王遠(yuǎn)弘,吳新萍,買(mǎi)買(mǎi)提艾力·買(mǎi)買(mǎi)提依明,劉凱露,劉永強(qiáng)
(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046;2.新疆且末縣塔中氣象站,新疆 且末 841000;3.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地,烏魯木齊 830002)
地表溫度(Land Surface Temperature,LST)是地表自然環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo),是定量描述地表與大氣之間物質(zhì)交換和能量平衡的重要參數(shù),并且直接關(guān)系到地-氣相互作用過(guò)程有關(guān)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,在眾多研究領(lǐng)域,如氣候、水資源、生態(tài)和生態(tài)化學(xué)都需要該參數(shù)[1-5]。同時(shí),地表溫度也是研究陸面過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù),探究地表溫度變化特征成為了不可忽略的研究[6-8]。李可相等[9]利用遙感產(chǎn)品分析了貴陽(yáng)市城郊耕地地表溫度特征,耕地的坡向與坡度是影響耕地地表溫度的因素。管延龍等[10]基于 2001—2013 年 MODIS 地表溫度產(chǎn)品及 TM影像遙感解譯,對(duì)天山區(qū)域地表溫度時(shí)空特征進(jìn)行了分析,天山區(qū)域呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)。何冬燕等[11]基于ERA-Interim 地表溫度資料分析了青藏高原四個(gè)季節(jié)地表溫度變化特征,青藏高原春、夏、冬季地表溫度變化以整體型為主,秋季地表溫度略有下降,其東部和西部地表溫度的反向型異常變化最為顯著。楊明等[12]利用地面觀測(cè)資料和高空觀測(cè)資料,對(duì)近50 年中國(guó)西部地區(qū)的氣候變化特征進(jìn)行了分析,地表溫度的變化特征與局地區(qū)域的氣候變化聯(lián)系密切。王佳琳等[13]利用相關(guān)分析、M-K 非參數(shù)檢驗(yàn)等方法,分析了中國(guó)0 cm 地溫的變化特征,地溫變化受地形、海拔和下墊面影響,并且與氣溫聯(lián)系密切。朱智等[14]評(píng)估了5 種再分析地表溫度資料在中國(guó)的適用性,但均對(duì)西北地區(qū)的模擬不佳。秦艷慧等[15]檢驗(yàn)了ERA-Interim 再分析地表溫度資料在青藏高原多年凍土區(qū)的適用性,ERA-Interim 再分析地表溫度資料對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)相對(duì)稀少且空間分布不均勻的高原多年凍土區(qū)具有較好的適用性,可以作為地表溫度的有效代用資料。
塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動(dòng)性沙漠,同時(shí)在沙漠地表有著特殊的陸面物理過(guò)程[16]。很多學(xué)者在該特殊區(qū)域進(jìn)行了大量研究,其下墊面通過(guò)邊界層對(duì)大氣的加熱作用對(duì)中亞地區(qū)甚至全球氣候都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,其獨(dú)特的陸面過(guò)程對(duì)中國(guó)西北干旱區(qū)氣候的形成和東亞季風(fēng)環(huán)流的發(fā)展也起著重要的作用[17-20]。崔彩霞等[21]探究出了用 MODIS資料計(jì)算塔克拉瑪干沙漠地表溫度的方法。張杰[22]通過(guò)分析塔克拉馬干沙漠沙丘冬、夏典型時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了沙丘各個(gè)部位表層的溫度分布特征,沙丘表面的日最高溫度出現(xiàn)在落沙坡,沙丘各部位的溫度差異明顯。黃潔等[23]利用氣象資料研究了南疆沙漠腹地的土壤溫度,發(fā)現(xiàn)天氣對(duì)地溫的影響主要體現(xiàn)在地表溫度和淺層地溫,陰天和浮塵對(duì)地溫的影響較小,揚(yáng)沙和沙塵暴天氣對(duì)地溫影響較大,其影響隨深度增加而減小。
