发布日期：2025-01-04 21:16    点击次数：58

地表和大气之间的相互耦合作用将直接影响到区域和全球的气候变化[1]，而以地表热量平衡为主的能量传递过程则是地-气之间相互作用研究的主要内容。因为地表能量的传输一方面是地-气耦合过程的能量纽带，另一方面也是影响地面温度、水份输送及植被生长发育与生态系统生产力的重要因素[2, 3]。因此，对能量平衡特征的研究一直是地理学、生态学、大气科学等学科领域的重点研究方向之一。自20世纪80年代以来，国内外进行的许多观测试验均将地表能量平衡过程列为主要研究内容之一，涉及高原、山地、荒漠、戈壁、森林、草原等不同下垫面，较好地揭示了这些下垫面的不同能量传输规律[4, 5, 6, 7]。然而目前涉及绿洲-荒漠过渡带这一特殊区域，以及其与干旱区其它下垫面之间能量对比分析的研究仍需深入。 绿洲荒漠过渡带是处于绿洲与荒漠之间，受绿洲生态系统与荒漠生态系统的双重影响且具有敏感退化趋势的生态脆弱带，是绿洲与荒漠进退消涨的桥头堡[8]。而其自身特殊的热量循环特征深刻影响着该区域生态环境的形成。因此，搞清楚这一区域地表热量运动的基本特征是建立过渡带微气候模型、实现自然资源优化配置和促进绿洲可持续发展的科学基础。本文利用新疆天山北麓绿洲荒漠过渡带的天然芨芨草地能量观测数据，分析该区不同天气条件下的地表能量平衡特征及其能量分配规律，以深化对绿洲荒漠过渡带能量循环过程的基本认识，为进一步探究过渡带维持其特殊生境的能量环境提供科学依据。 1 研究区概况 本观测场布设在天山北麓，准噶尔盆地东南缘的新疆奇台县西北部万木春林场附近的大面积天然芨芨草地，其向北1 km与我国第二大沙漠——古尔班通古特沙漠邻接，属典型的绿洲-荒漠过渡带。实验观测于2010年7—9月进行。该地区年平均气温5 ℃，年平均风速2.9 m/s，多年平均降水量150 mm，而潜在年蒸发量高达2 100 mm以上，年日照时数2933. 6 h，年无霜期158 d，属温带大陆性干旱半干旱气候。 试验区为面积约21 km2的天然芨芨草地，主要植物为多年密丛生禾本科草本植物芨芨草(Achnatherum splendens)，总盖度30％左右，其间稀疏分布有苦豆子(Sophora alopecuroides)、猪毛菜(Salsola collina Pall)等小型植物，土壤为沙质土，地下水埋深3—5 m。 2 研究方法 2.1 数据采集 本研究主要观测项目有辐射(包括总辐射、净辐射)、空气温湿度、风速风向、土壤温湿度、土壤热通量。仪器采用英国Delta-T公司生产的波文比能量观测系统。各项数据利用自动数据采集器每30 min采集1次。采集记录下的数据储存在数据采集器内，由计算机导出。空气温湿度和风速风向探头分两层布设，在芨芨草灌层以上0.5、2.5 m各布设1层。在地下5、10、15、20、40、60、80、100 cm各层布置土壤温湿度探头，土壤热通量板埋设在地表以下5 cm。仪器布置点(89°26′E，44°11′N，海拔611 m)距试验区边界1510—3534 m，满足风浪区长度与安装高度之比大于100∶1的要求[9]。 2.2 地表能量的计算 波文比能量平衡法是国际上广泛采用的一种精度较高的能量估算方法，许多学者也对该方法适用的可靠性进行了讨论[10, 11, 12, 13, 14]，为此方法在观测和计算的实际应用中就如何更好地提高精度提供了许多可借鉴的经验。 