沙漠陸面過程與沙漠小氣候研究進(jìn)展

霍文，金莉莉，王囝囝，慕文玲，楊帆，楊興華，劉永強(qiáng)，艾力·買買提明，劉新春，何清*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆塔中 841000；3.大連市氣象局，遼寧大連 116001）

沙漠陸面過程與沙漠小氣候研究進(jìn)展

霍文1，2，金莉莉1，2，王囝囝3，慕文玲1，2，楊帆1，2，楊興華1，2，劉永強(qiáng)1，2，艾力·買買提明1，2，劉新春1，2，何清1，2*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆塔中 841000；3.大連市氣象局，遼寧大連 116001）

陸面過程是影響大氣環(huán)流和氣候變化的基本物理、生化過程之一。沙漠陸面過程及相應(yīng)的小氣候效應(yīng)已經(jīng)成為當(dāng)前沙漠氣象研究的熱門問題。近年來，在沙漠陸面過程野外觀測(cè)、陸面過程特征及參數(shù)化、陸面過程模擬、小氣候及陸面過程對(duì)小氣候影響等方面已取得重大進(jìn)展。本文對(duì)于沙漠小氣候、沙漠陸面過程及沙漠陸面過程參數(shù)化進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，重點(diǎn)總結(jié)了國內(nèi)外在沙漠地區(qū)氣候考察、沙漠邊界層高度、沙漠熱力環(huán)流、綠洲效應(yīng)、塔克拉瑪干沙漠氣候特征、沙漠陸面過程野外觀測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果、沙漠陸面過程對(duì)氣候的影響、沙漠陸面過程參數(shù)化方案方面的成果，回顧了近年來利用地面觀測(cè)設(shè)備和數(shù)值模式等對(duì)氣候效應(yīng)和陸面過程直接觀測(cè)和數(shù)值模擬所獲得的觀測(cè)事實(shí)和模擬試驗(yàn)，并討論了其陸面過程參數(shù)化對(duì)模擬的影響，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了討論。

塔克拉瑪干沙漠；沙漠陸面過程；小氣候效應(yīng)

人為活動(dòng)對(duì)地—?dú)饽芰科胶獾挠绊懚鸬乇砗痛髿饨M分的變化，必然對(duì)區(qū)域性氣候產(chǎn)生影響，且已經(jīng)被大量野外試驗(yàn)所證實(shí)[1]，并被眾多數(shù)學(xué)模型所模擬。研究人類活動(dòng)對(duì)干旱沙漠地區(qū)局地性氣候的影響問題，是沙漠氣象學(xué)研究的有力切入點(diǎn)。將有助于更深刻地了解人類有意識(shí)改變下墊面的狀況下，沙漠與綠地之間局地氣候變化的互饋機(jī)制。亦可直觀、精確、有效的評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)小氣候、環(huán)境的影響，闡述小氣候變化對(duì)人為活動(dòng)的響應(yīng)。同時(shí)，可為國民經(jīng)濟(jì)和政府決策部門提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，從而制定行之有效的環(huán)境保護(hù)對(duì)策，對(duì)改善人類生活環(huán)境都具有積極的科學(xué)意義。研究應(yīng)從地球系統(tǒng)科學(xué)的角度出發(fā)，著眼于人類活動(dòng)在沙漠地區(qū)引起的局地性氣候變化問題，以模擬研究與實(shí)地觀測(cè)并重，才能更全面地闡明和詮釋其中的細(xì)節(jié)性科學(xué)問題，這是一項(xiàng)實(shí)踐意義重大、科學(xué)生態(tài)意義深遠(yuǎn)的工作。

隨著塔克拉瑪干沙漠公路沿線生態(tài)防護(hù)屏障及塔克拉瑪干沙漠腹地石油基地人工綠地建成后，區(qū)域性下墊面性質(zhì)有所改變，帶來了地表溫度、近地層溫濕度、風(fēng)速、地表粗糙度、反照率以及土壤微環(huán)境等特征參數(shù)的變化，使得近地層能量分配格局發(fā)生改變，區(qū)域性氣候因子重新排列組合，形成有別于沙漠極端氣候的局地綠地小氣候。

