所有的能量都去哪了？利用密集塔网络量化平流能量通量

《Agricultural and Forest Meteorology》：Where has all the energy gone? Quantifying advective energy fluxes with a dense tower network

　　

摘要：涡度协方差（EC）方法用于测量陆地表面与大气之间的能量和质量交换，总体上测得的入射能流大于出射能流。研究表明，次级环流可能对此能量不平衡负有部分责任。通过密集塔架网络量化平流能流，可能会捕捉到能量收支中缺失的部分。在本研究中，我们调查了是否以及在何种条件下，可以从 CHEESEHEAD19 实验期间取得的高密度塔架测量网络中估计感热和潜热的平流通量。我们将水平和垂直插值方法应用于温度和湿度测量，以计算 CHEESEHEAD19 域内每个 EC 测量站点之间的水平和垂直梯度。这些梯度用于量化水平和垂直平流能流。包含平流通量后，15 个站点中有 6 个站点的能量收支闭合情况得到改善，而其余站点显示能量不平衡增加（5 个）或过度校正（4 个）。结果表明，更大的测量空间密度和替代的垂直速度测量方法可能允许改进平流估计。

引言：需要准确和广泛的表面 - 大气能量通量测量来改善天气和气候模型。然而，测量地表能量收支的所有成分仍然是一个科学挑战。特别是，广泛用于测量陆地表面与大气之间能量和质量通量的涡度协方差（EC）方法，一致地产生入射能流测量值大于出射能流测量值的情况。这种不平衡表明，在一个或多个测量通量中存在偏差，或者通常被忽略的通量对总体能量收支有显著贡献。

EC 站点测得的能量不平衡（Imb）可表示为
Imb=AE?H?λE?S
其中，可用能量 AE 计算为 AE=Rnet?G。Rnet 和 G 分别代表净辐射和土壤热通量。H 和 λE 分别代表感热和潜热通量。存储项 S 包括土壤热通量板上方土壤中的能量存储，以及 EC 测量高度下方空气柱和生物质中的能量存储。在大多数 EC 站点，Imb 的平均值约占可用能量平均值的 10% 到 30%。研究表明，与平坦、均匀站点相比，复杂和异质地形中的能量收支闭合情况更差。

在某些情况下，例如将通量数据用作模型输入时，尽管存在测量不平衡，但也必须强制闭合地表能量收支。为了闭合地表能量收支，Imb 通常在感热和潜热通量之间进行分配。Twine 等人（2000）提出了一种使用波文比（B）（定义为 H/λE）从测量湍流通量中分配能量不平衡的方法。虽然这种方法常用于闭合能量收支，但一些研究表明，在非理想条件下，它可能不是分配能量不平衡的最佳方式。

已提出并调查了 EC 能量不平衡的许多潜在来源。这些大致分为两类。1）与数据收集和处理相关的错误，以及 2）通常被忽略的能量收支成分的贡献。虽然通过仪器和数据处理引入的错误可能对特定时间或地点的能量收支闭合产生重大影响，但它们通常具有随机性，因此不能负责跨通量站点观察到的能量收支一致的未闭合现象。

然而，与忽略的能量收支成分相关的能量不平衡来源会导致通量测量中的一致偏差。由于这些测量需要额外的仪器，并且假设它们在一天或更长时期内平均接近零，土壤热通量和能量存储项有时在地表能量收支中被忽略。然而，已证明考虑它们可以改善较短时间尺度上的能量收支闭合。地表能量收支中另一个经常被忽略的成分是时间尺度长于典型 EC 平均周期的低频大气传输，例如通过大尺度涡旋进行的传输。通常假设通量在大气表面层内是恒定的，使得在通量塔顶部测量的一维湍流通量等价于陆地表面 - 大气界面的通量。然而，这依赖于测量是在平坦、均匀地形上进行的假设。在非理想测量条件下，例如复杂地形中，已在表面层观察到显著的通量发散。由异质性引起的大尺度涡旋或次级环流（SCs）被提出作为这些观察结果的解释。从 EC 测量点的角度来看，通过这种环流进行的传输可以观察为水平或垂直平流。当发生显著的低频传输时，需要采用三维方法以准确表征总的地表 - 大气通量。