式中，地表土壤热通量G不仅指土壤热通量板测定的热通量，还应包括土壤热通量板到地表的土壤热储存[15]。因此，地表土壤热通量G将利用5 cm深土壤热通量观测值校正到地表计算得到[16]： 绿洲-荒漠过渡带这一非均匀下垫面因绿洲和荒漠的地表热力性质差异引起局地环流，产生量级较小但作用十分关键的垂直平流，并伴随热量的输送，形成垂直感热平流热通量[17]。引入近地层垂直感热平流输送后，(1)式可改写为 而垂直感热平流Hvad由下式计算得到： 感热通量Ho(湍流输送)和潜热通量LE计算如下[18]： 式中,Rn为净辐射通量(W/m2)，由辐射仪直接测出；LE为潜热通量(W/m2)；H(=Ho+Hvad)为感热通量(W/m2)，包括湍流和平流输送；Hvad为垂直感热平流；G为地表土壤热通量(W/m2)；G5为5cm深土壤热通量，由土壤热通量板直接测出；CS为土壤容积热容量(J/m3)；为地温随时间的变化率；ΔZ为地表到土壤热通量观测处的土壤厚度；wr是近地层Zr高度的垂直速度，ΔT/ΔZ是近地层Zr高度处的温度梯度；β波文比；γ=，是湿度计常数；ρ为空气密度(kg/m3)、P大气压(hPa)和CP定压比热(4.184×J g-1 K-1)；L为汽化潜热(4.184×J g-1)；ε为水分子与干空气分子重量的比值(取0.622)；Δt和Δe分别为两个高度的空气温度差(℃)、实际水汽压差(hPa)；Kh、Kw分别是热量湍流交换系数和水汽湍流交换系数。 在以往下垫面均匀情况下的研究中，依据相似性原理，公式6中的热量湍流交换系数(Kh)与水汽湍流交换系数(Kw)相等，即，但本研究区下垫面不均一，天气差异较大，明显Kh≠Kw，因此需要对进行层结稳定度修正，具体方法见文献[19, 20]。 2.3 数据处理 文中所用的数据质量控制方法如下：首先根据水汽通量的过程曲线特征分析，划定阈值，剔去异常值；其次，参考文献[21, 11]，为消除波文比法在实际应用中出现Rn和G的误差在计算LE过程中的逐步累积、LE误差较大时，可能与实际方向相反等不足，满足以下条件之一的数据应当筛除：①β→0②Rn-G > 0时，△T > -(L/rCP)△q；Rn-G < 0时，△T < -(L/rCP)△q。被剔除时刻的资料采用线形内插法补充。 3 结果与分析 3.1 地表能量日内变化 受不同天气条件的影响，地表能量日变化特征差异显著。同时，该区以晴天为主，阴雨天较少，因此选取典型晴天13d(总云量<2成)、阴天5d(总云量＞8成)、降雨天1d(＞1.2 mm/h)数据作为样本，分别计算各天气状况下能量通量的日内平均半小时值，对比分析它们的地表能量日变化特征，以揭示不同天气条件对地表能量传输特征的影响。 3.1.1 晴天日内变化特征 净辐射(Rn)、潜热(LE)、感热(H)及土壤热通量(G)均表现出明显的昼夜差异，曲线呈单峰型变化(图 1)。日出后，Rn由负值转为正值，并逐渐增大至14:00达到最大值534.54 W/m2，之后逐渐降低至日落转为负值。LE日变化曲线与Rn相吻合，中午达到最大值370.50 W/m2。虽然LE在日落后转为负值，从蒸发潜热转变为凝结潜热，但午夜后，则转为较小的正值，表明此时仍有一定量的蒸散。H白天为正值，晚间为负值，说明在白天能量传输方向为地表指向大气，而夜间强烈的地面辐射冷却造成地表温度小于气温，从而出现感热向下输送的现象。G变化较为平缓，极差仅为82.13 W/m2，其峰值(56.77 W/m2)时间较Rn滞后约2 h。