綠洲荒漠過(guò)渡帶風(fēng)況對(duì)波文比和蒸散發(fā)的影響

向　皎, 李　程, 張清濤, 熊育久, 邱國(guó)玉

北京大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，深圳　518055

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綠洲荒漠過(guò)渡帶風(fēng)況對(duì)波文比和蒸散發(fā)的影響

向皎, 李程, 張清濤, 熊育久, 邱國(guó)玉*

北京大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，深圳518055

摘要:波文比-能量平衡法是目前蒸散發(fā)研究常用的方法之一。在利用波文比-能量平衡法對(duì)荒漠地區(qū)，尤其對(duì)綠洲荒漠過(guò)渡帶的蒸散發(fā)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)有波文比波動(dòng)大、蒸散發(fā)結(jié)果準(zhǔn)確性不高等問(wèn)題。如何提高波文比-能量平衡法在綠洲荒漠過(guò)渡帶的準(zhǔn)確性成為荒漠干旱區(qū)精確研究水分收支急需解決的問(wèn)題。在以前的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)綠洲荒漠過(guò)渡帶的不同風(fēng)況對(duì)波文比有不同影響，這可能是造成波文比-能量平衡法在綠洲荒漠過(guò)渡帶精度不高的主要原因。為了證明這個(gè)假設(shè)，于2010—2012年在西北民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶進(jìn)行了野外連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)了不同風(fēng)況條件下波文比、不同高度的溫度差、濕度差以及蒸散發(fā)的變化規(guī)律，分析了它們的特征及其影響因素。結(jié)果表明，研究區(qū)觀測(cè)期內(nèi)波文比值在-17.3—16.2范圍內(nèi)變化，波動(dòng)較大，呈“U”型變化，生長(zhǎng)季中期波文比值低于初期和末期；在無(wú)風(fēng)天氣，綠洲荒漠過(guò)渡帶溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，波文比波動(dòng)小，異常值少，波文比方法測(cè)算出的蒸散量較為準(zhǔn)確，能夠代表實(shí)際蒸散量，所測(cè)得民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶波文比日均值為0.07，日蒸散量為1.6mm/d；在綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)天氣，綠洲荒漠過(guò)渡帶空氣溫度、濕度結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，波文比波動(dòng)大，不同風(fēng)況使得大氣處于逆溫或逆濕的狀態(tài)，波文比-能量平衡法所測(cè)得的蒸散量負(fù)值增多，適用性降低。因而在應(yīng)用波文比-能量平衡法估算綠洲荒漠過(guò)渡帶的蒸散發(fā)時(shí)應(yīng)該選擇合適的天氣和觀測(cè)點(diǎn)，避開風(fēng)況對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。

關(guān)鍵詞：綠洲荒漠過(guò)渡帶; 波文比; 綠洲風(fēng); 荒漠風(fēng)

綠洲荒漠過(guò)渡帶指綠洲生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)交錯(cuò)帶,是對(duì)氣候變化較為敏感的區(qū)域之一[1]，是以水為主導(dǎo)因子的環(huán)境梯度所產(chǎn)生的植被梯度現(xiàn)象,是具有敏感退化趨勢(shì)的生態(tài)脆弱帶。綠洲荒漠過(guò)渡帶是綠洲化過(guò)程和荒漠化過(guò)程最活躍的地區(qū)[2- 4]，位于騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠交匯處的民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶，成片的白刺沙堆固定了綠洲外圍的大量流沙，對(duì)保護(hù)綠洲安全具有重要作用[5- 6]。近幾十年來(lái)，由于水資源的過(guò)度開采利用，地下水位急劇下降，沙漠化加速發(fā)展，白刺沙堆退化十分嚴(yán)重，白刺群落逐漸衰敗，局部地區(qū)的沙堆每年以3—5m的速度向綠洲移動(dòng)[7- 8]，嚴(yán)重威脅到綠洲安全和綠洲荒漠過(guò)渡帶的生態(tài)平衡[9]。

作為水分收支的重要部分，精確估測(cè)蒸散發(fā)對(duì)綠洲荒漠過(guò)渡帶的生態(tài)系統(tǒng)管理、水資源規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)都有重要意義[10- 12]。目前，在荒漠干旱地區(qū)應(yīng)用較為普遍的是波文比-能量平衡法，波文比-能量平衡法是一種精度較高且計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單的蒸散發(fā)估測(cè)方法，物理概念明確，不需要空氣動(dòng)力學(xué)信息，可獲得長(zhǎng)期連續(xù)數(shù)據(jù)[13- 15]，因此得到最為廣泛的應(yīng)用。劉樹華等在內(nèi)蒙古沙地對(duì)波文比-能量平衡法和其他蒸散發(fā)測(cè)算方法(水量平衡法、渦度相關(guān)法)的對(duì)比研究表明，波文比-能量平衡法在干旱區(qū)能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果[16]。李彥等利用波文比儀對(duì)綠洲荒漠交界處顯熱和潛熱輸送特征進(jìn)行了日變化規(guī)律的分析[17]。朱治林等根據(jù)1998年淮河流域能量和水循環(huán)試驗(yàn)加密觀測(cè)獲得的資料，用波文比儀測(cè)定和計(jì)算了該地區(qū)的顯熱和潛熱通量狀況[18]。在國(guó)外，波文比法也得到了應(yīng)用，如James等用波文比儀研究冠層溫度對(duì)日蒸散量的影響等[19]。Richard用波文比儀對(duì)半干旱地區(qū)平流環(huán)境條件下灌溉苜薯地的潛熱輸送進(jìn)行研究[20]； Peacock等用波文比方法估算了蘆葦?shù)卣羯l(fā)[21]，Nobuhiro等通過(guò)波文比-能量平衡法估算了常綠闊葉林蒸散發(fā)[22]，Zeggaf等利用波文比-能量平衡法，對(duì)照玉米冠層與土壤潛熱流差異估算蒸散發(fā)，并與Lysimeter稱重及樹干液流法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，證明波文比能量平衡法在農(nóng)田尺度上進(jìn)行蒸散發(fā)分割估算相對(duì)合理[23]。Domingo等在西班牙東南部灌叢地[24]、Malek和Bingham在美國(guó)猶他州苜蓿地[25]、Todd等在美國(guó)南部干旱研究區(qū)[26]表明波文比-能量平衡法比其他蒸散發(fā)測(cè)算方法能得到更準(zhǔn)確的觀測(cè)結(jié)果。