基于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中觀測(cè)站2017 年地表溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了其年變化、日變化和季節(jié)變化特征,并與中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)CLDAS(CMA Land Data Assimilation System)中的地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了CLDAS 地表溫度產(chǎn)品在沙漠區(qū)域的適用性。利用該地表溫度產(chǎn)品分析了塔克拉瑪干沙漠區(qū)域地表溫度的時(shí)空變化特征,為沙漠區(qū)域的陸面過(guò)程研究提供參考。
塔克拉瑪干沙漠屬大陸性溫帶沙漠氣候,常年干旱少雨,深處歐亞大陸的中部,遠(yuǎn)離海洋,同時(shí)受青藏高原以及天山山脈的影響,加劇了其干旱的程度。中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)塔中站)位于塔里木盆地的沙漠腹地(38°58′51″N、83°39′28″E,海拔 1 088 m,圖 1),是目前世界上惟一深入流動(dòng)性沙漠腹地200 km 以上的大氣環(huán)境綜合觀測(cè)試驗(yàn)站[24]。
圖1 塔中站點(diǎn)
利用塔中觀測(cè)站2017 年的梯度觀測(cè)系統(tǒng)和地表能量探測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(表1)。對(duì)原數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制與預(yù)處理,剔除受非常規(guī)天氣影響的異常值,挑選出具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析。
表1 觀測(cè)儀器及型號(hào)
地表土壤溫度測(cè)量采用3 種方式。第一種使用紅外地表溫度傳感器測(cè)量地表溫度Tf;第二種利用一半的傳感器埋在土壤中,一半暴露在空氣中的方式測(cè)量地表溫度Ts,該技術(shù)已被中國(guó)氣象局廣泛用于裸露地表溫度的常規(guī)測(cè)量[25];第三種通過(guò)地表能量探測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)出的地表向上長(zhǎng)波輻射和向下長(zhǎng)波輻射基于斯特藩-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律和熱輻射傳輸原理,根據(jù)公式(1)計(jì)算而間接獲得地表溫度Tg[26]。
式中,σ(5.67×10-8W/m2/K4)為斯特藩-玻耳茲曼常數(shù),寬波段地表比輻射率εs采用李火青等[27]在新疆沙漠地區(qū)得到的平均值,即εs=0.906。
3 種 地 表 溫 度 數(shù) 據(jù)Ts、Tf、Tg的 時(shí) 間 間 隔 為 30 min,且觀測(cè)時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間,比北京時(shí)間晚2 h 25 min。為了便于與CLDAS 產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證分析,故將3種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值分別進(jìn)行小時(shí)平均。
根據(jù)研究區(qū)氣候特征,選取 1 月、4 月、7 月和 10月分別為當(dāng)?shù)氐亩尽⒋杭?、夏季和秋季,并以此形成逐季序列進(jìn)行特征分析,更好地揭示其變化特征,同時(shí)根據(jù)2017 年站點(diǎn)記錄的天氣情況,選取沙塵暴(4 月 5 日)、浮塵(4 月 25 日)、雨天(7 月 30 日)和晴天(10 月15 日)進(jìn)行不同典型天氣的地表溫度特征研究。
CLDAS 地表溫度分析產(chǎn)品覆蓋了亞洲區(qū)域(0—65° N,60—160° E),時(shí)間分辨率為逐小時(shí),空間分辨率為0.062 5°×0.062 5°,為等經(jīng)緯度網(wǎng)格的地表溫度分析產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)集研制技術(shù)和精度與國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品(如GLDAS、NLDAS 產(chǎn)品)相當(dāng),在中國(guó)質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品,且時(shí)空分辨率更高[28-31]。