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user: 3. 结果分析 3.1. 局地气象要素特征分析 图2(a)~(c)为2015年8月锦州农田旱地近地层2 m气温、相对湿度月变化和日变化情况；图2(d)~(f)为盘锦芦苇湿地近地层2 m气温、相对湿度月变化和日变化情况。锦州玉米旱地8月近地层2m气温平均值为24.2℃，日平均最高气温为34.8℃，最低气温为15.5℃，最大日较差可达15.5℃左右；同纬度的盘锦芦苇湿地8月近地层2 m气温平均值为25℃，日平均最高气温为28.7℃，最低气温为21.6℃，最大日较差为7.1℃。可见，盘锦芦苇湿地日平均最高气温与锦州农田旱地相差较大。芦苇湿地由于地表有水层灌溉，水体的比热容较大，因此湿地的气温调节能力较强，在高温时具有降温作用。相比之下，玉米旱地土壤热容量较小。因此，在辐射条件相同的条件下，玉米旱地在白天的升温速率和夜间的降温速率均大于芦苇湿地。由于仪器及观测问题，盘锦芦苇湿地通量站8月2 m相对湿度的观测数据不连续，且观测误差较大。本文选择通量站临近的大洼气象站点的2 m相对湿度观测值进行分析。锦州玉米旱地8月近地层2 m相对湿度平均值为74.8%，日平均最最低值为25%；盘锦芦苇湿地区8月近地层2 m相对湿度平均值为78.9%，日平均最低值为40%。可以看出，由于水文和植被蒸腾作用的差异，8月盘锦芦苇湿地近地层2 m相对湿度整体高于锦州玉米旱地。 选取2015年8月10~11日为代表，分析两站的2 m气温和相对湿度日变化情况，所选时间段内两站均为晴天，无降水过程。图2(c)、图2(f)分别为两地区2 m气温/相对湿度日变化图。可以看出，两地的日2m气温和相对湿度均呈单峰型变化，两地区的2 m气温日最低气温均出现在04:00前后，之后开始逐渐上升，最高气温大约出现在12:00~14:00。相对湿度的变化趋势与气温的变化趋势相反，这是因为气温升高使得空气中的水气压和饱和水汽压同时增大，但是由于饱和水气压的增量更大，相对湿度反而减小。2 m相对湿度最大值一般在日出前，约在06:00时，之后逐渐减小，于14:00左右达到最小值，之后逐渐增大。 图2. 2 m气温相对湿度变化(图(a)、(b)、(c)为2015年8月锦州农田旱地近地层2 m气温、相对湿度月变化和日变化情况；图(d)、(e)、(f)为2015年8月盘锦芦苇湿地近地层2 m气温、相对湿度月变化和日变化情况) 辽宁环渤海地区位地处欧亚大陆东岸，属典型的季风气候，受海陆热力性质差异的影响，该地区在夏季以偏南风为主导风向。图3(a)为2015年8月锦州玉米旱地日平均风速风向玫瑰图。该图表明锦州玉米旱地8月以偏南风为主导风，月平均风速为1.6 m/s。通过图3(b)可以看出，锦州站风速风向日变化呈明显的海陆风的日变化特征。白天时该地区风向为偏南风，夜间气温逐渐降低，近地层湍流交换作用减弱，加之地面摩擦的消耗作用，使得近地层风速几乎为零。日出以后，边界层湍流作用加强，风速逐渐增大。盘锦芦苇湿地通量站由于地处沿海地区，风速较大，月平均风速为2.6 m/s。该地区风向风速日变化同样符合海陆风日变化规律，白天以偏南风为主，夜间以偏北风为主；受近地层湍流交换作用的影响，日间风速逐渐增大，夜间风速逐渐降低。 降水是使土壤湿度变化的主要因子，因此本文将降水与土壤湿度共同分析。受降水补给的影响，锦州夏季土壤湿度很快升高，土壤湿度极大值一般出现在8月中旬。