塔克拉瑪干沙漠北緣地表能量收支特征

王延慧，買買提艾力·買買提依明，何 清，楊興華，霍 文，張建濤

（1.新疆防雷減災(zāi)中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

陸—氣之間的能量交換對氣候變化有著重要的影響，目前被廣泛關(guān)注的地表能量平衡問題一直是陸面過程研究中的一個熱點問題[1]。人們一直生存的大氣和陸面之間的種種物理過程，是陸面過程的主要研究對象。它不僅同人類的生態(tài)環(huán)境與社會活動息息相關(guān)，而且象征著區(qū)域的氣候問題，關(guān)鍵是改善大氣間環(huán)流模式的預(yù)報效果。

目前，人們對于干旱半干旱與濕潤地區(qū)的陸面過程，有一些認(rèn)識。Oke TR（2003）等[2]關(guān)于歐洲城市的能量平衡收支進(jìn)行研究分析，并確定了其特征參數(shù)。張強(qiáng)[3]等利用“我國西北干旱區(qū)陸氣相互作用試驗”加強(qiáng)期（IOP）在甘肅省敦煌綠洲觀測的資料，系統(tǒng)地分析了夏季典型晴天敦煌地表能量平衡特征及小氣候特征。王慧[4]等計算并分析了鼎新戈壁下墊面地表能量平衡、動量及熱量總體輸送系數(shù)等物理量的變化特征。黃寶霞[5]等分析了內(nèi)蒙古奈曼流動沙丘地表能量收支各項的日變化、總體輸送系數(shù)日變化及其與穩(wěn)定度的關(guān)系。近期，岳平[6]等分析了黃土高原半干旱草地地表能量通量的日變化、季節(jié)變化及能量分配特征及閉合率。楊啟東[7]等利用觀測和修正的湍流通量，建立了能量不閉合和閉合情形下的湍流參數(shù)化方案。秦艷[8]等基于能量平衡原理，研究了天山北坡軍塘湖流域點尺度積雪融化的水熱過程。對于植被覆蓋率較小的沙漠及沙漠綠洲過渡帶地區(qū)，卻相對缺乏陸面過程的研究[9-10]。與其他下墊面相比，生態(tài)不穩(wěn)定的沙漠綠洲過渡帶下墊面對氣候有著更大的影響。因此，研究我國西北干旱區(qū)沙漠綠洲過渡帶的陸氣相互作用，具有非常重要的意義。

目前，對于沙漠綠洲過渡帶的能量收支方面的研究較少，本次研究開展于塔克拉瑪干沙漠北緣—肖塘實驗站，利用肖塘觀測站3 m塔上的渦動相關(guān)探測系統(tǒng)探測計算得出的湍流通量資料和10 m梯度探測系統(tǒng)直接探測的土壤濕度、土壤溫度資料，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笳緶y得的云量、能見度和天氣現(xiàn)象觀測資料，較詳細(xì)地分析了塔克拉瑪干沙漠北緣的能量收支特征，以期為沙漠地區(qū)地氣系統(tǒng)相互作用的物理過程以及進(jìn)行長期氣候變化的深入研究提供參數(shù)和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

肖塘沙漠綠洲過渡帶陸氣相互作用觀測站點位于肖塘（40°48′4″N，84°18′3″E，海拔 912 m），距離沙漠公路肖塘1號井1 000 m的沙漠中（圖1）。地處塔克拉瑪干沙漠北部邊緣、古河床的南岸，距離塔里木河約40 km，是典型的沙漠—綠洲過渡帶。

1.1 觀測儀器

為開展荒漠綠洲過渡帶的地氣相互作用特征研究，2009年6月在肖塘地區(qū)風(fēng)沙觀測實驗場安裝了渦動相關(guān)探測系統(tǒng)和輻射觀測系統(tǒng)。

