文摘

土壤热通量( )是一个学期的能量平衡方程,它可以在干旱的地区尤为重要,裸露的或稀疏植被土壤表面。然而,在南极等偏远地区,这种测量不经常执行。分析观测数据收集的巴西埃塔项目南极站从2013年12月到2014年3月显示,每日总能量通量,表层土壤热通量在12月和1月和深层土壤层 作为热源在2月和3月外土壤层次。关于白天能量通量, 作为一个更深层的热源。在夜间,土壤热源的浅层次,代表至少29%的净夜间辐射。一个相对简单的方法目标滞后方法(欧姆)——成功地应用于确定使用净辐射观测地表土壤热通量。先天的,这一研究获得的电阻系数可能只被用于短时参数化和填充数据差距在这个特定的网站。

1。介绍

来自太阳的能量在气候系统中起着重要的作用作为一个整体,在地球辐射平衡的一个特定的角色。净辐射、土壤热通量为明智的提供能量和潜在的大气湍流热通量在地表附近。

表层土壤热通量( ),定义为不同土壤深度之间的热量交换,每一层都拥有不同的温度值(1),是一个特别重要的组成部分表面能与干旱地区,裸露的或稀疏植被土壤表面由于其工作能力季节性作为热源(冬季)或散热器(夏季)2- - - - - -4]。因此,估计的精度 重要的是大气系统(5]。然而,这样的估计并不容易,尤其是在南极等位置,测量具有极端的气候条件原位和表面性质中的异质性。

裸露的土壤一般反照率较低,而冰雪覆盖的土壤显示高反照率(6,7]。因此,这些土壤类型有不同的土壤温度,即使彼此接近。出于这个原因,南极土壤覆盖的变化会导致局部温度的变化,直接影响南极生态系统(8]。

之前的研究也表明,土壤温度变化可以对影响生物过程有显著影响(9- - - - - -15]。

Prosek et al。16]调查能量平衡的组件在一个植物的绿洲在波兰车站(乔治王岛,南极地区)发现,大气和土壤基质的边界表示的基本组件南极植被绿洲的生态环境。

Sturm et al。17]讨论了变暖在阿拉斯加,每十年0.5°C在过去的30年里,涉及生物过程和积极的反馈在冬季土壤,已导致了转换的苔原灌丛带。

土壤热通量的直接估计通过遥感数据是不可行的18]。然而,经验之间的关系 和净辐射( 可以用来确定) (19]。

目标滞后方法(欧姆)提出了Camuffo和贝尔纳迪(20.)来估计 使用的值 。欧姆模型最初是为城市地区为了估计城市开发蓄热的残余项不同的源/汇能源如建筑物、植被、地面负责合理的交换和潜热通量(21- - - - - -23]。然而,没有制定的欧姆只对城市地区,限制了其应用。

本研究使用一个滞后的方法来估计土壤热通量和比较这些估计在巴西进行直接测量南极站”指挥官Ferraz”(EACF)从2013年12月到2014年3月。本研究中使用的数据收集的埃塔项目(Estudo da Turbulencia na Regiao南极洲)。据我们所知,这是第一个EACF地区应用这种方法。大多数城市地区以前公布的值的和他们不是有效的地区和时间进行了研究。

2。材料和方法

的测量进行EACF(62°05′07′′年代,58 23°33′′′W, 20米平均海平面以上)micrometeorological塔,位于乔治王岛,这是南极半岛南设得兰群岛的一部分(图1)。


图1
EACF的地理位置。改编自(32]。

micrometeorological塔周围是不同表面特征。图2概述了调查区域,显示了土壤覆盖层通常观察到,从土壤裸露的土壤被白雪覆盖的不同。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图2
(一)调查区域的概述(摄影版权雷纳托Torlay)。Micrometeorological塔地区包围(b)裸露的土壤,(c)裸露和白雪覆盖的土壤,(d)白雪覆盖的土壤。

在温暖的月份,表面覆盖主要由裸露的土壤、岩石和碎石的存在不同大小(< 1米宽)。雪的发生由于大气系统,在这几个月里,不可用。塔旁边有一个湖(< 10 m),一般冻结期间,除了在一些天的夏天。