1 研究進(jìn)展

1.1 沙漠小氣候研究進(jìn)展

沙漠是干旱區(qū)特殊的自然景觀。對(duì)于干旱地區(qū)，量化氣候的重要參數(shù)包括：年降水日數(shù)，年平均降水量，降水量的平均季節(jié)分配，月平均日最高溫度和月平均日最低溫度，年平均極端溫度，近地面平均風(fēng)速，沙塵暴的天數(shù)。任何一個(gè)參數(shù)的變化，都會(huì)影響地表的干燥度和植被覆蓋度[2]?？偟膩碚f，有很多方法可以用于研究沙漠地區(qū)歷史上的氣候變化和干旱。根據(jù)Smith[3]的總結(jié)，列舉了一些用于干旱區(qū)氣候變化研究的方法。這些方法可能比常用的方法更為復(fù)雜。包括歷史記錄、考古資料、樹木年輪、孤立的動(dòng)植物群落殘遺、動(dòng)植物化石、古湖岸線、沙灘、鹽沉積、干涸的河道、沙丘的穩(wěn)定或活化、土壤剖面、洪水等。例如：當(dāng)氣候發(fā)生變化時(shí)，有時(shí)古氣候環(huán)境下動(dòng)植物殘遺就在小生境中生存下來。Betancourt等[4]利用嚙齒動(dòng)物的糞便化石研究22 000年前的阿塔卡馬沙漠的季風(fēng)性降水。在尼雅、樓蘭時(shí)期出土文書和木簡(jiǎn)就有關(guān)于塔克拉瑪干沙漠及氣候的記載[5]。

沙漠小氣候的研究是沙漠氣候研究的另一分支，其涉及的研究領(lǐng)域也很廣泛，例如沙漠植被、地下水、微氣象、沙漠局地地形環(huán)流、土壤濕度、地表溫度，綠洲效應(yīng)等等。沙漠基質(zhì)-沙礫、鹽灘、礫石、基巖等，有時(shí)隨地點(diǎn)不同差異很大。即使基質(zhì)表面看起來一樣，在表層以下也常有所不同，如Ackerman和Inoue通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)比較了撒哈拉大沙漠內(nèi)部一個(gè)表面明顯一樣的區(qū)域的反照率和長(zhǎng)波輻射通量，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)并不好，由此推斷土壤基質(zhì)的比熱一定有顯著差異[6]。

隨著社會(huì)的發(fā)展，在沙漠邊緣的綠洲區(qū)域，人們?cè)诤惋L(fēng)沙、干旱作斗爭(zhēng)的生產(chǎn)生活過程中，開始初步認(rèn)識(shí)沙漠氣候[7-9]。近代，隨著生產(chǎn)力水平的提高，人類開始對(duì)沙漠氣候進(jìn)行理性的思考，初步進(jìn)入研究階段，俄國人布亞科夫斯基和萊茵特爾普爾熱瓦爾斯基、羅波夫斯基、克萊門茨等來新疆考察，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的氣象觀測(cè)和海拔高度的測(cè)量[10]。

（1）沙漠邊界層高度方面。邊界層高度是許多類型小氣候差異的一個(gè)表征因子。如不同下墊面類型或濕度的差異能影響感熱通量，而感熱通量對(duì)邊界層高度有較大影響。Warner和Sheu采用精確定量的模擬方法，研究地形、海岸環(huán)流以及沙漠地表特征變化對(duì)阿拉伯沙漠邊界層的影響[11]。Humes和Kustas研究了降水量對(duì)夏天地表溫度、感熱通量及小氣候的影響[12-13]。大量的試驗(yàn)和模擬研究表明，地表水平方向能量收支的差異（即小氣候）能導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)中尺度環(huán)流的形成，進(jìn)而對(duì)局地氣候造成較大的影響。

（2）沙漠熱力環(huán)流方面。許多沙漠中有山區(qū)，甚至沙漠被山區(qū)環(huán)繞。上風(fēng)向的山脈會(huì)造成干旱。許多沙漠地區(qū)因被山區(qū)包圍，形成閉合的內(nèi)陸盆地。地形造成的熱力直接環(huán)流能極大地影響與其毗鄰的沙漠上空的風(fēng)場(chǎng)和邊界層高度。在其它關(guān)于復(fù)雜地形邊界層結(jié)構(gòu)的研究中，也有很多結(jié)果表明與熱力驅(qū)動(dòng)的山谷環(huán)流相關(guān)的下沉氣流對(duì)白天谷地邊界層的抑制[14]。

