本文關(guān)鍵詞： 地表熱通量 土壤熱通量 組合法 通量板 梯度法 熱特性模型 熱脈沖技術(shù)　出處：《中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：地表熱通量是耦合大氣和土壤間能量傳輸過(guò)程的重要參數(shù),是地表能量平衡中不可忽略的重要分量。地表熱通量通常利用組合法測(cè)定:使用通量板法或梯度法測(cè)定地表下一定深度的土壤熱通量,結(jié)合上伏土層熱儲(chǔ)量,計(jì)算地表熱通量。在理論上,通量板法容易產(chǎn)生測(cè)定誤差,但極少有研究進(jìn)行誤差定量化分析;測(cè)定者常忽略梯度法土壤熱導(dǎo)率參數(shù)的時(shí)間變異性,也會(huì)造成較大誤差;土壤熱導(dǎo)率模型有潛力用于監(jiān)測(cè)熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化,進(jìn)而結(jié)合梯度法測(cè)定土壤熱通量,但田間條件下實(shí)際測(cè)定表現(xiàn)和主要誤差來(lái)源有待評(píng)價(jià)和分析;目前應(yīng)用組合法需要分別在室內(nèi)和田間測(cè)定多項(xiàng)參數(shù),過(guò)程繁瑣,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,限制了組合法的田間應(yīng)用。有研究表明,土壤和地表熱通量測(cè)定誤差和不確定性已成為地表能量平衡等相關(guān)研究的主要誤差源之一。針對(duì)這些問(wèn)題,本研究結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和田間測(cè)試,定量化分析通量板法和基于熱導(dǎo)率模型的梯度法主要測(cè)定誤差,探索校正誤差的有效方法。此外,基于多針熱脈沖傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)組合法應(yīng)用方面的簡(jiǎn)化。主要研究結(jié)論如下:第一,對(duì)通量板法的室內(nèi)和田間測(cè)試結(jié)果表明,熱流偏斜是通量板主要測(cè)定誤差來(lái)源。在田間近地表土層,土壤熱導(dǎo)率數(shù)值相對(duì)較大且變異性強(qiáng),而通量板熱導(dǎo)率通常較小且為定值,兩者熱導(dǎo)率差異很大,造成顯著的熱流偏斜誤差,是導(dǎo)致常規(guī)型號(hào)通量板低估2-10 cm深度土壤熱通量(誤差達(dá)4.3-30.9 W m~(-2))的主要原因。使用Philip(1961)校正方法使誤差減小至3.3~(-2)0.8 W m~(-2),校正效果有限,通量板參數(shù)取值不準(zhǔn)確是主要限制因素;使用室內(nèi)實(shí)測(cè)通量板參數(shù)代替廠商給定值,誤差減小至3.2-8.2W m~(-2),校正效果得以改進(jìn)。HFP01SC型自校正通量板在較深土層(6-10 cm深度)有效排除了熱流偏斜的干擾(測(cè)定誤差僅2.3-6.4 W m~(-2));在近地表區(qū)域(2 cm深度),由于其尺寸較大(直徑8cm),阻礙了近地表土壤水分傳輸和耦合的熱流運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致通量板周圍土壤溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)被擾動(dòng),造成通量板高估土壤熱通量達(dá)17.3 W m~(-2)。另外,自校正加熱過(guò)程中釋放熱量嚴(yán)重干擾了通量板電壓信號(hào),導(dǎo)致測(cè)定誤差高達(dá)150 W m~(-2)。為利用自校正通量板獲取準(zhǔn)確的土壤熱通量數(shù)據(jù),建議選擇在6 cm甚至更深土層進(jìn)行埋設(shè)和測(cè)定,同時(shí)舍棄加熱過(guò)程中和加熱后短時(shí)間內(nèi)(5-10 min)采集的電壓信號(hào)。第二,土壤熱導(dǎo)率在近地表區(qū)域時(shí)間變異性強(qiáng),取熱導(dǎo)率為固定值導(dǎo)致梯度法測(cè)定土壤熱通量的誤差高達(dá)16.9-43.6Wm~(-2)。田間測(cè)試結(jié)果表明,熱導(dǎo)率模型(Lu等,2014)可用于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)土壤熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)(誤差為0.05-0.08 Wm-1℃-1),并結(jié)合梯度法獲取了可靠的土壤熱通量信息(誤差8W m~(-2))。大多數(shù)田間定位實(shí)驗(yàn)提供土壤含水量、容重和質(zhì)地等模型輸入?yún)?shù),為模型應(yīng)用提供了條件。誤差分析結(jié)果表明,由于忽略0-5 cm 土層容重動(dòng)態(tài)變化(25 d內(nèi)增大0.12 g cm-3),模型和梯度法在近地表2cm測(cè)定誤差(分別為0.08 W m-1℃-1和7.6 W m~(-2))大于深層土壤(6-10 cm)誤差。使用動(dòng)態(tài)容重代替固定容重,模型和梯度法測(cè)定誤差分別減小38%和22%,測(cè)定表現(xiàn)得到有效改進(jìn)。此外,忽略小時(shí)尺度上土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化也容易限制模型和梯度法準(zhǔn)確性,在本研究中一次降雨前后導(dǎo)致土壤熱通量被低估6 W m~(-2)(累積低估0.54MJ m~(-2))。在近地表土壤干濕交替過(guò)程中,建議使用田間原位監(jiān)測(cè)技術(shù)(如TDR技術(shù))充分捕捉含水量在短時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化,提高模型和梯度法結(jié)果準(zhǔn)確性。運(yùn)用熱導(dǎo)率模型時(shí),測(cè)定者常使用砂粒含量代替石英含量,對(duì)熱導(dǎo)率模擬和熱通量測(cè)定帶來(lái)較大不確定性。建議使用單點(diǎn)校正方法排除這一潛在誤差的影響。第三,基于組合法原理,提出了一種利用多針熱脈沖傳感器田間條件下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表熱通量的新方法。