新疆于田縣不同下墊面小氣候特征比較研究*

鐘秀娟,熊黑鋼,張建兵

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830046;2.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院,北京 100083)

小氣候是指在近地面1.5～2.0 m以下的局部地區(qū)內(nèi),因下墊面局部特性影響而形成的貼地層和土壤上層的氣候,它與大氣候不同,其差異可用范圍小、差別大、很穩(wěn)定來概括[1-2]。研究小氣候具有很大的實(shí)踐意義,因?yàn)橹参?特別是農(nóng)作物)和動(dòng)物,都是在這個(gè)區(qū)域中生活和生長的;理論上,小氣候的研究也是很重要的,因?yàn)榈乇硎谴髿馊崮芎退闹饕苯幽茉?了解空氣最低層的情況,對于了解空氣上層的情況無疑是有幫助的[3]。

近年來,隨著氣候研究的深入,小氣候越來越受到氣象學(xué)家的重視[4]。國內(nèi)外對小氣候的研究也越來越多,對干旱區(qū)的小氣候研究多為植物冠層的微氣候研究以及綠洲單一界面小氣候[5-6]。不同下墊面之間的差別和相互作用的研究對大氣環(huán)境和氣候數(shù)值模擬極為重要。國內(nèi)外對下墊面進(jìn)行了大量的觀測研究,但這些觀測大多數(shù)是在濕潤和半干旱地區(qū)進(jìn)行的,而對干旱地區(qū)下墊面的研究則較少[7]。伴隨著非均勻下墊面陸面過程及大氣邊界層研究的展開,對綠洲-交錯(cuò)帶-荒漠這種典型的非均勻下墊面系統(tǒng),僅孤立地分析綠洲、交錯(cuò)帶或是荒漠的特征是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

于田縣內(nèi)不僅有典型的干旱區(qū)綠洲,還有生態(tài)環(huán)境極其脆弱的綠洲-荒漠交錯(cuò)帶以及大面積的荒漠[8-9],這3個(gè)下墊面上的小氣候分析是研究干旱區(qū)不同下墊面相互作用的基礎(chǔ)[10]。

本文利用HOBO小氣候觀測儀對新疆于田縣綠洲、綠洲-荒漠交錯(cuò)帶以及荒漠的小氣候因子進(jìn)行了定點(diǎn)、連續(xù)觀測,以探討3個(gè)不同性質(zhì)下墊面的小氣候變化特征,以期為防治沙漠化、維持綠洲的穩(wěn)定性、保護(hù)日趨惡化的綠洲-交錯(cuò)帶-荒漠生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

于田縣位于塔里木盆地南緣,東經(jīng)81°09′-82°51′,北緯 35°14′-39°29′,南靠雄偉的昆侖山與西藏自治區(qū)相接,北靠浩瀚的塔克拉瑪干大沙漠與沙雅縣接壤,東連民豐,西鄰策勒,具有典型的綠洲、綠洲-荒漠交錯(cuò)帶、荒漠3個(gè)下墊面,南北長約466 km,東西寬30～120 km,土地面積為3.95萬 km2,其中綠洲面積僅為1 773 km2。該縣屬于典型的極端干旱區(qū),其氣候的主要特征是:四季分明、晝夜溫差大;光照充足,熱量資源豐富,日照率為62%,年日照總數(shù)超過2 769.5 h,積溫高達(dá)4 208.1℃;降水稀少,蒸發(fā)劇烈,多年平均降水量僅為47.7 mm,而蒸發(fā)力卻高達(dá) 2 420.3 mm;多年平均氣溫為11.68℃,大部分灌區(qū)多年平均無霜期為213 d;平原綠洲年平均風(fēng)速1.8 m/s,風(fēng)速以春季最大,平均2.2 m/s,秋冬季最小,平均為1.4 m/s,且春夏多風(fēng)沙和浮塵天氣。

