低丘红壤区旱田水热通量特征及其气象影响因素

景梽淏，景元书，贾秋洪(1.气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2.南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044)

0 引 言

近年来，地表水热通量特征一直是生态系统与大气相互作用的研究重点，也是土壤-植被-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)中不同功能作用层水分上行运动的重要联系枢纽和水量平衡研究的关键[1]。在地表水热交换过程中，存在能量的传递和物质的转化，并间接影响一定空间尺度上的气候状况[2]。其中，潜热通量和感热通量反映的就是水汽和热量之间的作用过程，潜热通量主要体现在水的相变过程中，感热通量主要体现在湍流式的热交换，这两个因子反映着一定区域内的水热交换状况，影响着区域气候特性，指导着区域农田灌溉，并影响作物生长[3,4]。因此，对水热通量的监测和模拟具有现实意义。

农田是以耕种作物为中心，且受人类活动影响最为强烈的生态系统，涉及了较多能量物质交换以及水文生态过程[5]。农田能量平衡特征分配和相关影响因子的分析一直是国内外研究的热点，对于理解变化环境下农田水循环和提高农田水管理极为重要，已有很多学者对其开展研究。例如，Steduto和Hsiao详细讨论了美国加州两种水分处理下玉米水热通量的小时、日、季节变化，并分析了造成差异的原因[6]。国内对于农田小气候与能量平衡特征的研究始于20世纪70年代，且大都集中在大宗作物农田小气候特征上，然后逐渐研究能量平衡特征与作物生物特征、产量、品质等的相互关系，以期实现人工调控和改善农田环境[7]。李胜功采用波文比能量平衡法和空气动力学梯度法分析了进行灌溉和无灌溉大豆田的热量平衡特点。结果表明：白天，进行灌溉大豆田的净辐射高于无灌溉大豆田净辐射占太阳辐射的比例，白天净辐射的大部分分配给潜热交换，其次用于显热交换，土壤热交换最少[8]。李袆君等人在2007年采用涡度相关系统对锦州玉米田水热通量状况进行了为期两年的观测，分析了玉米田水热通量的时间动态特征、水热通量与环境因子的关系以及地表能量平衡状况，认为感热通量与大气压在年际变化尺度上呈负相关关系，潜热通量与气温则呈正相关关系，而水热通量整体对降水的反应较大[9]。农田能量平衡分配受天气情况、作物特征、灌溉制度和管理方式等综合因子的影响，因此，必须提高对各种气候和作物条件下农田水热通量分配特征的理解。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省鹰潭市余江县刘家站垦殖农场三分场(116°55′E，28°15′N)，海拔41～55 m，坡度6°～10°，气候属中热带温暖湿润季风气候，雨量丰沛、光照充足且四季分明，年均降水量约1 794.7 mm，年均蒸发量约1 229.1 mm，降水、蒸发季节分配不均，4-6月为雨季，降水量接近占全年50%；7-9月高温少雨，蒸发量约占全年50%，故常造成伏秋季节性干旱。

1.2 数据来源

在花生与橘园地分别架设自动气象站和波文比仪。自动气象站型号为美国ONSET公司生产的HOBO U30，可以观测逐日气象资料，包括气温、相对湿度、2 m高度风速、降水量、气压等，频率为30 min一次。波文比系统采集1.5 m高度差空气的温度、湿度，通过近地层温度梯度与水汽梯度直接计算波文比，结合安装在橘园的NR-Lite净辐射传感(Kipp & Zonen， Netherland)测得的净辐射值和土壤热通量板(Hukseflux，HFP01，Netherland埋深5cm)采集的热通量值,从而得到目标农田的感热通量和潜热通量。

1.3 数据处理方法

波文比能量平衡法原理是农田能量平衡计算的依据[10]，它以近地层梯度扩散理论和下垫面能量平衡方程作为理论基础的[11]。

地表能量平衡方程：

Rn=λE+H+G

(1)

式中：Rn为地表接收到的净辐射能，W/m2；λE为潜热通量，W/m2(λ是汽化潜热,通常为2.5×106J/kg)；E为蒸散量，mm；H为感热通量，W/m2；G为土壤热通量，W/m2。

波文比定义：

(2)

根据近地层梯度扩散理论将波文比用上下层温湿梯度表示：

(3)

式中：ρ是空气密度，kg/m3；Cp是干空气比热容[通常为1 004 J/(kg·K)]；P是大气压值，hPa；Kh与Kw是水热扩散系数，m2/s；T为气温，℃；e为水汽压值，hPa。

