遼河三角洲濕地能量交換特征

摘要：為探究遼河三角洲濕地能量交換特征，利用中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地盤錦水稻試驗站2019年的觀測數(shù)據(jù)，分析盤錦濕地稻田平均場特征和感熱通量、潛熱通量以及輻射收支情況。結(jié)果表明，研究區(qū)年平均氣溫10.9 ℃，年降水量747.8 mm，降水主要發(fā)生在5—9月，約占年降水量的88.7%；全年以西南風為主，其次為東北風，春季風速較大，其他季節(jié)風速較小。各季節(jié)感熱通量和潛熱通量最大值均集中在中午，感熱通量在春季最大，全年平均值為9.26 W/m2；潛熱通量集中在5—9月，年平均值為53.39 W/m2。太陽總輻射是影響凈輻射的主要因素，各季節(jié)凈輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向下短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向上短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季。在濕地與大氣的能量交換中，全年以潛熱交換為主，其中春季和夏季以感熱交換為主，秋季和冬季以潛熱交換為主；Bowen比與風速、蒸散系數(shù)與飽和水汽壓差呈正相關(guān)，蒸散系數(shù)與風速呈負相關(guān)，Bowen比隨飽和水汽壓差的增加先迅速減小后緩慢增加至趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：濕地；能量交換；遼河三角洲；特征

中圖分類號：P425.2+3 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）09-0052-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.09.010 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Energy exchange characteristics of wetlands in the Liaohe River Delta

MIAO Jing1，2， YANG Tong-yu2，3， YI Xi-yan1，2， SUN Lin-lin1，2， YUAN Chao1，2， ZHAO Shuo1，2

（1. Panjin National Climate Observatory， Panjin 124010， Liaoning， China；2.Panjin Meteorological Bureau， Panjin 124010， Liaoning，China；

3. Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing Center of Liaoning Province， Shenyang 110166， China）

Abstract： To explore the energy exchange characteristics of wetlands in the Liaohe River Delta， the observation data from the Panjin Rice Experiment Station of the Northeast Ecological and Agricultural Meteorological Field Scientific Experiment Base of the China Meteorological Administration in 2019 were used to analyze the average field characteristics， sensible heat flux， latent heat flux， and radiation budget of paddy fields in Panjin Wetland. The results showed that the average annual temperature in the study area was 10.9 ℃， and the annual precipitation was 747.8 mm. Precipitation mainly occurred from May to September， accounting for about 88.7% of the annual precipitation；throughout the year， southwest winds dominated， followed by northeast winds. The wind speed was higher in spring and lower in other seasons. The maximum sensible heat flux and latent heat flux in each season were concentrated at noon， while the sensible heat flux was highest in spring， with an average annual value of 9.26 W/m2；the latent heat flux was concentrated from May to September， with an annual average of 53.39 W/m2. The total solar radiation was the main factor affecting net radiation， and the net radiation in each season showed the order of spring>summer>autumn>winter；the downward shortwave radiation was manifested as spring>summer>autumn>winter；upward shortwave radiation was manifested as spring>summer>winter>autumn. In the energy exchange between wetlands and the atmosphere， latent heat exchange was dominant throughout the year， with sensible heat exchange being dominant in spring and summer， and latent heat exchange being dominant in autumn and winter；the Bowen ratio was positively correlated with wind speed， evapotranspiration coefficient and saturated vapor pressure difference， and the evapotranspiration coefficient was negatively correlated with wind speed. The Bowen ratio first rapidly decreased and then slowly increased to stabilize with the increase of saturated vapor pressure difference.

Key words： wetland； energy exchange； Liaohe River Delta； characteristic

陸氣相互作用是氣候系統(tǒng)中的重要物理過程，其對于區(qū)域性天氣和氣候有重要影響［1，2］。陸氣之間物質(zhì)與能量交換可以表征地面與大氣之間相互作用的強弱，也是影響大氣運動的重要因素，其時空變化也決定著水文和氣候環(huán)境的變化［3-5］。

