基于LAS觀測(cè)的城鎮(zhèn)感熱通量時(shí)空特征及影響因素

劉壽東 王璐瑤 胡凝 王詠薇 王亮 趙翔

摘要 利用2018年4月—2019年4月南京盤城大孔徑閃爍儀（Large Aperture Scintillometer，LAS）觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了城鎮(zhèn)感熱通量的時(shí)空變化特征及影響因素。結(jié)果表明：1）南京城鎮(zhèn)感熱通量呈單峰型日變化特征，白天明顯大于夜間，且白天晴天明顯大于陰天，夜間晴天略小于陰天，晴、陰天小時(shí)感熱通量年平均分別在2.25～200.53 W·m-2、13.10～132.52 W·m-2波動(dòng)。2）城鎮(zhèn)感熱通量夏季明顯大于冬季，8月晝、夜分別為112.19、23.54 W·m-2，2月晝、夜分別為35.57、11.57 W·m-2。3）晴天白天條件下，不同風(fēng)向（通量貢獻(xiàn)源區(qū)）城鎮(zhèn)感熱通量存在顯著差異，即隨著不透水層占比的增加，凈輻射分配到感熱通量的比例明顯提高，當(dāng)占比大于60％時(shí)提高趨勢(shì)不明顯。4）以莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度判斷大氣穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)，C2n法在計(jì)算感熱通量的5種大氣穩(wěn)定度判斷方法中的誤判率較低且數(shù)據(jù)源于LAS，是比較適宜城鎮(zhèn)夜間大氣穩(wěn)定度的判斷方法。5）在影響城鎮(zhèn)感熱通量的地表參數(shù)中，有效高度變化的影響最大，風(fēng)速變化的影響較大特別在秋冬季節(jié)更為明顯，波文比變化對(duì)城鎮(zhèn)感熱通量的影響較小，溫度、地表粗糙度和零平面位移變化的影響可忽略不計(jì)。

關(guān)鍵詞城鎮(zhèn);LAS;感熱通量;時(shí)空特征;環(huán)境因子;地表參數(shù)

地氣交換不僅影響區(qū)域熱量收支，還為不同尺度的天氣系統(tǒng)提供物質(zhì)、動(dòng)力和熱力來源（馬紅云等，2018;張超等，2018;彭舒齡等，2019;蘇愛芳等，2019;孫永等，2019）。感熱通量是地氣交換的重要組成部分，準(zhǔn)確測(cè)量地表感熱通量對(duì)于了解大氣運(yùn)動(dòng)以及局地氣候特征的形成機(jī)制十分重要（Weber and Kordowski，2010）。

遙感是獲取區(qū)域尺度感熱通量的主要手段（Li et al.，2009），但是由于受到遙感影像時(shí)間分辨率較低的制約，難以獲得高頻連續(xù)的感熱通量（Marx et al.，2008;劉紹民等，2010），且遙感手段需要借助地面觀測(cè)來優(yōu)化模型參數(shù)、驗(yàn)證估算結(jié)果（楊凡，2012）。渦度相關(guān)儀（Eddy Covariance，EC）和大孔徑閃爍儀（Large aperture scintillometer，LAS）是兩種常用的感熱通量地面觀測(cè)儀器。隨著城市化的發(fā)展，城鎮(zhèn)下墊面異質(zhì)性越來越高，無法滿足EC方法相對(duì)均一下墊面的基本假設(shè)條件（Baldocchi et al.，2001;Massman and Lee，2002）。與EC相比，LAS可直接觀測(cè)5 km以內(nèi)的區(qū)域感熱通量，非常適用于非均勻地表感熱通量的長(zhǎng)期觀測(cè)（Baldocchi et al.，2001;Hoedjes et al.，2002;Meijninger et al.，2002;盧俐等，2005，2009;宮麗娟等，2009;白潔等，2010a，2010b;劉紹民等，2010;楊凡，2012;Zieliński et al.，2014，2018;Ward et al.，2014;Zhang and Zhang，2015;孫根厚等，2016;Crawford et al.，2017;Ward，2017）。

