rèn)為感熱通量與大氣壓在年際變化尺度上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，潛熱通量與氣溫則呈正相關(guān)關(guān)系，而水熱通量整體對(duì)降水的反應(yīng)較大[9]。農(nóng)田能量平衡分配受天氣情況、作物特征、灌溉制度和管理方式等綜合因子的影響，因此，必須提高對(duì)各種氣候和作物條件下農(nóng)田水熱通量分配特征的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣劉家站墾殖農(nóng)場(chǎng)三分場(chǎng)(116°55′E，28°15′N)，海拔41～55 m，坡度6°～10°，氣候?qū)僦袩釒嘏瘽駶?rùn)季風(fēng)氣候，雨量豐沛、光照充足且四季分明，年均降水量約1 794.7 mm，年均蒸發(fā)量約1 229.1 mm，降水、蒸發(fā)季節(jié)分配不均，4-6月為雨季，降水量接近占全年50%；7-9月高溫少雨，蒸發(fā)量約占全年50%，故常造成伏秋季節(jié)性干旱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

在花生與橘園地分別架設(shè)自動(dòng)氣象站和波文比儀。自動(dòng)氣象站型號(hào)為美國(guó)ONSET公司生產(chǎn)的HOBO U30，可以觀測(cè)逐日氣象資料，包括氣溫、相對(duì)濕度、2 m高度風(fēng)速、降水量、氣壓等，頻率為30 min一次。波文比系統(tǒng)采集1.5 m高度差空氣的溫度、濕度，通過近地層溫度梯度與水汽梯度直接計(jì)算波文比，結(jié)合安裝在橘園的NR-Lite凈輻射傳感(Kipp & Zonen， Netherland)測(cè)得的凈輻射值和土壤熱通量板(Hukseflux，HFP01，Netherland埋深5cm)采集的熱通量值,從而得到目標(biāo)農(nóng)田的感熱通量和潛熱通量。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

波文比能量平衡法原理是農(nóng)田能量平衡計(jì)算的依據(jù)[10]，它以近地層梯度擴(kuò)散理論和下墊面能量平衡方程作為理論基礎(chǔ)的[11]。

地表能量平衡方程：

Rn=λE+H+G

(1)

式中：Rn為地表接收到的凈輻射能，W/m2；λE為潛熱通量，W/m2(λ是汽化潛熱,通常為2.5×106J/kg)；E為蒸散量，mm；H為感熱通量，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2。

波文比定義：

(2)

根據(jù)近地層梯度擴(kuò)散理論將波文比用上下層溫濕梯度表示：

(3)

式中：ρ是空氣密度，kg/m3；Cp是干空氣比熱容[通常為1 004 J/(kg·K)]；P是大氣壓值，hPa；Kh與Kw是水熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；T為氣溫，℃；e為水汽壓值，hPa。

因此，只需要實(shí)測(cè)到Rn、G及兩個(gè)高度相對(duì)應(yīng)的ΔT、Δe就可以計(jì)算波文比，從而計(jì)算λE和H。因?yàn)樗璧膮?shù)少，并且易操作，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水熱通量的測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱通量在典型天氣下的特征分析

為了解能量平衡在各個(gè)典型天氣下的變化特征，選擇數(shù)據(jù)較完整的觀測(cè)期(2013年7月和2014年7月)作為典型天氣的選取范圍。2013年晴天選取7月11日，陰天為7月21日，雨天為7月15日，雨量為小到中雨；2014年晴天選取7月8日，陰天為7月6日，雨天為7月3日，雨量為小到中雨。

2.1.1凈輻射在晴雨陰天氣下的日變化

由圖1可以看出，凈輻射在3種不同天氣下，每基本上都是在夜間為零值附近，從6時(shí)開始逐漸增加，午間到達(dá)最大值，隨后開始下降，18時(shí)左右降到零值。但是由于云層的影響，在陰雨天氣下的凈輻射變化不如晴天平緩，并且在夜間凈輻射值高于晴朗天氣。

