高原气象

高原气象 >

2021 , Vol. 40 >Issue 1: 109 - 122

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00008

中国北方四类典型下垫面能量分配特征及其环境影响因子研究

  • 任雪塬 , 1 ,
  • 张强 1, 2 ,
  • 岳平 , 1, 2 ,
  • 杨金虎 2 ,
  • 闫昕旸 1
展开
  • 1. 兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000
  • 2. 中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/ 中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020
岳平(1974 -)， 男， 甘肃静宁人， 研究员， 主要从事大气湍流与大气边界层研究. E-mail:

任雪塬(1996 -)， 女， 甘肃瓜州人， 硕士研究生， 主要从事陆面过程研究. E-mail:

收稿日期: 2019-11-28

  修回日期: 2020-03-10

  网络出版日期: 2021-02-28

基金资助

国家自然科学基金项目(41630426)

干旱气象科学研究基金项目(IAM201913)

收起

Study on Energy Partitioning and its Environmental Factors of Four Types of Typical Underlying Surfaces in North China

  • XueYuan REN , 1 ,
  • Qiang ZHANG 1, 2 ,
  • Ping YUE , 1, 2 ,
  • Jin Hu YANG 2 ,
  • XinYang YAN 1
Expand
  • 1. College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，Gansu，China
  • 2. Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Deserter of Gansu Province，Institute of Arid Meteorology，China Meteorological Administration，Lanzhou 730020，Gansu，China

Received date: 2019-11-28

  Revised date: 2020-03-10

  Online published: 2021-02-28

Fold

本文亮点

中国北方疆域辽阔， 多种植被类型交错分布， 陆面过程较为复杂。研究该区域地表能量平衡及分配过程， 有助于进一步了解其生态系统的生产力及气候变化。本文使用“中国北方协同观测实验”观测资料， 选取中国北方四种植被类型——高寒草甸、 荒漠草地、 玉米农田及半干旱草地， 在深入认识地表能量分配特征的基础上， 讨论了环境因子对能量分配的影响。结果表明， 上述四类典型下垫面能量闭合度在71%~91%， 其中半干旱草地最大， 玉米农田最小。从各能量分量与净辐射的比率来看， 荒漠草地、 半干旱草地净辐射主要通过感热形式加热大气， 感热通量占净辐射的百分比分别为29%和36%； 高寒草甸、 玉米农田潜热通量占主导地位， 其值分别占净辐射的42%和37%。影响各下垫面水热综合参数Bowen比的气象因子中， 半干旱草地受地-气温差（R2=0.64）和饱和水汽压差（R2=0.56）的影响； 玉米农田则主要受地-气温差（R2=0.52）的影响； 荒漠草地地-气温差（R2=0.37）和平均风速（R2=0.23）是其主要影响因子。Bowen比与NDVI之间存在显著的指数关系（R2=0.74）， 且随NDVI的增大而减小。

本文引用格式

任雪塬 , 张强 , 岳平 , 杨金虎 , 闫昕旸 . 中国北方四类典型下垫面能量分配特征及其环境影响因子研究[J]. 高原气象, 2021 , 40(1) : 109 -122 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00008

Highlights

Surface energy balance and distribution are the result of the interaction of vegetation， climate and other factors.The study of energy， especially the distribution of turbulent flux and its influencing factors， is of vital importance to regional water resources management， and is also of great significance for guiding scientific agricultural production.North China has a vast territory， a variety of vegetation types crisscross distribution， and the land surface process is more complex.Water vapor and precipitation caused by summer monsoon activities will change the underlying surface water， thermal characteristics and solar radiation forcing characteristics， which makes the factors affecting the characteristics of surface energy distribution more complicated.The study of surface energy balance and distribution process in this region is helpful to further understand the productivity and climate change of its ecosystem.Therefore， this paper analyzed the observation data of "Cooperative observation experiment in North China"， and finally selects four vegetation types in north China， meadow， desert grassland， corn farmland and semi-arid grassland， which represents the vegetation types in the north of China to a certain extent.Based on a deep understanding of the characteristics of surface energy distribution， the effects of environmental factors on energy distribution are discussed.The results show each component of surface energy on a typical underlying surface presents a unimodal change trend， with obvious diurnal characteristics.Surface energy is uneven on each underlying surface.The energy closure of the above four typical underlying surfaces is 71%-91%， of which the semi-arid grassland is the largest and the corn farmland is the smallest.From the ratio of each energy component to net radiation， the net radiation of desert grassland and semi-arid grassland heats the atmosphere mainly in the form of sensible heat， and the percentage of sensible heat flux to net radiation is 29% and 36%， respectively.Alpine meadow and corn farmland latent heat flux is dominant， accounting for 42% and 37% of the net radiation， respectively.Among the meteorological factors affecting the Bowen ratio which is the water and heat comprehensive parameters of each underlying surface， the semi-arid grassland is affected by the ground-air temperature difference （ R 2 = 0.64） and vapor pressure deficit （ R 2 = 0.56）， while the corn farmland is mainly affected by the ground and air temperature difference （ R 2 = 0.52）.The Bowen ratio of the desert grassland is influenced by the ground-air temperature difference （ R 2 = 0.37） and average wind speed （ R 2 = 0.23）.In addition， there is a significant exponential relationship between Bowen ratio and NDVI， and decreases with the increase of NDVI.