因此，只需要实测到Rn、G及两个高度相对应的ΔT、Δe就可以计算波文比，从而计算λE和H。因为所需的参数少，并且易操作，现已被广泛应用于农田水热通量的测量。

2 结果与分析

2.1 水热通量在典型天气下的特征分析

为了解能量平衡在各个典型天气下的变化特征，选择数据较完整的观测期(2013年7月和2014年7月)作为典型天气的选取范围。2013年晴天选取7月11日，阴天为7月21日，雨天为7月15日，雨量为小到中雨；2014年晴天选取7月8日，阴天为7月6日，雨天为7月3日，雨量为小到中雨。

2.1.1净辐射在晴雨阴天气下的日变化

由图1可以看出，净辐射在3种不同天气下，每基本上都是在夜间为零值附近，从6时开始逐渐增加，午间到达最大值，随后开始下降，18时左右降到零值。但是由于云层的影响，在阴雨天气下的净辐射变化不如晴天平缓，并且在夜间净辐射值高于晴朗天气。

2.1.2潜热通量在晴雨阴天气下的日变化

图2(a)和(b)表示橘园在3种天气下的日变化，可以看出晴天潜热通量日变化和净辐射一致，且数值较小，2013年范围在-65.18～645.82 W/m2之间，2014年在-4.69～731.93 W/m2，从6时上升在午间达到最高，在18时降至零值。阴天的变化趋势和晴天相同，只是变化范围小，2013年在-42.75～190.59 W/m2间。雨天由于云层和雨滴作用，总体潜热通量小于晴天。晴天的夜间，潜热通量为负值，表明夜间地表的蒸发不仅为零，而且还有水汽向下的输送，即水汽吸收大于蒸发。阴雨天气下，夜间潜热通量均在零值之上，表示有着水汽的蒸发，且蒸发作用大于吸收。究其原因是云层对整个地-气系统的保温作用，使得阴雨天气下地表温度仍能保持在较高值，有利于水分的蒸发。

图2 典型天气下潜热通量日变化Fig.2 Diurnal variation of latent heat flux at typical weather

图2(c)和(d)是花生地在三种天气下的潜热通量变化。2013年7月11日，21日，15日，与橘园相比花生的变化较为简单，2014年7月8日，6日，3日，变化基本与橘园地观测一致，潜热通量按照晴-雨-阴，依次降低。2013年阴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年阴天峰值相对晴天下降了195.4 W/m2，雨天下降了227.5 W/m2。由于花生较为低矮，而橘树地观测受到冠层影响，雨天橘园地冠层截留一部分降水，使得地表水汽吸收减小，蒸发加大，潜热通量有所升高。

2.1.3感热通量在晴雨阴天气下的日变化

感热通量和潜热通量相比，数值上小了许多。7月份潜热通量一般在-100～700 W/m2，感热通量只有-20～80 W/m2。在，晴天、阴天、雨天的天气条件下，感热通量呈现递减的趋势。阴雨天气下的感热通量，全天基本无明显变化，保持在零值附近，说明全天感热交换较低。晴天下的感热通量呈现明显的日变化，夜间为负值，表明在夜间感热向下传输；白天8时左右，开始上升，感热通量为正值，在10～12时达到峰值，然后逐渐下降。晴天和阴雨天的感热交换变率有着明显差异，说明在晴朗天气下地气之间发生的乱流交换比阴雨天更加剧烈。

2.1.4土壤热通量在晴雨阴天气下的日变化

土壤热通量与净辐射通量相比数值小，范围在 100 W/m2左右。在不同天气下的土壤热通量有着明显的差异。晴天时，土壤热通量变化趋势基本和净辐射一致，夜间在零值附近，6时左右上升，在午间达到最高值，然后下降到21时左右降为零值。阴雨天气和晴天不同，基本全天为负值。阴天夜间土壤热通量为负值，说明土壤向大气输送热量，白天基本为零值，这主要是由于云层的保温作用，减少大气与地面的热量输送。雨天均为负值，由于潜热交换较低，为了弥补消耗，土壤要向大气释放热量。