2.1.2潛熱通量在晴雨陰天氣下的日變化

圖2(a)和(b)表示橘園在3種天氣下的日變化，可以看出晴天潛熱通量日變化和凈輻射一致，且數(shù)值較小，2013年范圍在-65.18～645.82 W/m2之間，2014年在-4.69～731.93 W/m2，從6時(shí)上升在午間達(dá)到最高，在18時(shí)降至零值。陰天的變化趨勢(shì)和晴天相同，只是變化范圍小，2013年在-42.75～190.59 W/m2間。雨天由于云層和雨滴作用，總體潛熱通量小于晴天。晴天的夜間，潛熱通量為負(fù)值，表明夜間地表的蒸發(fā)不僅為零，而且還有水汽向下的輸送，即水汽吸收大于蒸發(fā)。陰雨天氣下，夜間潛熱通量均在零值之上，表示有著水汽的蒸發(fā)，且蒸發(fā)作用大于吸收。究其原因是云層對(duì)整個(gè)地-氣系統(tǒng)的保溫作用，使得陰雨天氣下地表溫度仍能保持在較高值，有利于水分的蒸發(fā)。

圖2 典型天氣下潛熱通量日變化Fig.2 Diurnal variation of latent heat flux at typical weather

圖2(c)和(d)是花生地在三種天氣下的潛熱通量變化。2013年7月11日，21日，15日，與橘園相比花生的變化較為簡(jiǎn)單，2014年7月8日，6日，3日，變化基本與橘園地觀測(cè)一致，潛熱通量按照晴-雨-陰，依次降低。2013年陰天峰值和晴天相比下降了432.12 W/m2，雨天下降了460.56 W/m2；2014年陰天峰值相對(duì)晴天下降了195.4 W/m2，雨天下降了227.5 W/m2。由于花生較為低矮，而橘樹地觀測(cè)受到冠層影響，雨天橘園地冠層截留一部分降水，使得地表水汽吸收減小，蒸發(fā)加大，潛熱通量有所升高。

2.1.3感熱通量在晴雨陰天氣下的日變化

感熱通量和潛熱通量相比，數(shù)值上小了許多。7月份潛熱通量一般在-100～700 W/m2，感熱通量只有-20～80 W/m2。在，晴天、陰天、雨天的天氣條件下，感熱通量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。陰雨天氣下的感熱通量，全天基本無(wú)明顯變化，保持在零值附近，說明全天感熱交換較低。晴天下的感熱通量呈現(xiàn)明顯的日變化，夜間為負(fù)值，表明在夜間感熱向下傳輸；白天8時(shí)左右，開始上升，感熱通量為正值，在10～12時(shí)達(dá)到峰值，然后逐漸下降。晴天和陰雨天的感熱交換變率有著明顯差異，說明在晴朗天氣下地氣之間發(fā)生的亂流交換比陰雨天更加劇烈。

2.1.4土壤熱通量在晴雨陰天氣下的日變化

土壤熱通量與凈輻射通量相比數(shù)值小，范圍在 100 W/m2左右。在不同天氣下的土壤熱通量有著明顯的差異。晴天時(shí)，土壤熱通量變化趨勢(shì)基本和凈輻射一致，夜間在零值附近，6時(shí)左右上升，在午間達(dá)到最高值，然后下降到21時(shí)左右降為零值。陰雨天氣和晴天不同，基本全天為負(fù)值。陰天夜間土壤熱通量為負(fù)值，說明土壤向大氣輸送熱量，白天基本為零值，這主要是由于云層的保溫作用，減少大氣與地面的熱量輸送。雨天均為負(fù)值，由于潛熱交換較低，為了彌補(bǔ)消耗，土壤要向大氣釋放熱量。