下面的方程（2）描述了以通量塔为中心的控体积内保守示踪剂 c 的净地表大气交换（NSAE），如 Metzger（2018）所述。
NSAE=∫zm0[1(2l)2∫l?l∫l?l?c￣?tdxdy]dz
∫0zm[1(2l)2∫?ll∫?ll{?uˉcˉ?x+?u′c′￣?x+?vˉcˉ?y+?v′c′￣?y}dxdy]dz
∫0zm[1(2l)2∫?ll∫?ll{?w￣c￣?z+?w′c′￣?z}dxdy]dz
其中，u, v 和 w 分别代表 x, y 和 z 方向的风速。2l 和 zm 分别是方形控体积的边长和高度，该控体积从陆地表面延伸到 EC 测量高度。方程（2）右侧的三行分别代表关于示踪剂 c 的以下内容：I）控体积内的存储，II）通过控体积侧面的水平通量，III）通过控体积顶部的垂直通量。

该方程可根据 Lee（1998）简化为下面的方程（3）。此简化的关键假设是：(1) 控体积水平均匀，(2) 水平湍流通量非发散，(3) 流场非发散，(4) 垂直风速的垂直剖面是线性的，以及 (5) 表面垂直风速为零。此外，坐标系旋转使得平均风在 x 方向，且 vˉ=0。
NSAE=w′c′￣(zm)︸I+∫0zm?cˉ?tdz︸II+∫0zmuˉ?cˉ?xdz︸III+wˉ(zm)(cˉ(zm)?〈c〉)︸IV
这里，?c?表示 c 的垂直平均值。项 I 代表控体积顶部的垂直湍流通量，通常由 EC 系统测量。其余项构成以下内容：II）存储，III）水平平流，IV）垂直平流。测量这些项需要标准 EC 设置之外的额外仪器。这种增加的成本，以及对这些项应在理想条件下消失的认识，导致了忽略它们的常见做法，尽管在有高大冠层的站点通常测量存储。在本研究中，我们将重点关注水平和平流项的贡献。

水平平流通量不能仅使用单个通量塔进行测量。一些研究试图使用两个或多个平行于盛行风排列的测量点来量化水平平流。其他人使用多个塔架，以便能够无论风向如何计算水平梯度。Higgins 等人（2013）使用激光雷达测量的风和水蒸气来估计潜热平流，而 Cuxart 等人（2016）和 Garcia-Santos 等人（2019）都使用遥感地表温度（LST）来计算感热的水平平流。其中，Higgins 等人（2013）、Kochendorfer 和 Paw U（2011）、Morrison 等人（2023）以及 Wang 等人（2024）证明了包含水平平流通量后能量收支闭合得到改善。

垂直平流发生在平均垂直风速（wˉ）不可忽略的条件下。这可能源于斜坡地形或高大植被上的流动，其中通量测量高度处的风流线可能偏离平行于表面。或者，称为次级环流（SCs）的大尺度大气运动会导致 EC 平均期间显著的、非零的 wˉ值。标量 c 的垂直平流可以通过单个塔架测量 c 的剖面以及超声波风速仪测量的垂直速度来测量。一些研究使用这种方法量化能量（Kochendorfer 和 Paw U, 2011; Moderow 等，2007; Morrison 等，2021; Wang 等，2024）或 CO2（Aubinet 等，2005; Feigenwinter 等，2008; Novick 等，2014）的垂直平流。