白天G大于0，表明土壤为热汇，吸收热量；夜间小于0，土壤为热源，放出热量。 Rn、LE、H、G的日积分值分别是13.18×106 J/m2、9.54×106 J/m2、3.50×106 J/m2、0.14×106 J/m2，表明无论是日变化趋势还是日积分值，晴天能量主要以潜热输送占主导地位，占Rn的72.4%；其次为H，占26.6%；最小为G，仅占1.1%。这与干旱区张掖西北部的绿洲荒漠过渡带[8] H所占比例最大的情况有很大不同(表 1)，因为本区的植被覆盖度指数是张掖试验区2.67倍，晴天植物蒸腾相对强烈，潜热输送较大。同样由于敦煌荒漠戈壁[3]和鼎新戈壁[22]地区地表光秃，降水量少，H占主导地位，LE占Rn的比例仅分别为芨芨草地的2%、11%。而陇中黄土高原观测实验区为旱作农田区[2]，故晴天LE占主导地位，但比例仍低于芨芨草地。这充分表明，下垫面植被覆盖状况的不同对地表能量的分配过程起着重要的调节作用。 3.1.2 阴天日内变化特征 阴天，云层对辐射的扰动影响加大，随着云量大小的波动，使得以晴天为背景的能量标准单峰日循环曲线在白天先后被分割为多个波峰、波谷，呈现峰谷起伏式变化(图 2)。Rn、LE、H的最大峰值都出现在12:00左右，分别为被削弱为晴天的36.89%、39.74%、29.77%。G的最大值出现时间则滞后1 h，为4.79 W/m2，仅是晴天的8.74%。除12:00—13:00外，全天G均小于0，表明在阴天土壤主要作为热源，向大气释放热量，以补偿Rn的不足。 LE、H、G日积分值分别为2.26×106 J/m2、0.37×106 J/m2、-0.93×106 J/m2，占Rn的133%，22%，-55%。之所以出现LE所占比值大于1，而G的比值为负数，是因为土壤持续向大气释放能量，以补充对蒸散供给能量的不足，从而造成LE大于Rn。这也是阴天过渡带芨芨草地相比敦煌荒漠戈壁地区、鼎新戈壁、陇中黄土高原等不同下垫面所特有的现象(表 2)。由于芨芨草地土壤比热容大，自身含有的热储存量较多，阴天为蒸散提供了充足的热量，从而使得LE大于Rn，G的比值也为较大的负数。上述情况也充分表明芨芨草地土壤具有一定的“能量缓存”作用即晴天储存热量，阴天释放热量。 3.1.3 雨天日内变化特征 雨天在6:00左右出现中雨，至11:00左右降水停止，天气开始转晴。由于受降水的影响，各能量分量推迟到11:00才开始迅速上升，比晴天滞后3 h，使得各能量曲线呈偏峰型。Rn、H在15:00才达到峰值，分别是晴天的1.13倍、1.59倍，说明在干旱区由于雨后天晴，空气清新，云量和混浊物较少，净辐射强度大，导致地气之间瞬时能量交换速率加快(图 3)。同时，Rn达到峰值1 h后，LE迅速达到峰值328.40 W/m2，与晴天峰值相当，表明虽然雨天气温较低，但由于水份供给条件的改善和净辐射强度大，草地蒸散进程仍然强烈。而G则在降雨期间保持负值，土壤向大气传输热量，并在雨停后的12:30左右跌入谷底(-128.89 W/m2)，即此时土壤向地表及大气传送大量能量，以促使LE峰值的出现。 3.1.4 平均日内变化特征 观测期内平均情况下地表能量平衡的日变化表现为标准的抛物线型，在形态上与晴天基本吻合，说明在干旱区绿洲荒漠过渡带，平均地表能量平衡受云和降水的影响是有限的，晴天对其具有一定的代表性(图 4)。但由于云和降水的干扰，使得Rn、LE、H、G的峰值较晴天分别被削弱23.97%、42.58%、8.80%、18.78%。 