目前的研究主要集中于用波文比-能量平衡法測(cè)算干旱區(qū)的蒸散發(fā)量，進(jìn)而對(duì)綠洲及荒漠生態(tài)系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過(guò)程進(jìn)行研究，也有探討不同環(huán)境因子對(duì)蒸發(fā)量的影響的研究，如司建華等在內(nèi)蒙古對(duì)蘆葦?shù)卣羯⒘窟M(jìn)行測(cè)量，并對(duì)蒸散特點(diǎn)和能量平衡特征進(jìn)行了分析和探討[27]，閆人華等通過(guò)波文比能量平衡法對(duì)芨芨草地蒸散量進(jìn)行計(jì)算，分析了蒸散與主要環(huán)境因子之間的關(guān)系[28]，嚴(yán)坤等對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地能量交換與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行測(cè)定與分析[29]。但對(duì)于綠洲荒漠過(guò)渡帶的波文比特征及其影響因素的研究還不夠深入，尤其是不同風(fēng)況如何影響波文比特征、進(jìn)而影響波文比方法應(yīng)用的準(zhǔn)確性，目前鮮有研究。因此，本研究針對(duì)民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶的白刺沙堆，研究其不同風(fēng)型條件下波文比的特征，重點(diǎn)分析在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)、綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)條件下波文比及蒸散量的變化特征。探討不同風(fēng)型對(duì)波文比估算蒸散發(fā)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，驗(yàn)證綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)導(dǎo)致的空氣溫度、濕度結(jié)構(gòu)的改變是否是影響波文比-能量平衡法準(zhǔn)確性的主要原因，為在綠洲荒漠過(guò)渡帶更好地運(yùn)用波文比-能量平衡法提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)民勤地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游，南鄰涼州區(qū)，西毗金昌，東、西、北三面與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤(圖1a)。處于騰格里和巴丹吉林兩大沙漠之間，三面環(huán)沙。地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°02′—104°02′，北緯38°05′—39°06′，該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，是全國(guó)最干旱的地區(qū)之一。全年日照時(shí)數(shù)3028h，太陽(yáng)輻射總量574kJ/cm2，年平均風(fēng)速2.8mm/s，多年平均氣溫7.8℃，多年平均降水量110mm，蒸發(fā)量2644mm。民勤縣境內(nèi)無(wú)自產(chǎn)地表水資源，石羊河為唯一的地表水資源。全縣總土地面積1.60×104km2，其中沙漠、戈壁、剝蝕山地和鹽堿灘地等占91%，綠洲僅占9%，綠洲邊緣風(fēng)沙線長(zhǎng)達(dá)408km[30]。經(jīng)過(guò)野外勘察，選取位于騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠交匯處的民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶為試驗(yàn)地，行政區(qū)劃屬于民勤縣薛百鄉(xiāng)，試驗(yàn)地自然植被主要為白刺，波文比觀測(cè)系統(tǒng)架設(shè)在在綠洲荒漠過(guò)渡帶成片的白刺沙堆群落樣地之間，距離綠洲外圍防護(hù)帶大約2km，如圖1b所示。

圖1　研究區(qū)地理位置(a)和波文比系統(tǒng)(b)Fig.1　The general situation of research area (a) Location map of study area in China, (b) Bowen ratio system

2研究方法

2.1波文比系統(tǒng)氣象觀測(cè)

本研究在試驗(yàn)地選取平坦開闊的區(qū)域架設(shè)安裝有波文比系統(tǒng)的自動(dòng)氣象站，并進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試，于2010年5月12日起正常運(yùn)行。觀測(cè)的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)輻射、光合有效輻射、凈輻射、土壤熱通量(5、2cm各3個(gè)重復(fù))、2m和1.5m的溫濕度(各3個(gè)重復(fù))，傳感器具體信息如表1所示。氣象站采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)采集儀(DT500 series 5，Datataker，Australia)連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)和記錄，數(shù)據(jù)采樣間隔為5s，每10min記錄1次平均值。其中降水和風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)是由民勤野外站提供，觀測(cè)起止時(shí)間為2010年5月12日至2012年6月17日。

表1　氣象站觀測(cè)要素

2.2波文比-能量平衡法

波文比-能量平衡法(Bowen ratio-energy balance，簡(jiǎn)稱為BREB)是Bowen于1926年提出的[31]，用于估算潛熱能量(即蒸發(fā)和凝結(jié))與顯熱通量，是基于地表能量平衡原理的計(jì)算蒸散發(fā)的方法。根據(jù)能量守恒定律，植被冠層接收的能量等于支出的能量，能量平衡方程為：

Rn= LE + H + G

(1)

式中，Rn為太陽(yáng)凈輻射(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)；H為顯熱通量(W/m2)；LE為潛熱通量(E是垂直方向上的水汽通量(kg m2s)，L為水的汽化潛熱系數(shù)(J/kg))。其中，Rn、G可以實(shí)測(cè)得到，LE潛熱通量和H顯熱通量可以計(jì)算得出。

波文比(Bowen ratio，簡(jiǎn)稱為β)為某一個(gè)界面上顯熱通量與潛熱通量的比值，且可以表示為垂直方向上溫度梯度和濕度梯度的函數(shù)。根據(jù)莫寧-奧布霍夫(Monin-Obukhov)的相似理論，假定熱量和水汽湍流交換系數(shù)相等，即Kw=Kh，β可定義為：

(2)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱(kJ kg ℃)；γ為干濕表常數(shù)；ε=0.622，為水汽和干燥空氣的分子量之比；P為氣壓(kPa)；ΔT為上下層空氣溫度差；Δe為上下層水汽壓差；Δq為上下層濕度差，本研究選擇1.5m處的水汽壓與2m處的水汽壓之差。根據(jù)波文比，可以分別計(jì)算出LE、H以及蒸散發(fā)量(ET)的值：

(3)

(4)

(5)

式中各氣象數(shù)據(jù)均可通過(guò)自動(dòng)氣象站獲取。取一天中凈輻射值大于0的起止時(shí)段為日照時(shí)數(shù)，運(yùn)用Excel軟件篩選功能整理得到。由于日出、日落前后、降水以及氣溫較低時(shí)，波文比的取值常接近-1，求取潛熱、顯熱和蒸散發(fā)的公式無(wú)意義。因此，按照Perez 等人的方法，剔除波文比為-0.6—-1.4、大于100、小于-100的數(shù)據(jù)[32]。同時(shí)，根據(jù)Billesbach、Arkebauer和Liu等人的研究，剔除顯熱通量不在-50—600W/m2，潛熱通量不在-50—700W/m2范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。當(dāng)剔除數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)超過(guò)每日數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的50%，則將所有有效蒸散發(fā)瞬時(shí)平均值乘以日照時(shí)數(shù)得到日蒸散量；當(dāng)剔除數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于或等于每日數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的50%，則用剔除數(shù)據(jù)鄰近值的插值代替，再將當(dāng)日所有蒸散發(fā)瞬時(shí)值乘以600并求和，得到日蒸散量[33- 34]。

3結(jié)果與分析

3.1不同風(fēng)況對(duì)波文比季節(jié)變化的影響

常兆豐、胡影等根據(jù)民勤地區(qū)1974年以來(lái)108種植物的物候特征，提出該地區(qū)四季劃分的起止日期為：3月24日至5月27日為春季(65d)，5月28日至9月14日為夏季(110d)，9月15日至10月29日為秋季(45d)，10月30日至3月23日為冬季(145d)[35- 36]。相比起氣溫四季劃分，此方法能更好的反映植物的生命活動(dòng)過(guò)程，因此本研究以此作為四季的劃分標(biāo)準(zhǔn)，討論波文比季節(jié)變化特征。