試驗場沙地中埋有土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤熱通量板和4分量凈輻射表，由于涉及的傳感器數(shù)量多、占用通道多等原因無法并入到渦動相關(guān)系統(tǒng)的CR1000采集器中，故單獨利用CR3000型數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)。通量探測儀器采用國際公認(rèn)的CSAT3/Li-cor7500型渦動相關(guān)系統(tǒng)。儀器具體參數(shù)詳見表1。

本文選用2009年8—10月地面氣象觀測資料以及渦動相關(guān)探測系統(tǒng)探測的能量資料。

1.2 數(shù)據(jù)的處理

1.2.1 數(shù)據(jù)的矯正

肖塘觀測的能量數(shù)據(jù)為地方時（由程序設(shè)定），云量和沙塵數(shù)據(jù)為北京時（中國氣象局氣象觀測規(guī)范規(guī)定的常規(guī)地面氣象要素采用北京時）。由計算可知，肖塘與北京的時差為2 h 22 min 48 s，將云量和沙塵數(shù)據(jù)校正為地方時。文中晴天、陰天的界定是根據(jù)天空總云量來確定的：晴天（云量<2成）、陰天（云量>9成）。用1、4、7、10月分別代表一年中冬、春、夏、秋 4個季節(jié)[11]。

1.2.2 數(shù)據(jù)的剔除

根據(jù)朱治林[12]等計算方法，剔除夜間低于臨界摩擦風(fēng)速（0.15 m·s-1）時的通量觀測數(shù)據(jù)。此外，剔除明顯的異常數(shù)據(jù)。

表1 開路渦度探測儀器設(shè)備概況

1.2.3 通量的計算方法

1.2.3.1 湍流熱通量的計算

本文利用EddyPro4.4.1軟件計算湍流通量。計算腳本中采取了野點剔除、傾斜校正（采用DR方法進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)）、時間滯后修正、超聲虛溫訂正、WPL訂正等計算步驟。然后對30 min通量數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流平穩(wěn)性檢驗和發(fā)展性檢驗等數(shù)據(jù)質(zhì)量評價，選取質(zhì)量評價結(jié)果好的數(shù)據(jù)用于分析。在計算中使用的湍流熱通量公式如下：

式中，H為感熱通量；LE為潛熱通量；ρ為空氣密度；w′為垂直風(fēng)速脈動；T為溫度脈動；q′為比濕脈動；Cp為定壓比熱，一般取值為 1 004.67 J·kg-1·℃-1；λ 為水的汽化潛熱，一般取值為 2.5×106J·kg-1。

1.2.3.2 土壤熱通量的計算

利用埋設(shè)在地表面下的土壤濕度計和土壤溫度計的測量值求算，運(yùn)用TDEC[13]（Thermal Diffusion Equation+Correction）法，如下：

若給定溫度廓線為T（Zi），假設(shè)G（Zref）≈0，則利用方程（3），從底部開始逐層積分，即得到各層的土壤熱通量：

式中t/s代表時間，z/m代表土壤深度（向下為正），T/K是土壤溫度，ρsCs/（J·kg-1·K-1）是土壤熱容量，G/（W·m-2）為土壤熱通量（向下為正）。

2 結(jié)果與分析

2.1 肖塘地區(qū)地表能量收支平衡狀況

根據(jù)能量守恒定理，到達(dá)下墊面的熱能應(yīng)該等于下墊面的總支出，因而下墊面的能量平衡方程可以表示為:

其中Rn為凈輻射，是其余各項的能源；H為下墊面與大氣間的感熱交換，LE為下墊面與大氣間的潛熱交換，G為下墊面和土壤之間的熱交換[14]。理論意義上來說，能量的收入和支出應(yīng)當(dāng)是平衡的，但實際中存在能量不平衡的現(xiàn)象。探討能量不平衡的原因，成為近年來的研究焦點之一[15-16]。