2 研究方法

本觀測試驗(yàn)于2000年9月5-12日在于田縣的綠洲(棉花地)、綠洲-荒漠交錯(cuò)帶及荒漠(戈壁)的典型樣地上進(jìn)行,利用HOBO觀測儀對3個(gè)樣地的氣溫、相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)、地溫等小氣候特征進(jìn)行觀測。其中,氣溫、相對濕度、風(fēng)速探頭分為0 cm、50 cm、100 cm、150 cm 及 200 cm 高度5層布設(shè) ;地溫分 0 cm(地表)、5 cm 、10 cm 、15 cm 、20 cm及40 cm五個(gè)布設(shè)。每天的觀測時(shí)間為 6:00-22:00,每隔2 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。蒸發(fā)觀測選用小型蒸發(fā)皿,晝夜各觀測一次。最后,利用Excel 2003以及DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對野外所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。HOBO小氣候觀測儀是目前使用比較廣泛的小氣候觀測儀器,它能快速、準(zhǔn)確并連續(xù)地觀測氣溫、地溫、風(fēng)速、相對濕度、蒸發(fā)等小氣候因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫的變化特征

3.1.1 氣溫的時(shí)序變化 對比分析觀測期內(nèi)荒漠、交錯(cuò)帶、綠洲各層日平均氣溫可知(圖1-2),不同下墊面之間的氣溫具有差異性,荒漠的平均氣溫最高(22.12℃),交錯(cuò)帶次之(21.14℃),綠洲最低(18.3℃)。這是由3個(gè)下墊面的性質(zhì)差異引起的,荒漠下墊面的砂礫地表對太陽的短波輻射具有很強(qiáng)的吸收能力,致使地表迅速升溫并對外釋放大量長波輻射,這導(dǎo)致荒漠區(qū)近地表的氣溫高;而綠洲與此相反,其較高的植被覆蓋能吸收大量的太陽輻射能量進(jìn)行光合作用以維系自身的生長發(fā)育,另一方面,綠洲下墊面較高的植被覆蓋不利于太陽光線到達(dá)地表,也不利于地表的長波輻射,從而導(dǎo)致綠洲區(qū)近地表的氣溫較低;空間上介于荒漠與綠洲之間的交錯(cuò)帶具有過渡性,其下墊面性質(zhì)也介于兩者之間,從而導(dǎo)致氣溫低于荒漠下墊面而高于綠洲下墊面。

雖然3個(gè)下墊面氣溫在數(shù)值上存在較大的差異,但是其平均氣溫的時(shí)序變化特征(逐日變化特征及日內(nèi)變化特征)卻表現(xiàn)出了明顯的相似性(圖1,圖2),即變化趨勢一致。3個(gè)下墊面氣溫的逐日變化在觀測期內(nèi)出現(xiàn)相似的波動(dòng)變化,均在6日達(dá)到各自的最高值,而在10日達(dá)到最低值;在日內(nèi)變化方面,相似性更高。在觀察時(shí)段內(nèi),6:00 3者氣溫最低,而在16:00最高,說明不同下墊面的氣溫雖然受到其性質(zhì)的影響,在數(shù)值上會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性,但是其變化趨勢卻是一致的,這是由于3者處于同一的外界大氣候環(huán)境,這也說明小氣候特征雖然在各自下墊面性質(zhì)的影響下會(huì)發(fā)生一些變化,但是其基本特征始終離不開大氣候的影響,并與大氣候保持著一致性。

圖1 不同下墊面平均氣溫的逐日變化特征

圖2 不同下墊面平均氣溫的日變化特征

3.1.2 氣溫的垂直變化 總體上,荒漠、交錯(cuò)帶及綠洲3下墊面氣溫的垂直變化特征是:變化趨勢相似,變化幅度各異(圖3)。在變化趨勢上,荒漠、交錯(cuò)帶及綠洲氣溫都隨著高度的上升而降低,并且均在0-50 cm變化強(qiáng)烈,往上緩慢降低。其原因在于近地表的熱量主要來源于地面的長波輻射,離地面越遠(yuǎn),收到的長波輻射能量越低,氣溫也就越低。