地形、海拔、植被覆蓋和土壤類型等的差異會導致不同的陸面過程，同時陸面和大氣之間持續(xù)不斷地進行水分與能量交換［6-8］。潛熱通量與感熱通量是陸氣傳輸過程中的2個重要因素，也是下墊面熱量平衡方程的重要影響因子，是氣象學和大氣物理學的研究重點［9-11］。濕地是珍貴的自然資源，具有不可替代的生態(tài)系統(tǒng)功能，享有“地球之腎”美譽。濕地對區(qū)域氣候有重要的調(diào)節(jié)作用［12］，與大氣之間通過感熱、潛熱、動量和CO2等能量交換相互作用，形成特有的濕地生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域氣候環(huán)境［13，14］。三江平原濕地系統(tǒng)［15］、青海湖高寒嵩草甸濕地［16］、黃河源區(qū)高寒草地［17］、黃河三角洲地區(qū)［18］等濕地生態(tài)系統(tǒng)都已經(jīng)開展了關(guān)于地表能量平衡和水熱通量變化的觀測研究和特征分析，并探討影響物質(zhì)和能量交換的主要因素，在濕地、大氣相互作用的觀測研究上取得一定進展。水稻濕地作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要類型，其能量平衡研究也具有重要意義。然而，目前在水稻濕地能量平衡研究方面還存在一些問題需要進一步探討。首先，水稻濕地的能量平衡特征及其影響因素尚不十分清楚。水稻濕地的生態(tài)環(huán)境復雜，其能量平衡受多種因素的影響，如水稻生長狀況、水位變化、氣象條件等。因此，深入研究水稻濕地的能量平衡特征及其影響因素，對于揭示水稻濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換規(guī)律具有重要意義［19-21］。

全球氣候變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響日益顯著，而水稻濕地作為其中的重要組成部分，其能量平衡特征在全球氣候變化背景下的響應機制也需要進一步探討。這將有助于深入了解水稻濕地生態(tài)系統(tǒng)的能量交換規(guī)律，為濕地生態(tài)保護和修復提供科學依據(jù)。因此，本研究利用中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地盤錦水稻試驗站2019年1—12月的觀測數(shù)據(jù)，分析盤錦市水稻濕地平均場特征和感熱、潛熱通量以及輻射收支情況，以反映遼河三角洲濕地能量交換特征。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河三角洲地處遼河、大遼河入?？诮粎R處，屬于大陸性半濕潤的溫帶季風氣候，四季分明，雨熱同期，5—9月盛行西南風，降水集中在7—9月，年日照時數(shù)為2 697.61 h［22］。盤錦濕地稻田（40°40′—41°27′N，121°30′—122°30′E）是遼河三角洲的主體，位于雙臺河口自然保護區(qū)［23］。

中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地盤錦水稻試驗站位于盤錦濕地稻田內(nèi)（圖1），以水稻生態(tài)系統(tǒng)為研究對象。場內(nèi)的主要觀測儀器包括梯度觀測系統(tǒng)，觀測包括風向、風速、太陽總輻射、凈輻射、光和有效輻射、氣溫、土壤溫度、土壤熱通量等；渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)主要觀測瞬時三維風速、水汽絕對密度、超聲虛溫、CO2絕對密度、氣壓等；雨量筒用于觀測降水量。通過渦動相關(guān)通量和梯度觀測系統(tǒng)的長期觀測和試驗，研究盤錦市水稻濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，揭示濕地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的能量交換規(guī)律與機制［24］。

1.2 方法

為了深入理解生態(tài)系統(tǒng)的能量和水分交換過程，研究地表能量平衡和水分循環(huán)至關(guān)重要。為準確計算各通量，采用以下算法。

[H=ρCpwT′v] （1）

[LE=Lρwq] （2）

[Rn=SRd-SRu+LRd-LRu] （3）

式中，H為感熱通量（單位：W/m2）；LE為潛熱通量（單位：W/m2）；Rn為凈輻射（單位：W/m2）；[ρ]、[Cp]、L分別為空氣密度、空氣比熱容、水汽化潛熱。[w]、[T′v]、[q]分別為垂直速度、空氣虛溫和比濕的脈動值。SRd、SRu、LRd、LRu分別為向下短波輻射（太陽總輻射）、向上短波輻射（地表反射輻射）、向下長波輻射（大氣逆輻射）和向上長波輻射（地表長波輻射）。

Bowen比可以表征陸面過程的氣候特征，通過Bowen比能量平衡方法可以估算湍流熱量和水汽通量［25］，較好地反映生態(tài)系統(tǒng)的干濕狀況［26］ 和潛熱、感熱通量在能量分配中的貢獻度［27］。