1 引言

地表能量平衡是地气间能量交换的重要约束条件， 是生态系统、 人类活动与气候变化之间相互影响、 相互响应的媒介， 也是陆面模式中湍流通量参数化方案的基础（Li et al， 2017）。地表能量分配是植被、 气候等因素相互作用的结果。研究能量尤其是湍流通量的分配及其影响因子， 对区域水资源管理至关重要， 也对指导农业科学化生产等具有重要意义。
涡动协方差系统是目前测量能量通量应用最广泛的方法， 但大量研究成果（Mauder et al， 2007； Chen et al， 2009； Foken et al， 2010； Franssen et al， 2010； Barr et al， 2012； 杜群等， 2014； 胡媛媛等， 2018）指出该观测系统测得的可利用能量大于湍流通量， 即地表能量不平衡。能量闭合状态能够客观评价涡动相关系统数据观测的质量， 在观测仪器和资料处理方法一致的情况下， 能量闭合状态及分配特征的地区差异性明显， 下垫面单一的区域地表能量闭合状况较好（Heusinkveld et al， 2004； Liu et al， 2011）， 但受气候条件影响， 同一下垫面湍流通量分量占净辐射的比率也各有不同（Gu et al， 2006； Li et al， 2006； 岳平等， 2011； Majozi et al， 2017）。能量的分配特征很大程度上取决于地表水、 热条件， 因此， 与下垫面水热状况相关的气象环境因子都会对能量分配造成影响（华文剑和陈海山， 2011； Liu and Feng， 2012； Majozi et al， 2017； 李宏毅等， 2018； Yang et al， 2018； Yue et al， 2019）。
中国北方地区地域广阔， 下垫面类型多样， 主要有绿洲、 农田、 高寒草甸、 荒漠草地、 大草原、 森林、 沙漠、 戈壁荒漠等， 气候区域差异明显。其中夏季风边缘带受季风强弱变换的影响， 每年7 -9月夏季风活动带来的水汽和降水会改变下垫面水、 热特性和太阳辐射强迫特性（张强等， 2012）， 从而引起地表水分及能量过程的调整， 对正值生长期的植被而言， 这些调整使得影响地表能量分配特征的因子更加复杂。以往的研究多考虑单一下垫面年或年际尺度的地表能量平衡及分配特征， 对季节尺度不同下垫面能量闭合状态、 能量分配及其环境影响因子的同期对比分析尚不多见。因此， 本文利用“中国干旱半干旱区实验观测协同与集成研究”（简称“中国北方协同观测实验”）不同站点2008年7 -9月的涡动相关、 地表辐射以及微气象资料， 评估了不同下垫面的地表能量闭合状态， 分析了夏季地表能量分配及特征， 并探讨对比了其与气象要素、 植被指数之间的关系， 为进一步管理该区域水资源、 合理指导农业生产提供科学依据。

2 资料来源与方法介绍

2.1　研究区概况

近年来， 为在我国干旱半干旱区形成气候环境系统的综合集成观测体系， 使不同项目和机构在我国北方建立的实验观测站能够获得高质量、 高可比性、 高连续性的共享数据， 中国科学院东亚区域气候－环境重点实验室和季风亚洲全球变化区域集成研究计划（MAIRS）联合国内多家科研机构， 以“自愿参加、 统一观测规范、 统一仪器标定和统一数据质量”为准则， 开展了“中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究”（简称“中国北方协同观测实验”）。根据资料的完整性和可用性， 本文从该实验收录的18个干旱半干旱站点中筛选出基本能够代表中国北方夏季最主要植被类型的站点［图1， 文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1697的中国地图制作， 底图无修改］作为分析对象。在西北干旱地区选取位于黑河上游地区的阿柔站（100.46°E， 38.04°N）以及位于蒙古高原东南部的东苏站（113.57°E， 44.09°N）。阿柔站（高寒站）观测场周围相对平坦开阔， 海拔3033 m， 下垫面为高寒草甸， 土壤中粉粒占比大， 有机质含量高； 东苏站（荒漠站）下垫面以小针茅为建群种的荒漠草原为主， 土壤以淡栗钙土和棕钙土为主， 海拔970 m。黄土高原地区选取榆中站（104.13°E， 35.95°N）（半干旱草地站）， 该站位于开阔平坦的小山坡上， 海拔1966 m， 下垫面覆盖有低矮草地植被， 土壤以黄壤为主。东北冷凉区则选取锦州站（农田站）， 该站为农田生态系统野外观测站， 位于辽西走廊东部（121.20°E， 41.15°N）， 海拔22.3 m， 下垫面主要作物为玉米， 土壤为典型棕壤。表1列出了上述站点的基本气候要素。
图1 观测站的地理分布及气候分区 [根据曾剑等（2011）改绘]