（3）沙漠綠洲效應(yīng)方面。當(dāng)綠洲或者其它干旱灌溉區(qū)域尺度足夠大時(shí)，其影響會(huì)大于上述的局地影響。從沙漠小氣候相互作用的角度，這里所說的“綠洲效應(yīng)”是指當(dāng)干熱空氣水平流經(jīng)中等尺度、地表濕度較高的區(qū)域時(shí)，地表熱量和濕度通量產(chǎn)生變化的效應(yīng)。這些綠洲區(qū)域與周圍的干燥氣候的差異能夠形成熱力環(huán)流。Yan和Anthes總結(jié)了濕地區(qū)域邊界層環(huán)流的形成[15]。Chen等、Chase等使用模式模擬了北美洲半干旱大平原灌溉區(qū)中尺度環(huán)流對(duì)遠(yuǎn)距離地區(qū)的影響[16-17]，模擬結(jié)果顯示它對(duì)夏季降水量的影響可以越過落基山到達(dá)山脈西側(cè)。Segal等模擬了在半干旱大平原的同樣位置的灌溉農(nóng)田邊緣局地環(huán)流的形成[18]。張艷武等[19]分析了綠洲檉柳林的小氣候特征：在檉柳林內(nèi)，地表和近地層大氣溫度有明顯的日變化，日間地表給大氣加熱，大氣溫度呈超絕熱遞減率隨高度遞減；夜間大氣給地表加熱，大氣穩(wěn)定層結(jié)，近地層空氣濕度的日變化與溫度相反，林內(nèi)空氣濕度的垂直分析主要取決于冠層與地表吸收太陽輻射狀況，白天以上升氣流為主；夜間以下沉氣流為主，綠洲荒漠效應(yīng)已經(jīng)不明顯。高艷紅，呂世華使用美國NCAR非靜力平衡模式MMSV3，模擬了黑河地區(qū)非均勻下墊面局地小氣候效應(yīng)，再現(xiàn)了山谷風(fēng)環(huán)流及夏季“綠洲效應(yīng)”、沙漠上的“逆濕”和由于地表熱力分布不均勻引起的綠洲—沙漠垂直環(huán)流等綠洲—沙漠相互作用的典型特征，較全面地揭示了非勻地表大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)、溫、濕度場(chǎng)與陸面相互作用的物理機(jī)理，驗(yàn)證了野外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[20]。王君厚等通過對(duì)烏蘭布和荒漠東北邊緣人工綠洲內(nèi)和荒漠對(duì)照區(qū)各小氣候因子連續(xù)12 a的同步觀測(cè)，采用模糊綜臺(tái)評(píng)判方法，全面定量分析了防護(hù)林體系不同時(shí)期的小氣候效應(yīng)及變化規(guī)律[21]。肖彩虹等指出人工綠洲對(duì)災(zāi)害性天氣具有抑制作用[22]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于沙漠小氣候的研究涉及到沙漠化、綠洲化過程中的很多氣象參數(shù)和能量表征參數(shù)的變化，也在逐步揭示這些過程中的局地氣候效應(yīng)問題。

（4）塔克拉瑪干沙漠氣候方面。瑞典人斯文·赫定（Seven Hedin）于1895年4月23日—5月8日進(jìn)入塔克拉瑪干和田河探險(xiǎn)，并測(cè)知白天最高溫度為90℉。他在1927年組織了中瑞西北科學(xué)考察團(tuán)，在若羌、庫車、烏魯木齊（迪化）等地設(shè)立4個(gè)固定測(cè)候所，除地面觀測(cè)外，還進(jìn)行高空測(cè)風(fēng)，這可能是新疆最早的高空探測(cè)資料。英國籍匈牙利人斯坦因曾4次進(jìn)入塔克拉瑪干腹地探險(xiǎn)，雖然測(cè)得一些零星資料，但對(duì)塔克拉瑪干沙漠來說，是十分珍貴的資料。最有論點(diǎn)立說的是美國漢?。℉antington），他在1904年隨著卡萊基財(cái)團(tuán)組織的新疆探險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)入羅布泊和塔克拉瑪干考察后，看到南疆的沙漠化、河水?dāng)嗔骱屯恋叵КF(xiàn)象，得出了一個(gè)結(jié)論，認(rèn)為塔里木盆地氣候和塔克拉瑪干地區(qū)氣候是一直變干的，發(fā)展下去，將成為不可逆轉(zhuǎn)的干旱氣候，給當(dāng)?shù)厝嗣駧頊珥數(shù)臑?zāi)難。