能量不平衡統(tǒng)計方法有短期統(tǒng)計方法和長期統(tǒng)計方法[17]。長期的地表能量不平衡狀況需要其他一些統(tǒng)計方法[18-19]，其中，長期總體的能量閉合程度一般用最小二乘線性回歸量度。最小二乘（以下簡稱OLS）線性回歸是利用最小二乘法得到湍流熱通量和可利用能量之間的線性相關(guān)關(guān)系，斜率代表長期的平均能量閉合度。在理想狀態(tài)下，回歸直線應(yīng)該是斜率為1，并且通過原點，線性相關(guān)系數(shù)接近1。

圖2a為考慮了0～2.5 cm的土壤熱量儲存后，肖塘2009年夏季、秋季晴天天氣資料擬合的散點回歸直線。從可利用能量Rn-G和有效能量H+LE的相關(guān)圖中可以看出，肖塘2009年長期的平均能量閉合度為0.78，閉合率為78%，閉合差為22%，這與大部分文獻(xiàn)的結(jié)果20%～30%[20]是一致的。與圖2b給出的結(jié)果相比，考慮了0～2.5 cm的土壤熱量儲存后，肖塘地區(qū)能量閉合率提高了10.9%。此外，當(dāng)考慮了0～2.5 cm的土壤熱量儲存后，回歸系數(shù)中的相關(guān)系數(shù)也得到了較大改善。可見，地表至土壤熱通量板之間的土壤熱流儲存是影響肖塘地表能量平衡的一個重要因子。

2.2 夏、秋季晴天天氣下能量收支的日變化

選用 2009 年 8 月 7、8、9、11、25、29 日，10 月 2、13、18、20、21、22、23 日晴天的地表能量收支通量數(shù)據(jù)作為夏、秋季來分析熱通量的季節(jié)變化特征。

由圖3可知，肖塘地區(qū)地—氣能量交換主要以感熱和土壤熱通量為主，潛熱通量的變化不是很大。凈輻射、感熱通量具有非常明顯的季節(jié)特征，即夏季較大，秋季較小。相比之下，潛熱通量和土壤熱通量的季節(jié)變化特征不是很明顯。

夏季晴天時，土壤熱通量、凈輻射均于11:30達(dá)到最大值，分別為 122.6，443.2 W·m-2；而感熱通量、潛熱通量則分別于13時、8:30達(dá)到峰值為244.2，48.6 W·m-2。

秋季晴天時，感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射分別于11時、10時、11:30、11:30達(dá)到峰值分別為 172.3，24.0，87.4，320.2 W·m-2，依次比夏季晴天時減少了29%，75%，29%，28%。

2.3 不同天氣狀況下的能量收支

本文從2009年8月1日至8月31日的渦動和輻射數(shù)據(jù)資料中，挑選了8月4日、8月7日、8月22日、8月27日共4 d的資料，分別代表肖塘夏季的陰天、晴天、揚(yáng)沙（18:46—19:08；20:49—21:02）和沙塵暴（14:31—15:04）天氣，來分析肖塘夏季典型天氣下的能量收支日變化特征。

2.3.1 晴天

從圖4a看以看出，晴天時，地表能量收支各項的日變化特征為：感熱、潛熱、土壤熱通量在量級上基本相當(dāng)，但以感熱傳輸為主；白天，地表能量收支主要以感熱為主，于13時達(dá)到峰值為244.2 W·m-2，土壤熱通量次之，于11:30達(dá)到最大值122.6 W·m-2，潛熱最小，于12時達(dá)到最高值44.9 W·m-2。而凈輻射比感熱通量達(dá)到最高值的時間提前了1.5 h，于11:30達(dá)到峰值414.2 W·m-2；夜間，土壤熱通量從17時—次日6時，全天將近1/2的時間一直都為負(fù)值，期間的平均土壤熱通量值為-33.9 W·m-2，凈輻射于18時開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，至6:30，全天1/2表現(xiàn)為凈輻射能量的損失，期間的平均凈輻射值為-63.0 W·m-2。感熱和潛熱通量分別于1時、6:30達(dá)到最小值-34.3，-23.9 W·m-2；感熱、潛熱、土壤熱通量的日總量別為 5.4，1.6，0.4 MJ·m-2·d-1，分別占到凈輻射的66%，20%，4%，能量不平衡率為10%。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日平均依次為64.4，7.4，4.4，97.4 W·m-2，日較差分別為278.5，68.8，172.0，509.4 W·m-2。

