摘要
地表能量不平衡是近30年来生态系统物质和能量交换研究面临的难题，解决能量不平衡为进一步发展气候预报和物质能量传输模型提供理论依据，并指导农田灌溉和农业生产。本文以华北平原夏玉米为研究对象，分析了阴雨晴天气条件下冠层大气和土壤内部温湿度变化规律，阐明了农田能量平衡要素、热储能项月尺度及阴雨晴天气变化规律，评价了不同时间尺度农田能量闭合程度，明确了阴雨晴天气热储能项对能量平衡的影响，形成了农田能量不闭合修正方法。主要研究内容与结果如下: （1）阴雨晴天气条件土壤剖面不同深度及冠层内部温湿度存在差异显著的日变化规律，且冠层内部存在不同高度的逆温逆湿现象，进一步影响地表能量闭合程度。土壤温度垂直分布变幅为上层大下层小，不同土层湿度差约在0.2％～0.6％范围内变化,5～15cm土壤温度晴天正弦曲线振幅比阴天大，雨天土壤温度随时间逐渐减小，晴、阴天不同深度土壤湿度大小大致为深层＞浅层＞表层，各种植密度晴天不同深度土壤湿度日变化幅度均在0.7％～0.9％范围内，阴天不同深度土壤湿度日变化幅度随着种植密度的减小而减小，雨天各种植密度无明显规律;阴雨晴天气5～15cm土壤存在温度梯度差，晴、阴天白天土壤层释放热量、夜间储存热量，晴天释放热量比阴天多、储存热量比阴天少，雨天土壤主要吸收热量。空气温湿度日变化幅度晴天＞阴天＞雨天,各月在8:00～16:00冠层下层空气温度易出现逆温，冠层中上层易出现逆湿。 （2）阴雨晴天气条件下能量要素和热储能项均呈差异显著的倒“U”型、多峰型曲线分布，较净辐射峰值出现1～2h的滞后变化。净辐射（Rn）、显热通量（H）、潜热通量（LE）和土壤热通量（G）日变化均呈倒“U”型曲线分布，Rn、LE、H和G平均日最大值分别为533.34、291.61、83.42和11.07W·m-2,H、LE和G相较于Rn峰值出现滞后现象，随着生育期的推进，各月Rn日变化幅度差异不大，H日变化幅度先降低后增加，LE与H相反，G逐渐增大。各月空气温度变化热储能（Sa)和植被冠层热储能（Sc)日变化规律相似，空气湿度变化热储能（Sq)日变化规律与Sa相反，土壤热储能（Ss）日变化呈倒“U”型，随着生育期的推进，Sa、Sq和Sc日变化幅度逐渐增大，Ss日变化幅度逐渐减小。晴天各能量通量均呈倒“U”型单峰变化，阴天和雨天变化曲线呈多峰型，不同天气条件下Rn、H、LE大小表现为晴天＞阴天＞雨天，G在晴天整体吸收热量，在阴天和雨天向大气释放热量。不同天气条件下冠层表面的Sa和Sq、冠层底部的Ss变化剧烈，Sa和Sq日变化幅度表现为阴天＞晴天＞雨天，Sc和Ss表现为晴天＞阴天＞雨天。种植密度越大，Sa、Sq和Sc在晴天吸收或释放热量越多，Ss与其相反，阴天和雨天不同种植密度无明显规律。 （3）半小时和日尺度农田呈能量不闭合状况，空气温度变化热储能（Sa）、植被冠层热储能（Sc）、空气湿度变化热储能（Sq）和土壤热储能（Ss）对阴雨晴天气条件能量平衡残差存在差异性的补偿贡献。本研究区域存在能量不闭合现象，晴、阴天能量闭合率高于雨天。随着半小时、小时、日、月时间尺度的提升，冠层不同高度、土壤不同深度热储能项和能量平衡残差的相关性呈降低变化，冠层底部的空气热储能（Sa+Sq）、土壤热储能（Ss）和能量残差相关性最高，种植密度越小，冠层不同高度空气热储能和能量残差相关性越显著，不同深度土壤热储能与能量残差相关性越小。阴雨晴天气不同深度土壤热储能和能量残差相关显著性均较高，冠层不同高度空气热储能和能量残差在阴天和雨天相关更显著，不同天气条件考虑不同深度土壤热储能对能量闭合率提升效果均较好，在此基础上阴天和雨天考虑冠层内空气热储能后能量闭合率提升效果更明显。Ss在晴、阴天对能量平衡残差平均补偿1.88W·m-2高于雨天，Sa、Sq和Sc在雨天平均补偿0.64～0.85W·m-2高于晴天补偿0.02～0.30W·m-2。种植密度越大，Sa、Sq和Sc贡献越大，Ss无明显规律。Ss对能量闭合提升作用为11.39％,Sc作用范围在1.13％～2.10％,Sa作用范围在0.51％～0.94％,Sq在一定程度上可能会降低能量闭合率，补偿各热储能项后不同处理能量闭合率平均由64％提升至81％。
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