在變化幅度方面,由地表到200 cm高度,3者氣溫的降低值分別為3.41℃,2.78℃,0.85℃。荒漠由于地表光禿,其氣溫的降低只受到離地面高度的影響;而在綠洲區(qū),植被眾多,而且9月初各類莊稼尚未收割,不僅茂密的植被阻擋了太陽輻射,而且地表由于受到灌溉的影響,溫度最低。50 cm高度大致為棉花的生長高度。由于農(nóng)田四周有較寬的防護(hù)林帶,此時(shí)的綠洲區(qū)50 cm以上高度內(nèi)可以近似看做一整體,所以氣溫在這一相對均質(zhì)的空間內(nèi)變化小。交錯(cuò)帶植被稀疏低矮,氣溫在200 cm高度內(nèi)的變化大多還是受離地面距離的影響,所以其變化趨勢接近于荒漠,變幅較大。

3.2 大氣相對濕度的變化

3.2.1 相對濕度的時(shí)序變化 綠洲、交錯(cuò)帶、荒漠的各層日平均相對濕度差異顯著,綠洲高達(dá)64.7%,而后兩者僅為49.8%、36.9%(圖4-5)。綠洲下墊面與其他2者最大的差別在于綠洲受到了人類活動(dòng)的影響,因此,綠洲地表以及淺層土壤具有較多的水分,另一方面,綠洲具有較高的植被覆蓋度,植被蒸騰作用旺盛,使得其相對濕度最高;交錯(cuò)帶雖然植被稀疏,但是由于靠近綠洲,相對濕度也較高。而在荒漠區(qū),其光禿的砂礫質(zhì)地表涵水能力差,地表及淺層土壤水分匱乏,雖然有強(qiáng)烈的蒸發(fā)力,但是其相對濕度仍較低。

圖3 不同下墊面各層平均氣溫垂直變化圖

3下墊面相對濕度的逐日變化以及日內(nèi)變化趨勢基本一致,在5-12日內(nèi)呈相同波動(dòng)變化。而在日內(nèi)變化方面,均在 6:00-16:00逐漸降低,在16:00達(dá)最低值,而后逐漸升高,并在22:00左右達(dá)到6:00的水平(圖4)。在變化幅度方面,綠洲與交錯(cuò)帶的變幅較大而且較接近,而荒漠卻與前2者截然不同,一直都保持一個(gè)較低的水平,這與荒漠簡單的下墊面性質(zhì)、稀少的水分緊密相關(guān)。

圖4 不同下墊面各層平均相對濕度的逐日變化

圖5 不同下墊面各層平均相對濕度的日變化

另外,3下墊面相對濕度的變化與氣溫的變化呈反向相關(guān)的關(guān)系,這是因?yàn)闇囟仍龈邥r(shí),雖然蒸發(fā)加強(qiáng),使實(shí)有水汽壓增大,但因飽和水汽壓增大得更多,結(jié)果相對濕度反而減小,而當(dāng)溫度降低時(shí)該過程則相反,導(dǎo)致相對濕度增大。

3.2.2 相對濕度的垂直變化 綠洲、交錯(cuò)帶及荒漠下墊面各高度的平均相對濕度中均以前者最高,中者次之,后者最低,而且隨著高度的增加,綠洲、交錯(cuò)帶的相對濕度相差逐漸減小,兩者與荒漠相差逐漸增大(圖6)。

圖6 不同下墊面各層日平均相對濕度垂直變化

在變化規(guī)律上,綠洲在0-50 cm的相對濕度變化基本呈直線,這是因?yàn)樗x觀測地為棉花地,植株高度為50 cm左右,在稠密的棉花地里溫度變化小,風(fēng)速低,相對濕度變化小,向上由于受到風(fēng)等因素的影響,相對濕度有所降低;交錯(cuò)帶的相對濕度隨高度出現(xiàn)較小幅度的增加,而荒漠的相對濕度隨高度變化在25%～35%出現(xiàn)震蕩式變化,200 cm高度與0cm高度的相對濕度值相差不大。

3.3 風(fēng)速的變化特征

圖7 不同下墊面各層平均風(fēng)速逐日變化

3.3.1 風(fēng)速的時(shí)序變化 荒漠、交錯(cuò)帶風(fēng)速相差小且遠(yuǎn)大于綠洲下墊面風(fēng)速,3者的平均風(fēng)速值分別為1.83 m/s,1.55 m/s,0.46 m/s(圖7)。這與下墊面性質(zhì)差異密切相關(guān),荒漠地表光禿,對空氣流動(dòng)無阻礙作用;而交錯(cuò)帶雖然有植被,但是其數(shù)量小,分布稀疏并且植株矮小,對風(fēng)的阻擋作用微弱,所以荒漠與交錯(cuò)帶下墊面的風(fēng)速較大,兩者差距小。綠洲由于其錯(cuò)綜復(fù)雜的表面,較高的植被覆蓋度,加上植株比較高大,十分不利于近地面空氣的運(yùn)動(dòng),所以該下墊面的風(fēng)速遠(yuǎn)小于荒漠與交錯(cuò)帶下墊面。