在这项研究中使用的数据收集原位从2013年12月到2014年3月(暖和的月份)。获得的净辐射数据用NR Lite2净辐射仪安装在micrometeorological塔(3.4米高,数据3(一)和3(c))和表层土壤热通量测量使用Hukseflux HFP01震源深度0.05米(图3(b))。空气温度由温度传感器测量模型CS215 6-plate辐射屏蔽安装,安装在2.2米的高度。板装有百叶窗板的建设让空气自由穿过盾牌,为保持在或接近环境温度探头。盾的白色反射太阳辐射。土壤温度测量使用探针107 l在0.05米的深度。这项工作中使用的所有传感器都来自坎贝尔科学公司。


图3
(a)在EACF Micrometeorological塔,(b)土壤热通量仪器(HFP01)和(c)净辐射仪器(NR Lite2)。

存储的数据每隔5分钟(平均)由CR5000数据记录器(坎贝尔科学Inc .)使用当地时间( UTC)作为标准时间(图3)。数据记录器是连接到一个笔记本电脑,自动传输数据,每30分钟,IAG海气相互作用实验室,早餐。综述了所有数据和可疑数据被考虑2-standard-deviation间隔的值位于集中在研究变量的平均值。

本研究使用的符号惯例 和 是正能量向上移动时垂直坐标一致吗 。

2.1。欧姆的目标滞后方法和统计评价的应用程序

的估计 使用目标滞后方法(欧姆)是基于的表达式(20.] 在哪里 , , 经验系数相关的响应表面性质由于太阳能和 时间的变化吗 表面的离散时间 。的 和 系数描述最佳直线的数据在整个天,因此常量。最佳拟合直线的斜率为代表 的拦截纵坐标表示 。的 系数表示的实际值的最佳拟合直线。

方程的系数中扮演不同的角色: 是无量纲的,总是积极和显示的强度之间的关系 和 ; (s)显示磁滞的大小,表明之间的相位关系的方向和程度 和 。总之, 和 是相关系数平均值所引起的土壤特性(包括水)的存在和的大小 其时间变化(20.]。

的系数 (Wm−2)可能是积极的或消极的根据当地的大气状况,它代表了自发热通量和土壤之间的相邻的气氛,当 和 方法为零。换句话说,这个词代表的平均热流从土壤中释放的过渡时期(20.,22,24]。

统计测试进行评估的应用欧姆EACF区域模型,包括线性回归斜率和截距,确定系数( ),均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)。

代表的比例接近的数据最合适的线;这些差异可以理解的回归模型(25]。的系数 在哪里 观察的总数, 是“ “观测值, 是“ “模拟结果。overbar表示时间平均水平的评估。 范围从0到1,值接近1表明模拟结果的一个不错的选择。

也可以量化的性能模型使用一个错误值相同的单位作为变量。RMSE和梅代表这样的量化(25- - - - - -27]:

一般来说,RMSE大于或等于美最值的范围,因为美是不太敏感的极端比RMSE值。

3所示。结果与讨论

土壤温度,在调查期间,总是高于空气温度,观察到在寒冷地区28]。1月提出较高的空气和土壤温度的日振幅,分别1.4°C和5.4°C(图4)。在调查了几个月,土壤温度的日变化呈现较大的振幅比空气温度,在这两种情况下12月最大振幅。不幸的是,调查期间没有数据可用月雪存在直接相关(表面反射率和辐射率、潜热等。)但是,在一般情况下,大型土壤温度振幅的特点是裸露的土壤。在2月和3月的气温值低于零,土壤温度的日振幅相对较小,可能意味着雪出现在这几个月里。先前的研究已经表明,积雪的特征将是一个长期的相对稳定的土壤温度与较小的温度信号的振幅(13,29日]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
日变化(a)的每小时平均空气温度和(b) 2013年12月至2014年3月的土壤温度。垂直条指示标准误差。