LAS是基于莫寧-奧布霍夫相似性理論，結(jié)合氣象因素和地表參數(shù)，將空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)（C2n）轉(zhuǎn)換為感熱通量，因此計(jì)算過程中各參數(shù)的取值或參數(shù)化方案的選擇是感熱通量計(jì)算結(jié)果不確定性的重要來源（徐安倫等，2017）。已有的研究結(jié)果表明，有效高度和風(fēng)速對(duì)LAS感熱通量觀測(cè)結(jié)果的影響最大，當(dāng)有效高度±5 m、風(fēng)速±1 m·s-1時(shí)，可以分別使感熱通量變化±6.3％～6.5％、±3.5％（Crawford et al.，2017）;不同的穩(wěn)定性函數(shù)造成的感熱通量誤差可達(dá)16％（Andreas，1988;Bruin et al.，1995）。但是，氣候條件不同，各種參數(shù)對(duì)于感熱通量的影響也有所區(qū)別。以波文比（β）為例，在地表干燥即β>0.6時(shí)，水汽的影響可以忽略;但在濕潤(rùn)地表下即β較小時(shí)，水汽對(duì)溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)C2T的準(zhǔn)確性有很大影響，從而影響感熱通量（Moene，2003;盧俐等，2009）。

迄今為止，LAS在農(nóng)田、草地、森林、沙漠、黑河流域、海河流域等地區(qū)感熱通量的觀測(cè)研究較多（Kleissl et al.，2009;張勁松等，2010;朱治林等，2010;Liu et al.，2011，2013，2018;孫根厚等，2016;徐安倫等，2017），而在城鎮(zhèn)下墊面感熱通量的觀測(cè)研究尚少，主要集中在歐洲和亞洲的溫帶地區(qū)且觀測(cè)時(shí)間較短（Lagouarde et al.，2006;Wood et al.，2013;Ward et al.，2014;Zieliński et al.，2014，2018;Jacobs et al.，2015;Lee et al.，2015;Zhang and Zhang，2015;Crawford et al.，2017;Ward，2017）。因此，本項(xiàng)研究通過亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)城鎮(zhèn)LAS的長(zhǎng)期觀測(cè)，分析城鎮(zhèn)下墊面感熱通量時(shí)空變化特征及影響因子，為明晰城鎮(zhèn)地氣交換機(jī)制提供依據(jù)，為城市感熱通量的觀測(cè)研究提供可行方法和有效數(shù)據(jù)。

1 資料和方法

1.1 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)方法

LAS、EC的觀測(cè)于2018年4月—2019年4月在江蘇省南京市江北新區(qū)盤城鎮(zhèn)南京信息工程大學(xué)進(jìn)行（118°42′ E，32°12′ N）。南京市屬于北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨水充沛。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)土地利用類型見圖1?？梢娬麄€(gè)試驗(yàn)區(qū)以建筑物、街道等不透水層為主占比約42.85％，植被占比約35.82％，具有較明顯的城鎮(zhèn)下墊面特征。

LAS（荷蘭Kipp ＆ Zonen公司生產(chǎn)的MKII型）架設(shè)在校園內(nèi)建筑物樓頂，其中發(fā)射端（T）和接收端（R）分別距地面36 m和26 m，直線距離為1.1 km，采樣頻率為1 Hz;EC架設(shè)在LAS接收端以北臨近高塔上，安裝高度為60 m，采樣頻率為10 Hz。此外，高塔上還架設(shè)了三層溫度、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器，安裝高度分別為10 m、30 m和60 m。

1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)處理及計(jì)算方法

LAS發(fā)射端在發(fā)出一定波長(zhǎng)和直徑的光束后，由于大氣溫度、濕度和氣壓波動(dòng)引起大氣折射系數(shù)波動(dòng)，光束強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，由此得到空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)（C2n）。大孔徑閃爍儀光束位于近紅外波段，對(duì)溫度變化更加敏感，因此C2n與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)C2T有關(guān)（Thiermann and Grassl，1992;Crawford et al.，2017），可以用來表征大氣中湍流運(yùn)動(dòng)特征。

C2T=C2n T2-0.78×10-6P21+0.03β。? （1）

其中：T是空氣溫度（單位：K），采用架設(shè)在EC高塔上30 m高度處的溫度值;P是氣壓（單位：Pa），來源于渦度相關(guān)系統(tǒng);β是波文比。因LAS發(fā)射波長(zhǎng)為880 nm的電磁波，主要受氣溫的影響，水汽影響可忽略，這里β取觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值0.68。