圖2是研究區(qū)按照上述不同季節(jié)的最大風(fēng)向頻率圖。風(fēng)向季節(jié)性變化明顯，春季和冬季主要為西北風(fēng)，以荒漠風(fēng)為主；夏季和秋季主要為東南風(fēng)和東風(fēng)，以綠洲風(fēng)為主。主導(dǎo)風(fēng)向的變化以5月和10月為分界點(diǎn)，在西北風(fēng)和東南風(fēng)之間交替變化。1—2月西北風(fēng)、西南風(fēng)和東風(fēng)出現(xiàn)的頻率相當(dāng)，3月份西北風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.53，逐漸成為主導(dǎo)風(fēng)向，到4月份西北風(fēng)頻率達(dá)到0.63，而東南風(fēng)頻率只占0.17。5月開始，主導(dǎo)風(fēng)向由西北風(fēng)向東南風(fēng)演變，整個(gè)夏季(6—8月)東南風(fēng)的頻率都維持在0.5左右，9月主導(dǎo)風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)向東風(fēng)，10月份開始逐漸向西北風(fēng)轉(zhuǎn)換，西北風(fēng)頻率在12月達(dá)到0.61。

圖3是研究區(qū)2010年5月12日至2012年6月17日的波文比日值變化情況。波文比日均值在-17.3—16.2范圍內(nèi)變化，主要集中分布在-5—5。冬季和春季11—3月波文比值及其波動(dòng)性均較大。2010、2011年12—3月波文比值分別在-9.52—12.45、-17.32—16.21內(nèi)變化。風(fēng)速較小的冬季12—1月，大氣環(huán)境穩(wěn)定，波文比為較大的正值，春季2—4月波文比值增大。夏季和秋季波文比波動(dòng)較小，大多為趨于0的負(fù)值。2010、2011年5—10月波文比日均值分別在-7.36—14.9、-9.29—4.50內(nèi)變化。波文比變化大致呈現(xiàn)“U”型，表現(xiàn)出明顯干旱的特點(diǎn)。

通過(guò)波文比日值變化結(jié)合研究區(qū)不同季節(jié)風(fēng)向頻率圖可知，在冬春季節(jié)，研究區(qū)盛行西北風(fēng)，以荒漠風(fēng)為主，波文比波動(dòng)很大，而且波文比值也偏大，風(fēng)速較小的冬季12—1月，大氣環(huán)境穩(wěn)定，波文比為較大的正值，2月波文比為負(fù)值并達(dá)到最小，春季2—4月波文比值逐漸增大。5—10月是研究區(qū)的夏、秋季節(jié)，盛行東南風(fēng)，以綠洲風(fēng)為主，波文比波動(dòng)較小，大多為趨于0的負(fù)值。研究區(qū)生長(zhǎng)季中期波文比值低于初期和末期，這與司建華等在內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗荒漠—綠洲蘆葦?shù)氐难芯拷Y(jié)論一致。波文比反映吸收凈輻射能量在潛熱和感熱上的分配比例，是衡量局地氣候特征的一個(gè)總體指標(biāo)，在一定程度上表征局地氣候的干旱程度[37]。張強(qiáng)和曹曉彥在敦煌戈壁的觀測(cè)表明，5月25日—6月17日波文比全天基本大于1，且白天波文比在10—100范圍內(nèi)[38]。左洪超和胡隱樵在黑河地區(qū)的觀測(cè)表明，夏季平均波文比在10左右[39]。Sturman和Mcgowan于2002年9月20至24日在澳大利亞沙漠測(cè)算所得的波文比日均值為4.08—6.12[40]。本研究測(cè)算所得的最大波文比日均值可達(dá)16.2，比其他干旱區(qū)波文比值大，說(shuō)明民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶極端干旱的氣候環(huán)境。Elsawwaf等在埃及南部極端干旱區(qū)的波文比觀測(cè)表明，生長(zhǎng)季波文比呈現(xiàn)較多負(fù)值，是干旱高溫的氣候環(huán)境與復(fù)雜的水汽交換條件的結(jié)果[41]。本研究波文比瞬時(shí)值和日均值波動(dòng)性也比其他干旱區(qū)大，且呈現(xiàn)更多的負(fù)值，主要是由于民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶常年風(fēng)速較大，綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)使得大氣環(huán)境不穩(wěn)定，水汽的水平、垂直運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，逆濕、逆溫狀態(tài)較多而造成的。風(fēng)速和風(fēng)向的變化對(duì)顯熱和潛熱的輸送有顯著影響[42]，進(jìn)而影響波文比值。

3.2不同風(fēng)型對(duì)波文比及局地氣象指標(biāo)的影響

在區(qū)域大氣環(huán)流的影響下，綠洲荒漠過(guò)渡帶風(fēng)速較大且風(fēng)向季節(jié)變化明顯。就本研究的小區(qū)域而言，由于下墊面性質(zhì)的差異，荒漠成為局部環(huán)境的溫度高值中心和濕度低值中心，綠洲則成為溫度低值中心和濕度高值中心。差距較大的溫度、濕度條件在綠洲和荒漠之間形成局地?zé)崃Νh(huán)流。局地?zé)崃Νh(huán)流分別以綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)的形式出現(xiàn)：近地層冷濕的綠洲氣流輸向荒漠，而形成綠洲風(fēng)；而在上空暖干的荒漠氣流輸向綠洲時(shí)則形成荒漠風(fēng)[17,43]，這種局地氣流對(duì)研究區(qū)的水汽交換產(chǎn)生較大影響。因此選取典型無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣、綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)天氣對(duì)比分析不同風(fēng)型對(duì)波文比及局地氣象指標(biāo)的影響，重點(diǎn)分析影響波文比方法測(cè)算蒸散發(fā)的主要?dú)庀笾笜?biāo)，包括風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度以及溫度、濕梯度等。

3.2.1無(wú)風(fēng)或微風(fēng)晴天波文比及局地氣象指標(biāo)的日變化特征

挑選2011年9月2日和9月3日作為典型無(wú)風(fēng)或微風(fēng)晴天，對(duì)綠洲荒漠過(guò)渡帶的波文比及局地氣象指標(biāo)日內(nèi)變化情況分別作圖4、圖5進(jìn)行討論。

圖4　典型無(wú)風(fēng)或微風(fēng)晴天波文比(β)日內(nèi)變化Fig.4　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 2 to 3 September, 2011 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