图3 典型天气下感热通量日变化Fig.3 Diurnal variation of sensible heat flux at typical weather

图4 典型天气下土壤热通量日变化Fig.4 Diurnal variation of soil heat flux at typical weather

2.1.53种天气下能量平衡分量及其比例

表1给出了橘园和花生地在3种不同天气下的能量平衡分量在净辐射中所占的比例，其中H/Rn、λE/Rn、G/Rn用百分数表示。可以看到净辐射在晴天最大，雨天最小，2013年和2014年平均日积分晴天为14.8 MJ/(m2·d)，雨天为3.4 MJ/(m2·d)。这是因为晴天云量较少，太阳辐射到达地表的能量多，地表发射的辐射也相对较多。在各个分量中，潜热通量所占到的比例最大，都超过了90%，其次是感热通量，基本不超过5%。土壤热通量所分配的份额最少，在阴雨天气里，还要向净辐射提供能量。潜热通量在雨天所占比例最大，晴天最小，感热相反。主要是因为阴雨天，云层的保温作用，使上下层温差较小，感热输送受到抑制。花生和橘园相比潜热通量所占比例较大，这是由于两者不同的种植方式决定的，花生是一年生的植物，每年都需要翻耕、重新播种，土地较为稀松，地表的蒸发能力更强些，所以潜热交换更多一些。

表1 橘园和花生不同天气能量平衡分量占净辐射比例Tab.1 Orangery and peanut energy balance components of proportion accounted for net radiative in different weather

2.2 农田地表水热通量的季节变化

选取在橘园架设的波文比系统所观测的2013年和2014年数据，结合通过波文比能量平衡法计算的花生地的通量结果，挑选资料较为完整的5月、7月、10月和12月的资料，对每个月份做两年平均处理，分析得到红壤旱地能量平衡季节变化图。

图5(a)、(b)、(c)、(d)为选取橘园地月份平均能量平衡分量的日变化图，图5(e)为各月平均的能量平衡通量的日积分。由图5可见，净辐射通量7月最大，峰值为612.6 W/m2，12月最小，为380.4 W/m2；潜热通量在能量平衡分量中所占比例最大，在10月和12月甚至超过了净辐射通量，其季节变化趋势和净辐射通量基本一致，7月较大，12月较小；感热通量在整个观测期都不大，10月最大，峰值为46.5 W/m2；土壤热通量在观测期间也很小，在5、7月份为正值，5月峰值在80.9 W/m2，10、12月份为负值，表明10月之后，这个阶段土壤处于放热状态。土壤热通量出现峰值的时间一般比净辐射或潜热通量晚一至两个小时，主要由于土壤在夜间释放热量后，在日出以后需要更多时间来达到峰值。

图5 橘园能量平衡各分量季节变化Fig.5 The seasonal variation of each component in the energy balance in the Orangery

图5(e)为能量通量月平均的日积分。可以看到各能量通量无论在数值，还是在分配上都有明显的季节差异。7月的净辐射最高，日均净辐射为12.6 MJ/m2，随后下降， 8、9月份高温少雨，地表逐渐干燥，蒸发量相对下降，而高温引起了地表与大气感热交换加剧，使得波文比在7月之后有所升高，如表2所示。

由于实验观测的花生地位临橘园地，且使用波文比能量平衡法，利用橘园的净辐射和土壤热通量数据计算花生地的潜热、感热通量，故得到的花生地季节变化特征和橘园地基本一致。表3给出了花生地不同月份能量平衡分量日积分及波文比。可以看出在花生的生长季，花生地相比橘园，潜热在整个能量分配中的比例较高，这可能由于花生地表性质的影响。实验观测花生地较橘园地相比，土壤更为疏松，且地表植被覆盖更为密集，增加了花生地的蒸散，使得潜热交换更多。

表2 橘园不同月份能量平衡分量日积分及波文比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积分及波文比Tab.3 Day integral of peanut energy balance components in different months and Bowen ratio

2.3 气象因素对农田水热通量的影响

2.3.1对潜热通量的影响

使用相关分析的方法，分析部分气象要素对农田水热通量的影响。表4给出了橘园潜热通量与净辐射、降水量、平均气温、平均风速、水汽压和相对湿度的相关系数。可以看出，对潜热交换影响较大的因素主要有净辐射、相对湿度，这些要素相关系数的绝对值都超过了0.8，其次还有气温，降水量对潜热交换在雨季影响较大，在旱季影响不是很明显。而风速和水汽压对潜热通量影响不是很大。净辐射是潜热通量的主要分配来源，自然对其影响显著；气温和相对湿度对地表向大气的水汽传输有着重要影响，从而改变近地层的潜热交换。在雨季，降水天气云层厚而密，地表难以接收足够的太阳辐射，降低了地气能量交换的总值，同时大气中湿度几近饱和，不利于潜热交换。在旱季，由于降水量减少，长时间的晴朗天气使得降水对潜热交换的影响逐渐降低。

