塔克拉瑪干沙漠腹地地表輻射和能量平衡及小氣候特征

齊斐斐，買買提艾力·買買提依明，霍 文,何 清，劉永強

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002； 3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

塔克拉瑪干沙漠是世界上第二大流動性沙漠，面積廣袤且自然環(huán)境極為惡劣，被稱為“死亡之?！?，是我國沙塵暴的主要發(fā)源地，并對中亞地區(qū)乃至全球氣候和環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響[1-2]。沙漠下墊面由于其獨特地理環(huán)境和特殊地表反照率，在能量、水分以及物質(zhì)循環(huán)方面有著獨特的規(guī)律，對太陽輻射的響應過程也與其他生態(tài)系統(tǒng)明顯不同，探索沙漠地區(qū)的陸面過程和陸-氣相互作用一直以來都是干旱區(qū)氣候研究的重點[3-4]。

地表輻射和能量平衡是陸面過程和陸-氣相互作用研究的核心內(nèi)容，用來描述地面與大氣間物質(zhì)和能量的交換過程[5]。近年來，針對不同下墊面條件下地表輻射與能量平衡開展了大量研究[6-15]，如研究發(fā)現(xiàn)敦煌荒漠戈壁極端干旱氣候區(qū)的波文比值較其他干旱區(qū)大一個數(shù)量級左右[12]；藏北高原地區(qū)草甸下墊面在季風前后凈輻射、太陽短波輻射、地面長波輻射等具有明顯日變化規(guī)律[13]；隴中黃土高原地區(qū)夏季受風速、土壤濕度、太陽高度角、天氣狀況等因素影響地表反射率呈較大差異[14]。輻射的收支、能量的平衡與分配是小氣候特征形成的基礎[16]，而在極端干旱的塔克拉瑪干沙漠腹地，因其特殊的氣候和下墊面條件該地區(qū)形成的小氣候特征與其他生態(tài)系統(tǒng)有所不同，探索沙漠地區(qū)的輻射收支和能量分配對理解干旱區(qū)的能量、水汽循環(huán)和氣候變化具有重要意義。

由于塔克拉瑪干沙漠惡劣的自然環(huán)境和觀測條件，對該地區(qū)地表輻射和能量平衡的研究仍然不夠全面。通過陸面過程野外觀測試驗，可以獲得大量、連續(xù)、高質(zhì)量和高精度的資料，從而更系統(tǒng)地了解該地區(qū)陸氣相互作用和能量通量交換與輸送特征[17]，為今后沙漠陸面過程和沙漠氣候的研究奠定基礎。因此本文利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境綜合觀測試驗站2014年觀測資料，綜合分析塔克拉瑪干沙漠腹地下墊面的太陽輻射、凈輻射、感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量及小氣候特征，以期對塔克拉瑪干沙漠陸氣相互作用有更全面的認識，為提高該地區(qū)數(shù)值預測和氣候模擬的準確性提供必要依據(jù)。

1 觀測試驗介紹

1.1 試驗區(qū)環(huán)境

塔克拉瑪干沙漠(77°E—90°E、37°N—41°N)是世界第二大流動性沙漠，也是我國面積最大的沙漠，位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地中心，面積約為33.76×104km2，其地理位置與周邊地形地貌狀況如圖1所示。該地區(qū)風沙活動頻繁，流動沙丘面積所占百分比為82.2%左右，沙丘類型多樣，多分布于克里雅河以東到塔里木河下游之間的沙漠腹地，總體走向為NNE—SSW，沙粒質(zhì)地輕，以細沙和極細砂為主，中值粒徑平均為0.093 mm。

圖1 塔克拉瑪干沙漠地理位置(圖片來自Google Earth)Fig.1 The location of the Taklimakan Desert(The picture cut from Google Earth)

