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标题 两种估算浅层土壤热参数及热通量的方法对比
范文 安可栋　王文科　王周峰　杨泽元　陈立　张在勇



摘要：土壤热参数对估算地表热通量和研究地表能量平衡具有重要的意义。基于土壤温度实测资料，利用谐波法和热传导对流法估算了浅层土壤热扩散率，进而计算了土壤热通量的值，并将结果与热通量板观测值进行对比，验证了这两种方法的可靠性。结果表明：谐波法和热传导对流法估算的风积沙热扩散率结果均比较合理；谐波法能够较好地模拟土壤剖面温度，而热传导对流法的模拟结果较差；谐波法会低估白天热通量最大值和晚上热通量最小值，而热传导对流法能够较好地模拟夜间的土壤热通量。
关键词：温度；谐波法；热传导对流法；热扩散率；土壤热通量
中图分类号：S812 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1143-04
Abstract：Soil thermal parameters play an important role in estimating ground heat flux and investigating ground energy balance.In this paper，based on the measured soil temperature data，thermal diffusivity of shallow soil was estimated using the harmonic method and heat conductivity and convection method，and then the heat flux was calculated and compared with that measured by the heat flux plate to verify the applicability of the two methods.The results showed that （1） the thermal diffusivities estimated by both the harmonic method and conductivity and convection method are reasonable；（2） the harmonic method can simulate the soil temperature of vertical profile better than the heat conductivity and convection method；and （3） the harmonic method underestimates the maximum heat flux during daytime and minimum heat flux at night，whereas the heat conductivity and convection method can perform good simulation of soil heat flux at night.
Key words：temperature；harmonic method；heat conductivity and convection method；thermal diffusivity；soil heat flux
土壤的热通量是地表能量平衡的重要组成部分，而土壤热通量的大小受到土壤热参数的影响，因此，准确赋值热参数对研究地球表面能量平衡具有重要的意义[1]。
计算土壤热通量需要确定三个参数：土壤热扩散率、土壤热传导率和土壤体积热容。由于土壤热传导率等于热扩散率和体积热容的乘积，因此，二者知其一即可[2-4]。目前，估算土壤热参数具有很多种方法[5-10]，一些研究者[11-15]假定土壤热扩散率不随深度和含水率变化，在一维热传导方程的基础上分别利用相位法、振幅法、对数法、反正切法和谐波法推导出浅层土壤的热扩散率，并通过模拟浅层土壤温度和热通量与观测值进行对比，认为高阶谐波法结果最为稳定。然而事实上，土壤中热的传输不仅包含热传导过程，还包括热对流过程。Gao等[16-19]考虑了土壤中液态水的对流作用，利用一阶谐波模型推导出了一种新的估算土壤热扩散率和热通量的方法，然而，这种方法的可靠性并未得到广泛验证。
为了深入了解热对流过程对估算土壤热参数和热通量的影响，本文以干旱半干旱地区陕北风积沙为研究对象，利用地下水位埋深2 m时土壤剖面上温度资料，分别采用谐波法和热传导对流法推求浅层土壤热扩散率进而估算热通量的大小，同时与观测结果进行对比，进一步验证这两种方法的可靠性，为准确描述包气带中水汽热运移提供理论支持。
1 试验场地介绍
试验观测站位于陕西省西安市长安大学渭水校区，试验区设置圆柱形玻璃钢观测井一个，直径为1 m，井中水位埋深为2 m。试验介质取自陕北毛乌素沙地的均质风积沙[20]，含水率为0.07～0.34 m3/m3，干容重为1.52 mg/m3。在观测井地下5 cm、10 cm、20 cm、30 cm处设置4个温度探头，对包气带土壤剖面上的实时温度进行连续观测，数据自动记录于数据采集器内，监测频率为每30 min一次。在同样深度每30 min测量一次含水率，仪器为美国公司生产的TDR。