2015年8月锦州玉米旱地2层土壤湿度相差不大，5 cm土壤湿度的变化范围为：0.27~0.34 m 3 /m 3 ，其平均值为0.18 m 3 /m 3 ；10 cm土壤湿度变化范围为：0.26~0.33 m 3 /m 3 ，其平均值为0.20 m 3 /m 3 。由图4(a)可以看出，土壤湿度的变化与降水相对应，降水发生后，浅层土壤湿度对降水响应迅速，而在较深层，受渗透作用影响，土壤湿度变化有一定的滞后性；在天气持续晴好条件下，受蒸散过程的影响，浅层土壤水分蒸发，5 cm土壤湿度持续减小，10 cm土壤湿度变化不如5 cm土壤强烈，土壤湿度减小速率较小；在阴天或相对湿度较高的天气条件下，土壤湿度日变化不大。由于盘锦湿地生态系统野外观测站从地表往下每10 cm采集一次土壤湿度数据，故本文只对2015年8月盘锦芦苇湿地10 cm土壤湿度月变化特征进行分析。8月盘锦芦苇湿地的土壤湿 图3. 风向风速变化(图(a)锦州站风玫瑰图；图(b)锦州站风向风速日变化时序图；图(c)盘锦站风玫瑰图；图(d)盘锦站风向风速日变化时序图) 图4. 土壤湿度日变化(图(a)锦州站各层土壤湿度日变化、图(b)盘锦站10 cm土壤湿度日变化) 度均大于0.64 m 3 /m 3 ，接近饱和状态。此时，盘锦芦苇水稻田正处于生长季蓄水期，受季节性淹水的影响，土壤湿度整体较大，处于一年中较高水平。降水发生时，10 cm土壤湿度同样迅速增大，但是由于土壤湿度接近饱和，增量较小。土壤湿度降低的原因与锦州玉米旱地相同，主要为蒸散损失。 土壤温度是陆气相互作用中的一个重要参量，它能直接或间接的制约地表长波辐射，净辐射，以及土壤与大气的感热通量等能量交换过程。图5(a)、图5(b)为2015年8月锦州农田旱地土壤温度月变化和日变化情况；图5(c)、图5(d)为盘锦芦苇湿地土壤温度月变化和日变化情况。锦州玉米旱地由于土壤热容量较大，加之夏季长时间的热量积累，5 cm土壤温度与10 cm土壤温度相差不大，其8月土壤温度平均值分别为25.4℃和25.5℃；盘锦芦苇湿地由于地表有水体灌溉，热容量较大，土壤温度较低，5 cm土壤温度月平均值为23.9℃，10 cm土壤温度月均值为23.6℃。受太阳辐射的影响，土壤温度日变化趋势与太阳短波辐射的变化趋势相同，呈准正弦特征。白天时，土壤吸向下的太阳短波辐射，温度不断上升，浅层土壤(5 cm)于14时左右到达峰值；夜间由于蒸散作用和湍流运动等的影响，土壤将白天吸收 图5. 土壤温度变化(图(a)、(b)为2015年8月锦州农田旱地通量站各层土壤温度月变化和日变化情况；图(c)、(d)为2015年8月盘锦芦苇湿地通量站各层土壤温度月变化和日变化情况) 的热量传射给大气，土壤温度逐渐减小，于06时左右到达谷值。较深层土壤温度变化振幅小于浅层土壤，相位滞后2~3小时。在降水发生后，由于蒸发潜热较强，土壤温度明显下降，但是降温过程存在一定的滞后性。结合图4可以看出，8月19~20日锦州、盘锦地均发生了一次较大的降水过程，此后土壤温度明显降低。 3.2. 地表辐射特征分析 地表辐射和能量平衡是近地层陆面与大气进行物质和能量交换的驱动力。地表吸收的辐射主要来自太阳短波辐射和大气长波辐射。由于盘锦站在观测过程中对地表辐射分量数据缺失，故本文仅对锦州玉米旱地通量站的地表辐射和地表能量特征进行分析。 向下短波的最大值一般出现在夏季，锦州和盘锦通量站近乎位于同一纬度，海拔高度也几近相同，因此两地的向下短波差异主要受云和降水等因素的影响。