根據(jù)MOST相似理論，由式（2）結(jié)合莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L=u2* TgkT*通過迭代計(jì)算可得到溫度尺度（T*）（Bruin et al.，1995）。將T*代入后，HLAS=-ρcpu*T*即可以得到感熱通量HLAS，最后采用足跡模型來確定源區(qū)范圍（Meijninger et al.，2002）。

T*=C2T （Zeff-d）2／3fTZeff-dL1／2。? （2）

其中：u*是摩擦速度（單位：m·s-1）（Zieliński et al.，2014）;Zeff是有效高度（單位：m），利用Evation中的數(shù)字地形模塊，測(cè)量光程路徑上的建筑物高度，結(jié)合空間權(quán)重函數(shù)，求得Zeff為16.70 m;d是零平面位移，利用風(fēng)廓線計(jì)算得出d為4.56 m;ξ=Zeff-dL是層結(jié)參數(shù)，fT是穩(wěn)定度函數(shù)，當(dāng)大氣不穩(wěn)定時(shí)，fT（ξ）=4.9（1-6.1ξ）-2／3;當(dāng)大氣穩(wěn)定時(shí)，fT（ξ）=4.9（1+2.2ξ）2／3（Andreas，1988;Bruin et al.，1995）。本研究利用10 m和60 m高度上的溫度梯度判斷大氣穩(wěn)定與否。當(dāng)T／z<0時(shí)大氣為不穩(wěn)定狀態(tài)，T／z>0則為穩(wěn)定狀態(tài)。

LAS數(shù)據(jù)采用Evation軟件處理，包括降水?dāng)?shù)據(jù)以及C2n超過飽和上限（3.88×10-13）及信號(hào)強(qiáng)度過小（1.02×10-17）數(shù)據(jù)的剔除。EC數(shù)據(jù)采用Eddy pro軟件處理，包括野點(diǎn)值去除、延遲時(shí)間的校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和WPL校正等。通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后用于城鎮(zhèn)感熱通量分析的為2018年4月2日至2019年4月30日的感熱通量值;2018年4月19日至6月13日由于儀器維修數(shù)據(jù)缺失。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鎮(zhèn)感熱通量時(shí)間變化特征

觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間南京盤城鎮(zhèn)全年典型晴天和陰天條件下感熱通量HLAS和凈輻射的平均日變化情況見圖2。從圖中可以看出，城鎮(zhèn)感熱通量與凈輻射變化趨勢(shì)一致，白天明顯大于夜間，呈現(xiàn)出明顯的單峰型日變化特征。典型晴天條件下，白天日出后，隨著凈輻射的不斷增強(qiáng)，HLAS也在快速增大，在中午凈輻射達(dá)到峰值495.40 W·m-2后約1 h出現(xiàn)HLAS最大值200.53 W·m-2，感熱通量出現(xiàn)滯后現(xiàn)象主要是因?yàn)榻ㄖ簾崛萘看?，熱量?jī)?chǔ)存多，而當(dāng)不透水層占比超過50％時(shí)，隨著不透水層比例的增加，感熱通量的滯后現(xiàn)象越明顯（Grimmond and Oke，1995;Grimmond et al.，2004;Ward et al.，2014;Crawford et al.，2017）;此后隨著凈輻射減弱HLAS快速減小。晴天夜間，由于建筑群、水泥路面熱容量更大，使得城鎮(zhèn)地區(qū)存儲(chǔ)了較多熱量，造成城鎮(zhèn)夜間大氣層結(jié)不穩(wěn)定，導(dǎo)致HLAS夜間為正但整體上小于11.00 W·m-2，最小僅2.25 W·m-2。典型陰天條件下，凈輻射和HLAS日變化特征與典型晴天基本一致，主要區(qū)別在于HLAS增大與減小的速率小于典型晴天，白天凈輻射、HLAS的峰值均明顯低于晴天分別為345.16 W·m-2、132.52 W·m-2。而在陰天夜間，由于云層存在保溫作用造成地氣間有明顯溫差，凈輻射和HLAS雖整體上小于20 W·m-2但略大于晴天，HLAS最小為13.10 W·m-2，這與在低丘紅壤區(qū)的觀測(cè)結(jié)果基本一致（李陽等，2017）。此外，由于晴天條件下地表吸收更多的熱量，同時(shí)城鎮(zhèn)下墊面不透水層占比大、蒸發(fā)較弱，導(dǎo)致晴天感熱通量與凈輻射的比例HLAS／Rn也略低于陰天。