表4 橘园地潜热与常规气象要素的相关系数Tab.4 The correlation coefficient between latent heat and conventional meteorological elements in Orangerie

注：**表示P<0.01有显著性意义； *表示P<0.05 有显著性意义。

表5给出了花生地潜热与部分气象要素的相关系数，可以看出对花生地潜热影响的气象因素和橘园地基本一致。但橘园潜热交换与相对湿度的相关性较大，而与净辐射相关较小。这主要由于橘树的冠层对太阳辐射的遮挡作用，使得橘园地的潜热交换对净辐射的响应不如花生地。

表5 花生地潜热与常规气象要素的相关系数Tab.5 The correlation coefficient between latent heat and conventional meteorological elements in Peanut

注：**表示P<0.01有显著性意义； *表示P<0.05 有显著性意义。

2.3.2对感热通量的影响

根据同样的方法分析感热交换日值与部分气象要素的相关系数，发现相关气象因素对橘园与花生的感热影响差异并不明显，故只列出橘园地感热与常规气象要素的相关系数，见表6。

对感热交换影响较大的因素有净辐射、相对湿度，其次有气温，而风速和水汽压对显热交换的影响并不显著。在雨季，阴雨天气的出现使得大气中云层的厚度增加，使得地表与空气的温差减小，不利于感热交换的发生，使得降水量与感热通量总体呈负相关。

表6 橘园地感热与常规气象要素的相关系数Tab.6 The correlation coefficient between sensible heat and conventional meteorological elements in Orangery

注：**表示P<0.01有显著性意义； *表示P<0.05 有显著性意义。

3 结果与讨论

本文以典型的低丘红壤旱田为代表，结合了田间观测数据，分析比较了花生、橘树下垫面在不同天气晴、阴、雨的水热通量分配规律以及其季节变化特征。根据实验地区气象观测资料，分析了相关气象要素对农田水热通量的影响。具体结论如下。

(1)能量平衡各个分量的日变化受到天气条件影响很大且呈单峰趋势，其中潜热通量所占份额最大，感热和土壤热通量均较小。净辐射和潜热通量按晴、阴、雨递减。橘园和花生地能量分配中花生地的潜热交换较大，波文比值较低。

(2)能量平衡各分量的分配具有季节性变化，7月份净辐射和潜热通量较大，土壤热通量在5月、7月为正值，10月、12月为负，表明旱地土壤在秋冬季节向外释放热量。在花生的生长季，花生地的潜热交换多于橘园，进入秋冬季节后，两者差异不明显。

(3)对农田潜热和感热影响较大的气象因素有净辐射、相对湿度，其次有气温，而风速和水汽压对潜热、感热交换的影响并不显著。橘园潜热与净辐射相关系数比花生地小，与相对湿度的相关系数比花生地大，感热差异并不明显。在雨季，降水量与农田水热通量总体呈显著负相关，进入旱季后，降水量对农田能量平衡的影响相对较小。

近年来，对于不同下垫面能量平衡的研究有很多，包括城市[15,16]、森林[17]、草原[18,19]、农田[20]下垫面等等，研究方法包含了涡动相关法[10,21]、空气动力学方法[12,13,22]、蒸渗仪法[23]、水量平衡法[24]等，本文采用的波文比能量平衡法对于低丘红壤地区湿润的小区域农田有较强的适应性，且方法简单，精度较高，可分析不同天气情况下的水热通量特征和季节尺度下的能量分配，对于该区域能量平衡、水热交换研究具有参考意义。王慧[4]等人利用两年的甘肃酒泉微气象观测资料，得到戈壁下垫面的夏季波文比值高达16.5；杨兴国等人分析了陇中高原下垫面的春小麦成长季的观测资料，6-8月春小麦平均波文比为0.8；郭晓峰[25]等人利用广州省惠州的湍流观测资料，分析了华南农田的能量输送规律，11月至12月日平均波文比为0.04。不同下垫面的气候环境差别很大，能量输送差异显著。本文利用波文比能量平衡法结合观测资料，计算的波文比值在0.01～0.1之间，江西红壤地区的高湿度是造成波文比数值较低的主要原因，当然也不能排除观测误差造成的不确定性。

由于研究区域在5-7月高温多雨，长时间连续降水对仪器观测有所干扰，对仪器精度也会造成影响。实验观测是在野外进行，数据质量无法保证，难以获得连续的观测资料，对于全年的水热通量特征分析有待进一步研究。本文只分析了日尺度上的气象要素对能量平衡分配的影响，对于其他不同时间尺度上的气象要素的影响是下一步的目标。

□

[1] 董慧涵，古伯根. 白云山风景区林地小气候与环境[J]. 广州师院学报：自然科学版，1995 (1)：24-33.