塔克拉瑪干沙漠為暖溫帶干旱沙漠，氣候以暖干、冷干交替為主。冬季受蒙古高壓、青藏高原和天山山脈高壓下沉氣流影響引起增溫；夏季受大陸熱低壓控制，產(chǎn)生熱風暴，加劇了該地區(qū)干旱高溫氣候。沙漠地區(qū)日照充足，太陽直接輻射由東向西遞減，年總輻射為5700～6000 MJ·m-2，居全國第3位。年降水量極少，沙漠中心區(qū)域小于10 mm，潛在蒸發(fā)量卻高達3800 mm，多年平均氣溫10～12 ℃，自2003年塔中氣象站記錄以來最高氣溫為45.6 ℃，最低氣溫為-32.7 ℃，年均風速2.3 m·s-1[18]。

1.2 觀測資料及儀器

塔中站(38°58′N、83°39′E，海拔1099.3 m)是目前世界上唯一深入流動性沙漠腹地200 km以上的大氣環(huán)境綜合觀測試驗站[19]。觀測站東面150 m和西面500 m左右均為復合型縱向沙壟，南面400 m處是塔中石油作業(yè)區(qū)，北面2.5 km處為沙漠公路，公路兩側為人工種植的一些檉柳、梭梭、沙拐棗等植物。采用該氣象站2014年梯度觀測系統(tǒng)和地表能量探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其中包括梯度觀測系統(tǒng)測得的風、溫、濕等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，及地表能量探測系統(tǒng)中輻射平衡各分量探測儀測得的短波輻射、長波輻射，土壤熱通量探測儀測得不同深度的土壤熱通量值和土壤溫度值，OPEC開路渦動相關系統(tǒng)測量計算得到湍流熱通量。主要觀測系統(tǒng)及參數(shù)見表1，其中輻射數(shù)據(jù)采集時間為地方時，與北京時時差145 min，本文分析以當?shù)氐胤綍r為準。

表1 觀測設備配置Tab.1 Configuration of observation equipments

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

在數(shù)據(jù)使用前需要進行嚴格質(zhì)量控制和預處理，具體包括：首先利用EddyPro軟件對原始數(shù)據(jù)進行有效性檢驗、野點去除，并剔除降水時次數(shù)據(jù)，再進行二維坐標旋轉、延遲時間校正、去勢、超聲虛溫訂正、WPL修正等處理，最終得到30 min平均的感熱通量和潛熱通量。

凈輻射Rn計算公式[20]如下：

Rn=(Rswd-Rswu)+(Rlwd-Rlwu)

(1)

式中：Rn、Rswd、Rswu、Rlwd、Rlwu分別為凈輻射、太陽總輻射、地表反射輻射、大氣長波輻射和地表發(fā)射輻射(W·m-2)。

地表能量平衡方程[17]為

Rn-G0=H+LE

(2)

式中：G0、H、LE分別為地表土壤熱通量、感熱通量和潛熱通量(W·m-2)。其中土壤熱通量指的是單位時間單位面積上的土壤熱交換量，利用HFP01SC土壤熱通量板的觀測值通過溫度積分法校正到地表[5]。感熱通量和潛熱通量可以通過渦動探測系統(tǒng)獲得：

(3)

(4)

式中：ρ為空氣密度；Cp=1004.67 J·kg-1·℃-1是定壓比熱；λ為水的潛熱，一般取2.5×106J· kg-1；θ′、q′分別為位溫和比濕的脈動量；ω′為垂直風速的脈動量。

2 結果與分析

2.1 四個季節(jié)地表輻射和能量平衡日變化

選取1、4、7和10月分別代表冬季、春季、夏季和秋季。圖2為塔中站四個季節(jié)地表輻射平衡和能量平衡各分量日變化及能量閉合率?？梢钥闯?，在廣闊且植被覆蓋幾乎為零的沙漠表面，地表接收的太陽總輻射較大，但由于其地表反照率較大，導致地表反射輻射也相對較大。四個季節(jié)輻射和能量平衡各分量均有明顯日變化，表現(xiàn)為春、夏季較大，秋、冬季較小，峰值出現(xiàn)在12:00左右。春、夏、秋、冬四個季節(jié)太陽總輻射的峰值分別為761、756、602和474 W·m-2；地表反射輻射的日變化與太陽總輻射一致，峰值分別為202、183、157和135 W·m-2；大氣長波輻射峰值分別為342、429、322和229 W·m-2；地表發(fā)射輻射主要受地表溫度控制，相位滯后1 h，即峰值出現(xiàn)在13:00左右，分別為543、633、506和367 W·m-2。