城鎮(zhèn)感熱通量存在明顯的季節(jié)性變化（圖3），這主要是由不同季節(jié)的凈輻射差異造成的，即感熱通量隨著凈輻射增強(qiáng)而增大。圖3a顯示，觀測(cè)期間城鎮(zhèn)春、夏、秋季白天的HLAS明顯高于冬季，8月白天月平均感熱通量最高為112.19 W·m-2，2月最低僅為35.57 W·m-2。但不同季節(jié)凈輻射中用于感熱支出的比例HLAS／Rn差異較大，觀測(cè)期間各月HLAS／Rn在39％～64％，表現(xiàn)為冬季高而夏季低。主要是因?yàn)槎練鉁氐汀⒄羯⑤^弱，有更多的凈輻射分配給感熱支出，且城鎮(zhèn)居民取暖產(chǎn)生大量人為熱，使得感熱通量占凈輻射的比例更高;夏季則正好相反，氣溫高，降水多，蒸散強(qiáng)烈，凈輻射分配給感熱支出的比例低，7月白天的HLAS／Rn僅為39％;也正是這種能量收支和分配的差異造成了不同下墊面和不同季節(jié)的感熱通量有所不同（Ward et al.，2014;Crawford et al.，2017;Ward，2017;Zieliński et al.，2018）。

夜間，各月HLAS的平均值均為正值，同樣表現(xiàn)為夏季大而冬季小。7、8月夜間氣溫較高，地氣之間湍流交換作用非常強(qiáng)烈，月平均HLAS最高分別為25.29 W·m-2、23.54 W·m-2。冬季，由于城鎮(zhèn)存在大量人為熱，導(dǎo)致HLAS夜間為正但整體較小，2月夜間平均HLAS降至最小為11.57 W·m-2。

2.2 城鎮(zhèn)感熱通量的空間代表性

因?yàn)橥控暙I(xiàn)區(qū)分布在盛行風(fēng)向一側(cè)，所以在不均勻下墊面上HLAS會(huì)隨著風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度的不同而發(fā)生變化。為了分析LAS觀測(cè)結(jié)果的空間代表性，選取向下短波輻射在200～400 W·m-2、降雨12 h之后的HLAS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確保各個(gè)風(fēng)向上HLAS的差異均來自干燥的地表、相近的太陽輻射（Kotthaus and Grimmond，2014;Crawford et al.，2017），統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，HLAS大多在50～100 W·m-2，大于150 W·m-2的HLAS多出現(xiàn)在風(fēng)向?yàn)镋NE、E、ESE、SE時(shí)，而小于50 W·m-2的HLAS多分布在SSE、SSW、SW、WSW，這主要與城鎮(zhèn)的下墊面類型有關(guān)（王亮等，2020）。

為了進(jìn)一步分析下墊面對(duì)城鎮(zhèn)感熱通量的影響，繪制不同風(fēng)向下通量源區(qū)內(nèi)的不透水層（建筑物和街道）占比、植被占比情況（圖5）。

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)的北部、東部（0°～100°、240°～360°）以建筑物和街道為主，表面由水泥等不透水材料組成，不透水層占比最高平均達(dá)到70％，密集建筑使得HLAS較高、變化幅度大，常出現(xiàn)大于250 W·m-2的HLAS 值。而南部、西部（160°～230°）的植被占比較高，不透水層占比低平均僅為47％，HLAS也較低。主要是因?yàn)椴煌杆畬硬粌H自身的保水性差，且阻礙大氣與土壤水分的直接交換，在降水時(shí)水分因無法下滲而很快流走，沒有降水時(shí)土壤水分難以通過植物蒸騰和土壤蒸發(fā)穿過不透水層進(jìn)入大氣而消耗更多能量。這一觀測(cè)結(jié)果與在倫敦（Crawford et al.，2017）、羅茲（Zieliński et al.，2018）等城區(qū)的觀測(cè)結(jié)果一致。由此可見，晴天白天條件下，不同風(fēng)向（通量貢獻(xiàn)源區(qū)）的城鎮(zhèn)感熱通量存在顯著的差異，較大的感熱通量值多分布在建筑物和人為活動(dòng)的高密度風(fēng)向區(qū)，而較小的感熱通量值多分布在植被占比更大的風(fēng)向區(qū)。王亮等（2020）指出，在城鎮(zhèn)地區(qū)不透水層占比對(duì)于能量分配有很大影響。圖6顯示，隨著不透水層占比增加，凈輻射中通過感熱交換方式散失能量的比例HLAS／Rn逐漸提高;而當(dāng)不透水層占比超過60％時(shí)，HLAS／Rn提高趨勢(shì)不明顯，主要原因是不透水層占比超過60％時(shí)通量貢獻(xiàn)源區(qū)以不透水層為主，感熱通量中的城市存儲(chǔ)熱比例增加，凈輻射中的感熱支出部分減少（Lin et al.，2015）。