[2] 王介民，王维真，刘绍民，等.近地层能量平衡闭合问题——综述及个例分析[J].地球科学进展, 2009,24(7)：705-713.

[3] 杨启东，左洪超，杨 扬，等. 近地层能量闭合度对陆面过程模式影响[J].地球物理学报.2012, 55(9)：2 876-2 888.

[4] 王 慧，胡泽勇，马伟强，等. 鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析[J]. 大气科学，2008，32(6)： 1 458-1 470.

[5] 丁日升，康绍忠，张彦群，等. 干旱内陆区玉米田水热通量特征及主控因子研究[J]. 水利学报，2014,(3)：312-319.

[6] Steduto P, Hsiao T C. Maize canopies under two soil water regimes. Diurnal patterns of energy balance, carbon dioxide flux, and canopy conductance[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1998, 89(3)：215-228.

[7] 金志凤，沈朝栋，黄寿波. 我国农业小气候学研究特点及发展趋势[J]. 浙江大学学报 (农业与生命科学版)，2003,(4):22.

[8] 李胜功.灌溉与无灌溉大豆田的热量平衡[J]. 兰州大学学报：自然科学版, 1997,33(1)：98-104.

[9] 李祎君，许振柱，王云龙，周莉，周广胜. 玉米农田水热通量动态与能量闭合分析[J]. 植物生态学报，2007,(6)：1 132-1 144.

[10] Lee X. On micrometeorological observations of surface-air exchange over tall vegetation[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1998, 91(1)：39-49.

[11] Twine T E, Kustas W P, Norman J M, et al. Correcting eddy-covariance flux underestimates over a grassland[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2000, 103(3)：279-300.

[12] Seguin B, Itier B. Using midday surface temperature to estimate daily evaporation from satellite thermal IR data[J]. International Journal of Remote Sensing, 1983, 4(2)： 371-383.

[13] Bastiaanssen W G M, Molden D J, Makin I W. Remote sensing for irrigated agriculture: Examples from research and possible applications[J]. Agricultural Water Management, 2000, 46(2)：137-155.

[14] Helin Wei, Youlong Xia, Kenneth E. Mitchell and Michael B E. Improvement of the Noah land surface model for warm season processes: evaluation of water and energy flux simulation [J]. Hydrological Processes, 2013, 27(2)：297-303.

[15] 苗世光，窦军霞，Fei CHEN，等. 北京城市地表能量平衡特征观测分析[J]. 中国科学：地球科学， 2012, (9)：1394-1402.

[16] 宋玉强，刘红年，王学远，等. 城市非均匀性对城市地表能量平衡和风温特性的影响[J]. 南京大学学报(自然科学)，2014,(6)：810-819.

[17] 王春林，周国逸，王 旭，等. 鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡分析[J]. 热带气象学报，2007,(6)：643-651.

[18] 岳 平，张 强，牛生杰，等. 半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响[J]. 气象学报, 2012,(1)：136-143.

[19] 李辉东，关德新，袁凤辉，等. 科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征[J]. 应用生态学报，2014,(1)：69-76.

[20] 田 红，伍 琼，童应祥. 安徽省寿县农田能量平衡评价[J]. 应用气象学报，2011,(3)：356-361.

[21] 吴家兵，关德新，张 弥，等. 涡动相关法与波文比-能量平衡法测算森林蒸散的比较研究——以长白山阔叶红松林为例[J]. 生态学杂志, 2005,(10)：1 245-1 249.

[22] 张荣华，杜君平，孙 睿. 区域蒸散发遥感估算方法及验证综述[J]. 地球科学进展, 2012,(12)：1 295-1 307.

[23] 强小嫚，蔡焕杰，王 健. 波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比[J]. 农业工程学报，2009,(2)：12-17.

[24] 高洋洋，左其亭. 植被覆盖变化对流域总蒸散发量的影响研究[J]. 水资源与水工程学报，2009,(2)：26-31.

[25] 郭晓峰,康 凌,蔡旭晖,等. 华南农田下垫面地气交换和能量收支的观测研究[J]. 大气科学,2006,(3)：453-463.