平均状况下过渡带芨芨草地LE/Rn值远大于夏季同期的干旱区河西走廊沙漠[23]、敦煌戈壁，而低于绿洲灌溉小麦区[23](表 3)。前两者气候极端干旱，地表植被稀疏，几近光秃，生态系统持水、滞水能力较差，水份严重稀缺，因而感热占主导地位。过渡带芨芨草地在能量分配上则更好地表现出自身的过渡性，潜热占主导地位。因为一方面过渡带芨芨草地在水热性质上介于绿洲和荒漠之间，也就表现出能量分配上的中间性，使得LE/Rn值大于沙漠、戈壁区；另一方面在因绿洲、沙漠热力性质差异形成的局地环流作用下，沙漠通过水平平流将大量的干热空气输送到绿州前缘——绿洲荒漠过渡带的上空，使得过渡带的温度梯度减小，湿度梯度增大，从而促使其感热通量减少，潜热比重增加并占主导地位。而绿洲灌溉小麦区受自身植被覆盖好和人工灌溉、耕作的影响，土壤湿度和植被含水较多，蒸散旺盛，能量传输主要通过潜热的形式，且潜热所占比例高于芨芨草地。过渡带芨芨草地LE/Rn值略大于同处绿洲荒漠过渡带的芦苇地[24]，因为后者年均降水量仅为芨芨草地的1/4，可供蒸散的水份相对较少，潜热交换所占比重较小。 3.2 地表能量分配日内动态变化 不同天气条件下能量分配的日动态变化趋势基本一致，白天均以LE为主，表现为LE/Rn > H/Rn > G/Rn(图 5)。夜间则有所不同，前半夜(20:30—24:00)晴天和平均状况均以LE为主，G次之，H比例最小，表明前半夜它们仍存在一定的蒸散量(图 5)。而阴天和雨天同期则以感热占主导地位(图 5)。除雨天外，其它天气条件下的后半夜(24:00—次日8:00)能量分配均以G占主导地位，体现出此时土壤已成为夜间草地SPAC系统的主要热源。 各种天气背景下白天LE/Rn、H/Rn、G/Rn曲线均变化平稳，波动幅度较小。而夜间除G/Rn在后半夜变化相对平稳外，各曲线一直在持续波动，变化幅度较大。在日出和日落前后伴随着草地系统热源在大气和土壤之间的转化，各能量传输方向和大小发生改变，使得各曲线早、晚发生跳跃式变化，出现较大的波峰或波谷(图 5)，其中早晨日出时刻以LE/Rn和G/Rn曲线波动最为剧烈，且两者峰谷互补。这是因为一方面，经过夜间的凝结，日出时土壤和植被表面露水较多，可供蒸散潜热的水份较为充足；另一方面，此时 Rn虽由负值转为正值，但能量较为微弱，远小于方向为负的土壤热通量(G)对蒸散能量的供给，而此时潜热数值几乎等于Rn与G之和，从而使得LE/Rn远大于1，雨天甚至接近于10，致使曲线产生剧烈突变。这也是此时LE/Rn与G/Rn曲线峰谷互补的原因。阴天因为太阳辐射弱，日照时数少，曲线早、晚剧烈变化开始时间较平均分别延后和提前0.5 h。雨天各能量分量曲线均向右偏移，致使早、晚曲线突变时间较平均分别向后推延约1.5 h。晴天则由于辐射强度大，日照时数多，造成早、晚曲线突变时间较平均分别提前0.5 h和延迟4 h。 3.3 波文比(β)日内变化 波文比是反映芨芨草地吸收净辐射能量在湍流潜热和感热上的分配比例[25]。晴天、平均、阴天(8:00—18:00)波文比依次减小，且均小于1，表明它们在白天能量分配均以潜热为主(图 6)，这与能量分配日变化曲线反映的情况一致。平均状况下波文比变化态势和晴天较为一致，只是数值略大于晴天，说明该地区由于降水稀少，云量较小，能量分配表现出以晴天为背景的特征。阴天波文比波动幅度最小，尤其在13:30以右，始终在0值附近徘徊，主要是由于全天Rn和气温变化缓和，日较差较小的缘故。