氣象學(xué)家李憲之于1927年隨中瑞西北科學(xué)考查團(tuán)，在塔克拉瑪干東南緣的若羌建立了氣象站，進(jìn)行氣象觀測(cè)。在柏林大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他將西北考察時(shí)所收集的部分資料整理成文，發(fā)表了《塔克拉瑪干沙漠對(duì)若羌長(zhǎng)期天氣的影響》，提出冷空氣活動(dòng)和氣旋對(duì)這一干旱地區(qū)降水的影響，修正了前人所謂中亞沒有一般氣旋的看法[23]。1930年，地理學(xué)家陳宗器等人隨西北科學(xué)考察團(tuán)，沿塔里木河南下，對(duì)沙漠氣候作了詳細(xì)的觀測(cè)和記載[24]。1993年，新疆石油管理局以克拉瑪依油田和塔中油田的氣象、氣候資料為基礎(chǔ)編寫了《石油與氣象》，本書應(yīng)用氣象學(xué)理論和方法，解決石油生產(chǎn)中的各種氣象問題，提供氣象、氣候資料在石油工業(yè)的應(yīng)用[25-31]。2000年，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的潘伯榮、徐新文、雷加強(qiáng)等科研人員開展了“塔中油田生物防沙綠化示范工程技術(shù)”項(xiàng)目，以保證塔中的石油開發(fā)和塔中沙漠公路的安全，期望在沙漠腹地建構(gòu)符合自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)和諧的、有人工綠地的生態(tài)系統(tǒng)。2003年，由李江風(fēng)研究員在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，編著了《塔克拉瑪沙漠和周邊山區(qū)天氣氣候》一書，該專著是塔克拉瑪干沙漠綜合考察成果，該書較為全面地闡述了塔克拉瑪干和周邊山區(qū)天氣氣候形成的原因和機(jī)理，天氣氣候的特征、規(guī)律以及氣候資源和災(zāi)害氣候變化等方面的問題[32]。

在塔克拉瑪干沙漠腹地，由于人工綠地面積的不斷擴(kuò)大及人工植被蒸騰作用的加強(qiáng)，必然導(dǎo)致人工綠地中近地層相對(duì)濕度，溫度、地表溫度、地中溫度的降低，改變了流動(dòng)沙漠的水熱條件。由于植被的影響，地面濕潤(rùn)程度的增加，減低了地表的反射率，增加了對(duì)地表輻射的吸收，使輻射平衡值增大，溫度變化趨于和緩。人工綠地在生長(zhǎng)季，具有減小貼地面風(fēng)速和水土保持的功能，降低風(fēng)沙性災(zāi)害天氣的侵蝕程度。

因此可以認(rèn)為，塔克拉瑪干沙漠腹地局地性氣候效應(yīng)對(duì)人類正常的工作、生活都是有著正影響的。隨著塔中石油基地人工綠化工作的不斷深入，針對(duì)局地性小氣候的研究也隨之展開，但是依然缺乏人工綠地局地性氣候系統(tǒng)性的觀測(cè)研究。顧峰雪等[33]對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地風(fēng)沙土的理化性質(zhì)進(jìn)行了研究，指出不同植被類型和利用方式的綠地土壤理化性質(zhì)有差異。單娜娜等[34]對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地條件下微量元素變化規(guī)律進(jìn)行了研究。周智彬等[35]對(duì)塔里木沙漠公路防護(hù)林地進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)和試驗(yàn)，研究咸水灌溉條件下沙地鹽分淋溶后在土壤中重新分配和運(yùn)移的規(guī)律。王健、何清等[36]通過對(duì)塔克拉瑪干沙漠公路中段兩側(cè)不同下墊面進(jìn)行小氣候分析，比較其差異來說明自然沙面、草方格、低矮防護(hù)林帶、沙石路面等的不同防沙能力。周智彬，李培軍[37]對(duì)咸水灌溉條件下的塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地土壤微生物的分布規(guī)律和環(huán)境因子對(duì)土壤微生物分布的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明人工綠地建成后土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況得到改善，土壤微生物在時(shí)間和地域分布上呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。土壤微生物區(qū)系組成中細(xì)菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、放線菌次之、真菌最少，表層微生物數(shù)量遠(yuǎn)多于下層土壤。艾力·買買提明指出我國塔中地區(qū)受油田防護(hù)林帶的影響，防護(hù)林帶外圍的氣溫、相對(duì)濕度比被其包圍的作業(yè)區(qū)的變化幅度小，風(fēng)速比作業(yè)區(qū)大。作業(yè)區(qū)的小小氣候效應(yīng)比較顯著。嚴(yán)坤利用小氣候觀測(cè)資料分析了塔里木沙漠腹地人工灌溉林地小氣候特征及其影響因素，并與林地外原始流沙地進(jìn)行了對(duì)比。