[β=HLE] （4）

[Kc=LELE+H] （5）

式中，β為Bowen比，是垂直方向上溫度梯度和濕度梯度的函數(shù)；Kc為蒸散系數(shù)，表示植物對水分利用的效率；H為感熱通量；LE為潛熱通量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

觀測資料選取2019年1—12月的數(shù)據(jù)，使用Eddypro軟件對渦動相關(guān)資料進行處理，具體處理流程參照文獻［28，29］。

對Eddypro軟件輸出的30 min通量值進行篩選，剔除儀器出錯時的數(shù)據(jù)，剔除超出正常數(shù)據(jù)范圍的異常值，剔除夜間弱湍流的數(shù)據(jù)（摩擦速度u*小于0.15 m/s）［30］，對潛熱通量剔除降水前后1 h的數(shù)據(jù)。經(jīng)過質(zhì)控后感熱通量有效數(shù)據(jù)為75%，潛熱通量有效數(shù)據(jù)為67.6%，符合數(shù)據(jù)缺失的可控比率。

經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制后，對通量數(shù)據(jù)中的缺失值采用平均晝夜變化法進行估算。具體而言，日間時段的缺失數(shù)據(jù)參考缺失時刻前后14 d內(nèi)同一時刻的平均值來進行插值；而對于夜間時段的缺失數(shù)據(jù)，則采用缺失時刻前后7 d內(nèi)同一時刻的平均值進行插值處理［31］。這種方法有助于確保估算結(jié)果的準確性和可靠性。

依據(jù)研究區(qū)的實際氣候狀況，將季節(jié)劃分為4季：3月、4月、5月為春季，6月、7月、8月為夏季， 9月、10月、11月為秋季，12月、1月、2月為冬季。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均場特征

2.1.1 氣溫、降水量、土壤溫度、土壤相對濕度 氣溫、降水量、土壤溫度和土壤相對濕度等環(huán)境因素對水稻的生長都有重要影響。由圖2可知，氣溫與土壤溫度全年變化趨于一致，年平均氣溫10.9 ℃，最高氣溫30.9 ℃，最低氣溫-18.4 ℃；夏季土壤溫度略高于氣溫（最高土壤溫度32.1 ℃）。年降水量747.8 mm，降水主要發(fā)生在5—9月，約占全年降水量的88.7%。夏季隨著降水量的增加，土壤相對濕度也明顯增加，且保持較高濕度，入秋后土壤相對濕度逐漸下降，冬季土壤相對濕度偏低，初春土壤相對濕度有明顯的波峰，這與冬季積雪融化有密切關(guān)系。

2.1.2 風向、風速 圖3顯示2019年盤錦濕地稻田在不同季節(jié)風向和風速的分布特征。春季和夏季，主風向均為西南風，占比分別為55.0%和54.8%，其中春季較大，風速集中在4～8 m/s，最大風速超過10 m/s；夏季風速與春季相比較小，風速集中在2～6 m/s。秋季和冬季主導風向均為西南風和東北風，占比分別為36.8%、36.9%和34.1%、33.3%，風速集中在2～6 m/s。全年以西南風為主（45.7%），其次為東北風（27.5%），如表1所示。

2.2 感熱通量和潛熱通量的變化特征

研究區(qū)感熱通量大值區(qū)集中在春季（3—5月）（圖4a），日平均最大值為71.77 W/m2（5月17日），日平均最小值為-36.21 W/m2（11月21日），年平均值為9.26 W/m2。潛熱通量大值區(qū)集中在春末到秋初的植物生長季（5—9月）（圖4b），日平均最大值為164.36 W/m2（7月4日），日平均最小值為-0.22 W/m2（1月12日），年平均值為53.39 W/m2，生長季植被和土壤水分蒸發(fā)強烈，濕地向上輸送水汽充足，因此生長季潛熱通量較大。