2.3 大氣穩(wěn)定度判斷方法的影響

大氣穩(wěn)定度的判斷結(jié)果對(duì)感熱通量觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為了比較不同大氣穩(wěn)定度判斷方法的影響，引入另外4種大氣穩(wěn)定度判斷方法（表1）進(jìn)行計(jì)算分析。

采用5種大氣穩(wěn)定度判斷方法計(jì)算的HLAS日變化見圖7。由圖可見，四季5種方法計(jì)算的HLAS日變化趨勢(shì)一致，且白天HLAS數(shù)值接近，各種方法之間幾乎不存在差異。各種方法計(jì)算的HLAS日變化之間的差異主要有兩個(gè)，一是大氣穩(wěn)定度的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這與在北京密云（盧俐等，2009）和比利時(shí)德河地區(qū)（Samain et al.，2012）的研究結(jié)果類似;二是夜間5種方法計(jì)算的HLAS數(shù)值差異明顯。從大氣穩(wěn)定度轉(zhuǎn)換時(shí)間看，M1方法判斷的轉(zhuǎn)換時(shí)間早晨最晚、傍晚最早，因此M1方法判斷的大氣不穩(wěn)定層結(jié)持續(xù)時(shí)間是最短的;而M5方法判斷夜間大氣始終為不穩(wěn)定層結(jié)，故M5方法判斷的大氣不穩(wěn)定層結(jié)持續(xù)時(shí)間是最長(zhǎng)的，比M1方法平均長(zhǎng)14.5 h。而M2、M3和M4方法的判斷結(jié)果較為接近，大氣穩(wěn)定度的轉(zhuǎn)換時(shí)間相差在0.5～2.5 h。

為了明確不同大氣穩(wěn)定度判斷方法的適用性，將5種判斷方法計(jì)算的HLAS與HEC在小時(shí)尺度上進(jìn)行對(duì)比。圖8顯示，白天5種判斷方法計(jì)算的HLAS結(jié)果與HEC的一致性均很好。

5種大氣穩(wěn)定度判斷方法計(jì)算的HLAS與HEC之間差異主要在夜間（圖8）。M5方法是常用的大氣穩(wěn)定度判斷方法，但是用M5方法計(jì)算的觀測(cè)期間夜間HLAS值有約43％為HLAS>0而HEC<0，這可能是因?yàn)橐归g有大量城市存儲(chǔ)熱存在，在這種情況下用M5方法判斷城鎮(zhèn)夜間大氣多為不穩(wěn)定層結(jié);若以莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L判斷的大氣穩(wěn)定度作為標(biāo)準(zhǔn)，M5方法夜間大氣穩(wěn)定度的誤判率高達(dá)60％，可見M5方法并不適用于城鎮(zhèn)夜間大氣穩(wěn)定度的判斷。而M2方法不采用觀測(cè)數(shù)據(jù)來判斷大氣穩(wěn)定度，與M1方法的判斷結(jié)果相似，夜間大氣層結(jié)均判斷為穩(wěn)定，但是城鎮(zhèn)白天存儲(chǔ)了較多的熱量，夜間也可能出現(xiàn)大氣層結(jié)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，大氣穩(wěn)定度的誤判率達(dá)到34％，因此M1和M2方法也不適用于城鎮(zhèn)地區(qū)。用M4方法計(jì)算的夜間HLAS值有約28％為HLAS<0而HEC>0，主要是因?yàn)橐归g湍流較弱，采用C2n最小值法判斷大氣穩(wěn)定度可能會(huì)存在誤判，夜間大氣穩(wěn)定度的誤判率為35％。而用M3方法計(jì)算的夜間HLAS與HEC的一致性較好，其夜間大氣穩(wěn)定度的誤判率最低為21％。綜合來看，雖然M4方法夜間大氣穩(wěn)定度誤判率高于M3方法，但明顯低于M5方法，且與其他方法相比C2n不需要額外的觀測(cè)數(shù)據(jù)就可以通過LAS觀測(cè)即可得到，因此在計(jì)算HLAS時(shí)采用M4方法判斷夜間大氣穩(wěn)定度是比較適宜的（Samain et al.，2012）。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，選擇適用的大氣穩(wěn)定度判斷方法、顯著降低夜間誤判率尚需進(jìn)一步探索。