總之，氣候是一個(gè)復(fù)雜的問題，沙漠氣候亦是如此，由于圈層及陸地表面之間的相互作用非常復(fù)雜，導(dǎo)致氣候變化對(duì)作用于氣候系統(tǒng)的外部驅(qū)動(dòng)力（如太陽輻射的差異）的響應(yīng)也很復(fù)雜，因此很難將系統(tǒng)之間的交互作用和反饋研究清楚。許多研究表明氣候變化具有特定的表現(xiàn)形式。例如，研究發(fā)現(xiàn)冰期循環(huán)或厄爾尼諾事件的頻率會(huì)影響干旱，但沒有更深入地研究是什么原因?qū)е逻@些事件的發(fā)生。全球尺度的氣候響應(yīng)與氣候的外部驅(qū)動(dòng)力之間的聯(lián)系（如太陽輻射和日地幾何關(guān)系）已經(jīng)開始有所涉及，但是很多氣候機(jī)理問題還不能進(jìn)行科學(xué)的解釋和闡述，尚需所有致力于氣候研究學(xué)者的共同努力。

1.2 沙漠地區(qū)陸面過程研究進(jìn)展

由于氣候變暖和人類生存環(huán)境的惡化，以地球?yàn)閷?duì)象的全球變化研究成為當(dāng)代世界科學(xué)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究越來越受關(guān)注[38-39]。陸—?dú)庵g的水熱交換過程成為表征下墊面與其上層大氣相互作用的一個(gè)重要參數(shù)，在數(shù)值預(yù)報(bào)和氣候模式中起到重要作用[40]。陸面過程的核心問題是地表物質(zhì)和能量交換等物理過程如何用數(shù)學(xué)來表示，地氣之間的物質(zhì)和能量交換在原則上是由能量和物質(zhì)守恒方程控制，陸面特征在方程中起主導(dǎo)作用。所以對(duì)表征陸面物理特征參數(shù)的描述成了陸面過程參數(shù)化中關(guān)鍵問題。

（1）陸面過程野外觀測(cè)試驗(yàn)方面。20世紀(jì)80年代中開始，在WCRP和IGBP的協(xié)調(diào)組織下，世界各國開展了一系列大型陸面過程實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)總數(shù)已超過50個(gè)（歐洲14、非洲5、北美17、南美2、亞洲9、澳大利亞4）。陸面過程野外觀測(cè)試驗(yàn)是陸面過程研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。從20世紀(jì)80年代中期開始，國際上進(jìn)行了一系列大型陸面過程野外觀測(cè)試驗(yàn)，其研究中心主要分布在巴西亞馬孫流域、美國、加拿大、法國、德國、英國、非洲、波羅的海、西班牙、俄羅斯勒拿河流域、泰國湄南河流域。

國際上進(jìn)行的沙漠陸面過程野外觀測(cè)試驗(yàn)主要有：（EFEDA）歐洲沙漠化地區(qū)陸面研究計(jì)劃和（HEIFE）黑河試驗(yàn)?！昂诤拥貐^(qū)地氣相互作用觀測(cè)試驗(yàn)研究（HEIFE）”是我國最早的陸面過程野外試驗(yàn)，它開創(chuàng)了我國陸面過程研究的先河，也是亞洲第一次國際合作進(jìn)行的大型陸面過程試驗(yàn)，被列為世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）中水文大氣先行性實(shí)驗(yàn)（HAPEX）和國際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）中的一部分[41]。我國還開展了“中國西部環(huán)境和生態(tài)科學(xué)研究計(jì)劃”、“西北干旱區(qū)陸—?dú)庀嗷プ饔糜^測(cè)試驗(yàn)研究（NWC-ALIEX）”[42]、“干旱化和有序人類活動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)”、沙漠—綠洲和濕地下墊面大氣邊界層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究、“沙漠—綠洲陸氣相互作用及綠洲效應(yīng)的數(shù)值模擬”、稀疏植被下墊面與大氣相互作用研究、中國西部環(huán)境和生態(tài)科學(xué)研究計(jì)劃。