2.3.2 陰天

從圖4b可以看到：陰天時，由于云的遮蔽作用，達(dá)到地表的太陽輻射減少，地面溫度降低，陸—氣之間的湍流作用減弱，感熱輸送略微減少。由于濕度的增加，地面蒸發(fā)使得熱量傳輸過程中的潛熱通量增加，但全天仍以感熱為主；白天，感熱通量，于12時達(dá)到峰值231.0 W·m-2，占晴天的95%。土壤熱通量于12時達(dá)到峰值65.1 W·m-2，潛熱通量于10時達(dá)到峰值49.3W·m-2，明顯比晴天增大了4.4 W·m-2；土壤熱通量全天1/2的時間為負(fù)值，期間平均土壤熱通量值為-24.0 W·m-2。感熱、潛熱通量均于19時開始轉(zhuǎn)換為負(fù)值，經(jīng)過一段時間，于4時、20:30達(dá)到最小值分別為-28.3，-7.0 W·m-2。凈輻射于18時開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，全天超過1/2的時間表現(xiàn)為凈輻射的能量損失；感熱、潛熱、土壤熱通量的日總量分別為 4.5，1.0，-0.1 MJ·m-2·d-1。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日平均依次為55.2，7.7，-3.6，60.0 W·m-2，日較差分別為 259.3，56.3，106.7，480.5 W·m-2。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日較差依次比晴天日較差減少了7%，18%，38%，6%。

2.3.3 揚(yáng)沙

從圖4c可以得知：揚(yáng)沙時，由于沙塵的影響，到達(dá)地表的熱量呈多峰狀，表現(xiàn)出不規(guī)則性。感熱通量、潛熱通量于13:30、8:30達(dá)到峰值，分別為210.0，40.5 W·m-2，皆于21:30達(dá)到一天中的最小值，分別為-25.6，-26.0 W·m-2。土壤熱通量則于13時達(dá)到峰值143.5 W·m-2，于13:30開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，并且達(dá)到一天中的最小值。凈輻射通量全天在-83.0～395.0 W·m-2之間變化；感熱、潛熱、土壤熱通量的日總量分別為 3.8、0.9、0.04 MJ·m-2·d-1，感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射依次比晴天減少了30%、45%、90%、38%。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日平均依次為 47.4、8.0、1.2、62.5 W·m-2，其中感熱、土壤熱通量和凈輻射日平均分別為晴天的73%、27%、64%。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日較差依次為 235.6、66.1、191.0、478.1 W·m-2，除土壤熱通量日較差比晴天增加了19.0 W·m-2外，感熱、潛熱通量和凈輻射皆比晴天小，依次為晴天的85%、96%、94%。其中揚(yáng)沙（18:46—19:08；20:49—21:02）出現(xiàn)時段，感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射的峰值分別只有揚(yáng)沙一天中峰值的0.5%，4.3%，、12.0%、13.0%；而出現(xiàn)揚(yáng)沙時段潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射的平均值約為晴天相應(yīng)時段的29.8%、63.3%、78.6%。