在風(fēng)速的時(shí)序變化上,3者變化趨勢相似,但變化幅度相差大(圖7,8)。逐日變化中,風(fēng)速在9日劇烈增加,是由于該日天氣突變引起的;日變化與氣溫的日變化呈正向相關(guān),隨著氣溫的升高,風(fēng)速增大,反之亦然。由于氣溫升高將導(dǎo)致大氣氣壓梯度力的增加,從而導(dǎo)致風(fēng)速的增大。另外,荒漠與交錯(cuò)帶風(fēng)速的逐日變化與日內(nèi)變化具有變幅大,相似性高的特點(diǎn),而綠洲由于其內(nèi)部景觀空間分布的復(fù)雜性導(dǎo)致風(fēng)速小,且變幅小。

圖8 不同下墊面各層日平均風(fēng)速的日內(nèi)變化

3.3.2 風(fēng)速的垂直變化 荒漠、交錯(cuò)帶及綠洲下墊面各高度上的日平均風(fēng)速均是荒漠＞交錯(cuò)帶＞綠洲,并且均隨著高度的上升而逐漸增加(圖9),但增加程度不同。其中,交錯(cuò)帶變化最大,荒漠次之,綠洲變化最小,這同樣是由其下墊面性質(zhì)的差異所引起的。

圖9 不同下墊面日平均風(fēng)速的垂直變化

在3下墊面風(fēng)速的垂直變化中有一顯著特點(diǎn),即在0-100 cm高度,風(fēng)速增加強(qiáng)烈,尤其以交錯(cuò)帶最為明顯,其風(fēng)速增加值為1.20 m/s,荒漠增加值次之,為0.55 m/s,綠洲增加值最小,為 0.33 m/s。其原因是交錯(cuò)帶和荒漠植被低矮稀疏,地表空曠,空氣所受摩擦力小,風(fēng)速變幅大;而在綠洲,其濃密的植被覆蓋很大程度上增加了空氣的摩擦力,使風(fēng)速的變化幅度減小。在100-200 cm高度內(nèi),大氣湍流及摩擦的作用明顯小于0-100 cm,3者增值減小,荒漠、交錯(cuò)帶及綠洲下墊面的風(fēng)速分別增加了0.09 m/s,0.11 m/s,0.08 m/s,遠(yuǎn)小于0-100 cm高度內(nèi)的增加值。

3.4 各層地溫的變化特征

3.4.1 地溫的時(shí)序變化 觀測期內(nèi),荒漠、交錯(cuò)帶的各層日平均地溫較接近且遠(yuǎn)高于綠洲的平均地溫(圖 10,11),其值分別為 23.63℃,23.83℃,19.80℃,這由3個(gè)下墊面的性質(zhì)決定?；哪⒔诲e(cuò)帶由于地面裸露,地表直接接收太陽輻射,地面快速升溫,并將一部分能量向下傳遞,導(dǎo)致地溫較高;而綠洲地表則相反,導(dǎo)致平均地溫低,向下傳遞的能量少,平均地溫低于荒漠及交錯(cuò)帶下墊面。

3個(gè)下墊面地溫在5-12日內(nèi)發(fā)生與氣溫變化基本一致的小波動(dòng)變化。一天中3個(gè)下墊面地溫從6:00-16:00逐漸增加,并在16:00達(dá)到最高值,而后逐漸降低。此變化趨勢與氣溫的時(shí)序變化趨勢基本保持一致,說明地溫與氣溫關(guān)系十分密切。