如圖4為典型無(wú)風(fēng)或微風(fēng)晴天，波文比的日內(nèi)變化圖，如圖所示，無(wú)風(fēng)和微風(fēng)晴天波文比日均值分別為0.07、-0.78。9月2日4:00—21:00波文比在0—1內(nèi)變化，以11:00和16:00為拐點(diǎn)，波文比在10:00—13:00、15:00—19:00兩個(gè)時(shí)段波動(dòng)性較大，均呈現(xiàn)增大-減小的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與Li等人在中國(guó)騰格里沙漠邊緣葡萄園的研究結(jié)論一致[44]。最大瞬時(shí)值為0.80(16:20)，最小瞬時(shí)值為-2.42(23:20)，9月3日4:00—16:00波文比值為0—10內(nèi)的正值，其余時(shí)段均為負(fù)值，以15:00為拐點(diǎn)，14:00—16:00波文比呈現(xiàn)增大-減小的趨勢(shì)。從15:00—21:00呈現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的較大的波動(dòng)，可能與當(dāng)天有微風(fēng)的影響有關(guān)。最大瞬時(shí)值為9.85(15:20)，最小瞬時(shí)值為-17.40(16:40)。無(wú)風(fēng)日，波文比白天均為正值，夜間和清晨出現(xiàn)負(fù)值，僅在下午15:00前后出現(xiàn)較大波動(dòng)，幾乎無(wú)風(fēng)的9月2日波文比相對(duì)于有微風(fēng)晴天的9月3日更穩(wěn)定，波動(dòng)更小。

圖5是典型無(wú)風(fēng)或微風(fēng)晴天(2011年9月2日、9月3日)綠洲荒漠過(guò)渡帶局地氣象指標(biāo)的日內(nèi)變化圖。局地氣象指標(biāo)主要包括：2m高度處的風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度，以及1.5m和2m高度的溫度差、濕度差等。

圖5　典型微風(fēng)日波文比系統(tǒng)各指標(biāo)變化(2m高度處的風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差)Fig.5　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2m, hourly wind speed at 2 m from 2 to 3 September, 2011 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

由圖5可知，9月2日、3日的平均風(fēng)速分別為0.28、0.07m/s。2日風(fēng)速在7:00—9:00、16:00—17:00相對(duì)較大，3日除11:00風(fēng)速為1.76m/s外，其余時(shí)段均為0。近地層2m溫度變化以及相對(duì)濕度變化，可以看出兩日內(nèi)溫度呈現(xiàn)較一致的變化。氣溫6:00左右開始升高，在13:00和18:00達(dá)到最大值，隨之下降。2日、3日的日均氣溫分別為16.85℃、17.69℃。相對(duì)濕度變化趨勢(shì)與氣溫相反，6:00左右開始下降，15:00(2日)和18:00(3日)左右達(dá)到最小值。相比綠洲風(fēng)日和荒漠風(fēng)日，微風(fēng)日的相對(duì)濕度日較差更大，3日濕度日較差為73.6%。相對(duì)濕度在白天的波動(dòng)較少，穩(wěn)定的大氣環(huán)境使得大氣中水汽的含量更大的取決于溫度變化。1.5m高度與2m高度的溫度差與濕度差變化情況，無(wú)風(fēng)或微風(fēng)日溫度差基本大于0，在-0.08℃—0.19℃變化。濕度差波動(dòng)相對(duì)較大，在-0.67%—1.03%范圍內(nèi)變化。微風(fēng)條件下濕度差多為正值，只在3日14:00—18:00濕度差為負(fù)值，出現(xiàn)逆濕現(xiàn)象(圖5)。

3.2.2綠洲風(fēng)對(duì)波文比及局地氣象指標(biāo)的影響

挑選2010年7月25日和7月26日作為典型綠洲風(fēng)晴天，對(duì)綠洲荒漠過(guò)渡帶的波文比及局地氣象指標(biāo)日內(nèi)變化情況分別作圖6、圖7進(jìn)行討論。

圖6是典型綠洲風(fēng)條件下(2010年7月25日、7月26日)波文比的變化。波文比日均值分別為-0.59、-0.63。波文比在夜間22:00—24:00、0:00—6:00為較小的正值，白天6:00—22:00基本在-5—0內(nèi)變化，其中，7:00—13:00波文比值表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性，波文比最小瞬時(shí)值出現(xiàn)在9:00和11:50，分別為-12.93(25日)、-9.81(26日)；最大瞬時(shí)值出現(xiàn)在8:30和7:50，分別為15.77(25日)、27.33(26日)。

圖6　典型綠洲風(fēng)晴天波文比(β)日內(nèi)變化Fig.6　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 25 to 26 July 2010 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

圖7是主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)的綠洲風(fēng)晴天(2010年7月25日、7月26日)各局地氣象指標(biāo)日內(nèi)變化圖。25日、26日日均風(fēng)速分別為5.69 m/s、6.12m/s。25日風(fēng)速?gòu)?:00開始增大，14:00達(dá)到最大值(11.76m/s)，18:00后逐漸減小，21:00再次增大。12:00—20:00風(fēng)速均大于6m/s。26日風(fēng)速除18:00至24:00逐漸減小外，其他時(shí)段均在6m/s左右波動(dòng)，日變化不明顯。近地層2m溫度變化以及相對(duì)濕度變化，可以看出兩日內(nèi)溫度呈現(xiàn)較一致的變化。夜間溫度不斷降低，在6:00前后達(dá)到最小值，隨后上升，兩日最高溫分別出現(xiàn)在17:00(31.03℃)、16:40(34.06℃)。相對(duì)濕度與空氣中的水汽含量和空氣溫度有關(guān)，在空氣中水汽含量一定的情況下，溫度愈低相對(duì)濕度愈大，相對(duì)濕度的變化與溫度的變化基本相反[45]。由圖可知，2m相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)與氣溫相反，夜間清晨高，白天低。17:00左右開始增加，次日6:00左右達(dá)到最大值后開始下降。最大瞬時(shí)相對(duì)濕度為63.96%(25日6:30)、82.00%(26日5:40)，最小瞬時(shí)值為29.07%(25日17:00)、21.40%(26日15:20)。25日、26日平均氣溫分別為27.02℃、30.02℃，26日氣溫高于25日(圖7)。同時(shí)，由于氣溫是決定飽和水汽壓、相對(duì)濕度大小的重要因素[46]，在氣溫較高的下午(14:00—20:00)、氣溫較低的夜間和清晨(0:00—6:00)，26日相對(duì)濕度明顯比25日低。同時(shí)，在0:00—6:00、14:00—20:00時(shí)段，25日與26日氣溫差值差別不大，均在2—5℃，但相對(duì)濕度差值則較大，14:00—20:00兩日相對(duì)濕度差值為2%，但0:00—6:00兩日相對(duì)濕度差值可達(dá)到20%。結(jié)合風(fēng)速日變化圖，可以看出，26日清晨0:00—6:00風(fēng)速大于25日，14:00—20:00時(shí)段兩日風(fēng)速相差不大(圖7)?？赡苡捎诶錆竦木G洲風(fēng)帶來(lái)大量水汽，清晨氣溫較低使得蒸發(fā)消耗的水汽少，空氣中水汽含量明顯增加，相對(duì)濕度增加幅度更大。

圖7　典型綠洲風(fēng)晴天波文比系統(tǒng)各指標(biāo)變化(2m高度處的風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差) Fig.7　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2 m, hourly wind speed at 2 m from 25 to 26 July 2010 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