感熱通量和潛熱通量的日變化均呈單峰型結(jié)構(gòu)（圖5）。夜間時，由于地面長波輻射，地表溫度低于近地層空氣溫度，空氣將能量傳到地表，此時的感熱通量為負值（圖5a）；白天時，由于太陽輻射增強，感熱通量明顯增加，各季節(jié)最大值集中在11：00— 12：30。春季感熱通量峰值明顯高于其他季節(jié)，此時植物仍未生長，冬季積雪已融化蒸發(fā)，土壤比熱容小，升溫快，感熱通量較大，最大值為152.93 W/m2；夏季植物生長茂盛，降水豐沛，土壤相對濕度大，比熱容增大，升溫慢，感熱通量低于其他季節(jié)。

潛熱通量日平均變化在不同季節(jié)均為正值（圖5b），即濕地生態(tài)系統(tǒng)的水汽全天向上輸送，表明該濕地水分充足、水循環(huán)活躍、生態(tài)系統(tǒng)完善。夏季潛熱通量明顯高于其他季節(jié)，由于水汽充足，受太陽輻射加熱影響，蒸發(fā)強烈，大量水汽從地表向上輸送至大氣，最大值為213.41 W/m2；冬季土壤含水量較低，潛熱通量較小，尤其在夜間潛熱通量幾乎為零。春秋兩季潛熱通量變化基本保持一致，各季節(jié)最大值集中在10：00—12：30。

感熱通量逐月變化波動較?。▓D6a），春季較大，其他季節(jié)較小，其中4月感熱通量均值最大（29.49 W/m2），9月最?。?4.4 W/m2）。潛熱通量呈單峰曲線變化（圖6b），且各月的潛熱通量均值均為正值，其中6月最大（102.14 W/m2），1月最?。?.49 W/m2）。冬季濕地凍結(jié)，植物凋萎，潛熱通量接近于零；春季冰雪融化，潛熱通量逐漸增加；春末隨著東亞夏季風建立，氣溫不斷升高，伴隨降水量的增加，濕地表面濕度和土壤濕度增加，蒸發(fā)能力增強，濕地生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量明顯增大，夏季（6—8月）潛熱通量達到最大；秋季植物進入枯萎期，氣溫逐漸降低，枝葉枯黃導致植物蒸騰能力減弱，且土壤蒸發(fā)量也減少，導致潛熱通量逐漸減小。

2.3 輻射收支情況

盤錦濕地稻田生態(tài)系統(tǒng)各季節(jié)輻射收支情況日變化特征均表現(xiàn)為單峰曲線（圖7）。凈輻射變化與地表受到的向下短波輻射變化趨勢基本一致，說明太陽總輻射是影響凈輻射的主要因素。凈輻射的產(chǎn)生和累積發(fā)生在白天，日出后隨太陽輻射的增強，凈輻射增強，中午12：00左右達到最大值，午后逐漸減弱。各季節(jié)凈輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向下短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向上短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；向下長波輻射表現(xiàn)為春季>秋季>冬季>夏季；向上長波輻射表現(xiàn)為春季>冬季>夏季>秋季，各季的區(qū)別較小。夏季凈輻射小于春季，是由于夏季降雨頻發(fā)，陰雨天云層遮蓋以及水面反射等原因，導致太陽總輻射減少，凈輻射較小［32］；而冬季、春季向上長波輻射較大與積雪覆蓋的高反射率有關(guān)。

2.4 感熱通量和潛熱通量的能量占比

凈輻射主要以潛熱和感熱方式加熱大氣，因此分析感熱通量、潛熱通量與凈輻射的關(guān)系對地表能量平衡有重要意義［33］。通過分析發(fā)現(xiàn)（圖8，表2），在濕地與大氣的能量交換中，全年以潛熱交換為主，其中春季和夏季以感熱交換為主，秋季和冬季以潛熱交換為主；在春季和秋季，感熱交換和潛熱交換差異較大。

2.5 Bowen比和蒸散系數(shù)的影響因子

為探尋能量通量與氣象因子的關(guān)系，選取飽和水汽壓差和風速與Bowen比和蒸散系數(shù)做相關(guān)性分析（圖9）。在飽和水汽壓差小于0.3 kPa時，Bowen比隨飽和水汽壓差增加而迅速減小，在飽和水汽壓差超過0.3 kPa后Bowen比略有回升，之后Bowen比保持平穩(wěn)（圖9a）；在風速小于3 m/s時，Bowen比呈微弱的下降趨勢，在風速超過3 m/s后Bowen比逐漸增加（圖9b）。蒸散系數(shù)隨飽和水汽壓差增加而增加，當飽和水汽壓差超過1.5 kPa后蒸散系數(shù)維持穩(wěn)定（圖9c）；蒸散系數(shù)隨風速的增大而緩慢減?。▓D9d）。