雖然我國20多年的陸面過程試驗(yàn)研究工作取得了一些很有價(jià)值的科學(xué)結(jié)果，為國際陸面過程試驗(yàn)研究做出了貢獻(xiàn)，也使我國陸面過程試驗(yàn)研究在國際上取得了一定地位，但與美國、歐洲相比差距仍然很大。我國的陸面過程實(shí)驗(yàn)和地氣相互作用研究居于世界前列。在著名氣象學(xué)家葉篤正和高由禧教授的倡議和領(lǐng)導(dǎo)下,國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院重大項(xiàng)目“黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究”（HEIFE）1987年正式立項(xiàng)，1989年被列入中日兩國政府間文化交流協(xié)定。1993年HEIFE完成后，仍繼續(xù)由中日、中歐科學(xué)家合作進(jìn)行了多次后續(xù)觀測(cè)研究。

（2）陸面過程對(duì)氣候影響方面。陸面過程對(duì)干旱區(qū)域氣候影響的研究開展得較早，關(guān)于這方面的研究，最早是大氣科學(xué)家們用大氣模式開展的一系列敏感性試驗(yàn)研究，如Charney[43]在撒哈拉沙漠進(jìn)行了反照率敏感性影響研究，指出反照率上升會(huì)導(dǎo)致空氣變涼和降水減少；Sud等[44]在撒哈拉沙漠進(jìn)行了地面粗糙度敏感性試驗(yàn)，認(rèn)為地表植被覆蓋度是決定地表粗糙度的主要因子，對(duì)邊界層水汽輸送和降水分布有著巨大影響。ShuKla等著手土壤濕度變化對(duì)沙漠小氣候效應(yīng)的研究[45]。Xue等對(duì)植被退化荒漠化對(duì)其鄰近地區(qū)的氣候影響及Nicholson等對(duì)非洲地區(qū)沙漠化的研究等[46-48]。Xue用SSiB陸面模式對(duì)土壤屬性的敏感性研究表明，土壤水分參數(shù)化在模型中是關(guān)鍵的參數(shù)，飽和導(dǎo)水率參數(shù)、萎焉點(diǎn)對(duì)土壤水分模擬能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。劉樹華等[49]建立了一個(gè)研究荒漠下墊面陸面物理過程與大氣邊界層相互作用的模式，模擬了荒漠下墊面的土壤環(huán)境物理、地面熱量通量、蒸發(fā)、蒸散及大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征。鮑艷等[50]根據(jù)敦煌陸面觀測(cè)資料，校正了陸面過程模式Land Surface Model（Version1.0）中的土壤類型、土壤熱容量、熱傳導(dǎo)率、地表粗糙度長(zhǎng)度等參數(shù)，改進(jìn)了地表蒸發(fā)方案。Yang等[51]提出了一種裸土或無植被覆蓋環(huán)境下的新的熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案并進(jìn)行了驗(yàn)證，該方案與前人相比更全面反映出該參數(shù)的物理機(jī)制。

1.3 沙漠陸面過程參數(shù)化研究進(jìn)展

參數(shù)化方案對(duì)深刻認(rèn)識(shí)陸面過程的物理機(jī)理及其數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候數(shù)值模擬研究起重要作用，最早提出地—?dú)庀嗷プ饔脜?shù)化的是Deardorff，他考慮了地面和葉面反照率、凈葉面積指數(shù)、氣孔阻力及保留在葉面上的水等參數(shù)的影響，提出了陸面過程中水熱交換參數(shù)化方案并運(yùn)用到氣候模式中。此后，許多研究者也在這方面進(jìn)行了大量的工作，但大部分的陸面過程參數(shù)化研究工作主要集中于濕潤(rùn)區(qū)，對(duì)干旱區(qū)乃至沙漠區(qū)的研究較少。

