长白山阔叶红松林冬季雪面蒸发特征*李辉东1,2摇关德新1**摇王安志1摇吴家兵1摇金昌杰1摇施婷婷3(1
森林与土壤生态国家重点实验室,中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110164;2中国科学院大学,北京100049;3南京
信息工程大学,南京210044)
摘摇要摇利用2002—2005年冬季积雪期涡度相关水汽通量和微气象观测资料,对长白山阔叶红松林雪面蒸发动态及其与气象因子的关系进行分析.结果表明:该涡度相关观测系统积雪期能量平衡闭合度为79.9%,潜热通量占净辐射的21.4%.研究期间,该区蒸发日变化呈单峰曲线形式,蒸发速率在融雪期大于稳定积雪期.30min平均蒸发速率与净辐射呈线性关系,与气温呈二次曲线关系;蒸发日总量与净辐射呈二次曲线关系,与气温呈指数关系.积雪期蒸发日总量呈下降鄄稳定鄄上升的动态变化趋势,且上升期>下降期>稳定期,蒸发日总量最大值为0.73mm·d-1,最小值为0.004mm·d-1.2002—2003、2003—2004和2004—2005年
积雪期蒸发总量分别为27.6、25.5和22.9mm,占同期降水量的37.9%、19.5%和30.0%,平均蒸发日总量分别为0.17、0.19和0.17mm·d-1.
关键词摇涡度相关摇雪面蒸发摇潜热摇日变化摇气象因子文章编号摇1001-9332(2013)04-1039-08摇中图分类号摇P464;S715摇文献标识码摇ACharacteristicsofevaporationoverbroadleavedKoreanpineforestinChangbaiMountains,NortheastChinaduringsnowcoverperiodinwinter.LIHui鄄dong1,2,GUANDe鄄xin1
,WANG
An鄄zhi1,WUJia鄄bing1,JINChang鄄jie1,SHITing鄄ting3(1StateKeyLaboratoryofForestandSoil
Ecology,InstitudeofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110164,China;2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3NanjingUniversityofInforma鄄
tionScience&Technology,Nanjing210044,China).鄄Chin.J.Appl.Ecol.,2013,24(4):1039-1046.
Abstract:Basedonthemeasurementdataofwatervaporfluxbyopen鄄patheddycovariancesystemandofthemicrometeorologicalfactorsinbroad鄄leavedKoreanpineforestinChangbaiMountainsduringthesnowcoverperiodfrom2002to2005,thispaperanalyzedthedynamicsofsnowcoverevaporationandtherelationshipsbetweentheevaporationandmeteorologicalfactors.Theenergybalancedratioduringthesnowcoverperiodwas79.9%,andthelatentheatfluxaccountedfor21郾4%ofnetradiation.Thediurnalvariationoftheevaporationpresentedasingle鄄peakcurve,andtheevaporationrateduringsnow鄄meltingperiodwashigherthanthatduringstablesnowcoverperi鄄od.Thehalf鄄hourevaporationpresentedlinerrelationshipwithnetradiationandquadraticrelation鄄shipwithairtemperature.Thedailyevaporationpresentedquadraticrelationshipwithnetradiationandexponentialrelationshipwithairtemperature.Thedailyevaporationpresentedadynamictrendofdecreasing鄄stable鄄increasing,withthemaximumatincreasingstageandtheminimumatstablestage.Themaximumvalueofthedailyevaporationwas0.73mm·d-1,andtheminimumvaluewas0.004mm·d-1.Duringthesnowcoverperiodsof2002-2003,2003-2004and2004-2005,theannualevaporationwas27.6,25.5,and22.9mm,accountingfor37郾9%,19.5%,and30郾0%oftheprecipitationinthesameperiods,respectively.Themeanvalueofthedailyevaporationinthethreeperiodswas0.17,0.19,and0.17mm·d-1,respectively.
Keywords:eddycovariance;snowevaporation;latentheat;diurnalvariation;meteorologicalfactor.
*国家自然科学基金项目(41105112,31240041,31070546,30970483)资助.**通讯作者.E鄄mail:dxguan@iae.ac.cn2012鄄09鄄25收稿,2013鄄01鄄28接受.