1.5m高度與2m高度的溫度差與濕度差變化情況，綠洲風(fēng)日溫度差均為正值，9:00—18:00較大(0.1℃ —0.54℃)，18:00—6:00為趨近于0的負(fù)值(圖7)。說(shuō)明，白天低層大氣溫度高，顯熱通量向上傳播，夜晚高層大氣溫度高。濕度差僅在風(fēng)速較小的25日清晨為正值，其余時(shí)段均為負(fù)值，在-1.23%—0.63%內(nèi)變化。26日清晨0:00—6:00風(fēng)速較大，濕度差則為負(fù)值。隨著風(fēng)速的變化，濕度差比溫度差表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性，以白天9:00—15:00最為明顯(圖7)，這也是綠洲風(fēng)日波文比在此時(shí)段波動(dòng)較大的原因。即白天大氣處于正溫、逆濕狀態(tài)。

3.2.3荒漠風(fēng)對(duì)波文比及局地氣象指標(biāo)的影響

挑選2010年11月27日和11月28日作為典型荒漠風(fēng)晴天，對(duì)綠洲荒漠過(guò)渡帶的波文比及局地氣象指標(biāo)日內(nèi)變化情況分別作圖8、圖9進(jìn)行討論。

圖8　典型荒漠風(fēng)晴天波文比(β)日內(nèi)變化Fig.8　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 27 to 28 November, 2010 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

圖8是典型荒漠風(fēng)條件下(2010年11月27日、11月28日)波文比的日內(nèi)變化，波文比日均值分別為2.81,-0.39，相比綠洲風(fēng)，荒漠風(fēng)日波文比表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性。11月27日夜間0:00—6:00波文比波動(dòng)較大，6:00—12:00為較穩(wěn)定的負(fù)值，12:00—18:00間波文比較多為正值，且先增大后減小。18:00以后波文比值幾乎都為負(fù)值，且波動(dòng)很大。而28日波文比除了在18:00—24:00時(shí)間段在0附近較穩(wěn)定的波動(dòng)外，其余時(shí)間段波動(dòng)極大，波文比呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的趨勢(shì)。11月27、28日，波文比最小瞬時(shí)值出現(xiàn)在1:10和2:30，分別為-18.55(27日)、-18.82(28日)；最大瞬時(shí)值出現(xiàn)在15:00和4:00，分別為27.69(27日)、28.76(28日)。

圖9是主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)的荒漠風(fēng)晴天局地氣象指標(biāo)日內(nèi)變化特征，2010年11月27日、28日的日均風(fēng)速分別為3.86 m/s、4.39m/s。風(fēng)速和波動(dòng)性均在12:00—18:00較大，兩個(gè)典型日最大風(fēng)速分別出現(xiàn)在15:00(11.5m/s)和18:00(13.1m/s)，這與荒漠風(fēng)日波文比值波動(dòng)大的時(shí)段較為一致。11月27日、28日日均氣溫分別為-5.80℃、-7.53℃，兩天氣溫相差不大，且較為穩(wěn)定。夜間溫度不斷降低，在7:00前后達(dá)到最小值(27日為-12.11℃、28日為-15.49℃)，隨后上升，白天12:00—18:00溫度較高，27日最高溫出現(xiàn)在16:40左右(0.15℃)，日較差為12.27℃。28日最高氣溫出現(xiàn)在14：00左右(3.06℃)，日較差為18.55℃(圖9)。濕度日變化趨勢(shì)則與氣溫相反且表現(xiàn)出更大的不穩(wěn)定性[47]。結(jié)合風(fēng)速日變化圖，可以看出，溫度的變化與風(fēng)速具有一定的正相關(guān)性，而相對(duì)濕度則與風(fēng)速的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，干熱的荒漠風(fēng)加劇蒸發(fā)，使得大氣中的水汽含量更少。27日、28日溫度差除在10:00—18:00出現(xiàn)較小的正值外，其余均為負(fù)值，在 -0.62℃ —0.27℃變化。濕度差除在12:00前后出現(xiàn)短時(shí)負(fù)值外，其余均為較大的正值，在-0.81℃ —1.89℃之間變化，且表現(xiàn)出比溫度差更大的波動(dòng)性。在荒漠風(fēng)晴天，大氣結(jié)構(gòu)在夜間為逆溫、正濕狀態(tài)，而在白天10:00—18:00為正溫逆濕狀態(tài)，波動(dòng)明顯(圖9)。

圖9　典型荒漠風(fēng)晴天波文比系統(tǒng)各指標(biāo)變化(2m高度處的風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差)Fig.9　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2m, hourly wind speed at 2 m from 27 to 28 November, 2010 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

3.3不同風(fēng)型條件下蒸散量的日變化特征

蒸發(fā)量的變化主要取決于影響蒸散的氣候因子的日變化和下墊面條件。氣象因子主要包括溫度、風(fēng)速、濕度、氣壓等[48]。在民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶，平流對(duì)觀測(cè)的影響很大，溫度、濕度、風(fēng)速等變化都很頻繁。接下來(lái)分別對(duì)綠洲風(fēng)、荒漠風(fēng)、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣條件下利用波文比-能量平衡法計(jì)算白刺沙堆的蒸散量，分析季節(jié)性盛行的綠洲風(fēng)和荒漠風(fēng)對(duì)波文比-能量平衡法測(cè)算蒸散量的影響。

圖10為3種典型風(fēng)型天氣下的白刺植物的蒸散量日內(nèi)變化特征。3種典型天氣條件下，日內(nèi)蒸散發(fā)的總趨勢(shì)是一致的。日蒸散量與凈輻射的變化非常一致，同時(shí)氣溫也是蒸散發(fā)的主導(dǎo)影響因子，風(fēng)速在這些主導(dǎo)因子的影響下起到加速作用[27]。上午，隨著太陽(yáng)輻射的逐漸增加，氣溫逐漸升高，蒸散速率逐漸增大，在12:00左右達(dá)到峰值。此后，隨著光照強(qiáng)度的減弱，氣溫不斷降低，空氣相對(duì)濕度隨之增高，白刺植株內(nèi)外水汽壓差減小，蒸散速率降低。

在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣，2011年9月2日和3日，蒸散量從8:00隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增強(qiáng)，在中午輻射最強(qiáng)時(shí)蒸散量達(dá)到最大(圖10)。9月2日，中午12:00—13:00蒸散量達(dá)到0.23mm/h，而9月3日中午最大蒸散量為0.19mm/h，最大值蒸散量變化呈單峰型，較好的反映綠洲荒漠過(guò)渡帶白刺的蒸散發(fā)特征。日蒸散量分別為：1.6mm/d，1.5mm/d(圖10)。由于無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣下，水平能量流動(dòng)不明顯，大氣處于正溫、正濕的較為理想的狀態(tài)，通過(guò)波文比方法計(jì)算出的蒸散發(fā)幾乎沒有負(fù)值出現(xiàn)。