房云龍等[52]對(duì)CoLM模式中反照率、粗糙度長(zhǎng)度和土壤熱力性質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化，給出了地表反照率與太陽高度角和土壤濕度參數(shù)化方案，并對(duì)敦煌戈壁的陸面過程進(jìn)行了模擬分析，表明優(yōu)化參數(shù)的CoLM對(duì)干旱區(qū)陸面過程模擬性能有所提高。張強(qiáng)等[53]分析了敦煌地區(qū)荒漠戈壁地表反照率與太陽高度角和土壤濕度的關(guān)系以及土壤熱傳導(dǎo)率與土壤濕度的關(guān)系，給出了地表反照率和土壤熱傳導(dǎo)率的多因子參數(shù)化公式。鮑艷等[54]根據(jù)“綠洲系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過程觀測(cè)試驗(yàn)”，給出了地表反照率參數(shù)化方案，用BATS模式證明了考慮太陽高度角變化的裸土反照率參數(shù)化可以改善沙漠、戈壁地表輻射和熱狀況模擬。Zhang and Huang通過NWC-ALIEX試驗(yàn)，獲得干旱和半干旱區(qū)總體輸送系數(shù)、地面反照率、表面粗糙度、土壤濕度影響因子和土壤熱力參數(shù)等一系列陸面過程參數(shù)，尤其是對(duì)荒漠戈壁下墊面陸面過程參數(shù)的確定[55]。

Yang等[56]提出了一種裸土或無植被覆蓋環(huán)境下的新的熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案并進(jìn)行了驗(yàn)證，該方案與前人相比更全面反映出該參數(shù)的物理機(jī)制。Yang等通過對(duì)青藏高原西部荒漠區(qū)和黑河沙漠及戈壁區(qū)域的數(shù)據(jù)研究，進(jìn)一步修正了裸地表面熱力學(xué)粗糙度計(jì)算方法，給出了一種半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、地表比輻射率的新方法。Liu等將熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案應(yīng)用到塔克拉瑪干沙漠腹地，具有很好的指導(dǎo)意義。輸送系數(shù)研究方面，左洪超和胡隱樵[57]用梯度輸送理論計(jì)算了HEIFE試驗(yàn)區(qū)沙漠、戈壁動(dòng)力輸送系數(shù)；任宏利等[58]用變分法計(jì)算了敦煌戈壁熱力輸送系數(shù)；王慧等[59]用渦旋相關(guān)法計(jì)算了鼎新戈壁動(dòng)力輸送和熱力輸送系數(shù)。梅凡民等[60]利用風(fēng)溫廓線法在毛烏素平坦沙地上進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)，分別計(jì)算了中性、穩(wěn)定、不穩(wěn)定大氣層結(jié)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。何清等[61]研究了塔克拉瑪干沙漠不同地區(qū)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，得出粗糙度隨下墊面性質(zhì)變化明顯，與穩(wěn)定度呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，摩擦速度隨粗糙度增大而減小。Yang等[62]通過對(duì)青藏高原西部荒漠區(qū)和黑河沙漠及戈壁區(qū)域的數(shù)據(jù)研究，進(jìn)一步修正了裸地表面熱力學(xué)粗糙度計(jì)算方法，給出了一種半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、地表比輻射率的新方法。Liu等[63]將熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案應(yīng)用到塔克拉瑪干沙漠腹地，展示了良好的指導(dǎo)意義。

2 科學(xué)問題研究展望

沙漠氣象是我國現(xiàn)代氣象科研和業(yè)務(wù)體系的重要組成部分，在提高沙漠及其周邊地區(qū)天氣氣候預(yù)報(bào)水平及防災(zāi)減災(zāi)中占有重要地位。開展沙漠氣象研究是支撐現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的重要保證，是國家氣象科技創(chuàng)新體系建設(shè)的重要任務(wù)之一。