地表能量通量各分量中的凈輻射、土壤熱通量和感熱通量有明顯的日變化特征。凈輻射衡量地面獲得輻射能量的大小，ZHANG等[21]指出植被蓋度越大、地表越濕、反照率越小的地區(qū)凈輻射占總輻射百分比就越大。研究區(qū)凈輻射呈標準的單峰型變化特征，12:00最大，春、夏、秋和冬季凈輻射平均日變化峰值分別為354、369、273和202 W·m-2；土壤熱通量峰值則滯后0.5 h左右，分別為73、81、79和49 W·m-2；感熱通量與凈輻射變化一致，四個季節(jié)峰值分別為219、209、137和86 W·m-2；而潛熱通量在沙漠腹地極端缺水的條件下幾乎為零，渦動相關系統(tǒng)測得的結果為-20～20 W·m-2，潛熱通量的峰值分別為5、20、2和2 W·m-2。根據(jù)地表能量平衡特征發(fā)現(xiàn)，在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，感熱通量在能量消耗中占主導地位，春、夏、秋、冬四季占凈輻射百分比分別為44.6%、68.1%、55.2%和55.3%，土壤熱通量次之，潛熱很小，與李火青[22]利用Colm模型在該地區(qū)對地表能量通量各分量模擬的結果一致。

能量守恒是能量交換和收支的基本準則，但能量不閉合幾乎成為所有能量通量觀測存在的問題。通過對06:00—18:00的有效能量(Rn-G0)和湍流通量(H+LE)進行回歸分析，可以看出，塔中站春、夏、秋、冬季的R2分別為0.93、0.94、0.86和0.74，能量閉合率分別為75.7%、85%、67.1%和63.5%，不閉合率為15%～36.5%，與大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)觀測的閉合率結果相近。其中夏季能量閉合率最高，冬季最低。其主要原因有兩方面：一方面冬季在日落前后溫度變化較快，渦動相關系統(tǒng)探頭自身溫度變化小于地表溫度，導致感熱通量的觀測值偏?。涣硪环矫嫱ㄟ^觀察渦動相關系統(tǒng)探頭發(fā)現(xiàn)，在-10 ℃以下的冬季早晨探頭有結霜現(xiàn)象，會導致潛熱觀測值偏小，因此H+LE值偏小，導致冬季能量閉合率較低。

2.2 典型天氣條件下地表能量通量各分量的變化

挑選塔中地區(qū)幾種典型天氣狀況進行分析，其中云面積占天空百分比的0%～10%為晴天，>70%為陰天[23]。浮塵天氣為當無風或平均風速≤3.0 m·s-1時，水平能見度<10 000 m的天氣現(xiàn)象；強沙塵暴是指大風將地面沙塵吹起，空氣非?；鞚?，水平能見度<500 m的天氣現(xiàn)象[24]。選取2014年7月12 日、4月9日、4月23日和2月3日分別代表塔中地區(qū)的晴天、陰天、沙塵暴和浮塵天氣，分析典型天氣條件下地表能量通量各分量的日變化(圖3)特征。

圖2 塔中站四個季節(jié)地表輻射平衡(左)和能量平衡(中)各分量日變化及能量閉合率(右)Fig.2 Diurnal variations of the surface radiation balance (the left) and energy balance (the middle)components and energy closure rate (the right) in different seasons at Tazhong station