选取8月10日~8月13日为个例分析锦州玉米旱地地表辐射特征(图6)，其中8月10日~8月11日存在一次降水过程，8月12日~8月13日为晴天。夜间时，无向下短波辐射，日出后其逐渐增大，一般在13:00~14:00时达到峰值，随后逐渐减小。在晴天条件下，向下短波辐射呈现完美的弧形，锦州站向下短波辐射日变化峰值在1000 W/m 2 左右。由于受对流云系的影响，向下短波辐射有明显的突然降低现象。锦州站向上短波辐射日变化情况与向下短波辐射基本一致，但辐射强度较低，其日变化峰值在170 W/m 2 左右。向上长波辐射日变化峰值在520 W/m 2 左右，向下长波辐射日变化峰值在420 W/m 2 左右，与向上长波辐射相比，向下长波辐射日变化振幅较小。受太阳辐射影响，日出后，地表吸收太阳辐射而升温，向上长波辐射逐渐增大，在12:00~14:00左右达到峰值，向下长波辐射的日变化特征与向上长波辐射的日变化特征趋势基本一致，但是稍有稍滞。 2015年8月锦州农田旱地下垫面净辐射月平均值为122.2 W/m 2 ，其变化范围为：−87.9 W/m 2 ~746.3 W/m 2 。地表净辐射峰值无明显的增大或减小趋势时，说明此时天气气候条件较为稳定。净辐射日变化呈 图6. 2015年8月10~13日锦州通量站地表辐射四分量及净辐射变化(图(a)地表辐射四分量，图(b)净辐射) 典型的单峰型，其峰值在760 W/m 2 左右，显略小于锡林郭勒、吉林榆中、内蒙古、锡林浩特、内蒙古站等半干旱地区的观测结果。净辐射的日变化特征与向下短波辐射的日变化特征基本相同。夜间时，净辐射通量为负值，说明此时地表向大气传输能量，夜间净辐射平均值为−72.2 W/m 2 。 地表反照率是地表能量平衡中的关键参数之一，它决定了地表吸收太阳辐射的能力。地表在接受太阳辐射的同时也会以一定的比率向上反射太阳辐射。地表反照率一般可表示为太阳总辐射与反射太阳辐射之比。下垫面类型、太阳高度角及天气情况都会对地表反照率产生影响。2015年8月，不计算夜间数据的锦州玉米旱地反照率月平均值为0.15。图7为锦州玉米旱地地表反照率的日变化特征，其中图7(a)为晴天个例的反照率变化特征；图7(b)为存在降水过程时反照率的变化特征。图7(a)中反照率呈明显的“U”型变化，日出时反照率较大，之后逐渐减小，傍晚又逐渐增大。出现这种变化特征的原因是：清晨时，太阳高度角较小，地表反照率较大，加之此时锦州通量站的昼夜温差较大且夜间风速接近于零，这种气象条件容易使水汽在植被叶面上凝结形成露珠。由于水的反射更强，也会致使日出时反照率增大，日出后太阳高度角不断增大、水汽逐渐蒸发，反照率有所降低。图7(b)为阴雨天时地表反照率的变化情况，可以看出阴天时地表反照率变化较小，且呈不规律变化。 图7. 锦州玉米旱地表反照率变化(图(a)晴天时地表反照率日变化、图(b)阴雨天时地表反照率日变化) 3.3. 地表能量特征分析 在陆面过程中，地表和大气之间的能量交换过程是影响气候变化和大气环流的重要因子。向下的太阳短波辐射和大气长波辐射是地表能量的主要来源。地表能量交换过程主要包括地表辐射平衡和地表热量平衡。由于地理位置，地表特征(土壤性质，植被覆盖)等因素的不同，不同地区的地表能量交换特征也不尽相同。 在气象学中，一般认为潜热通量是下垫面与大气之间水分的热交换，是大气中水发生相变时引起的能量交换。锦州农田下垫面潜热通量月平均值为70 W/m 2 ，夜间潜热通量平均值为−42 W/m 2 ；盘锦站潜热通量日均值变化范围为406.6 W/m 2 ~−251.4 W/m 2 ，月平均值为96.6 W/m 2 ，夜间感热通量平均值为−35.8 W/m 2 。