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,多針熱脈沖傳感器測(cè)定值與獨(dú)立方法結(jié)果高度一致(差異5Wm~(-2)),且具有同時(shí)、原位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤熱通量、熱儲(chǔ)量和地表熱通量的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將探針使用量由11根減至5根,在保證地表熱通量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí),可進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)采集量,簡(jiǎn)化測(cè)定過(guò)程。忽略熱儲(chǔ)量是組合法測(cè)定地表熱通量最大的誤差來(lái)源,在本研究5d測(cè)試期內(nèi)導(dǎo)致低估地表熱通量32.3 Wm~(-2)(累積低估2.6 MJ m~(-2)),且造成相位嚴(yán)重滯后(2h)。另外,為減小重復(fù)測(cè)定潛熱通量的可能性,建議選擇≥ 50 mm深度測(cè)定土壤熱通量。本研究定量分析了組合法主要測(cè)定誤差和誤差范圍,明確了現(xiàn)有誤差校正方法的主要限制因素和改進(jìn)對(duì)策,提出了多項(xiàng)減小測(cè)定誤差的建議和措施,并利用新型熱脈沖傳感器簡(jiǎn)化了組合法的應(yīng)用,研究結(jié)果為準(zhǔn)確測(cè)定土壤和地表熱通量提供了科學(xué)指導(dǎo)和參考,有助于推進(jìn)農(nóng)、林、氣象等多個(gè)學(xué)科相關(guān)研究的順利進(jìn)行。
[Abstract]:The surface heat flux is an important parameter of coupling between atmosphere and soil energy transfer process, is an important component of the surface energy balance can not be ignored. Usually use a combination of surface heat flux determination: soil heat flux depth using flux plate method or gradient method for the determination of the ground, the combination of underlying soil heat storage, calculation of surface heat flux. In theory, flux plate method prone to measurement error, but few studies have quantified analysis error; Determination of people often ignore the time variation of gradient method of soil thermal conductivity parameters, will cause greater error; the soil thermal conductivity model has the potential for monitoring the dynamic changes of thermal conductivity, and the determination of soil heat flux combined with the gradient method, but the actual measured performance under field conditions and main error sources to evaluation and analysis; application of combined method needs multiple parameters determined in the laboratory and field at present, the process of Tedious, time-consuming, field application limits the combination method. Studies have shown that soil and surface heat flux measurement error and uncertainty has become one of the main sources of error of the surface energy balance and so on. To solve these problems, this study combined with laboratory experiment and field test, the quantitative analysis of flux plate method and gradient method thermal conductivity model based on effective measurement error, a method of error correction is explored. In addition, the multi needle heat pulse sensor based on the simplified application of combination method. The main conclusions are as follows: first, the laboratory and field test results of flux plate method shows that the heat flux plate deflection is main determination error sources. The near surface soil layer, soil thermal conductivity is relatively high and strong variability, and flux plate thermal conductivity is usually small and constant, the thermal conductivity differences, resulting in significant partial heat flux 鏂滆宸，

本文編號(hào)：1508923