Fig.1 Geographical distribution and climatic zoning of the observatory [According to Zeng et al (2011)]

表1 不同下垫面站点的气候要素

Table 1 Climatic elements of different underlying surface sites

站点 下垫面类型 年降水量 /mm 平均 气温/℃ 全年日照时数/h 年均蒸发 /mm
祁连* 高寒草甸 403.1 0.7 2918.0 700.0
东苏 荒漠草地 197.0 3.3 3196.0 2678.0
锦州 玉米农田 565.9 9.5 2699.6 1747.4
榆中 半干旱草地 381.8 6.7 2607.2 1528.5

*阿柔站常规气象资料缺失严重, 使用祁连站作为其替代站

2.2　观测资料及数据处理

所选站点的观测项目众多， 包括天气要素（地面气压和降水）、 微气象要素（近地面风向风速、 温度及湿度）、 地表能量分量、 土壤要素（土壤温度和湿度）等。本文使用的观测资料包括风速、 空气温度、 大气净辐射、 地表长波辐射、 大气长波辐射、 土壤温度、 土壤热通量、 涡动相关通量等。各观测站的观测仪器型号基本一致， 且均经过统一标定和规范维护， 测量数据精度较高。各测量仪器的型号、 测量范围、 精度等信息详见文献（张强等， 2012）。观测数据经过统一的质量控制： 在采集过程中通过远程监控及定期实地检查两种方式对数据的质量进行控制， 后期处理中对涡动相关通量数据采用英国爱丁堡大学发展的EdiRe软件（Robert， 2012）进行野点去除、 旋转坐标、 湍流平稳性计算以及H2O和CO2滞后修正等处理程序， 然后进一步作质量控制， 输出较为真实的数据（曾剑和张强， 2012）。使用各站2008年7 -9月观测数据的30 min平均测量值为研究资料， 剔除其中的异常值、 缺省值； 考虑到降水对地表和辐射的影响， 剔除雨日资料； 对于3 h以内的缺失观测根据相邻数据进行线性插补， 连续缺失12 h以上的剔除全天资料， 其余使用相邻观测日对应观测时刻的数据进行插补。由于研究区的经度范围较大， 为便于对比分析， 各观测站的时间均采用北京时。
除站点观测资料外， 本文还使用了2008年7 -9月的MYD13Q1卫星数据， 其植被指数的时间分辨率为16天， 空间分辨率为250 m。不同典型下垫面的植被指数由各代表站及其相邻4个地面观测站的植被指数均值确定。

2.3　地表能量平衡

理想的地表能量平衡方程为
R n - G = H + L E
式中： R n为净辐射（单位： W·m-2）；   G为土壤热通量（单位： W·m-2）； H为感热通量（单位： W·m-2）； L E为潜热通量（单位： W·m-2）。当可利用能量等于湍流通量时， 地表能量处于平衡状态， 但观测事实表明， 二者相等只存在于理想状态中， 实际观测中这种不相等被称为“能量不闭合”。本文使用能量平衡比（Energy Balance Ratio， EBR）和普通最小二乘法（Ordinary Least Square， OLS））对其进行评估。
EBR是湍流通量和可利用能量的比值， 即
E B R = ∑ ( H + L E ) ∑ ( R n - G )
EBR通过平均半小时测量误差， 能够对较大时间尺度的地表能量状态做出全面评估， 该值为1时是理想的闭合状态。本文在季节尺度下讨论不同下垫面的能量闭合状态。
OLS以最小二乘法为原理， 是一种简单回归模型， 也是一种使用频率很高的参数估计方法。该方法的一般形式可表达为
目 标 函 数 = ∑ ( 样 本 值 - 理 论 值 ) 2
式中： 样本值为真实观测数据， 理论值由假设的回归模型计算得到， 因此目标函数实际上为残差平方和。当目标函数最小时， 计算得到回归模型为最优拟合模型。利用OLS方法建立湍流通量和可利用能量之间的回归关系也能够评估地表能量的闭合程度。当回归曲线（回归方程）截距为0， 斜率和决定系数均为1时地表能量达到理想的闭合状态。

2.4　土壤热通量

土壤热通量一般由埋在地表数厘米的热流板观测得到， 而在使用地表能量平衡方程讨论能量闭合问题时， 方程中的土壤热通量G理论上应为地表土壤热通量， 因此需要考虑热流板安装深度与地表之间的能量存储。本文利用土壤热流板的观测值及0， 2， 5 cm处的土壤温度， 使用温度积分法计算热量存储（岳平等， 2011）
G s = ρ s c s Δ t ∑ z = 5 c m z = 0 [ T z i , t + Δ t - T z i , t ] Δ z
式中： G s为地表到地表下5 cm 所存储的土壤热通量（单位： W·m-2）； ρ s c s是土壤的体积热容量， 计算中取为 ρ s c s = 1.24 × 10 6   J ∙ m - 3 ∙ K - 1； T z i , t为0， 2和5 cm处的土壤温度（ 单 位 : ℃）。

