地表能量平衡是大气以及陆面模式的基本假设，但在许多地面通量观测站上都没有得到验证。许多学者在观测误差、湍流通量订正、源区分析等方面做了大量的研究和努力，这对于提高表面能量闭合率起到了一定的效果。相比之下，地面热通量作为地表能量收支的重要组成部分，却没有得到足够的重视和关注。
地面热通量难以直接测量，通常都要依赖于间接方法来估算。传统的地面热通量估算方法主要存在三类普遍性问题：1.热流量板的误差：热流量板与土壤间存在热接触阻力，另外还阻碍了土壤中的液态水及水蒸气运动；2.近表层土壤的垂直均匀假设：由于测量的限制，近表层土壤（如0-5 cm）的水热性质通常假设为垂直均匀的；3.土壤物理过程过于简单：以往的物理模型大多只考虑了热传导过程，然而对于近表层土壤来说，液态水的垂直运动以及水蒸气的相变也很重要。
图1.近表面土壤水热动力学模型流程图
为了更准确地估计地面热通量，公司袁慧玲教授课题组提出了针对近表层土壤的水热动力学模型，该模型综合考虑了土壤内的热传导、液态水的垂直运动和水蒸气的相变，突破了近表层土壤水热性质垂直均匀假设的限制，并基于美国科罗拉多州观测站的土壤温湿度、热导率，诊断出了该站土壤湿度、液态水运动、水蒸气相变、土壤热导率等的垂直分布，以及最终的地面热通量。分析结果表明，近表层土壤的水热性质有明显的垂直异方差性。这类垂直异方差性和水蒸气的相变过程，对于改进地面热通量的估计和地表能量闭合起着重要作用。
该成果以“Ground Heat Flux Determination Based on Near-Surface Soil Hydro-Thermodynamics”为题发表于《Journal of Hydrology》（2019年影响因子为4.54）。论文第一作者为博士生武宝强，通讯作者为袁慧玲教授，美国国家大气研究中心的Dr. Steven Oncley和Dr. Fei Chen为合作者。本研究受到国家重点研发计划（2018YFC1507405），国家自然科学基金项目“土壤湿度初始化对WRF-Hydro模式陆面水文过程模拟的影响（42075187）”等的支持。
图2. (a)观测的土壤湿度、向下短波辐射等；(b)构建的土壤温度；(c-f)模型输出的土壤湿度、液态水垂直运动速度、水蒸气质量通量、土壤热导率
相关论文：
Baoqiang Wu, Steven Oncley, Huiling Yuan*, Fei Chen, 2020: Ground Heat Flux Determination Based on Near-Surface Soil Hydro-Thermodynamics. Journal of Hydrology, 591, 125578. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125578