四種不同天氣狀況的凈輻射，在18:00至次日06:00均為負值，日出后、日落前凈輻射值為正。晴天、陰天和浮塵天氣均有明顯的日變化特征，其中陰天曲線呈不規(guī)則變化，沙塵暴天氣在12:00出現(xiàn)明顯拐點，12:00—12:30凈輻射下降189 W·m-2；浮塵天氣時，受沙塵的影響凈輻射明顯減弱，峰值約為晴天條件下同時間段凈輻射通量的一半。土壤熱通量變化均比較平滑，其中20:00至次日06:00晴天的土壤熱通量比其他天氣條件明顯偏大，因為夜間土壤熱通量由地表向空氣傳輸，與白天恰好相反。不同天氣狀況下感熱通量日變化曲線皆呈不規(guī)則狀，夜間相差不大，12:00左右沙塵暴天氣的峰值提前而陰天的峰值滯后。潛熱通量變化沒有明顯規(guī)律，其值大都為-20～15 W·m-2，晴天和陰天潛熱通量波動較小，沙塵暴天氣和浮塵天氣有不規(guī)則高值。實際上，沙漠腹地極端干旱，土壤含水量很小，以至于土壤濕度的觀測值小于儀器的誤差值[19]，因此對潛熱通量的測量存在誤差，有待進一步分析。

2.3 地表反照率

地表反照率為地表對太陽輻射的反射能力，是向上和向下短波輻射的比值。地表反照率由地表特征(地表顏色、土壤濕度、植被或冰雪覆蓋)、太陽高度角等因素共同決定，地表顏色深淺對反照率的影響很大，土壤顏色的灰度值越高反照率越低，在地表顏色相同的情況下，土壤濕度和太陽高度角是影響地表反照率的主要因素，一般土壤濕度越大，反照率越低，反之亦然[22]。大量的觀測實驗表明地表反照率隨太陽高度角增大而減小，在12:00最小[19,22]。圖4 為2014年12個月塔中站地表反照率的月均日變化?？梢钥闯?，該地區(qū)地表反照率冬季高、夏季低，年均值為0.296左右，與黑河沙漠地區(qū)0.282相當[25]，比敦煌綠洲站0.234[26]，黃土高原半干旱草地0.17[5]，黑河戈壁的0.228[27]和藏北高原那曲地區(qū)0.187[13]都高。這是由于該地區(qū)土壤類型單一，地表以常年無植被覆蓋的連片流沙為主，主要成分為細小石英沙粒，表面均勻平坦，地表顏色為淺土黃色。

圖3 典型天氣條件下地表能量通量各分量的日變化Fig.3 Diurnal variations of each components of surface energy flux under typical weather conditions

圖4 2014年12個月塔中站地表反照率的月均日變化Fig.4 Diurnal variations of monthly mean albedo at Tazhong station in 2014

3 小氣候特征

3.1 空氣溫、濕度

圖5為2014年7月23日塔中站近地層不同高度空氣溫度和相對濕度日變化?？梢钥闯?，各高度氣溫均有明顯日變化，白天溫度高、夜間溫度低。06:00各層氣溫均開始上升，至16:00左右達到最高，其中0.5 m高度氣溫上升幅度最大；約在17:00形成逆溫，次日09:00再次形成逆溫。這是由于日出后，太陽短波輻射使得地面迅速增溫，且越靠近地表溫度升高越快；而在夜晚，下墊面快速冷卻，近地層降溫幅度大于上層空氣。不同高度相對濕度日變化曲線呈夜間高、白天低特征，與空氣溫度的變化正好相反。

3.2 土壤溫度

圖6為2014年7月23日塔中站不同深度土壤溫度的日變化?？梢钥闯觯?014年7月23日塔中

站地表0 cm和地下10 cm溫度具有明顯日變化特征，越到下層土壤溫度變化越不明顯。原因是地表受太陽短波輻射的影響，溫度變化均與其保持一致，而下層土壤主要接收上層土壤傳遞的熱量，故升溫緩慢且峰值滯后。在塔克拉瑪干沙漠腹地地表0 cm 12:00溫度最高可達67.5 ℃，同一天最低溫度為19.0 ℃，出現(xiàn)在05:00，兩者相差48.5 ℃；10 cm土壤溫度日變化范圍較小，為30～40 ℃，最大值出現(xiàn)在18:00；20 cm土壤溫度仍呈現(xiàn)一定日變化規(guī)律，但振幅明顯減??；40 cm土壤溫度基本不隨時間變化產(chǎn)生明顯變化，穩(wěn)定在30±2 ℃。