2 cm和5 cm的土壤温度能够通过观测得到， 0 cm的土壤温度可由下式换算得到

T 0 = R L ↑ - ( 1 - ε g ) R L ↓ ε g σ 1 / 4
式中： R L ↑和 R L ↓分别为向上和向下的地表长波辐射（单位： W·m-2）； ε g为地表比辐射率， 取值为0.96； σ为Stefan-Boltzmann常数， 取值为 5.67 × 10 - 8 W ∙ m - 2 ∙ K - 4。
因此， 订正后的土壤热通量可表达为
G = G 5 + G s
式中： G为地表土壤热通量（单位： W·m-2）； G 5为距地表5 cm深度处土壤热流板观测到的土壤热通量（单位： W·m-2）。

2.5　 Bowen比和蒸散系数

湍流通量及其比值能够计算Bowen比和蒸散系数。Bowen比（Bowen ratio）是某一个界面上感热通量与潜热通量的比值， 也可以表示为垂直方向上温度梯度和湿度梯度的函数， 即：
β = H L E
该物理量能够在一定程度上综合表征陆面过程的气候特征（张强等， 2012）， 是利用Bowen比能量平衡方法估算湍流热量和水汽通量过程中的重要变量。蒸散系数（ K c）定义为潜热通量与湍流通量的比值。
K c = L E L E + H
蒸散系数能够衡量植被对水分的利用程度。

3 结果与分析

3.1　不同下垫面能量通量各平衡分量的日变化特征

近地层生态系统通过湍流输送完成与大气之间的能量和物质交换。气候背景和地表植被的差异造成了地表能量传输的差异。从2008年7 -9月不同下垫面地表各主要能量分量的平均日变化（图2）可以看出， 各下垫面地表能量各平衡分量呈单峰型变化趋势， 具有明显的日变化特征。
图2 2008年7 -9月不同下垫面地表各主要能量分量的平均日变化特征

Fig.2 Average diurnal variation of main energy components on different underlying surfaces from July to September 2008

各下垫面日净辐射的平均最大值基本出现在11:30（北京时， 下同） -13:00。06:30 -07:00高寒草甸的净辐射由负值转为正值， 表明有地表能量的收入， 随着太阳辐射的加热作用， 净辐射不断增加， 于13:00达到日平均最大值521.85 W·m-2， 后逐渐降低， 在18:30 -19:00转为负值， 变为能量的损失项之一； 全天有12 h净辐射为正值， 平均净辐射通量达到289.66 W·m-2； 剩余时间内净辐射均表现为能量的支出， 平均净辐射值为 -37.82 W·m-2。荒漠草地日均净辐射在05:30 -06:00转化为地表能量的收入项， 于11:30达到最大值435.11 W·m-2， 并在16:30 -17:00重新转化为负值； 该站全天有11 h净辐射通量为正， 平均值为274.65 W·m-2； 相应的， 净辐射为负值的时间长达13 h， 平均值为 -65.17 W·m-2。05:30 -06:00玉米农田的日均净辐射值转为正值， 并在12:30达到日均最大值488.64 W·m-2， 随后在18:00 -18:30转为地表能量的损失项； 地表全天收入的净辐射时长达12.5 h， 平均净辐射通量为274.71 W·m-2， 剩余的11.5 h内支出的平均净辐射通量为-26.61 W·m-2。半干旱草地的净辐射于07:30左右变为正值， 13:00达到日均最大值430.08 W·m-2， 之后随辐射通量的减少而不断降低， 在18:00 -18:30转为负值； 全天日均净辐射大于零的时间和荒漠草地一致， 为11 h， 期间的平均净辐射为274.42 W·m-2， 净辐射为负值时的平均净辐射为-51.45 W·m-2。
湍流通量的日变化趋势与净辐射较为相似， 各下垫面加热大气的主要能量分量的日均值基本在13:30左右达到峰值。就潜热通量而言， 高寒草甸海拔较高， 夏季蒸散量较大， 与其余三站相比， 其均值最大， 达81.45 W·m-2； 荒漠草地地表较为干燥， 平均潜热通量最小， 为26.62 W·m-2。对感热通量而言， 半干旱草地的感热通量日均值最大， 可达42.56 W·m-2； 玉米农田最小， 为17.76 W·m-2。
土壤热通量日变化趋势基本呈钟形， 各下垫面土壤热通量达到日均最大值的时间， 基本提前其净辐射峰值1~2.5 h。其中， 玉米农田和半干旱草地地表土壤热通量达到峰值的时间比其净辐射峰值提前约1 h， 二者的日均最大值分别为73.89和160.89 W·m-2； 高寒草甸和荒漠草地则相较于其净辐射峰值时间提前了2.5 h， 日均最大值分别为71.58和157.72 W·m-2。已有研究表明（Gao et al， 2010； 岳平等， 2011）， 当热传导方程考虑土壤的热传导和热对流过程时， 地表土壤热通量峰值出现时间比净辐射提前0~3 h。
综上所述， 夏季高寒草甸和玉米农田的净辐射主要由潜热通量消耗， 荒漠草地和半干旱草地净辐射主要转化为感热通量和土壤热通量。