应用生态学报摇2013年4月摇第24卷摇第4期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇ChineseJournalofAppliedEcology,Apr.2013,24(4):1039-1046摇摇积雪具有独特的辐射和热力学特征,强烈影响地表的能量平衡[1-2]、大气环流和区域水量平衡[3-4],是区域乃至全球气候的主要影响因素之一[5-6],包括雪面蒸发在内的陆地表层积雪动态变化及其影响研究已成为当今气候学、水文学和生态学研究的热点[7-8].目前,全球季节性积雪覆盖约34%的地球表面,积雪时间长达26周[6],相较于生长季,尽管冬季雪面蒸发速率较小,但由于覆盖面广且积雪时间较长,故蒸发总量较大.因此,研究雪面蒸发对于正确理解区域水文过程和水量收支平衡、合理开发利用水资源、应对全球变化与水资源安全具有重要意义.我国稳定积雪区达420伊104km2,其中,包括内蒙古在内的东北地区多达120伊104km2[9],是我国季节积雪水资源的主要蕴藏区之一.目前,中国关于积雪蒸发研究主要集中在天山和青藏高原等西部地区[10-11],对东北区域的积雪蒸发至今没有研究报道.长白山区常年积雪,作为中国北部积雪季节最长的地区之一,长白山区年均积雪日数达170d以上[9],是东北积雪区的典型代表,研究长白山区的积雪蒸发特征有助于理解东北区域的能量与水量平衡特征,可为应对气候变化和水资源短缺提供理论依据.本文基于长白山阔叶红松林2002—2005年冬季积雪期涡度相关水汽通量和微气象观测资料,测定冬季雪面蒸发量,并分析其动态特征及其与气象因子的关系.1摇研究地区与研究方法1郾1摇研究地概况本研究在中国科学院长白山森林生态系统定位站1号标准地阔叶红松林内进行(42毅24忆N,128毅6忆E,海拔738m),该区年均气温3郾6益,最冷月(1月)平均气温-18郾6益,极端低温可达-32益,年均降水量695mm,其中,冬季降雪可达131mm,年积雪期长达170d.研究区地势平缓、均质,有足够的风浪区长度(大于500m).林下为山地暗棕色森林土,主要建群种有红松(Pinuskoraiensis)、椴树(Tiliaamurensis)、蒙古栎(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)和色木槭(Acermono).林分为复层结构,平均株高26m,立木约560株·hm-2,总蓄积量380m3·hm-2.1郾2摇观测方法观测点建有高62m的微气象观测塔,开路涡度相关系统(OPEC)安装在40m高度,包括三维超声风速仪(CSAT3,Campbell,USA)和CO2/H2
O红外气
体分析仪(Li7500,LiCorInc,USA),脉动信号采样频率为10Hz,通过数据采集器(CR5000,Campbell,USA)采集并按30min计算通量平均值进行存储.
塔上还安装了7层气象要素传感器,高度分别为2郾5、8、22、25郾5、32、50、62m,测量要素有空气温湿
度(HMP45C,Vaisala,Helsinki,Finland),林地土壤温度的测量深度分别为0、5、20、50、100cm(105Tand107T,Campbell,USA),在林内5cm土壤深处
安置2个土壤热通量板(HFP01,HFP01SC,Hukse鄄Flux,Netherlands)测量土壤热通量,原始采样频率
为2Hz,通过数据采集器(CR10X鄄TD,CR23X鄄TD,Campbell,USA)采集并按30min计算平均值进行
存储.同时,在长白山森林生态系统定位站森林气象观测场同步进行温湿风压和雪深的气象常规观测.1郾3摇数据处理与质量控制
1郾3郾1数据阈值判定摇降水、凝露等天气,落在OPEC系统传感器感应窗口的水滴会导致测量值异
常,需要对采集的数据进行阈值判断.根据当地冬季气候特征,各项观测值的合理取值范围规定为:净辐射(-200,800),土壤热通量(-100,100),气温(-35,30),潜热(-100,250),显热(-150,500).
1郾3郾2储热量的计算摇储热量变化(吟Q)公式如下:吟Q=Sa+Sv+Ss+Sg+G(1)
式中:Sa为观测高度下的气层储热量变化;Sv为植被储热量变化;Ss为积雪储热量变化;Sg为表层土壤(5cm以上)储热量的变化;G为深层土壤
(5cm以下)储热量的变化.G由安装在林内土壤5cm深处的土壤热通量板直接测量,Sa、Sv、Ss和Sg