2.3.4 沙塵暴

圖4 肖塘夏季典型天氣下地表能量收支的日變化（時間均為地方時）

由圖4d可以得知：沙塵暴時，早晚各通量較小，全天仍以感熱通量為主。感熱、潛熱通量分別于13:30、7:30 達(dá)到峰值 215.1、33.3 W·m-2，土壤熱通量全天在-36.9～112.6 W·m-2之間變化。凈輻射比土壤熱通量出現(xiàn)最大值的時間滯后了半小時，于13:30達(dá)到峰值330.8 W·m-2；感熱、潛熱、土壤熱通量的日總量分別為 3.8、0.9、0.04 MJ·m-2·d-1。感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射依次為晴天的66%，18%、22%、55%。感熱、潛熱通量和凈輻射的日平均依次為 41.8、3.3、52.7 W·m-2，分別比晴天減少了 35%、55%、46%，土壤熱通量的日平均值為-0.9 W·m-2。感熱、潛熱、土壤熱通量和凈輻射的日較差依次為249.8、55.4、149.4、420.7 W·m-2， 分 別 是 晴 天 的90%、81%、87%、83%。其中沙塵暴（14:31—15:04）出現(xiàn)時段，感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射的峰值分別是沙塵暴一天中峰值的73.1%、51.0%、38.2%、79.0%；而出現(xiàn)揚(yáng)沙時段潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射的平均值分別約為晴天相應(yīng)時段的88.0%、69.6%、96.5%、77.3%。

2.4 肖塘地表能量收支的分配特征

地—氣相互作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是能量收支，作為地表能量輸送的連續(xù)性條件的能量平衡，是陸—氣相互作用的基本準(zhǔn)則。同時，地表能量不平衡問題一直是困擾地—氣相互作用的難點之一。

表2為肖塘地區(qū)夏、秋季（8、10月）白天（G＞0）、夜間（G＜0）的地表能量收支各項在凈輻射中所占的份額。

表2 地表能量收支各項占凈輻射的比率

從表2中可以看出，夏季白天、夜間感熱通量分別占凈輻射的52%、53%，潛熱通量分別占凈輻射的6%、3%，土壤熱通量分別占凈輻射的16%、6%；秋季白天、夜間感熱通量分別占凈輻射的40%、28%，潛熱通量分別占凈輻射的2%、1%，土壤熱通量分別占凈輻射的18%、19%，夏季白天、夜間能量不平衡率分別為26%、38%。由此可見，在夏、秋季節(jié)，無論白天還是夜間，潛熱通量占凈輻射比例均較小，感熱通量占凈輻射比例皆較大，土壤熱通量占凈輻射比例均僅次于感熱通量，夏季白天、夜間潛熱通量均約為感熱通量的1/9，秋季分別約為感熱通量的1/20、1/28。說明肖塘過渡帶凈輻射主要通過感熱形式加熱大氣，土壤熱通量的作用也比較重要。

在華北農(nóng)田下墊面，潛熱通量占凈輻射的59.5%，為感熱通量的5倍[21]。敦煌典型干旱下墊面，夏季潛熱通量約為感熱通量的1/2[22]。相對華北農(nóng)田下墊面而言，肖塘過渡帶氣候干燥，潛熱對大氣的加熱作用明顯較弱。

秋季白天、夜間土壤熱通量占凈輻射的18%、19%，而夏季白天、夜間土壤熱通量僅占凈輻射的2%、1%，這主要是因為夏季在大尺度的環(huán)流作用下，近地層風(fēng)速加大，沙塵天氣頻繁，湍流交換增強(qiáng)，感熱通量則較大。再加上局地的熱力平流增強(qiáng)，加大了近地層水分的蒸發(fā)，使得潛熱通量增大，近地層與沙層的熱量交換相應(yīng)地減少，使得土壤熱通量占凈輻射的份額減小。

2.5 總體輸送系數(shù)的平均日變化

本文采用當(dāng)前被認(rèn)為最精確的渦動相關(guān)法來計算肖塘地區(qū)的總體輸送系數(shù)[23-25]。

其中，CD為大氣動量總體輸送系數(shù)；CH為感熱總體輸送系數(shù)；U為觀測高度的水平風(fēng)速；ρ為空氣密度；Ta和Ts分別為近地層大氣溫度和地表溫度；′為水平風(fēng)速與垂直風(fēng)速脈動協(xié)方差′為垂直風(fēng)速與超聲溫度協(xié)方差。