2019 年高密度广泛探测器阵列支持的切克梅贡异质生态系统能量收支研究（CHEESEHEAD19）旨在更好地了解异质景观中地表能量收支非闭合的驱动因素。一些研究使用了 CHEESEHEAD19 活动期间收集的数据来研究地表能量收支并量化次级环流对地表 - 大气通量的贡献。Butterworth 等（2024）表征了 CHEESEHEAD19 研究期间的能量不平衡在空间和时间上的分布。作者确定了影响 Imb 的因素，并发现地面通量塔测量的不平衡与中尺度运动的强度呈正相关。他们还试图通过应用空间涡度协方差技术来捕捉中尺度通量成分，但发现这并未导致能量收支闭合的改善。Paleri 等（2022）和 Lin 等（2024）使用实验期间收集的空气通量测量来评估中尺度运动对感热和潜热传输的贡献。两者都发现中尺度传输贡献了总通量的 20–30%。Paleri 等（2025）使用基于 CHEESEHEAD19 实验收集数据的大涡模拟，发现不稳定条件下次级环流对感热和潜热传输的贡献分别为 10–15%。Kadum 等（2025）量化了 CHEESEHEAD19 域上的弥散通量，使能量不平衡改善了 19%。

在本研究中，我们利用了 CHEESEHEAD19 实验期间取得的塔架测量网络来量化平流能流。部署的塔架数量结合研究域的空间范围和异质性，使其成为能量收支野外实验中独特的数据集。测量的数量和空间密度使我们能够测试一种计算水平平流的新方法。这种方法的变体在广泛的敏感性分析中进行了测试，以评估某些方法论选择的相对重要性。水平平流通量与根据 Lee（1998）计算的垂直平流相结合，以估计总平流能流。使用这些平流估计，我们寻求回答以下问题：
1. 我们能否从 CHEESEHEAD19 活动期间取得的塔架测量中推导出合理的平流通量估计？
2. 计算出的平流通量对估计它们所用方法的变体有多敏感？
3. 包含平流通量后能量收支闭合是否得到改善？

章节摘要
CHEESEHEAD19 实验
CHEESEHEAD19 实验于 2019 年 6 月至 10 月在威斯康星州北部进行。研究重点是一个由森林和水域地表类型混合而成的区域。10 公里乘 10 公里的研究域以 Park Falls NOAA/Ameriflux 塔（WLEF/US-PFa）为中心。在研究期间，研究域内部署了 19 个额外的临时通量塔，以便对景观中各种表面和大气过程进行采样。

附加数据 结果 此处给出了基本案例（Case A）的结果，在第 3.1 节“平流能量通量估计”和第 3.3 节“平流通量对能量平衡闭合的贡献”中呈现，而第 3.2 节给出了第 2.4 节中描述的敏感性分析结果。

讨论 本研究通过估算显热和潜热的水平与垂直平流，探讨了平流能量通量对地表能量平衡闭合的贡献。水平平流通量的估算值被认为是合理的，而垂直平流通量有时则不合理地偏大。在考虑计算方法的变化时，水平平流通量的估算值在大多数情况下相对一致。

结论 在本研究中，我们利用 CHEESEHEAD19 研究期间从通量塔网络获取的测量数据估算了平流能量通量，并评估了它们对地表能量平衡的贡献。结果表明，垂直平流项总体上被高估了。平均而言，计算出的平流通量并未改善能量平衡闭合。能量平衡闭合的改善在白天气最明显，尤其是在早晨。发现 λE 平流占主导的

CRediT 作者贡献声明

Emily R. Mather：概念化、形式分析、调查、方法论、可视化、写作 – 原稿、写作 – 审阅与编辑。Ankur R. Desai：概念化、数据管理、资金获取、调查、方法论、项目管理、资源、监督、写作 – 审阅与编辑。Bethany J. Blakely：调查、写作 – 审阅与编辑。Brian J. Butterworth：数据管理、写作 – 审阅与编辑。Stefan Metzger：数据管理、资金

Emily R. Mather|Ankur R. Desai|Bethany J. Blakely|Brian J. Butterworth|Stefan Metzger|Sreenath Paleri

美国威斯康星大学麦迪逊分校大气与海洋科学系，1225 W Dayton Street, Madison, WI, 53711, USA