夏季太湖表面辐射和能量通量特征观测分析朴美花;刘寿东;王咏薇;俞晓亮;王伟;肖薇;曹畅;徐家平【摘要】利用太湖表面2012年6～8月的辐射和湍流通量观测资料,分析了太湖夏季晴天辐射平衡和能量平衡各组分的日变化特征.结果表明:①2012年夏季晴天太湖表面向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射日平均值分别为282.6、19.5、425.8、478.6 W/m2,反照率日平均值为0.05;②夏季晴天净辐射、感热通量、潜热通量和热储项日平均值分别为210.3、3.8、121.8、5.7 W/m2;③夏季晴天感热通量白天为负最小值为-13.4 W/m2,夜间为正最大值为17.3 W/m2.潜热通量晴天白天最大值达到216.6 W/m2,是能量平衡分配的主导;与陆地下垫面不同的是,夜间潜热通量仍保持正值.热储项白天为正,夜间为负,约60％的能量以潜热的形式消耗.天气过程出现时,湖体稳定的正温层被打破,累积热储项急剧减少.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)019【总页数】7页(P1-7)【关键词】太湖;太阳辐射;热储项;反照率;能量通量【作者】朴美花;刘寿东;王咏薇;俞晓亮;王伟;肖薇;曹畅;徐家平【作者单位】南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;太湖流域水文水资源监测中心,无锡214024;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044;南京信息工程大学大气环境中心,南京210044【正文语种】中文【中图分类】P461.5湖泊对气候变化有敏锐的指示作用[1]。
与陆地相比，湖泊能够储存更多的太阳辐射能，其热缓冲作用对区域天气和气候具有重要影响[2，3]。
随着我国工业化、城镇化的进程加速，大量湖泊遭到了不合理开发利用，引发了一系列生态问题和气候变化[4，5]，这些情况对气候变化的响应都反映在地表辐射平衡和能量平衡过程当中。
以地表辐射平衡和能量平衡为主的能量交换过程是地-气相互作用的重要环节，而湖水的热传导性质和粗糙度的不同直接导致湖-气交换与陆-气交换差异显著，因此探讨湖泊表面辐射平衡和能量平衡特征对缓解湖泊的生态压力具有重要意义。
测量水热通量的微气象学方法包括波文比-能量平衡法、通量梯度法、推理建模法以及涡度相关法[6]等。
不同于前三种方法，涡度相关法在计算过程中几乎不存在任何的假设[7]。
涡度相关法1951年由Swinbank首次提出并验证[8]，经过几十年的发展，已经成为直接测量湍流通量最可靠的方法，也是全球水循环研究中通量测定的标准方法[9]。
我国涡度相关法的应用始于20世纪90年代初，王介民等[10]、李家伦等[11]、马耀明等[12]在陆面过程研究中，都应用涡度相关法计算了水热通量并取得较好效果。
国外关于涡度相关法的应用研究较多，在湖泊表面能量通量方面，Rouse等[13]对Great Slave湖5年的涡度相关数据进行了分析，Liu等[14]验证了密西西比湖7个月的涡度相关数据。
此外，Elo等[15]运用通量梯度法研究了瑞典两个较小湖泊的能量平衡;Lewis等分析了巴伦西亚湖的热机制、混合和热通量[16];Richter D.等对德国两个湖泊的辐射和能量平衡特征进行了分析[17]。
近几年来，涡度相关法在太湖的应用研究也在不断增多，肖薇等针对不同湖区分析了湖-气之间的动量和水热交换系数[18]，邓斌等用气象数据驱动调优的离线浅水湖泊模型得到水热通量，并与涡度相关法得到的水热通量进行了对比验证[19]。
然而，大部分湖-气能量交换的研究主要集中于美国五大湖、瑞士日内瓦湖和其他大湖，这些湖泊大多是位于中高纬度的深水湖，而对于纬度偏南的浅水湖泊的研究相对较少。
太湖位于江苏省南部，是中国第三大淡水湖泊，面积2338 km2，平均水深1.94 m，最深处2.65 m，具有纬度偏南浅水湖泊的代表性。
本项研究利用太湖避风港观测平台2012年6～8月的辐射和通量观测资料，分析并重点阐述夏季太湖表面辐射及能量通量特征，为深入研究太湖地区陆面过程与天气气候的相互影响以及气候变化的物理机制提供科学依据，也为大型浅水湖泊辐射和能量平衡变化特征研究提供参考。
1 研究方法1.1 试验观测方法观测平台位于太湖东部距岸4 km的避风港1号(31°10＇28″N，120°24＇01″E，见图 1)，水上观测平台通量观测站(BFG)于2011年12月15日安装并开始观测。
图1 太湖东部避风港1号观测平台位置及观测系统Fig.1 Position and observation system of observation platform bifenggang1 on east Lake Taihu涡度相关系统架设在距离湖面8.5 m高度处，主要测量三维风速和大气中水汽、二氧化碳浓度，采样频率为10 Hz。
系统由三维超声风速仪(CSAT3，Campbell Scientific Inc.，Logan，UT，USA)和开路的红外气体分析仪(LI 7500，Li-Cor Inc，Lincoln，NE，USA)组成;动量通量、感热通量和潜热通量由一系列10 Hz的数据以30 min为间隔计算得到。