3.2　地表能量闭合度

在理想情况下， 地表收入能量应与支出能量相平衡， 但在多数涡动相关系统观测中地表能量往往是不平衡的。通过对比分析不同下垫面的能量闭合状况， 一方面能对观测数据的质量做出客观评价， 为后文分析各下垫面能量分配特征和环境影响因子提供保证， 另一方面可增进了解我国北方不同植被类型对能量闭合特征的影响。图3和表2给出了各下垫面2008年7 -9月的能量平衡分析结果。就EBR来看， 各站的决定系数均在0.75以上， 截距在-0.5~8.8 W·m-2， 斜率在0.6~0.9， 地表能量平衡程度各不相同。半干旱草地能量闭合程度最高， EBR为0.9； 其次为荒漠草地， 其EBR值为0.8； 玉米农田的地表能量不平衡程度最高， EBR值高达0.7。从最小二乘法的结果来看， 半干旱草地的能量闭合程度最高， 达91.2%， 玉米农田最低， 闭合度仅为61.7%， 与能量平衡比得到的评估结果一致； 但高寒草甸的地表能量闭合程度（71%）高于荒漠草地（69.3%）， 与能量平衡比得到的结论有所出入。这种差异是由两种计算方法本身的特点所导致的。OLS需要在“自变量中不存在随机误差”的假设下使用， 即要求参与回归分析的净辐射和地表土壤热通量观测资料中不包含随机误差， 但随机误差不能完全被修正或消除， 因此， 采用最小二乘法评估能量平衡状态是一种简化的处理方式。能量平衡比能够消除30 min测量数据中的偏差及倾向， 对较长时间尺度的能量评估较为全面。
图3 2008年7 -9月不同下垫面的能量平衡分析结果

色标代表EBR的个数

Fig.3 Energy balance analysis results of different underlying surfaces from July to September 2008.The color bars represent the count of EBR value

表2 中国北方四类典型下垫面的能量闭合度

Table 2 Energy closure of four typical underlying surfaces in north China

下垫面 斜率 截距 决定系数 EBR
高寒草甸 0.71 2.49 0.91 0.75
荒漠草地 0.69 8.78 0.84 0.80
玉米农田 0.62 5.92 0.78 0.66
半干旱草地 0.91 -0.52 0.90 0.91
涡动协方差系统是目前应用最为广泛的能量、 通量测量系统。多数研究结果表明， 使用涡动协方差测量系统得到的地表能量闭合度都存在不同程度的误差（表3）。例如， 中国北方四类典型下垫面的EBR值在1.1~1.5； Sánchez et al（2010）在芬兰北部Sodankylä森林中估计得到的EBR约为0.7； Majozi et al（2017）在南非Skukuza稀树草原的研究中得到的EBR均值为0.9。在使用OLS方法讨论地表能量闭合状况的研究中， Kim et al（2014）对南韩洛东江附近稻米农田和工业集中区的地表能量闭合度进行了评估， 发现二者的能量闭合率分别为58%和46%； 美国加利福尼亚州东部IONE附近稀树草原的能量闭合度为85%（Castellvi et al， 2008）， 与Majozi et al（2017）在南非Skukuza得到的结论基本一致； Rahman et al（2019）指出中国河北省西北部玉米农田的能量闭合度为67%。
表3 不同下垫面的能量闭合度

Table 3 Energy closure of different underlying surfaces

下垫面 地理位置 斜率 截距 决定系数 EBR 数据来源
森林 芬兰北部 0.81 7.00 0.90 0.69 Sánchez et al, 2010
玉米农田 中国中部 0.67 - 0.84 - Rahman et al, 2019
稻米农田 韩国 0.58 15.20 0.64 0.61 Kim et al, 2014
工业集中区 韩国 0.46 24.74 0.63 0.61 Kim et al, 2014
稀树草原 加州东部 0.85 12.00 0.91 - Castellvi et al, 2008
稀树草原 非洲南部 0.87 10.79 0.87 0.93 Majozi et al, 2017

- 表示原文中未给出具体值

3.3　能量分量的分配特征

湍流通量和地表土壤热通量是净辐射的主要消耗项， 其占净辐射的比例能够反映下垫面的干湿状况。从不同下垫面感热通量、 潜热通量、 地表土壤热通量分别与净辐射的散点分布（图4）可以看出， 各下垫面的湍流通量及土壤热通量均与净辐射呈正相关关系。
图4 地表能量各辐射分量与净辐射散点分布

Fig.4 Scatter diagram of radiation components and net radiation of surface energy