飽和水汽壓差是飽和水氣壓與空氣中實際水汽壓的差值，影響植物氣孔閉合，進而控制植物蒸騰和光合等生理過程，對盤錦濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸散過程有促進作用。風速描述了濕地生態(tài)系統(tǒng)平均場的風速特征，與Bowen比呈正相關(guān)，與蒸散系數(shù)呈負相關(guān)。

3 小結(jié)

利用中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地盤錦水稻試驗站2019年1—12月的觀測數(shù)據(jù)，分析盤錦濕地稻田平均場特征和感熱、潛熱通量以及輻射收支情況，以反映遼河三角洲濕地能量交換特征，得到如下結(jié)論。

1）研究區(qū)年平均氣溫10.9 ℃，最高氣溫30.9 ℃，最低氣溫-18.4 ℃，氣溫與土壤溫度全年變化趨于一致；年降水量747.8 mm，降水主要發(fā)生在5—9月，約占全年降水量的88.7%，表現(xiàn)為雨熱同季的溫帶季風氣候。全年以西南風為主，其次為東北風，春季風速較大，其他季節(jié)相對較小。

2）感熱通量和潛熱通量的日變化均呈單峰型結(jié)構(gòu)，各季節(jié)感熱通量最大值集中在11：00—12：30，潛熱通量最大值集中在10：00—12：30。感熱通量在春季（3—5月）最大，其中4月最大（29.49 W/m2），9月最?。?4.4 W/m2），年平均值為9.26 W/m2。潛熱通量集中在春末到秋初的植物生長季（5—9月），6月最大（102.14 W/m2），1月最?。?.49 W/m2），年平均值為53.39 W/m2。春末隨著東亞夏季風建立，氣溫不斷升高，伴隨降水量的增加，濕地表面濕度和土壤濕度增加，蒸發(fā)能力增強，濕地生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量明顯增大；秋季植物進入枯萎期，氣溫逐漸降低，枝葉枯黃導致植物蒸騰能力減弱，且土壤蒸發(fā)量也減少，導致潛熱通量逐漸減小。

3）各季節(jié)輻射收支情況日變化特征均表現(xiàn)為單峰曲線，凈輻射變化與地表受到的向下短波輻射變化趨勢基本一致，說明太陽總輻射是影響凈輻射的主要因素。各季節(jié)凈輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向下短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季；向上短波輻射表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季；向下長波輻射表現(xiàn)為春季>秋季>冬季>夏季；向上長波輻射表現(xiàn)為春季>冬季>夏季>秋季，各季的區(qū)別較小。

4）在濕地與大氣的能量交換中，全年以潛熱交換為主，其中春季和夏季以感熱交換為主，秋季和冬季以潛熱交換為主；在春季和秋季，感熱交換和潛熱交換差異較大。Bowen比、蒸散系數(shù)與飽和水汽壓差、風速有很好的相關(guān)關(guān)系，其中Bowen比與風速、蒸散系數(shù)與飽和水汽壓差呈正相關(guān)，蒸散系數(shù)與風速呈負相關(guān)，Bowen比隨飽和水汽壓差的增加先迅速減小后緩慢增加至趨于穩(wěn)定。

致謝：感謝中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地盤錦水稻試驗站提供的數(shù)據(jù)支持。

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收稿日期：2023-12-12

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFF0801301）；科技部科技基礎資源調(diào)查項目（2019FY0101302）；遼寧省氣象局指導計劃項目（ZD202446）；盤錦市氣象局氣象科研課題（PJ202306）；國家自然科學基金青年項目（42305013）；中國氣象局氣象能力提升聯(lián)合研究專項（23NLTSQ002）

作者簡介：苗 靜（1986-），女，遼寧營口人，工程師，碩士，主要從事生態(tài)氣象研究，（電話）18342321531（電子信箱）408918131@qq.com；通信作者，孫琳琳（1987-），女，遼寧盤錦人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究，（電話）15004275215（電子信箱）87311725@qq.com。

苗 靜，楊同宇，易希延，等. 遼河三角洲濕地能量交換特征［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2024，63（9）：52-59．