圖3 典型天氣下感熱通量日變化Fig.3 Diurnal variation of sensible heat flux at typical weather

圖4 典型天氣下土壤熱通量日變化Fig.4 Diurnal variation of soil heat flux at typical weather

2.1.53種天氣下能量平衡分量及其比例

表1給出了橘園和花生地在3種不同天氣下的能量平衡分量在凈輻射中所占的比例，其中H/Rn、λE/Rn、G/Rn用百分?jǐn)?shù)表示?？梢钥吹絻糨椛湓谇缣熳畲螅晏熳钚?，2013年和2014年平均日積分晴天為14.8 MJ/(m2·d)，雨天為3.4 MJ/(m2·d)。這是因?yàn)榍缣煸屏枯^少，太陽(yáng)輻射到達(dá)地表的能量多，地表發(fā)射的輻射也相對(duì)較多。在各個(gè)分量中，潛熱通量所占到的比例最大，都超過了90%，其次是感熱通量，基本不超過5%。土壤熱通量所分配的份額最少，在陰雨天氣里，還要向凈輻射提供能量。潛熱通量在雨天所占比例最大，晴天最小，感熱相反。主要是因?yàn)殛幱晏?，云層的保溫作用，使上下層溫差較小，感熱輸送受到抑制?；ㄉ烷賵@相比潛熱通量所占比例較大，這是由于兩者不同的種植方式?jīng)Q定的，花生是一年生的植物，每年都需要翻耕、重新播種，土地較為稀松，地表的蒸發(fā)能力更強(qiáng)些，所以潛熱交換更多一些。

表1 橘園和花生不同天氣能量平衡分量占凈輻射比例Tab.1 Orangery and peanut energy balance components of proportion accounted for net radiative in different weather

2.2 農(nóng)田地表水熱通量的季節(jié)變化

選取在橘園架設(shè)的波文比系統(tǒng)所觀測(cè)的2013年和2014年數(shù)據(jù)，結(jié)合通過波文比能量平衡法計(jì)算的花生地的通量結(jié)果，挑選資料較為完整的5月、7月、10月和12月的資料，對(duì)每個(gè)月份做兩年平均處理，分析得到紅壤旱地能量平衡季節(jié)變化圖。

圖5(a)、(b)、(c)、(d)為選取橘園地月份平均能量平衡分量的日變化圖，圖5(e)為各月平均的能量平衡通量的日積分。由圖5可見，凈輻射通量7月最大，峰值為612.6 W/m2，12月最小，為380.4 W/m2；潛熱通量在能量平衡分量中所占比例最大，在10月和12月甚至超過了凈輻射通量，其季節(jié)變化趨勢(shì)和凈輻射通量基本一致，7月較大，12月較小；感熱通量在整個(gè)觀測(cè)期都不大，10月最大，峰值為46.5 W/m2；土壤熱通量在觀測(cè)期間也很小，在5、7月份為正值，5月峰值在80.9 W/m2，10、12月份為負(fù)值，表明10月之后，這個(gè)階段土壤處于放熱狀態(tài)。土壤熱通量出現(xiàn)峰值的時(shí)間一般比凈輻射或潛熱通量晚一至兩個(gè)小時(shí)，主要由于土壤在夜間釋放熱量后，在日出以后需要更多時(shí)間來達(dá)到峰值。

圖5 橘園能量平衡各分量季節(jié)變化Fig.5 The seasonal variation of each component in the energy balance in the Orangery

圖5(e)為能量通量月平均的日積分?？梢钥吹礁髂芰客繜o(wú)論在數(shù)值，還是在分配上都有明顯的季節(jié)差異。7月的凈輻射最高，日均凈輻射為12.6 MJ/m2，隨后下降， 8、9月份高溫少雨，地表逐漸干燥，蒸發(fā)量相對(duì)下降，而高溫引起了地表與大氣感熱交換加劇，使得波文比在7月之后有所升高，如表2所示。