而雨天则表现出较大的波动性，整体呈上升趋势。在8: 00—12：00期间，由于受上午雨水的影响，Rn<0，造成波文比也为负值，12：00由负值转为正值，并继续升高，甚至出现大于1，最大值接近4的情况。 3.4 潜热(LE)与Rn、H、G之间的关系 LE与Rn、H、G线性相关性均呈现为晴天与平均相当，阴天次之，雨天最小(表 4)。因为与晴天(T气= 30.1 ℃，RH=35.4%)相比，阴天受(T气=21.2 ℃，RH= 75.5%)云量大的影响，气温较低，致使蒸散与Rn、H、G的相关性较晴天减小，从而使得作为蒸散的能量实质——潜热与其它能量的相关系数小于晴天。而雨天(T气= 17.9 ℃，RH=71.2%)则因降水的影响，气温最低，相对湿度较大，进而在很大程度上削弱了LE与Rn、H、G的相关性。因为在干旱区过渡带阴雨天气较少，主要为晴朗天气，所以平均状况下潜热(LE)与其它地表能量之间的关系程度略小于晴天，而大于阴天和雨天。 4 结论与讨论 (1) 晴天各地表能量分量均表现出早晚低、中午高的变化规律，促使日变化曲线呈现“单峰型”。阴天受云量较大的影响，各能量分量明显削弱，且出现峰谷频繁交替，使得日变化曲线表现为“多峰型”。雨天受降水的影响，气温较低，各能量分量的峰值出现时间较晚，导致曲线整体向右发生偏移，称之为“偏峰型”。 (2) 在不同天气条件下，绿洲荒漠过渡带能量均以潜热输送占主导地位，这与以往许多干旱半干旱区试验研究发现H占大部分的情况有很大不同，主要是由于降水和植被覆盖度的不同而引起的。其中，阴天LE总量甚至大于Rn的33%。平均状况下LE占Rn的58.9%，远大于沙漠、戈壁，而低于绿洲，体现出自身在能量分配上的过渡性。 (3) 不同天气条件下绿洲-荒漠过渡带能量分配的日变化趋势基本一致，白天均以潜热为主，夜间则有所不同。G/Rn、H/Rn、LE/Rn曲线白天变化平稳，夜间持续波动。而由于草地系统能量来源在大气和土壤之间的转换，导致各曲线在日出和日落前后发生跳跃式剧烈变化。其中，日出时刻以LE/Rn和G/Rn曲线波动幅度最大，且两者峰谷互补。因辐射强度和日照时数的不同，曲线早、晚剧烈变化开始时间阴天较平均分别延后和提前0.5 h，晴天较平均分别提前0.5 h和延迟4 h。雨天能量曲线因降水整体右移，导致早、晚剧变时间较平均都向后推延约1.5 h。 (4) 晴天、平均、阴天(8:00—18:00)波文比数值依次减小，且均小于1，表明它们在白天能量分配均以LE为主，这与能量日积分值和能量分配日变化曲线反映的规律一致。晴天和平均情况波文比变化较为一致，阴天因净辐射和气温日较差较小而波动最小，雨天则表现出较大的波动性，整体呈上升态势。 (5) 除雨天外，LE与Rn、H、G线性相关性均达到极其显著性水平。总体上，相关程度由大到小顺序为：晴天>平均>阴天>雨天。阴天受云量影响，气温较晴天低10 ℃左右，导致潜热与其它地表能量的相关系数小于晴天。而雨天气温最低，相对湿度较大，致使潜热与其它地表能量相关性最小。 本文以实测气象资料为基础，运用订正后的波文比能量平衡法计算了绿洲-荒漠过渡带芨芨草地的各地表能量通量，探讨了不同天气条件下该区的地表能量及其分配日动态特征。积累更丰富的观测资料，定量研究包含云量、降水等环境因子与各能量变化的关系，建立它们之间的关系模型，以解释云量、降水因子对地表能量交换变化的影响机制，将是进一步研究的方向。