12月和1月有更多小时的日光(表1),因此更大数量的净辐射相比其他调查数月(图5)。

表1
总结每日能量通量( 和 ),划分为白天、夜间和日常通量。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
每小时的平均净辐射日变化特征( )和土壤热通量( )(一)2013年12月,2014年1月(b)、(c) 2014年2月,2014年3月(d)。垂直条指示标准误差。

在所有调查数月之间有一个延迟 和 这两个时期的过渡/晚上/天时间对应的信号 和 倒,土壤作为土壤浅层次和热源 作为土壤热源(图5)。

一般来说,在白天,所提供的能量 之间共享 和湍流通量,但在夜间,湍流通量不太重要 代表一个相对较大的净辐射的一部分。因此,在晚上,土壤作为能源发挥了重要作用外土壤层占大约31% 在3月和大约55%的 (表12月1,图6)。高的值 发生在过渡时期,当时 很低,但中午附近, 大约是10%的 (图6)所观察到的一些作者在不同的位置(30.,31日]。


图6
每小时的平均分数的昼夜变化土壤热通量( )净辐射的比例( 2013年12月至2014年3月)。数据过渡时期从图中删除。

白天的学习时期,净能量的一部分存储在土壤中,以最大存储(表12月观察到的大约7.6%1)。在1月,净辐射能量通量事件的数量在表面入射能量的数量在2月的两倍多,但能量储存在土壤的比例并非如此不同。

EACF地区每日的比率 变化从去年12月的4.3%(表3月−17.6%1)与土壤作为热源的更深的土壤层在12月和1月(积极的价值观 ),作为热源浅土层(负的 在2月和3月(表)1)。

个月调查的最佳系数如表所示2而且,先天的这个特定的站点,这些值是有效的在这段时间的研究,因为这些相关系数的存在降水、大气系统,土壤状态,和土壤特性。使用这些系数(表2),欧姆能够模拟的昼夜变化 在调查了几个月,显示在图7。

表2
欧姆的月度系数应用于EACF地区。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
磁滞回线之间的关系观察(观察、黑颜色)和模型(mod,灰色的颜色)土壤热通量( )和净辐射( EACF): (a) 2013年12月,2014年1月(b), (c) 2014年2月,2014年3月(d)。数字代表当地时间(小时)。I, II, III表示一天的时期:过渡,白天,分别和夜间的时期。

统计测试进行评估调查地区欧姆应用程序和所有月显示高度的统计观察和模拟值之间的协议1附近的山坡上,拦截值约为零, 值大于0.99。此外,RMSE和梅值小于1.85 Wm−2和1.33 Wm−2分别为(表3)。

表3
统计评价研究观察和模仿土壤热通量的月。

磁滞曲线的昼夜变化的观测和模拟值 对 值,可以看出,椭圆的怪癖从2013年12月和2014年1月比那些从2014年2月和3月(图7),在过渡期间, 和 (我在图显示相反的信号7),土壤释放出更多的热量的浅层次的开始一天比一天结束的时候(数字5和7)。

4所示。结论

尽管它的重要性,土壤热通量的测量是不经常执行,特别是在偏远地区,如该地区调查。本研究应用一种间接方法(欧姆)提出的(20.)来估算土壤热通量观测值,净辐射。

本研究使用5分钟平均表面土壤热通量和净辐射观察到巴西站指挥官Ferraz从2013年12月到2014年3月。观察到的每日总能量通量表示,在12月和1月, 是土壤深层和热源 土壤是一个热源。然而,在2月和3月, 和 有反方向 释放热量外土壤层次。在白天的调查了几个月, 和 激烈的土壤。在夜间, 代表至少29%的 。因此, 不容忽视的能量平衡方程EACF地区。

欧姆能够估计地表土壤热通量为每个月学习,与所有相关系数超过99%。

未来的分析涉及的应用欧姆今年所有个月调查的有效性表情这里获得同样的个月不同的年。重要的是要注意,在这项研究中获得的系数只能用于短时参数化在特定网站和填充数据的差距。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

第一作者承认从斗篷奖学金。所有作者要感谢“INCT-APA”的资助(CNPq 574018/2008-5和FAPERJ E-16/170.023/2008)。第二作者也谢谢CNPq(305357/2012-3和407137/2013-0)。