2.4 環(huán)境因子和地表參數(shù)的影響

u*和T*是決定感熱通量的兩個(gè)主要因素，影響它們的環(huán)境因子有T、P、u和β，地表參數(shù)有d、z0（地表粗糙度）和Zeff。選取大氣不穩(wěn)定條件下的12 457個(gè)樣本，參考已有的研究，以±0.3、±1 ℃、±0.1 m·s-1、±0.1 m、±0.5 m、±1.5 m作為β、T、u、z0、d、Zeff的改變量（盧俐等，2009;Crawford et al.，2017），用來分析各參數(shù)變化對(duì)感熱通量的敏感性，結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，在環(huán)境因子中，氣溫變化對(duì)HLAS的影響最小。當(dāng)氣溫改變±1 ℃時(shí)，HLAS的變化小于（0.57±0.06）％，可見氣溫變化的影響可忽略不計(jì)。比較而言，風(fēng)速和波文比的變化對(duì)HLAS的影響更為顯著。當(dāng)u變化±0.1 m·s-1時(shí)，HLAS變化±（2.19±1.88）％;但在不同月份u的變化對(duì)HLAS的影響是有區(qū)別的，當(dāng)年9月至次年1月，u改變±0.1 m·s-1時(shí)，HLAS平均變化±2.31％，明顯高于其他月份，主要是因?yàn)?，秋、冬季的熱力作用較春、夏季弱，風(fēng)速切變引起的機(jī)械湍流貢獻(xiàn)更大（張強(qiáng)等，2011）。另外，波文比β變化對(duì)HLAS的影響并不對(duì)稱，β取值越小其變化對(duì)感熱通量的影響越明顯，但隨著β的增大其變化對(duì)HLAS的影響逐漸減弱。已有的研究結(jié)果表明，在β>1時(shí)，其變化對(duì)HLAS的影響不大（Moene，2003;朱治林等，2010;Ward et al.，2014）。本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)的β有48％的數(shù)據(jù)大于0.68，用固定值0.68代替實(shí)測(cè)的β對(duì)HLAS的影響小于1.62％。因此，在城鎮(zhèn)或者其他干旱地表，β變化對(duì)HLAS的影響可以忽略不計(jì)，β采用固定值是適宜的。

從圖中還可以看出，不同月份地表參數(shù)的變化對(duì)HLAS的影響基本類似。其中，當(dāng)Zeff改變±1.5 m時(shí)，HLAS變化為±（7.50±2.30）％，這一結(jié)果與在北京昌平小湯山（盧俐等，2009）和英國(guó)倫敦（Crawford et al.，2017）的敏感性試驗(yàn)結(jié)果一致，即Zeff變化對(duì)HLAS的影響最大。在英國(guó)斯溫頓郊區(qū)，Zeff改變±2.25 m時(shí)HLAS變化±3.0％（Ward et al.，2014）;而在倫敦密集的城市中心，Zeff改變±5.0 m時(shí)，HLAS變化±6.4％（Crawford et al.，2017），可見在本項(xiàng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)條件下有效高度Zeff變化對(duì)HLAS的影響更大。另外，z0改變±0.1 m和d改變±0.5 m對(duì)HLAS的影響均小于±2.80％，因此z0和d變化對(duì)HLAS的影響最小。

3 結(jié)論與討論

1）觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間南京城鎮(zhèn)感熱通量與凈輻射變化趨勢(shì)一致，白天明顯大于夜間，呈現(xiàn)明顯的單峰型日變化特征;城鎮(zhèn)感熱通量白天晴天明顯大于陰天，夜間晴天略小于陰天，晴、陰天小時(shí)感熱通量年平均分別在2.25～200.53 W·m-2、13.10～132.52 W·m-2波動(dòng)。城鎮(zhèn)感熱通量夏季明顯大于冬季，8月晝、夜平均感熱通量分別為112.19、23.54 W·m-2，2月晝、夜平均感熱通量分別為35.57、11.57 W·m-2。