3.3 風速與風向

風是塑造地貌形態(tài)的基本營力之一，特別是在干旱氣候條件下，它不僅是決定沙漠地表形態(tài)的主要動力[28]，還對近地面能量交換起重要推動作用，研究表明感熱通量變化主要與地氣溫差和風速變化有關[29-30]。圖7為塔中站2014年7月近地層不同高度平均風速日變化?？梢钥闯?，不同高度平均風速呈現(xiàn)明顯日變化，同一時次風速隨高度的增加而增大；夜晚風速較小，從06:00開始風速逐漸增大，至16:00各高度均達到峰值然后迅速降低，至04:00達到最低。

圖5 2014年7月23日塔中站近地層不同高度空氣溫度(a)和相對濕度(b)日變化Fig.5 Diurnal variations of air temperature (a) and relative humidity (b) at different height near surface layer at Tazhong station on July 23, 2014

圖6 2014年7月23日塔中站不同深度土壤溫度的日變化Fig.6 Diurnal variations of soil temperature at different depths at Tazhong station on July 23, 2014

圖7 2014年7月塔中站近地層不同高度平均風速日變化Fig.7 Diurnal variation of average wind speed at different height near surface layer at Tazhong station in July 2014

圖8為2014年7月塔中站近地層2 m和10 m 風向玫瑰圖?？梢钥闯觯摰貐^(qū)夏季以東北風為主，NNE、NE、ENE和E四個風向所占百分比為44.5%，主要受塔克拉瑪干沙漠北緣天山山脈影響[31]，盛行偏東風。其不同高度主導風向略有差別，對比2 m高度處，10 m處的風向均偏東一些，2 m高度NE風頻率最高，為14.7%，10 m高度風頻率最高的則為ENE，為14.8%。

圖8 2014年7月塔中站近地層2 m和10 m 風向玫瑰圖Fig.8 Wind directions rose map at 2 m and 10 m height near surface layer at Tazhong station in July 2014

4 結 論

(1)塔克拉瑪干沙漠腹地總輻射在夏季較大，最大可達1018 W·m-2，這說明沙漠具有很好的光資源背景；凈輻射所占百分比也較大，說明沙漠中有充足的可利用熱能，為加熱大氣和土壤提供必要的熱能條件。

(2)四個季節(jié)地表能量通量各分量均表現(xiàn)為夏季最大、冬季最小，其中凈輻射、感熱通量和地表土壤熱通量存在明顯日變化，潛熱通量值很小且無明顯變化規(guī)律。感熱通量在能量平衡中占主導地位，土壤熱通量次之。冬、春、夏、秋能量閉合率分別為63.5%、75.7%、85.0%和67.1%，能量不閉合率為15.0%～36.5%，與大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)觀測結果相近。

(3)晴朗和浮塵天氣條件下，凈輻射、感熱通量和土壤熱通量呈規(guī)律的日變化特征，浮塵天氣各峰值出現(xiàn)滯后現(xiàn)象；陰天條件時凈輻射出現(xiàn)多峰值，由于云層遮擋能量通量各分量不同程度降低；沙塵暴發(fā)生時，由于湍流條件和空中漂浮的大量沙塵顆粒導致總輻射被明顯削弱。

(4)近地層空氣溫度和濕度具有明顯的日變化，白天溫度隨高度增加升高，夜晚隨高度增加降低；空氣濕度與之相反。土壤溫度白天越接近地表增溫越快，夜間地表溫度降低最為明顯，而40 cm土壤溫度幾乎不隨時間變化。7月近地層水平風速隨高度增加明顯增大，風向以NE風為主，NNE、NE、ENE和E四個風向所占百分比為44.5%。