在綠洲風(fēng)天氣，蒸散量在夜間為較小的負(fù)值，出現(xiàn)負(fù)蒸發(fā)(圖10)。7月25日，從8:00開始隨著綠洲風(fēng)風(fēng)速增大，逆濕程度越來(lái)越大，測(cè)算得到的蒸散量負(fù)值越多，受太陽(yáng)輻射和氣溫增大的影響，蒸發(fā)量在11:00—12:00內(nèi)達(dá)到最大1.19mm/h，17:00到20:00隨著綠洲風(fēng)的減小，測(cè)算得到的蒸發(fā)量負(fù)值也減少。7月26日，上午綠洲風(fēng)較顯著，午后，隨著溫濕度的變化，負(fù)蒸發(fā)更加明顯，在14:00—15:00達(dá)到-1.24 mm/h，而下午綠洲風(fēng)減弱，蒸散增強(qiáng)，出現(xiàn)正蒸發(fā)，但是隨著太陽(yáng)輻射的減小，蒸發(fā)量逐漸減小。26日的變化情況與25日相似。7月25日和7月26日日蒸散量分別為-0.28mm/d，2.44mm/d(圖10)。

圖10　典型綠洲風(fēng)、荒漠風(fēng)、微風(fēng)或無(wú)風(fēng)晴天蒸散量的日內(nèi)變化Fig.10　Variation of evapotranspiration under different windy weather condition

11月27日和11月28日盛行荒漠風(fēng)時(shí)，由于風(fēng)的影響使溫度、濕度都發(fā)生波動(dòng)，白刺的蒸散量也發(fā)生著變化，蒸發(fā)量正值和負(fù)值相間出現(xiàn)，個(gè)別時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)蒸發(fā)狀態(tài)，但是受輻射的影響，在正午左右輻射最大時(shí)，其蒸散量依然最大，在夜間出現(xiàn)較多的負(fù)蒸發(fā)。白天除午后14:00—15:00出現(xiàn)負(fù)值外，其他時(shí)間蒸發(fā)量幾乎都為正值。在荒漠風(fēng)天氣，逆濕程度沒有綠洲風(fēng)天氣明顯，白刺植物日蒸散量在27日和28日分別為0.21mm/d，0.61mm/d，在荒漠風(fēng)天氣，波文比-能量平衡法所測(cè)算得到的蒸散量負(fù)值較少(圖10)。

4討論

4.1不同風(fēng)型對(duì)波文比-能量平衡法測(cè)算蒸散量的影響

4.1.1無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣波文比方法測(cè)算蒸散量的特征分析

無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣條件下，綠洲荒漠過(guò)渡帶波文比值波動(dòng)較小，數(shù)值穩(wěn)定，波文比和蒸散發(fā)的變化主要取決于太陽(yáng)輻射、溫度差和濕度差等局地氣象指標(biāo)的影響。夜間，由于下墊面輻射冷卻，各層氣溫均下降，下層空氣受下墊面輻射冷卻的影響，降溫幅度大于上層空氣，上層大氣溫度高于下層，白天，由于接受太陽(yáng)短波輻射，地面開始增溫，同時(shí)地面向大氣輸送長(zhǎng)波輻射，由于大氣對(duì)地面長(zhǎng)波輻射的吸收特別強(qiáng)，所以大氣迅速增溫，近地層大氣靠近下墊面，受熱較多，溫度較高，再通過(guò)空氣湍流交換和分子熱傳導(dǎo)，加熱上層大氣，蒸散速率也逐漸增加，一方面空氣溫度的升高，為白刺和土壤表層水份汽化提供較多的熱量，滿足了汽化對(duì)能量的需求；另一方面，由于空氣的飽和水汽壓隨著溫度的升高而增大，使得飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓差值變大，促使更多的水分蒸發(fā)進(jìn)入到空氣中，加快蒸散的進(jìn)行，因而溫度與實(shí)際蒸散量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，氣溫除本身對(duì)蒸散量的直接正作用外，更主要的是通過(guò)凈輻射和相對(duì)濕度等因子來(lái)促進(jìn)蒸散的發(fā)生。而空氣相對(duì)濕度的變化卻與溫度變化相反，與蒸散呈顯著地線性負(fù)相關(guān)性，空氣相對(duì)濕度的實(shí)質(zhì)是空氣的實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓的比值，當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大時(shí)，空氣實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓之比增大，飽和水汽壓差變小，造成下墊面與大氣的水分交換強(qiáng)度減弱，進(jìn)而降低蒸散速度；反之，蒸散速度增大[49]。

總之，在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣穩(wěn)定的大氣結(jié)構(gòu)條件下，綠洲荒漠過(guò)渡帶低層大氣溫度高，相對(duì)濕度大，溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，大氣多處于正溫、正濕的狀態(tài)，從而符合溫度梯度擴(kuò)散理論，波文比波動(dòng)小，異常值少，波文比方法測(cè)算出的蒸散量較為準(zhǔn)確。也即是無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣用波文比-能量平衡法所測(cè)算的蒸散量結(jié)果能夠代表綠洲荒漠過(guò)渡帶實(shí)際蒸散量。

4.1.2綠洲風(fēng)對(duì)波文比方法測(cè)算蒸散量的影響

在綠洲風(fēng)天氣，由于冷濕的綠洲氣團(tuán)密度更大，使得近地層暖干的荒漠氣團(tuán)逐漸變性，相對(duì)濕度增加，溫度下降，從而使低層大氣與高層大氣之間的濕度差減小甚至出現(xiàn)負(fù)值，溫度差增大，使其處于正溫、逆濕的狀態(tài)。除白天少數(shù)時(shí)段外，空氣中濕度增大，蒸發(fā)潛熱也逐漸增大，潛熱明顯占據(jù)上風(fēng)，波文比數(shù)值在白天中午和下午波文比波動(dòng)較大，此時(shí)，通過(guò)波文比法測(cè)算的蒸散量負(fù)值較多[50]。即白天地表受太陽(yáng)輻射加熱，溫度高于上層大氣中冷濕的綠洲風(fēng)氣團(tuán)，顯熱通量向上傳播，但是潮濕的綠洲風(fēng)使得上層空氣濕度增大，潛熱通量向下傳播[51]。

由本文中介紹的波文比能量平衡法公式(2)結(jié)合本試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖7可知，在綠洲風(fēng)天氣所測(cè)得的大氣處于正溫、逆濕層結(jié)，在綠洲風(fēng)天氣白天的大部分時(shí)間：溫度差ΔT>0，濕度差Δq<0，因?yàn)樗钠瘽摕嵯禂?shù)L>0，干濕表常數(shù)γ>0，所以由公式(2)可得波文比β<0，這正是在綠洲風(fēng)天氣時(shí)，實(shí)際測(cè)算得到的波文比β大多為負(fù)值的原因。由公式(3)可知：LE>Rn-G=LE+H，所以顯熱H<0，即此時(shí)利用波文比方法所計(jì)算的結(jié)果為：蒸散耗熱量大于地表可供熱量，同時(shí)大氣顯熱向下輸送。而干燥的地表有如此大的蒸散量顯然不可能，而綠洲風(fēng)盛行時(shí)，白天中午前后地表如此高溫，顯熱向下輸送也不可能，與實(shí)際情況不符，因此，這種情況下運(yùn)用波文比方法所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低，這與黃妙芬對(duì)綠洲荒漠交界處大氣運(yùn)動(dòng)的分析結(jié)論一致[43]。綠洲風(fēng)天氣條件下，對(duì)觀測(cè)到波文比及蒸散發(fā)結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行修正。