从不同下垫面各能量支出项与净辐射的关系（表4）可以看出， 高寒草甸和玉米农田潜热通量与净辐射的比率均大于感热通量， 荒漠草地和半干旱草地感热通量主导能量分配。高寒草甸海拔高， 夏季降雨增多（郑汇璇等， 2019）， 蒸散量明显增加， 潜热通量占净辐射的百分比达42%， 感热通量占净辐射的百分比约为潜热通量的1/2（王维真等， 2009）， 仅为19%。玉米农田感热通量占净辐射的比例为13%， 为潜热通量的1/3， 是四类典型下垫面中最小的， 这是受夏季风影响的结果。玉米农田处于夏季风活动区， 充沛的季风降水不利于地表增温， 从而抑制了感热通量的增加。荒漠草地潜热通量占净辐射的比例最低， 仅为11%， 感热通量约为其3倍； 半干旱草地感热通量占比最大， 达35.8%， 约为潜热通量的1.8倍。荒漠草地和半干旱草地均缺乏降水， 土壤干燥， 植被和地表的蒸散不及感热通量对大气的加热（张强等， 2012）， 净辐射以感热形式加热大气。
表4 不同下垫面各能量支出项与净辐射的关系

Table 4 Relations between energy expenditure and net radiation on different underlying surface

下垫面 LE与Rn H与Rn G与Rn
斜率 截距 /(W·m-2) 决定系数 P值 斜率 截距 /(W·m-2) 决定系数 P值 斜率 截距 /(W·m-2) 决定系数 P值
高寒草甸 0.42 28.36 0.76 <0.05 0.19 -4.11 0.78 <0.05 0.14 -26.77 0.36 <0.05
荒漠草地 0.11 16.55 0.53 <0.05 0.27 15.13 0.70 <0.05 0.40 -30.11 0.66 <0.05
玉米农田 0.37 15.94 0.71 <0.05 0.13 -0.40 0.53 <0.05 0.14 -15.10 0.54 <0.05
半干旱草地 0.19 22.88 0.59 <0.05 0.36 7.53 0.84 <0.05 0.41 -36.54 0.77 <0.05
地表土壤热通量的大小能够在一定程度上决定地表温度的高低， 而地表温度的高低又与感热通量的变化息息相关。半干旱草地土壤热通量的贡献最大， 占净辐射的41%， 其次为荒漠草地， 占比达到39%， 而高寒草甸和玉米农田土壤热通量占净辐射的比例仅为14%（图4）， 这表明半干旱草地和荒漠草地感热通量占净辐射的比例大于高寒草甸和玉米农田， 也就是说， 前两类典型下垫面土壤的热交换更为充分， 太阳辐射的加热作用对土壤的热量贡献更大。

3.4　能量分量影响因子

Bowen比对因水分条件不同引起的热平衡分配变化的反映较为直观， 而蒸散系数恰好能够对下垫面的蒸散状况做出大致的评估。所以， 为了表征不同陆面过程的气候特征， 进一步了解地表能量分配， 本文计算了7 -9月10:00 -16:30不同下垫面Bowen比和蒸散系数均值（图5）。从Bowen比的月均值［图5（a）］来看， 高寒草甸与玉米农田变化趋势相似， 3个月平均值均小于1.0， 且玉米农田3个月平均值最小； 荒漠草地大于同期其余下垫面， 其中7月已超过2.5； 半干旱草地变化幅度最大， 7月时其值超过2.0， 9月已降至0.7。整体来看， 高寒草甸和玉米农田Bowen比呈上升趋势， 荒漠草地受降水影响略有浮动， 但大体和半干旱草地的变化趋势一致， 二者均呈下降态势。蒸散系数的变化［图5（b）］与Bowen比相反， 相较于其他下垫面， 荒漠草地3个月的蒸散系数基本一致， 约为0.22； 高寒草甸7 -9月的蒸散系数变化幅度较小， 其值在0.5~0.6之间波动； 玉米农田和半干旱草地蒸散系数的变化程度相近， 但玉米农田更为平缓。总体来看， 7 -9月四类典型下垫面中， 高寒草甸和玉米农田蒸散系数呈下降趋势， 半干旱草地持续上升， 荒漠草地下降幅度不大。事实上， 蒸散量的变化会影响净辐射对湍流通量分量的分配（杨泽粟等， 2018）， 蒸散量越大， 转化为潜热通量的净辐射就会越多， 从而Bowen比越小。
图5 2008年7 -9月不同下垫面各月Bowen比(a)及蒸散系数(b)

Fig.5 Monthly Bowen ratios (a) and evapotranspiration coefficients (b) of different underlying surfaces from July to September 2008

此外， Bowen比能够综合反映能量分配特征， 也是陆面模式中的关键参数， 研究典型下垫面Bowen比的变化及其环境影响因子， 对认识我国北方陆气相互作用有重要意义。7 -9月荒漠草地、 7 -8月半干旱草地的Bowen比均大于1.0， 说明荒漠草地夏季主要通过感热形式加热大气； 半干旱草地7、 8月以感热通量为主导， 9月则由潜热通量主导。这与上文能量分量的分配特征得出的结论基本一致。
为了探讨影响Bowen比的气象环境因子， 本文建立了其与气象要素的线性关系。图6反映了气象要素对不同下垫面Bowen比的影响。地-气温差是地表感热的主要贡献者， 二者之间存在正相关关系（张杰等， 2013）， 它对不同下垫面Bowen比的影响程度随气候背景的变化而变化。四类典型下垫面地-气温差均与Bowen比呈正相关关系， 半干旱草地受地-气温差的影响最大， 其 R 2 = 0.64， 其次为玉米农田（ R 2 = 0.52）， 高寒草甸Bowen比与地-气温差相关性较弱（ R 2 = 0.06）。
图6 不同下垫面Bowen比的环境影响因子