由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的花生地位臨橘園地，且使用波文比能量平衡法，利用橘園的凈輻射和土壤熱通量數(shù)據(jù)計(jì)算花生地的潛熱、感熱通量，故得到的花生地季節(jié)變化特征和橘園地基本一致。表3給出了花生地不同月份能量平衡分量日積分及波文比?？梢钥闯鲈诨ㄉ纳L(zhǎng)季，花生地相比橘園，潛熱在整個(gè)能量分配中的比例較高，這可能由于花生地表性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)花生地較橘園地相比，土壤更為疏松，且地表植被覆蓋更為密集，增加了花生地的蒸散，使得潛熱交換更多。

表2 橘園不同月份能量平衡分量日積分及波文比Tab.2 Day integral of Orangery energy balance components in different months and Bowen ratio

表3 花生地不同月份能量平衡分量日積分及波文比Tab.3 Day integral of peanut energy balance components in different months and Bowen ratio

2.3 氣象因素對(duì)農(nóng)田水熱通量的影響

2.3.1對(duì)潛熱通量的影響

使用相關(guān)分析的方法，分析部分氣象要素對(duì)農(nóng)田水熱通量的影響。表4給出了橘園潛熱通量與凈輻射、降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、水汽壓和相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，對(duì)潛熱交換影響較大的因素主要有凈輻射、相對(duì)濕度，這些要素相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值都超過了0.8，其次還有氣溫，降水量對(duì)潛熱交換在雨季影響較大，在旱季影響不是很明顯。而風(fēng)速和水汽壓對(duì)潛熱通量影響不是很大。凈輻射是潛熱通量的主要分配來源，自然對(duì)其影響顯著；氣溫和相對(duì)濕度對(duì)地表向大氣的水汽傳輸有著重要影響，從而改變近地層的潛熱交換。在雨季，降水天氣云層厚而密，地表難以接收足夠的太陽(yáng)輻射，降低了地氣能量交換的總值，同時(shí)大氣中濕度幾近飽和，不利于潛熱交換。在旱季，由于降水量減少，長(zhǎng)時(shí)間的晴朗天氣使得降水對(duì)潛熱交換的影響逐漸降低。

表4 橘園地潛熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.4 The correlation coefficient between latent heat and conventional meteorological elements in Orangerie

注：**表示P<0.01有顯著性意義； *表示P<0.05 有顯著性意義。

表5給出了花生地潛熱與部分氣象要素的相關(guān)系數(shù)，可以看出對(duì)花生地潛熱影響的氣象因素和橘園地基本一致。但橘園潛熱交換與相對(duì)濕度的相關(guān)性較大，而與凈輻射相關(guān)較小。這主要由于橘樹的冠層對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋作用，使得橘園地的潛熱交換對(duì)凈輻射的響應(yīng)不如花生地。

表5 花生地潛熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.5 The correlation coefficient between latent heat and conventional meteorological elements in Peanut

注：**表示P<0.01有顯著性意義； *表示P<0.05 有顯著性意義。

2.3.2對(duì)感熱通量的影響

根據(jù)同樣的方法分析感熱交換日值與部分氣象要素的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)氣象因素對(duì)橘園與花生的感熱影響差異并不明顯，故只列出橘園地感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)，見表6。

對(duì)感熱交換影響較大的因素有凈輻射、相對(duì)濕度，其次有氣溫，而風(fēng)速和水汽壓對(duì)顯熱交換的影響并不顯著。在雨季，陰雨天氣的出現(xiàn)使得大氣中云層的厚度增加，使得地表與空氣的溫差減小，不利于感熱交換的發(fā)生，使得降水量與感熱通量總體呈負(fù)相關(guān)。

表6 橘園地感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.6 The correlation coefficient between sensible heat and conventional meteorological elements in Orangery