2）晴天白天條件下，不同風(fēng)向（通量貢獻(xiàn)源區(qū)）城鎮(zhèn)感熱通量存在顯著差異，即隨通量貢獻(xiàn)源區(qū)下墊面不透水層占比的增加凈輻射分配到感熱通量的比例明顯提高，當(dāng)占比大于60％時(shí)提高趨勢(shì)不明顯。

3）采用5種大氣穩(wěn)定度判斷方法計(jì)算的四季城鎮(zhèn)感熱通量的日變化趨勢(shì)一致，且白天數(shù)值接近，各種方法之間的差異主要為大氣穩(wěn)定度的轉(zhuǎn)換時(shí)間不一致和夜間城鎮(zhèn)感熱通量不同。以莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L判斷大氣穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)，溫度梯度法夜間大氣穩(wěn)定度誤判率最高達(dá)60％，Rn法、日出日落時(shí)間法和C2n法誤判率相近約35％，EC法的誤判率最低僅21％。而C2n法誤判率較低且數(shù)據(jù)源于LAS，是當(dāng)前比較適宜判斷夜間大氣穩(wěn)定度的方法。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，選擇適用的大氣穩(wěn)定度判斷方法、顯著降低夜間誤判率尚需進(jìn)一步探索。

4）影響城鎮(zhèn)感熱通量的地表參數(shù)中，有效高度變化的影響最大，風(fēng)速變化的影響較大尤其在秋冬季節(jié)更為明顯，溫度、地表粗糙度和零平面位移變化的影響可忽略不計(jì)。波文比取值越小其變化對(duì)感熱通量的影響越明顯，但是隨著波文比的增大其變化對(duì)感熱通量的影響逐漸減弱，在城鎮(zhèn)等干旱地表波文比的變化對(duì)感熱通量的影響可以忽略不計(jì)，波文比采用固定值在城鎮(zhèn)是適宜的。

本項(xiàng)研究利用一年時(shí)間的LAS觀測(cè)資料進(jìn)行了城鎮(zhèn)感熱通量時(shí)空變化及影響因子的分析研究，但國(guó)內(nèi)仍缺乏不同氣候區(qū)域、不同城市（城鎮(zhèn)）下墊面類型LAS感熱通量的長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)一步開展同類觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，以得出更有說服力的結(jié)論。

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·ARTICLE·

Spatial-temporal characteristics and influencing factors of sensible heat flux based on LAS in a town

LIU Shoudong1，2，WANG Luyao1，2，HU Ning1，2，WANG Yongwei1，2，WANG Liang1，2，ZHAO Xiang1，2

1Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment，International Joint Laboratory on Climate and Environment Change （ILCEC），Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China;

2Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China

Abstract This study analyzes the spatial-temporal characteristics and influencing factors of sensible heat flux based on data observed by the Large Aperture Scintillometer （LAS） from April 2018 to April 2019 in Pancheng town.The results indicate the following：1） In the town，the sensible heat flux exhibits a unimodal diurnal variation pattern，significantly larger during the daytime compared to the nighttime.The sensible heat flux is significantly higher on clear days than on cloudy days and slightly lower at night compared to cloudy days.The average hourly sensible heat flux ranges between 2.25—200.53 W·m-2 and 13.10—132.52 W·m-2 for clear and cloudy days，respectively.2） The sensible heat flux is significantly higher in summer than in winter.In August，the values during the daytime and at night are 112.19 and 23.54 W·m-2，respectively.In February，the values during the daytime and at night are 35.57 and 11.57 W·m-2，respectively.3） On clear days with inflows from different directions，notable differences in sensible heat fluxes are observed in the town.As the proportion of impervious layers increases，the proportion of net radiation allocated to sensible heat fluxes also increases significantly.When the proportion exceeds 60％，the upward trend becomes less evident.4） Using the Monin-Obukhov length as a criterion for judging atmospheric stability，the C2n method exhibits a low misjudgment rate among the five methods when using LAS data，making it a more suitable method for determining atmospheric stability at night in the town.5） Among the surface parameters affecting sensible heat flux，changes in effective height have the greatest impact.Changes in wind speed have a larger effect，especially in autumn and winter.The change in Bowens ratio has a minor effect，while the effects of changes in temperature，roughness length，and displacement height are negligible.

Keywords town;LAS;sensible heat flux;spatial-temporal characteristics;environmental factors;surface parameters

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20200317001

（責(zé)任編輯：劉菲）