Fig.6 Environmental impact factors with Bowen ratios of different underlying surface

饱和水汽压差与玉米农田Bowen比基本无关， 与高寒草甸呈较弱的负相关关系（ R 2 = 0.12）， 与荒漠草地和半干旱草地呈正相关关系， R 2分别为0.12和0.56。导致这种差异的原因是水汽和温度对饱和水汽压差的影响。当下垫面水分充足时， 较高的温度和饱和水汽压差会加速植被的蒸腾， 蒸散量随之增加， 导致潜热通量占净辐射的比例增加， Bowen比减小； 但当下垫面水分受到限制时， 较高的温度和饱和水汽压差会降低植被叶片及冠层的气孔导度， 减少水分的流失（Liu and Feng， 2012）， 使得蒸散量降低， Bowen比增加。
风速对水分蒸发和作物蒸腾具有重要作用（王姝等， 2015）， 它对Bowen比的影响主要通过对蒸散的影响实现。高寒草甸和荒漠草地平均风速对Bowen比有消极影响， 即Bowen比随风速的增加而减小； 玉米农田与Bowen比基本不相关； 半干旱草地与Bowen比呈较弱的正相关关系（ R 2 = 0.14）。风速是控制地表蒸发的空气动力学分量之一。理论上， 平均风速的降低会造成蒸散的减少， 但半干旱草地平均风速与蒸散之间的负相关关系表明平均风速并非影响该下垫面蒸散的主导因素（杨振常等， 2012）， 并有研究（Yue et al， 2019； Yang et al， 2019）指出， 东亚干旱半干旱地区蒸散对太阳辐射更加敏感。
综上， 影响高寒草甸Bowen比的气象环境因子主要为平均风速和饱和水汽压差， 荒漠草地受平均风速及地-气温差的制约， 玉米农田与地-气温差的关系最好， 半干旱草地主要受地-气温差和饱和水汽压差的影响。
气象环境因子会对植被的生长状况产生宏观影响。植被变化不仅会影响叶面的蒸腾和蒸发， 也会改变地表反照率和粗糙度以间接影响能量分配（赵靖川和刘树华， 2015）。研究植被变化对Bowen比的响应， 实质上是通过植被生长与湍流通量之间的关系进一步分析不同类型植被下垫面对能量分配的影响。不同类型植被下垫面感热、 潜热的差异是降水、 辐射、 地气温差、 风速等因素共同作用的结果， Bowen比对这一分配结果的反映更为综合。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）作为表征植被性态的遥感物理量， 能够有效表征植被的叶面积指数、 覆盖率及蒸散率等动态特征， 被广泛用作地上生产力的替代指标。在讨论上述问题时， 该指数可使不同植被类型之间具有可比性， 在体现不同类型下垫面能量分配差异的同时， 也能找到他们之间的关联性。如表5所示， 分别考虑了不同下垫面NDVI对湍流通量的影响， 发现除荒漠草地的NDVI与湍流通量相关性不明显外， 其余各站都表现为较好的相关性。高寒草甸、 玉米农田、 半干旱草地的潜热通量均随NDVI的增加而增加， 其中高寒草甸、 玉米农田的潜热通量与NDVI相关性最好， 决定系数均达到0.82； 相应地， 这三种下垫面的感热通量与NDVI呈现负相关关系， 其中玉米农田感热通量与NDVI的相关性表现最好， 决定系数为0.75。综合考量典型下垫面湍流通量与NDVI的关系（图7）可以看出， 潜热通量与NDVI呈正相关关系， 其值随NDVI增加； 相反地， 感热通量与NDVI呈负相关关系。从各下垫面散点的分布上可以看出， NDVI越高， 植被生命活动越旺盛， 从而导致蒸散量增加， 转化为潜热通量的净辐射增多， 感热通量占净辐射的比率相对减小。这与文小航等（2014）得出的结论一致。以上分析进一步表明， 湍流通量占净辐射的百分比受植被生长状态、 覆盖率等因素的影响， 植被生长状态越好， 覆盖率越大， 潜热通量在能量分配中起的作用就越大， Bowen比的大小也将随之变化。Bowen比和NDVI之间的关系能够体现不同类型植被下垫面能量分配过程的差异和联系（图8、 9）， 并且可以使用指数模型加以解释。图8说明了各典型下垫面NDVI对Bowen比的影响， 即Bowen比随NDVI的增加以不同速率非线性减小， 最后趋于稳定。图9给出的四类下垫面NDVI和Bowen比的总趋势也与上述分析一致， 表明潜热通量对大气的加热是有上限的， 当下垫面水分充足且空气处于非饱和状况下， 蒸散量接近潜在蒸散量， 湍流通量占净辐射的比例达到最大， Bowen比维持在稳定水平。这也从另一个方面说明， 下垫面Bowen比越小， 气候越湿润。
表5 单一下垫面NDVI与湍流通量的线性回归参数