沙漠地表有著特殊的陸面物理過程，下墊面通過邊界層對(duì)大氣的加熱作用與全球其它區(qū)域相比有明顯差異，陸面過程和大氣邊界層是極端天氣形成及氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，陸面過程和大氣邊界層是改進(jìn)數(shù)值模式模擬能力的兩個(gè)重要方面。目前我國在沙漠地區(qū)陸—?dú)庀嗷プ饔梅矫娴难芯刻幱诿妊侩A段，區(qū)域數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力不高，沙漠區(qū)天氣氣候形成動(dòng)力學(xué)機(jī)制理解不足，北方沙漠區(qū)地表起沙及其輸送機(jī)理等方面研究不多。經(jīng)過近年的發(fā)展，我國初步建立了具有沙漠區(qū)域特色的基礎(chǔ)觀測(cè)、應(yīng)用與理論研究相結(jié)合的沙漠氣象研究體系。

隨著科技和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沙漠及其周邊地區(qū)現(xiàn)代天氣氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、精細(xì)化程度等越來越不能滿足國家防災(zāi)減災(zāi)和氣象服務(wù)日益增長(zhǎng)的需求，沙漠氣象科研需要從以下幾方面進(jìn)行攻關(guān)和突破：沙漠邊界層結(jié)構(gòu)和地表起沙輸送過程觀測(cè)試驗(yàn)，描述較為準(zhǔn)確的沙漠—地氣相互作用陸面過程模式和參數(shù)化，沙漠—大氣之間的復(fù)雜耦合系統(tǒng)和正、負(fù)反饋?zhàn)饔糜绊憴C(jī)理，沙漠區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)能力改進(jìn)，沙漠及其周邊災(zāi)害性天氣氣候發(fā)生發(fā)展規(guī)律和形成機(jī)制等科學(xué)問題。通過組織實(shí)施沙漠及其周邊地區(qū)陸—?dú)庀嗷プ饔寐?lián)合觀測(cè)試驗(yàn)和開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，獲取沙漠-綠洲大氣邊界層水熱特征參數(shù)、風(fēng)沙二相流結(jié)構(gòu)，近地層起沙特征參數(shù)、沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)模式和定量遙感基礎(chǔ)參數(shù)，增強(qiáng)綜合觀測(cè)資料的應(yīng)用能力，提高區(qū)域數(shù)值模式模擬和預(yù)報(bào)能力，揭示沙漠及其周邊地區(qū)災(zāi)害性天氣氣候形成動(dòng)力學(xué)機(jī)制，解決沙漠氣象科研業(yè)務(wù)發(fā)展中的關(guān)鍵性問題，建立中國沙漠氣象科學(xué)創(chuàng)新基地，為國家和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及氣象事業(yè)發(fā)展提供科技支撐。

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Review on the Desert Land Surface Process and Regional Climate Effect

HUOWen1，2，JIN Lili1，2，WANG Nannan3，MUWenling1，2，YANG Fan1，2，YANG Xinghua1，2，LIU Yongqiang1，2，AliMamtimin1，2，LIU Xinchun1，2，HEQing1，2
（1.Institute of DesertMeteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment Station，Tazhong 841000，China；3.Dalian Meteorological Bureau，Dalian 116001，China）

The land surface process is one of the basic physical and biochemical processes that affects the atmospheric circulation and climate change.The desert land surface processes and its corresponding regional climate effect have gradually become a hot issue in desertmeteorology field. In recent years,important progress has been made in the field observation of desert land surface process,characteristics of land surface process and parameterization,land surface process simulation,regional climate effect and the influence of land surface process on regional climate.In this paper,the desert microclimate,desert land surface processes and the parameterization were introduced briefly.Also emphasis on summarizing achievements of the desert climate investigation, desert boundary layer height,desert thermal circulation,oasis effect,climate characteristics of the Taklimakan desert,field observations of desert land surface process,the influence of desert land surface processes on climate,desert land surface parameterization schemes at home and abroad. Moreover,the observational facts and the results of simulation experiments which was got by using observation equipment and numerical model on climatic effects and land surface process was reviewed in recent years.Besides,the influence of parameterization of land surface process on simulation and the future research direction was discussed.

Taklimakan desert；desert land surface process；regional climate effect

P463.2

A

1002-0799（2016）05-0087-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.013

2016-03-01；

2016-04-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41305107、41375163、41175140）、公益性行業(yè)專項(xiàng)（GYHY201306066）共同資助。

霍文（1981-），男，副研究員，主要從事沙漠氣象研究。

E-mail：huowenpet@idm.cn

何清（1965-），男，研究員，主要從事沙漠氣象研究。

E-mail：qinghe@idm.cn

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