夏季时，两通量站周围的农作物都处于生长季，较为茂盛。因此，叶面潜热不是导致两地感热通量存在差异的主要原因。此时的地表潜热通量主要以土壤蒸发潜热为主，由于盘锦站此时处于水稻蓄水期，蒸发量较大，使得该地区潜热通量较大。此外，降水也是引起潜热通量变化的原因，降水时，潜热通量增大。 感热是近地层中因温度变化致使大气和下垫面之间产生湍流运动，进而引起的地表和大气之间的能量交换过程。夏季感热通量最大值显著大于其他季节。晴天时地表能量通量以感热为主，阴天或存在降水过程时，感热降低。夜间时，由于地表温度低于近地层空气温度，空气将能量传到地表，此时的感热通量为负值，锦州玉米旱地夜间感热通量平均值为−42.4 W/m 2 ，最大值为−411.9 W/m 2 ，盘锦芦苇湿地夜间感热通量平均值为−43.4 W/m 2 ，最大值为−161.1 W/m 2 ，此时能量由大气向地表向下传递。夏季锦州农田旱地感热通量平均值为26.2 W/m 2 ；盘锦芦苇湿地感热通量平均值为13.4 W/m 2 。两地区感热通量显著小于潜热通量，这说明辽宁环渤海地区夏季地表和大气之间的能量传输以潜热输送为主，与文小航 [ 13 ] 等对于东北地区夏季辐射特征的研究结果相符。 观测试验都会存在能量不闭合的问题，本文采用能量闭合比率EBR法(energy balance ratio)及最小二乘法来对锦州玉米旱地农田通量站地表能量闭合度进行分析。地表能量平衡方程可以用用式1表示 H + L E = R n − G − S − Q (1) 其中G为地表热通量，S为植被冠层间储量的热量，Q为其他形式的热源(汇)。锦州通量站下垫面植被类型为玉米作物，植被冠层较低，S和Q可忽略不计。由于土壤热通量板放置时距离地表有一定的埋深，地表热通量很难直接测量，因此可以由式2通过5 cm土壤热通量计算出地表热通量 G = G z + ∫ 0 z C s ∂ T ∂ t d z (2) G z 为深度为z处的土壤热通量；T为深度为z处的土壤温度；C s 为土壤体积热容量，本文所用的深度为5 cm。C s 可由以下公式计算得 C s = ( 1 − η s ) ρ s C s + η w ρ w C w (3) 土壤体积热容量为单位干土壤体积热容量与单位体积土壤中所含液态水热容量之和。 ( 1 − η s ) ρ s C s 为干土壤体积热容量，锦州农田下垫面土壤类型为棕壤，查表得其对应的C s 为2400 KJ/(m 3 ·K)， η w 为5 cm处单位体积土壤含水量， ρ w 为液态水的密度， C w 为液态水的比热容。经计算，锦州玉米旱地通量站地表热通量月均值为6.4 W/m 2 。 地表能量闭合比率BER可以表示为 EBR = ∑ ( H + L E ) ∑ ( R n − G ) (4) 即湍流通量和有效能量的比值。经计算，在考虑夜间时次、忽略冠层及土壤热量储存的情况下，锦州通量站的能量闭合率为0.76。图8为考虑夜间时次，锦州玉米旱地通量站2015年8月全天的能量闭合度分析。 图8. 地表能量闭合率 地表能量不闭合问题是地表能量观测系统的通病，国内外的几乎所有的观测试验都存在能量不闭合的问题。造成地表能量不平衡的因素诸多，比如辐射分量观测误差，涡度观测系统不满足理想的假设条件，植被冠层及土壤中的热存储量误差，下垫面的平流误差及中尺度对流误差，仪器误差等。