本研究選取與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的典型天氣日期產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,選取數(shù)據(jù)的范圍為(34—50°N,73—97°E),時(shí)間跨度為2017 年,取與實(shí)測(cè)的典型天氣一致的日期 CLDAS 數(shù)據(jù)中塔中站點(diǎn)(38°58′51″N、83°39′28″E)所在格點(diǎn)溫度值,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,再根據(jù)天氣記錄挑選 CLDAS 產(chǎn)品的 1 月、4 月、7月與10 月晴天數(shù)據(jù)做月平均,全年的晴天數(shù)據(jù)年平均后做日變化分析,以探究整片沙漠區(qū)域的地表溫度分布特征。
為了檢驗(yàn)Tf和Tg與Ts3 種測(cè)量方法兩兩之間的離散度,采用標(biāo)準(zhǔn)差(SEE,Standard Error of the Estimate)、歸一化標(biāo)準(zhǔn)差(NSEE,Normalized Standard Error of the Estimate)和偏差(Bias)進(jìn)行誤差分析。
式中,n為樣本容量,Tj是第j個(gè)測(cè)量值,Toj則分別為另兩種實(shí)測(cè)方法的第j個(gè)測(cè)量值。
圖2 為塔中站2017 年全年日平均地表溫度變化,3 種方法得到的溫度值均呈現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢(shì)。地表溫度受太陽(yáng)輻射變化的直接影響,即由于地球公轉(zhuǎn)而隨之變化,全年日均最低溫出現(xiàn)在1 月,最高溫出現(xiàn)在 7 月,從 1 月到 7 月逐漸升高,7 月到 12 月逐漸降低,其變化范圍在(-20)~43 ℃。采用變溫(當(dāng)月地表溫度變溫=當(dāng)月地表溫度平均值-上月地表溫度平均值)描述地表溫度的月變化幅度[20],從總體上看,月平均絕對(duì)變溫為7.9 ℃。2—7 月各月地面溫度呈升高趨勢(shì),其中2—4 月升幅較大,2 月變溫最大,為12.05 ℃,6—7 月升幅較為平緩,7 月變溫最小,為2.72 ℃;8 月至12 月各月地面溫度呈下降趨勢(shì),其中 10—12 月降幅較大,10 月變溫最大,為-12.85 ℃。
圖2 塔中地區(qū)2017 年日平均和月平均地表溫度年變化
根據(jù)2017 年的天氣資料,1 月塔中地區(qū)晴天僅有3 d,并出現(xiàn)降雪以及霧天6 d,其余均為多云天氣,故1 月地表溫度變化呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的低谷。從3 月開(kāi)始進(jìn)入春季,回溫迅速,3 月和4 月浮塵、揚(yáng)沙天氣頻現(xiàn),甚至出現(xiàn)沙塵暴天氣,地表溫度回暖速率較緩。進(jìn)入夏季之后,偶有降水日出現(xiàn),地面溫度日最高溫比晴朗時(shí)明顯降低,夏季整體變化幅度在四季中最小。秋季的地表溫度變化相對(duì)其他季節(jié)總體穩(wěn)定,除10 月初受揚(yáng)沙天氣狀況干擾,使得地表溫度突降外,其余時(shí)段則呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。
在3 種測(cè)量方法中,1 月的Ts比其他2 種測(cè)量值明顯偏高,是由于該時(shí)段的塔中地區(qū)出現(xiàn)了降雪天氣和持續(xù)的霧天,這類(lèi)天氣在當(dāng)?shù)貙儆诜浅R?guī)天氣,地表水汽附著在溫度傳感器上面,傳感器的測(cè)量受到了影響。在其他月份,Tf的測(cè)量值明顯低于另外2種方法的測(cè)量值,是由于紅外土壤溫度傳感器算法中的比輻射率值,遠(yuǎn)大于沙漠地表比輻射率(εs=0.906)。顯然,在1 月,因沙漠地表降雪,濕度增加,地表比輻射率值與熱紅外溫度傳感器算法中的比輻射率值幾乎一致,導(dǎo)致Tf與Tg無(wú)差異。
通過(guò)分析3 種測(cè)量值的誤差(表2),Tg與Ts的標(biāo)準(zhǔn)差和偏差分別為1.04 ℃和-0.64 ℃,Tg與Ts整體差異比Ts與Tf、Tf與Tg整體差異更小。因此,在流動(dòng)沙漠地區(qū)進(jìn)行地表溫度觀測(cè)時(shí),常規(guī)的溫度傳感器半埋在地表測(cè)量即可滿足研究需求,且精度頗高,同時(shí)不推薦使用熱紅外傳感器在相似的研究區(qū)進(jìn)行測(cè)量,此測(cè)量值在該類(lèi)下墊面地區(qū)的測(cè)量精度較其余兩種測(cè)量方法低。為了使測(cè)量更精確,建議通過(guò)對(duì)向上和向下長(zhǎng)波輻射的測(cè)量計(jì)算出地表溫度值作為參考。