为较好的匹配观测数据，所有的观测仪器的数据输出步长均设置为30 min。
辐射平衡的四组分是通过净辐射仪(CNR4，Kipp＆ Zonen B.V.，Delft，The Netherlands)测量得到。
采用小气候系统(Dynakmet，Dynamax Inc.，Houston，TX，USA)测量距湖面 8.5 m 高度的气温、相对湿度、风速及风向等气象要素。
采用水温计(109-L，Campbell Scientific Inc.，Logan，UT，USA)测量湖深 20、50、100、150 cm 和底泥的温度。
1.2 数据的后处理及质量控制研究使用2012年6～8月(Day of Year:153～244)的通量和水温观测数据并进行如下处理:(1)由于涡度相关系统结构复杂，当内部电路、电源不稳定，仪器故障或外部空气中存在雨滴、尘粒以及仪器表面受蜘蛛网干扰时，会产生野点值，需对这部分数据进行剔除;通过2次坐标旋转来消除平常垂直风速不为零的情况;由于超声风速仪测得的超声虚温高于实际的空气温度，这就高估了利用虚温计算的感热通量，因此通过虚温订正对此加以修正;采用wpl校正来修正空气密度效应[20]。
(2)运用质量传输方程对缺测及剔除的通量数据进行插补[21]。
(3)已有的研究指出，BFG站2012年1～8月的月平均能量通量闭合度为71%[22]，符合国际上大多数生态观测系统的地表能量闭合程度70%～90%[20]，数据质量较好。
(4)考虑到水温计的精确度，水体热容量的计算可能会造成随机误差，因此，在计算热储项之前，通过对水温计观测数据做三点滑动平均来降低噪声带来的影响[23]。
1.3 晴天的确定研究采用晴空指数作为晴天的判断标准。
晴空指数(clearness index，kt)是指一定太阳高度角下地表所接受的太阳总辐射S(W/m2)与地球大气层上方平行于地表面上接受的太阳总辐射Se(W/m2)的比值，计算公式为[24]式(2)中，Ssc为太阳常数(1370 W/m2)，td为日序数(Julian day)，β为太阳高度角。
通过以下三个步骤判断晴天[24]:①绘制晴空指数的时间序列图，分别找出晴空指数随时间光滑变化的上、下午(以北京时间12点作为上、下午分界);②在第一步的基础上，绘制所选上、下午晴空指数随太阳高度角正弦值的变化曲线，分析其变化趋势，并去除偏离趋势线的上、下午数据;③绘制出研究时段内晴空指数随太阳高度角正弦值的变化曲线，进一步验证由前两步判断得到的晴天上、下午，以确保找出的晴天上、下午晴空指数随太阳高度角正弦值的变化与其他样本有较明显的界限，即图中非晴天样本位于晴天样本的下方。
最终确定研究时段内的晴天上午和下午分别为:6月13日下午、7月22日上午、7月25日上午、7月26日上午、7月29日上午、7月30日上午、8月12日上午和 8月18日。
1.4 湖泊表面能量平衡方程及热储项的计算1.4.1 湖泊表面能量平衡方程湖泊表面能量平衡方程为[25]:式(3)中，Rn为净辐射，ΔQ为热储项，H为感热通量，λE为潜热通量，ΔQB为底部沉积物的热通量，ΔQF为湖泊入流、出流带走的热通量，ΔQP为降雨导致的热通量。
由于后三项难以通过观测直接得到，同时对于30 min的时间尺度，也很难计算出他们的精确值，所以对此不作重点分析，暂时略去这三项，方程(3)可简写为式(4)中，Rn-ΔQ为有效能量，H+λE为湍流能量，通量量纲为W/m2。
1.4.2 热储项湖泊水体的热储项由湖水平均温度计算得到[26]，湖水平均温度计算公式为式(5)中，z是测量处湖体的深度;n(=5)为传感器个数;Twi为深度i处的水温;Δzi为两个i分割点间的距离。
热储项进而由公式(6)计算得到式(6)中，ρW是水的密度，cPW=4192 J/(kg·K)是水的比热容，Δ是水体平均温度随着时间Δt(30 min)的变化。
2 结果分析图2 2012年6～8月太湖表面辐射平衡四分量的逐日变化Fig.2 Daily variationof four components of radiation balance in Lake Taihu from June to August 2012K↓为向下短波辐射，K↑为向上短波辐射，L↓为向下长波辐射，L↑为向上长波辐射2.1 太湖表面夏季辐射平衡特征2012年6～8月太湖表面辐射平衡四分量的逐日变化如图2所示。
从图2中可以看出，太湖表面夏季晴天太阳短波辐射峰值高达976 W/m2，阴天不足200W/m2，这部分能量大部被湖水吸收;湖面反射短波辐射相对较少，在0～85W/m2之间变化;向上、向下长波辐射日变化较小，平均值变化分别为468.4W/m2和432.4 W/m2。
2012年6～8月太湖表面晴天辐射平衡四分量的平均日变化见图3。
由图3可知，太湖表面夏季晴天辐射四分量基本对称于正午，向下、向上短波辐射和向下、向上长波辐射日平均值分别为282.6、19.5、425.8、478.6 W/m2。
湖面反照率对湖-气辐射交换平衡具有重要作用，其量值的确定对于研究湖面热力性质具有重要意义。
2012年6～8月晴天太湖表面反照率的平均日变化见图4。
从图4中可以看出，白天反照率值随着太阳高度角的变化呈U形分布，日平均值为0.05，反照率值上午大于下午，日变化相对于正午时刻呈现出不对称性，这种现象称为反照率的日滞后效应[24，25]。