注：**表示P<0.01有顯著性意義； *表示P<0.05 有顯著性意義。

3 結(jié)果與討論

本文以典型的低丘紅壤旱田為代表，結(jié)合了田間觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較了花生、橘樹下墊面在不同天氣晴、陰、雨的水熱通量分配規(guī)律以及其季節(jié)變化特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)地區(qū)氣象觀測(cè)資料，分析了相關(guān)氣象要素對(duì)農(nóng)田水熱通量的影響。具體結(jié)論如下。

(1)能量平衡各個(gè)分量的日變化受到天氣條件影響很大且呈單峰趨勢(shì)，其中潛熱通量所占份額最大，感熱和土壤熱通量均較小。凈輻射和潛熱通量按晴、陰、雨遞減。橘園和花生地能量分配中花生地的潛熱交換較大，波文比值較低。

(2)能量平衡各分量的分配具有季節(jié)性變化，7月份凈輻射和潛熱通量較大，土壤熱通量在5月、7月為正值，10月、12月為負(fù)，表明旱地土壤在秋冬季節(jié)向外釋放熱量。在花生的生長(zhǎng)季，花生地的潛熱交換多于橘園，進(jìn)入秋冬季節(jié)后，兩者差異不明顯。

(3)對(duì)農(nóng)田潛熱和感熱影響較大的氣象因素有凈輻射、相對(duì)濕度，其次有氣溫，而風(fēng)速和水汽壓對(duì)潛熱、感熱交換的影響并不顯著。橘園潛熱與凈輻射相關(guān)系數(shù)比花生地小，與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)比花生地大，感熱差異并不明顯。在雨季，降水量與農(nóng)田水熱通量總體呈顯著負(fù)相關(guān)，進(jìn)入旱季后，降水量對(duì)農(nóng)田能量平衡的影響相對(duì)較小。

近年來，對(duì)于不同下墊面能量平衡的研究有很多，包括城市[15,16]、森林[17]、草原[18,19]、農(nóng)田[20]下墊面等等，研究方法包含了渦動(dòng)相關(guān)法[10,21]、空氣動(dòng)力學(xué)方法[12,13,22]、蒸滲儀法[23]、水量平衡法[24]等，本文采用的波文比能量平衡法對(duì)于低丘紅壤地區(qū)濕潤(rùn)的小區(qū)域農(nóng)田有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且方法簡(jiǎn)單，精度較高，可分析不同天氣情況下的水熱通量特征和季節(jié)尺度下的能量分配，對(duì)于該區(qū)域能量平衡、水熱交換研究具有參考意義。王慧[4]等人利用兩年的甘肅酒泉微氣象觀測(cè)資料，得到戈壁下墊面的夏季波文比值高達(dá)16.5；楊興國(guó)等人分析了隴中高原下墊面的春小麥成長(zhǎng)季的觀測(cè)資料，6-8月春小麥平均波文比為0.8；郭曉峰[25]等人利用廣州省惠州的湍流觀測(cè)資料，分析了華南農(nóng)田的能量輸送規(guī)律，11月至12月日平均波文比為0.04。不同下墊面的氣候環(huán)境差別很大，能量輸送差異顯著。本文利用波文比能量平衡法結(jié)合觀測(cè)資料，計(jì)算的波文比值在0.01～0.1之間，江西紅壤地區(qū)的高濕度是造成波文比數(shù)值較低的主要原因，當(dāng)然也不能排除觀測(cè)誤差造成的不確定性。

由于研究區(qū)域在5-7月高溫多雨，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降水對(duì)儀器觀測(cè)有所干擾，對(duì)儀器精度也會(huì)造成影響。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是在野外進(jìn)行，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證，難以獲得連續(xù)的觀測(cè)資料，對(duì)于全年的水熱通量特征分析有待進(jìn)一步研究。本文只分析了日尺度上的氣象要素對(duì)能量平衡分配的影響，對(duì)于其他不同時(shí)間尺度上的氣象要素的影響是下一步的目標(biāo)。

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