表2 Tf、Ts和 Tg的誤差對(duì)比
為了更好地分析,將Ts與Tg的平均值Ta作為實(shí)測(cè)值進(jìn)行研究,并更好地與CLDAS 產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。
塔中地區(qū)的地表日最高溫和最低溫的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3,可以看出沙漠區(qū)域的地表溫度在7 月達(dá)到最高,12 月降至最低。
圖3 塔中地區(qū)2017 年地表日溫極值變化
2017 年該研究區(qū)的地表溫度的日較差(日最高溫與最低溫的差值)平均值為33 ℃(圖4),觀察整年地表溫度日較差的曲線,春夏季溫度日較差變化更突出,秋冬季溫度日較差變化較為平穩(wěn)。塔克拉瑪干沙漠地處塔里木盆地內(nèi),春夏季天氣多變,出現(xiàn)大風(fēng)天數(shù)多于秋冬季,因?yàn)榈乇淼奶厥庑?,沙漠下墊面的土壤質(zhì)地均為細(xì)碎砂石,且植被覆蓋極少,所以其地表溫度變化劇烈,日極值隨近地層天氣變化劇烈波動(dòng),云層影響地表接收的太陽(yáng)輻射,降雨和降雪天氣使得地表能量交換過(guò)程有水分的參與,水的相變減弱了地表溫度的變化幅度,因此,在干旱區(qū)沙漠地帶,地表溫度對(duì)天氣狀況更敏感。
圖4 塔中地區(qū)2017 年日地表溫度日較差變化
由不同季節(jié)地表溫度的日變化曲線(圖5)可知,地面溫度呈晝高夜低的日變化特征,春、夏和秋季的日最低溫出現(xiàn)在5:00,之后逐漸升溫并均在13:00 達(dá)到日最高值,冬季的日最低溫滯后到7:00,日最高溫同樣滯后1 h,于14:00 達(dá)到日最高溫,表明太陽(yáng)輻射是影響研究區(qū)地表溫度的最主要因素。從總體看,日最大變溫出現(xiàn)在8:00—9:00,其驟增幅度可達(dá)8 ℃,到達(dá)峰值后又快速下降(速率不如上升時(shí)快,且變化率逐漸減?。L?yáng)輻射消失,夜間降溫趨緩慢,22:00 至次日6:00 降幅較小,其主要原因是沒(méi)有太陽(yáng)輻射這個(gè)最直接的影響,沙漠地表溫度僅受沙石自身熱量散失而變化,但因沙漠特殊地表,溫度的變化幅度比其他下墊面更為明顯,同時(shí)地面的晝夜溫度變化也更為劇烈。
圖5 塔中地區(qū)2017 年四季月平均地表溫度日變化
從季節(jié)來(lái)看,地表日均溫度表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季的特征。夏季接受太陽(yáng)輻射最多,地面吸收的熱量也最多,所以地面迅速增溫,地表溫度全年最高,夏秋季日變溫接近30 ℃,但是低于春季的35 ℃,綜合站點(diǎn)記錄的天氣情況,春季風(fēng)大,常出現(xiàn)浮塵或沙塵暴天氣,使得一天內(nèi)的地表溫度波動(dòng)更為劇烈。冬季接收到的輻射量最小,日變溫在20 ℃左右,這與該緯度的其他地區(qū)變化特征相似。以上特征表明,沙漠的地表溫度季節(jié)變化與太陽(yáng)高度角變化密切相關(guān)。
塔中站的實(shí)測(cè)地表溫度Ta在沙塵暴(4 月5 日)、浮塵(4 月 25 日)、雨天(7 月 30 日)和晴天(10 月 15日)4 種天氣下與CLDAS 地表溫度產(chǎn)品值Tcldas日平均變化曲線對(duì)比分析如圖6a 至圖6d 所示,圖6e 至圖6h 則對(duì)應(yīng)地顯示了沙塵暴(4 月5 日)、浮塵(4 月25 日)、雨天(7 月 30 日)和晴天(10 月 15 日)4 種天氣下Ta與Tcldas的散點(diǎn)圖。CLDAS 地表溫度產(chǎn)品在塔克拉瑪干沙漠的適用性較好,整體來(lái)看,CLDAS 溫度產(chǎn)品能很好地反映出沙漠地區(qū)的日變化特征,與觀測(cè)溫度值保持相同的日變化曲線,晴天和浮塵天氣比沙塵暴天氣和雨天的擬合情況要更好,其R2均達(dá)到0.9 以上,沙塵暴和雨天也可達(dá)0.8 以上,同時(shí),晴天和浮塵天氣的標(biāo)準(zhǔn)差也比其他2 種天氣情況要小,特別是晴天,其標(biāo)準(zhǔn)差只有0.34 ℃。不過(guò),CLDAS 產(chǎn)品在晴天和浮塵天氣的 10:00 至 14:00 出現(xiàn)低估,這是因?yàn)镃LDAS 產(chǎn)品是通過(guò)模型模擬得到的,模型模擬計(jì)算沒(méi)有考慮到沙漠下墊面受太陽(yáng)輻射影響而劇烈變化的地表溫度變化,反而是在沙塵暴天氣和雨天里,沙漠地表接受太陽(yáng)輻射受到干擾,地表溫度波動(dòng)減緩。從圖6 來(lái)看,晴天CLDAS 產(chǎn)品與觀測(cè)值吻合情況最優(yōu),故篩選了2017 年典型月份里晴天的產(chǎn)品值來(lái)探究塔克拉瑪干沙漠的空間分布變化特征,選取了2017 年晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后得到年平均日變化空間分布。