数据观测时间为2013年10月18日至22日，数据完整，且试验期间无降雨等特殊天气。
2 理论方法
2.1 谐波法（HM）
3 结果与讨论
为了了解西北旱区风积沙土壤剖面的土壤温度和热通量的变化特性，图1给出了观测期间不同水位埋深土壤中各观测要素的时间序列。图1（a）反映了地下水位埋深为2 m的土壤剖面上不同深度土壤温度的日变化特征，可以看出，随着深度增加，土壤温度振幅明显减小，相位后移。图1（b）为不同深度土壤热通量的时间序列，可以看出，与温度变化规律一致，热通量也具有随深度增加振幅衰减和相位后移的趋势。值得注意的是，越接近地表，土壤热通量波动越大。这是因为热通量不仅与热扩散率，土壤温度和湿度有关，更受到风速，太阳辐射等因素的影响。
3.1 土壤热扩散率的计算
针对水位埋深为2 m的土壤剖面，不同深度的土壤温度实测值，分别利用谐波法和热传导对流法计算5～10 cm、5～20 cm、5～30 cm土壤层的热扩散率。
（1）谐波法估算。假设上边界是一个傅里叶级数，由于2阶谐波法已满足精度需求[19]，同时考虑到计算的复杂性，本文利用10月19日土壤剖面上5 cm处的土壤温度观测数据，利用最小二乘法将其拟合为2阶的谐波模型，求得谐波模型的温度振幅和相位值，结合（4）式，分别利用10 cm、20 cm、30 cm土壤温度实测值迭代得到各个土层的土壤热扩散率的最优估计值，结果见表1。
（2）热传导对流法估算。利用各层土壤温度实测值拟合成（6）式，将其中参数带入公式（7），最终求得不同土层的土壤热扩散率（表1）。具体计算过程请参考文献[16-18]。
利用谐波法和热传导对流法计算热扩散率，相关系数值分别为0.94和0.88。二者估算所得的热扩散率数量级均在10-6～10-7之间，与缭育聪[19]及Gao等[12-14]估算青藏高原和黄土高原的土壤热扩散率结果一致。由于土壤温度的日变化并不是一个绝对的正弦变化曲线，而高阶谐波模型在迭代过程中利用了更多的土壤温度信息，使得其拟合结果比一阶谐波模型好。
3.2 土壤剖面温度和热通量估算
由于热传导对流法考虑了水分对土壤热传导过程的影响，这在一定程度上弥补了其在迭代过程中仅利用较少的土壤温度信息这一缺陷，因此利用该法估算热扩散率结果仍然可信。但由于缺乏直接的验证手段，本文将计算所得热扩散率带入热传导方程，反求了土壤温度和热通量，通过与实测结果对比来判断这两种方法的可靠性。
3.2.1 土壤剖面温度
假定土壤热扩散率一日中不随深度和时间变化，分别将谐波法和热传导对流法估算所得热扩散率值带入式（3）和式（5）对土壤剖面5 cm和10 cm深度上的温度进行模拟，结果（图2）显示，在同一土层（5 cm处），谐波法能够准确地模拟土壤温度的日变化，而热传导对流法则在白天高估了土壤温度，晚上低估了土壤温度；在较深层土壤（10 cm处），两种方法模拟效果均有所下降。总的来说，从土壤剖面的模拟温度看，与热传导对流法相比，谐波法在模拟土壤温度时能够更加接近真实值。
3.2.2 土壤剖面热通量
为了弄清楚两种热扩散率估算方法对土壤热量传输的影响，本文模拟了3 cm和10 cm深处的土壤热通量值，并将结果与热通量板观测值进行对比，结果（图3）显示，在距地表3 cm处，谐波法和热传导对流法大体上均反映了土壤热通量的变化，但未能明显表现热通量的局部震荡现象，模拟结果较实测曲线显得更为光滑。同时，由于忽略了垂直方向上水分的运动，谐波法高估了白天的热通量，低估了晚上的热通量，而由于考虑了液态水对土壤热量运移的影响，热传导对流法较好的模拟了晚上的土壤热通量值。在10 cm处，由于受风速等影响因素较小，热通量曲线比3 cm处热通量曲线光滑，此时，利用两种方法估算所得热通量曲线也较浅层土壤光滑。尽管夜间所得热通量值与实测值基本一致，但二者均低估了土壤热通量的最大值。总之，在长期干旱的条件下，浅层土壤中水分运移不明显，此时，谐波法估算土壤热通量整体上能够取得较好的结果；但热传导对流法能够更好的模拟夜间的土壤热通量。
4 结论
本文利用试验观测到的裸土剖面上温度资料，分别采用谐波法和热传导对流法计算了土壤剖面上的土壤热扩散率，进而模拟了土壤的热通量，并将其与实测结果进行了对比。研究发现：谐波法和热传导对流法估算的风积沙热扩散率与他人研究结果基本一致，说明这两种方法估算热扩散率均比较合理。在模拟土壤温度时，谐波法能够较好地模拟土壤剖面温度，而热传导对流法的模拟结果距离实际观测结果较远。在估算土壤热通量时，谐波法在估算土壤热通量时，整体上能够取得较好的结果，但有低估白天热通量最大值和晚上热通量最小值的现象，而热传导对流法则能够较好的模拟夜间的土壤热通量。因此，在长期干旱的土壤环境中，模拟浅层土壤温度，估算土壤热参数时，建议采用谐波法；如果夜间的估算误差不可忽略，则推荐使用热传导对流法估算浅层土壤的热通量。
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更新时间：2025/4/17 12:54:09