3.4.2 地溫的垂直變化 從3下墊面地溫的垂直分布來看,地表的溫度最高,而后隨著土壤深度的增加而降低(圖12)。由于地溫的熱量主要來源于地表,深度越深,所接受到得能量越低,所以溫度也越低,但荒漠與交錯(cuò)帶在15-20 cm土層之間出現(xiàn)反向變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度(20 cm)后,因受地表溫度影響微弱,地溫差距小而且具有一定的穩(wěn)定性。

圖10 不同下墊面各層日平均地溫的逐日變化

圖11 不同下墊面各層日平均地溫日內(nèi)變化

在各深度層,荒漠與交錯(cuò)帶地溫相差小(0.16℃),變化趨勢一致,而且都遠(yuǎn)大于綠洲同深度層的溫度(4.12℃),這與綠洲地表溫度低,向下傳遞的熱量少有直接關(guān)系。

圖12 不同下墊面各層平均地溫的垂直變化

3.5 蒸發(fā)的時(shí)序變化特征

圖13 不同下墊面白天蒸發(fā)逐日變化

對比3下墊面晝夜蒸發(fā)可知(圖13,14),白天的蒸發(fā)遠(yuǎn)大于夜間,而且兩時(shí)段中,荒漠、交錯(cuò)帶的蒸發(fā)相差甚小(平均相差僅0.51 mm),均遠(yuǎn)大于綠洲下墊面的蒸發(fā)。

溫度、風(fēng)以及接觸面性質(zhì)是影響蒸發(fā)的主要因素,荒漠地表光禿、開闊,白天氣溫高,風(fēng)力大,利于蒸發(fā);而交錯(cuò)帶植被稀疏,植株矮小,其下墊面性質(zhì)與荒漠相似,所以蒸發(fā)也強(qiáng)烈;而綠洲植被覆蓋高,外表錯(cuò)綜復(fù)雜,與前兩者相比,其溫度低,風(fēng)力小,所以其蒸發(fā)遠(yuǎn)小于荒漠與交錯(cuò)帶。

在夜間,由于氣溫下降,3個(gè)下墊面的蒸發(fā)迅速都減弱,綠洲下墊面的蒸發(fā)幾乎減為0,而荒漠、交錯(cuò)帶由于其地表開闊,風(fēng)力較大,仍有著較大的蒸發(fā)力,3個(gè)下墊面蒸發(fā)的平均下降率分別為0.86,0.37,0.12。

圖14 不同下墊面夜間蒸發(fā)逐日變化

4 結(jié)論與討論

荒漠、交錯(cuò)帶、綠洲由于其下墊面性質(zhì)的差異,各小氣候特征值存在著顯著差異(表1)。

總體講,3下墊面各小氣候因子無論是其時(shí)序變化特征還是其垂直變化特征都保持著一致性,其原因是小氣候要受外界大氣候環(huán)境的影響?；哪?、交錯(cuò)帶、綠洲的各小氣候因子雖然由于其下墊面性質(zhì)差異會(huì)引起數(shù)值上的差異,但是其本質(zhì)特征還是由外界大氣候環(huán)境決定,并隨著大氣候因子的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變。

在3下墊面各氣候因子的特征值及變化趨勢中,荒漠與交錯(cuò)帶都比較相似,兩者平均氣溫僅相差0.98℃,地溫前者僅高出后者0.2℃(表1)。這與兩者下墊面性質(zhì)相似有著直接的關(guān)系,荒漠地表光禿,而交錯(cuò)帶的植被稀疏且矮小,性質(zhì)接近于荒漠,因此,兩者的小氣候因子特征相似。

綠洲平均氣溫比荒漠低3.78℃,相對濕度分別是荒漠和交錯(cuò)帶的1.75倍和1.30倍。風(fēng)速僅為荒漠的1/4?？梢娋G洲內(nèi)茂密的植被、濕潤的土壤及四周寬闊的防護(hù)林在極端干旱區(qū)內(nèi)具有很好的降溫、保濕、屏風(fēng)等效應(yīng)。

荒漠、交錯(cuò)帶及綠洲下墊面各小氣候因子之間存在著相互聯(lián)系,如氣溫與風(fēng)速、地溫、蒸發(fā)力呈正相關(guān),而與相對濕度呈反相關(guān),風(fēng)速與蒸發(fā)力呈正相關(guān)等,這些小氣候因子之間的具體關(guān)系有待于繼續(xù)討論。

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