圖6 觀測(cè)值(Ta)與CLDAS 溫度產(chǎn)品值(Tcldas)在不同天氣下的日平均變化
利用CLDAS 產(chǎn)品值,篩選2017 年典型月份1月、4 月、7 月和10 月的晴天數(shù)據(jù),探究塔克拉瑪干沙漠的空間分布變化特征,對(duì)晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,得到年平均日變化的空間分布。
圖7 顯示了塔克拉瑪干沙漠四季典型月份日平均地表溫度的空間分布,正如塔中觀測(cè)站點(diǎn)所呈現(xiàn)的一樣,塔克拉瑪干沙漠區(qū)域內(nèi)整體地表溫度差異遠(yuǎn)小于周邊綠洲地區(qū),大片沙漠地區(qū)下墊面比較統(tǒng)一,東西差異較小,因?yàn)榫暥鹊淖兓嬖谝欢ǖ哪细弑钡筒町?,沙漠中心區(qū)域空間變化較小,沙漠邊緣區(qū)域受植被覆蓋及周?chē)匦蔚孛灿绊懫涞乇頊囟犬a(chǎn)生變化,盆地周?chē)錾矫}和天山山脈區(qū)域的溫度變化幅度明顯,盆地中沙漠區(qū)域的地表溫度變化相對(duì)更平緩。
圖7 塔克拉瑪干沙漠四季典型月份日平均地表溫度的空間分布
圖8 顯示了整個(gè)塔克拉瑪干沙漠區(qū)域年平均地表溫度的逐時(shí)日變化,與站點(diǎn)觀測(cè)的日變化一致,地表溫度的幅值在日出前相對(duì)較小,日出后迅速上升,在當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間14:00 左右達(dá)到最大,在此之后,地表溫度逐漸減小,夜間趨于平穩(wěn),地表溫度的空間分布明顯區(qū)別于周?chē)G洲和山脈,盆地四周的山脈海拔變化突兀,因而溫度變化比沙漠區(qū)域復(fù)雜得多,并且周?chē)木G洲區(qū)域溫度變化規(guī)律明顯不同于沙漠,升溫的幅度也不如沙漠劇烈,白天沙漠區(qū)域高于周?chē)木G洲,晚上綠洲高于沙漠,對(duì)比同緯度的綠洲區(qū)域,日最高溫沙漠比綠洲高4 ℃,日最低溫沙漠比綠洲低5 ℃,沙漠的日較差比綠洲高6 ℃,除了下墊面是主要不同原因外,還有海拔和地形因素的影響??傮w而言,由于沙漠植被覆蓋很少,土壤里水分含量更是近乎沒(méi)有,其地表溫度變化特征明顯,與太陽(yáng)輻射的變化緊密聯(lián)系。
圖8 塔克拉瑪干沙漠年平均地表溫度的日變化空間分布
通過(guò)對(duì)2017 年全年塔克拉瑪干沙漠腹地實(shí)測(cè)地表溫度的變化特征分析,以及利用CLDAS 地表溫度產(chǎn)品呈現(xiàn)的空間分布,得出如下結(jié)論。
全年地表溫度呈現(xiàn)典型的單峰起伏,1 月最低,7 月最高,季節(jié)差異明顯。研究區(qū)域地表無(wú)植被,為特殊的流沙下墊面,全年的溫度差變化明顯,容易因?yàn)樘鞖獾淖兓霈F(xiàn)大波動(dòng),同時(shí)該波動(dòng)在一天內(nèi)同樣突出,日極值和日較差波動(dòng)明顯,對(duì)比3 種觀測(cè)手段,在干旱沙漠地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)時(shí),普通觀測(cè)手段更易受天氣情況的影響,建議利用測(cè)量長(zhǎng)波輻射計(jì)算出的溫度數(shù)據(jù)作為輔助。
春、夏、秋和冬季4 個(gè)季節(jié)的地表溫度日變化規(guī)律相似,地表日均溫度表現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的特征,白天溫度變化劇烈,白天溫度的最高峰為13:00,在夜晚溫度變化為緩慢降溫,最低值出現(xiàn)在6:00。
CLDAS 地表溫度產(chǎn)品可作為研究塔克拉瑪干沙漠區(qū)域的有效資料,在沙塵暴、浮塵、雨天和晴天4 類(lèi)天氣下與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8 以上,晴天相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99。從空間上來(lái)看,塔克拉瑪干沙漠區(qū)域的地表溫度保持了一定的空間一致性,和周?chē)木G洲形成了鮮明的對(duì)比,晝夜溫差大,整體地表溫度變化受太陽(yáng)輻射變化影響大,降溫與升溫速率也很快,夜間溫度值變化趨于平穩(wěn)。