總體輸送系數(shù)包括地表動量拖曳系數(shù)（CD）、熱量輸送系數(shù)（CH）和水汽輸送系數(shù)（CE），當(dāng)風(fēng)速小于10 m/s時，通常假定 CH=CE[26]。

圖5給出了肖塘地區(qū)3 m動量總體輸送系數(shù)CD和感熱總體輸送系數(shù)CH在夏、秋季的平均日變化曲線。8月、10月，總體輸送系數(shù)的日變化十分明顯，白天大于夜間，變化曲線呈多峰分布。動量總體輸送系數(shù)CD日平均值夏季8月較大，為4.5×10-3，秋季10月較小，為4.2×10-3，可見夏季湍流動量交換比較強(qiáng)烈，秋季較弱；感熱總體輸送系數(shù)CH日平均值夏季8月較大，為2.2×10-3，秋季10月較小，為1.6×10-3，這符合季節(jié)性規(guī)律夏季太陽輻射較秋季強(qiáng)，熱量交換較秋季劇烈，可見夏季湍流熱量交換比較強(qiáng)烈?？傮w來說，CD大于CH，在一定程度上反映了肖塘過渡帶下墊面，總體輸送過程受動力因子作用大于熱力因子作用。

8月，CD在9時開始變大，于15:30出現(xiàn)峰值6.1×10-3，這主要是由于日出后隨著加熱作用，大氣逐漸由穩(wěn)定向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變。8月觀測期CD日平均值為4.5×10-3，在20時出現(xiàn)一天中的最小值；CH于19時達(dá)到峰值 2.8×10-3，比 CD峰值減小了 3.3×10-3，在1:30出現(xiàn)一天中的最小值1.5×10-3。日平均值比CD日平均值減少了51%。10月，CD于8時開始增大，于11:30出現(xiàn)一天中的最大值6.3×10-3，比8月最大值僅大了0.2×10-3，在19時出現(xiàn)了一天中的最小值為2.1×10-3，日平均值比8月CD減少了6%。而CH在4時開始增大，至7:30出現(xiàn)峰值，于21時達(dá)到最小值，在0.6×10-3～3.9×10-3之間變化，小于10月CD的最大值。日均值比8月份CH日均值減小了28%。

表3為沙漠戈壁地區(qū)夏季總體輸送系數(shù)的平均值，由表3可知，肖塘過渡帶的動量總體輸送系數(shù)CD，與張立盛計算的沙漠動量總體輸送系數(shù)相同，比黃寶霞計算的沙丘動量總體輸送系數(shù)中性值小；肖塘過渡帶的感熱輸送系數(shù)CH，比張立盛計算的沙漠與戈壁的感熱輸送系數(shù)均小，大于黃寶霞計算的沙丘感熱輸送系數(shù)中性值。這些差異應(yīng)該是下墊面和觀測場地局地環(huán)境的差異性所致。

表3 干旱地區(qū)不同下墊面夏季的總體輸送系數(shù)（×10-3）

3 結(jié)論

（1）通過2009年夏季、秋季晴天天氣資料擬合的散點回歸直線，得到肖塘2009年8—10月的平均能量閉合率為78%，閉合差為22%。

（2）夏季白天，感熱、潛熱、土壤熱通量各占凈輻射的52%，6%，16%，夜間依次占凈輻射的53%，3%，6%。夏季白天、夜間能量不平衡率分別為26%，38%。秋季白天，感熱、潛熱、土壤熱通量各占凈輻射的40%，2%，18%，夜間依次占凈輻射的28%，1%，19%。

（3）總體輸送系數(shù)的季節(jié)和日變化十分明顯，夏季大于秋季，白天大于夜間，日變化曲線呈多峰分布。8月肖塘總體輸送系數(shù)CD平均值為4.5×10-3，CH為 2.2×10-3。10 月 CD、CH平均值分別為 4.2×10-3、1.6×10-3。

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