Table 5 Parameters of the linear regression between the turbulent flux and NDVI for single underlying surface

下垫面 LE与NDVI H与NDVI
斜率 截距(W·m-2) 决定系数 P值 斜率 截距(W·m-2) 决定系数 P值
高寒草甸 506.22 -15.15 0.82 <0.05 -92.57 122.83 0.25 >0.05
荒漠草地 43.38 50.01 0.01 >0.05 151.69 97.22 0.09 >0.05
玉米农田 280.20 15.62 0.82 <0.05 -129.06 129.72 0.75 <0.05
半干旱草地 91.57 68.49 0.10 >0.05 -343.92 264.24 0.22 >0.05
图7 典型下垫面NDVI与湍流通量的关系

Fig.7 The relationship between NDVI and turbulent flux for typical underlying surface

图8 单一下垫面NDVI对Bowen比的影响

Fig.8 The influence of NDVI on Bowen ratio of single underlying surface

图9 Bowen比随归一化植被指数的变化曲线

Fig.9 Variation curve of Bowen ratio with normalized difference vegetation index

观察图8还发现方程回归系数随下垫面水汽的增加而逐渐减小， 各典型下垫面NDVI与Bowen比的指数回归方程可以写为一般形式
y = a e b x
式中： a为常数项； b为斜率。回归系数a、 b的大小与下垫面类型密切相关。图10分别总结了4种典型下垫面平均NDVI和回归系数a、 b的关系， 发现两系数都随Bowen比的增长非线性减小。在已知NDVI的情况下， 通过该图能快速估计不同下垫面的波文比， 并大致确定下垫面类型。
图10 非线性回归系数与NDVI的关系

Fig.10 The relationship between the coefficient of nonlinear regression and normalized difference vegetation index

4 结论与讨论

利用中国干旱半干旱区实验观测协同与集成研究资料， 研究了我国北方2008年7 -9月不同下垫面类型的地表能量分配主要特征及其环境影响因子， 并分析了典型下垫面能量分量的日变化特征， 阐明了能量闭合度对下垫面类型的依赖性， 讨论了不同地-气界面间气象因素和植被指数在能量分配过程中的差异。得到的主要结论如下：
（1） 典型下垫面地表能量各分量呈单峰型变化趋势， 具有明显的日变化特征。高寒草甸潜热通量均值最大， 达81.45 W·m-2， 玉米农田净辐射均值最大， 为130.33 W·m-2， 荒漠草地地表土壤热通量均值最大， 为4.32 W·m-2， 感热通量均值最大的为半干旱草地， 为42.56 W·m-2。
（2） 各下垫面地表能量均不平衡， 相比于可利用能量， 湍流通量被低估了。半干旱草地的地表能量闭合程度最高， 其能量闭合度最接近理想状况， 达91%； 玉米农田的地表能量闭合程度最低， 仅为62%； 荒漠草地能量闭合度为70%， 略高于玉米农田； 高寒草甸地表能量闭合度为71%。
（3） 玉米农田及高寒草甸的潜热通量在能量分配中占主导地位， 荒漠草地、 半干旱草地通过感热通量加热大气。高寒草甸潜热通量占净辐射的比例达42%， 半干旱草地感热通量占净辐射的比例为36%。半干旱草地土壤热通量的贡献最大， 占净辐射的41%， 其次为荒漠草地， 比例达到39%， 高寒草甸土壤热通量占净辐射的比例最低， 仅为14%。
（4） 饱和水汽压差、 地-气温差是影响Bowen比的主要气象因子， Bowen比随NDVI的增加呈非线性减小的趋势。半干旱草地Bowen比对地-气温差（R2=0.64）、 饱和水汽压差（R2=0.56）的响应都较好； 玉米农田Bowen比受地-气温差（R2=0.52）的影响； 荒漠草地Bowen比的大小受制于平均风速（R2=0.23）及地-气温差（R2=0.29）； 高寒草甸Bowen比受平均风速（R2=0.10）和饱和水汽压差（R2=0.12）的影响， 但相关性较弱。
（5） NDVI均与湍流通量有较好的相关关系， 其中潜热通量随NDVI增加， 感热通量与NDVI呈负相关关系。各典型下垫面Bowen比和NDVI的回归方程系数与NDVI均值也呈指数减小关系， 二者决定系数均超过0.8。
本文只讨论了夏季晴天不同下垫面的能量闭合状态和能量分配特征， 并没有考虑其他天气条件、 其他季节、 甚至更长时间尺度上的能量平衡； 此外， 本文仅订正了0~5 cm的土壤存储热对能量平衡的影响， 没有考虑因能量通量的损失、 植被冠层和空气中的热量存储以及测量误差等引起的能量不闭合， 因此， 地表能量的完全闭合问题还需进一步的研究。

中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室和季风亚洲全球变化区域集成研究计划为本文研究提供了资料， 在此表示感谢。

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