4.1.3荒漠風(fēng)對(duì)波文比方法測(cè)算蒸散量的影響

荒漠風(fēng)天氣條件下，波文比數(shù)值多數(shù)大于l，蒸散弱，能量主要以感熱的方式消耗[29]。受荒漠風(fēng)的影響，波文比波動(dòng)極大，通過(guò)波文比方法測(cè)算的蒸散量也出現(xiàn)較大波動(dòng)。干熱的荒漠風(fēng)影響下，大氣處于逆溫、正濕的狀態(tài)。一方面，高層大氣獲得更多熱量，氣溫升高，高層大氣更加干燥，另一方面，干熱空氣帶來(lái)的溫度普遍升高加劇了地面的蒸發(fā)，而濕度隨高度遞減，水汽以向上輸送為主[51]。

由本文中介紹的波文比能量平衡法公式(2)結(jié)合本試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖9可知，在荒漠風(fēng)天氣溫度差和濕度差波動(dòng)頻繁，但是波動(dòng)幅度不大，夜間ΔT<0,Δq>0，而白天正午前后ΔT>0(為較小的正值),Δq則不斷波動(dòng)，導(dǎo)致波文比β正值和負(fù)值相間出現(xiàn)。而且，由于溫度差ΔT在0附近波動(dòng)，溫度差值與濕度差值在量級(jí)上的差別造成波文比值出現(xiàn)較大異常值的原因，從而導(dǎo)致荒漠風(fēng)天氣波文比值比綠洲風(fēng)天氣下的波文比值波動(dòng)更大。從圖8可知，在荒漠風(fēng)條件下，夜晚大部分時(shí)間和白天部分時(shí)間處于逆溫、正濕狀態(tài)，此時(shí)，用波文比-能量平衡法所計(jì)算的蒸散量能較為真實(shí)的反映實(shí)際蒸散情況；而白天正午前后干熱的荒漠風(fēng)使得地表溫度較高，同綠洲風(fēng)天氣一樣出現(xiàn)正溫、逆濕的狀態(tài)，此時(shí)，用波文比方法計(jì)算的結(jié)果同樣為顯熱向下輸送，仍然與實(shí)際情況不符，計(jì)算得到的蒸散量不是實(shí)際蒸散量，對(duì)觀測(cè)到波文比及蒸散發(fā)結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行修正。

4.2波文比-能量平衡法適用性分析

通過(guò)以上對(duì)本試驗(yàn)的研究表明，有風(fēng)和無(wú)風(fēng)情況下，利用波文比-能量平衡法測(cè)算出得蒸散量差別很大，有風(fēng)時(shí)波文比的異常值增多，蒸散量波動(dòng)較大，且在綠洲風(fēng)天氣條件下尤為突出。由于受風(fēng)的影響，綠洲荒漠過(guò)渡帶濕度結(jié)構(gòu)和水汽輸送有很大差別，其潛熱和顯熱為正值或者負(fù)值，表示能量在研究的地表上方增加或者減少，這在一定情況下可能會(huì)很大，而被簡(jiǎn)化的能量平衡方程式所忽略[52]。

作為綠洲和荒漠的交界地帶，綠洲荒漠過(guò)渡帶的溫度、相對(duì)濕度等大氣條件處于綠洲和荒漠的中間狀態(tài)。當(dāng)性質(zhì)迥異的綠洲氣團(tuán)和荒漠氣團(tuán)在此相遇時(shí)，綠洲荒漠過(guò)渡帶的大氣反應(yīng)和變化極為劇烈。受綠洲風(fēng)或荒漠風(fēng)的影響，波文比-能量平衡法所測(cè)算的蒸散量準(zhǔn)確性降低，綠洲風(fēng)天氣條件下波文比-能量平衡法所測(cè)算的蒸散量準(zhǔn)確性更低。

一方面，波文比-能量平衡法成立的理論假設(shè)之一是水汽湍流交換系數(shù)(Kw)和熱量湍流交換系數(shù)(Kh)相等，即Kw=Kh，假定是把方程的有效使用限于均質(zhì)的下墊面, 沒有水平的梯度。因此，對(duì)于大氣層結(jié)穩(wěn)定、平坦、均勻的下墊面來(lái)說(shuō)，利用波文比-能量平衡法計(jì)算潛熱通量誤差相對(duì)較小。但是，大量的研究結(jié)果表明，Kh和Kw的比值是隨著大氣穩(wěn)定度的變化而變化[53]。在綠洲荒漠過(guò)渡帶上空的垂直溫度、濕度梯度是平流過(guò)程和垂直水熱輸送過(guò)程相疊加的結(jié)果，由于空氣的溫、濕鉛直廓線的非相似性導(dǎo)致熱量與水汽的湍流交換系數(shù)的非等同性, 使得波文比法的結(jié)果精度下降。這種情況下，梯度理論不再適用，Kh=Kw的假設(shè)不再成立，以梯度擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的波文比法在用于估算潛熱與顯熱輸送時(shí)失效。此時(shí)用波文比法估算蒸發(fā)量就會(huì)造成較大誤差，這是本研究中綠洲風(fēng)天氣情況下波文比方法計(jì)算蒸散發(fā)出現(xiàn)偏差的主要原因[16]。另一方面，綠洲荒漠過(guò)渡帶大氣的不穩(wěn)定度決定了波文比β出現(xiàn)較大的波動(dòng)，波文比法計(jì)算的通量會(huì)出現(xiàn)劇烈的跳動(dòng)，呈現(xiàn)出虛假的尖峰和谷值，這一現(xiàn)象在夏季和秋季即綠洲風(fēng)盛行時(shí)表現(xiàn)更為明顯[53]。當(dāng)波文比法計(jì)算中波文比接近于-1時(shí)，計(jì)算變得很不穩(wěn)定，導(dǎo)致公式計(jì)算出的潛熱通量的數(shù)值異常增大或減小，而相應(yīng)得到的顯熱通量的值反向異常減小或增大，此時(shí)公式中的太陽(yáng)輻射同土壤熱通量的差值Rn-G或波文比β的小誤差會(huì)引起通量計(jì)算很大的誤差，而從上面分析中波文比出現(xiàn)劇烈跳動(dòng)的時(shí)間看多為凌晨或是傍晚，這與王旭等人的研究結(jié)果一致[16,54]。

4.3提高波文比方法在綠洲荒漠過(guò)渡帶準(zhǔn)確性的可行方法

在綠洲荒漠過(guò)渡帶，荒漠上空的綠洲風(fēng)盛行時(shí)，垂直溫度、濕度梯度是平流過(guò)程與垂直水熱輸送過(guò)程相疊加的結(jié)果，以梯度擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的波文比法估算蒸散量徹底失效，因此，應(yīng)該避免在綠洲風(fēng)盛行時(shí)觀測(cè)蒸散量；當(dāng)荒漠風(fēng)盛行時(shí)，來(lái)自荒漠的暖干氣流由于密度小在綠洲氣團(tuán)上面成暖風(fēng)型進(jìn)入綠洲，因此，在靠近綠洲的綠洲荒漠過(guò)渡帶與上方的暖干氣團(tuán)之間形成平衡層，在平衡層內(nèi)的溫度、濕度梯度符合梯度擴(kuò)散理論，可以運(yùn)用波文比-能量平衡法測(cè)量，如果梯度觀測(cè)超過(guò)這個(gè)范圍，觀測(cè)失效，也即是在荒漠風(fēng)盛行時(shí)，波文比-能量平衡法在干旱區(qū)綠洲的平衡層內(nèi)是適用的，在平衡層外及荒漠上空卻失效。因而,應(yīng)用波文比能量平衡法估算蒸散發(fā)時(shí)，測(cè)點(diǎn)的位置選擇是至關(guān)重要的[43]。

另外，波文比-能量平衡法是計(jì)算通量的方法，它綜合使用了邊界層中所觀測(cè)到的氣象指標(biāo)(溫度和濕度)和地表能量平衡方程的信息來(lái)計(jì)算感熱和潛熱通量，由波文比的表達(dá)式我們可以看到波文比的大小取決于不同高度的溫度差和濕度差，測(cè)量?jī)x器的精度會(huì)直接影響到計(jì)算的結(jié)果[55]，Perez和Allen等人研究表明，干旱區(qū)相對(duì)濕度較低，波文比方法在干旱區(qū)的準(zhǔn)確性與溫濕度傳感器的測(cè)量精度緊密相關(guān)[15,32]。尤其在實(shí)測(cè)溫、濕度差的差值小于或等于儀器精度差值時(shí), 常常出現(xiàn)較大的誤差。因此, 為提高波文比法的測(cè)量精度, 必須研制和使用高精度的干濕球傳感器,并注意儀器安裝高度要有足夠的風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度，同時(shí)要把觀測(cè)點(diǎn)安置在水平均一的下墊面上[55]。

5結(jié)論

(1)民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶冬春季節(jié)盛行西北風(fēng)，以荒漠風(fēng)為主，波文比方法所測(cè)波文比值波動(dòng)大、數(shù)值大；夏秋季節(jié)盛行東南風(fēng)，以綠洲風(fēng)為主，波文比波動(dòng)相對(duì)較小、負(fù)值多；研究區(qū)觀測(cè)期內(nèi)波文比在-17.3—16.2范圍內(nèi)變化，呈“U”型變化，季節(jié)性變化明顯，生長(zhǎng)季中期波文比值低于初期和末期。

(2)在無(wú)風(fēng)天氣，綠洲荒漠過(guò)渡帶溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，波文比波動(dòng)小，異常值少，波文比-能量平衡法觀測(cè)的波文比能大致反映綠洲荒漠過(guò)渡帶的波文比特征。測(cè)算出的蒸散量較為準(zhǔn)確，能夠代表綠洲荒漠過(guò)渡帶實(shí)際蒸散量，所測(cè)得民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶波文比日均值為0.07，日蒸散量為1.6mm/d。

(3)在綠洲風(fēng)天氣，綠洲荒漠過(guò)渡帶的空氣溫度、濕度結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，冷濕的綠洲風(fēng)使得大氣處于正溫、逆濕的狀態(tài)，溫度、濕度梯度是平流過(guò)程和垂直水熱輸送過(guò)程相疊加的結(jié)果，不符合波文比-能量平衡法的假設(shè)條件，這種情況下運(yùn)用波文比方法所測(cè)得的蒸散量負(fù)值較多，準(zhǔn)確性降低，應(yīng)該對(duì)觀測(cè)的波文比進(jìn)行修正，避免在綠洲風(fēng)天氣使用波文比方法對(duì)蒸散量進(jìn)行觀測(cè)。

(4)在荒漠風(fēng)條件下，白天正午前后大氣溫度、濕度結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，出現(xiàn)正溫、逆濕的狀態(tài)，此時(shí)，波文比-能量平衡法所測(cè)算的蒸散量準(zhǔn)確性降低，同樣應(yīng)該對(duì)波文比進(jìn)行修正。夜晚大部分時(shí)間和白天部分時(shí)間溫度、濕度結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯改變，此時(shí)，用波文比-能量平衡法所計(jì)算的蒸散量能較為真實(shí)的反映實(shí)際蒸散情況，但是觀測(cè)點(diǎn)的位置選擇會(huì)影響觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

致謝：野外觀測(cè)工作得到甘肅省治沙研究所和民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站人員的幫助，特此致謝。

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Effects of wind conditions on the bowen ratio and evapotranspiration in an oasis-desert ecotone

XIANG Jiao, LI Cheng, ZHANG Qingtao, XIONG Yujiu, QIU Guoyu*

SchoolofEnvironmentandEnergy,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China

Abstract：The Bowen ratio-energy balance method is one of the most commonly used methods for estimating evapotranspiration. However, the Bowen ratio can fluctuate greatly and reduce the accuracy of estimates when it is applied to the study of evapotranspiration in desert areas, especially at an oasis-desert ecotone. Improving the precision of the Bowen ratio-energy balance method has become a major focus of studies aiming to accurately estimate water budgets in arid areas. In this study, we found that wind conditions had obvious effects on the Bowen ratio at an oasis-desert ecotone. This may be the main cause of low precision estimates from the Bowen ratio-energy balance method when used at oasis-desert ecotones. In order to test this hypothesis, we recorded meteorological data from May 2010 to June 2012 through the Bowen ratio system at an oasis-desert ecotone in Minqin, China. We analyzed variation in the Bowen ratio, temperature gradient, humidity gradient, and evapotranspiration between two different heights on windy days. The Bowen ratio was lower in the middle of the growing season than at the beginning or end of the season and fluctuated wildly between -17.3 and 16.2. On windless days, horizontal airflow had little effect, causing small fluctuations in the Bowen ratio, and few abnormal values. Thus, the accuracy of evapotranspiration estimates using the Bowen ratio-energy balance method was high. The daily Bowen ratio calculated by the method was 0.07, and the daily evapotranspiration estimate was 1.6 mm/d on windless days. However, the temperature gradient and humidity gradient changed significantly on windy days. Temperature and humidity inversion led to large fluctuations in the Bowen ratio, and more negative evapotranspiration estimates. In these conditions, the accuracy evapotranspiration estimates using the Bowen ratio-energy balance method was reduced. Therefore, when using the Bowen ratio-energy balance method to estimate evapotranspiration at oasis-desert ecotones, it is important to choose the right measurement points and weather to avoid adverse impacts of wind.

Key Words:oasis-desert ecotone; Bowen ratio; oasis wind; desert wind

DOI:10.5846/stxb201404250822

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: qiuguoyu@gmail.com

收稿日期:2014- 04- 25; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12

基金項(xiàng)目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304305); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30972421); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91025008)

向皎, 李程, 張清濤, 熊育久, 邱國(guó)玉.綠洲荒漠過(guò)渡帶風(fēng)況對(duì)波文比和蒸散發(fā)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):705- 720.

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