新疆地面感熱的時(shí)空變率特征分析

艾冠男，潘新民，安大維，張新軍

(1.新疆氣象服務(wù)中心，烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺(tái)，烏魯木齊 830002)

引 言

下墊面熱通量異常作為地-氣系統(tǒng)熱量平衡過(guò)程中的重要組成部分，對(duì)其領(lǐng)域內(nèi)的大氣環(huán)流演變起著十分重要的作用[1～3]。新疆地處亞歐大陸復(fù)地，其年降水量通常在200mm以下，屬于典型干旱、半干旱氣候區(qū)，且擁有我國(guó)最大的流動(dòng)性沙漠，其特殊的陸面物理過(guò)程對(duì)我國(guó)氣候變化和西北干旱氣候形成都有深刻作用[4]。干旱地區(qū)地表干燥，蒸發(fā)量微小，地表輻射中感熱占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此感熱變化對(duì)當(dāng)?shù)匦夂蛱卣餍纬杉八h(huán)和氣候變化皆具有重要意義[4～9]。

對(duì)地面感熱的討論國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量研究，感熱對(duì)氣候變化影響方面，Jofia Joseph等[10]表明孟加拉灣感熱日變化與印度夏季風(fēng)活動(dòng)密切相關(guān)，Lian Chen等[11]指出青藏高原中東部冬季感熱變化對(duì)東亞冬季風(fēng)有一定影響，周連童等[12～14]表明西北地區(qū)的感熱輸送變化是我國(guó)華北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性干旱的成因之一，針對(duì)不同地理環(huán)境的感熱研究日益成熟。感熱估算方法研究方面，王介民等[15]利用SEBAL模型對(duì)地表蒸散進(jìn)估算，表明該模型有很好應(yīng)用性，但所需計(jì)算資源較高，何奇瑾等[16]指出波文比法得到的感熱受經(jīng)驗(yàn)公式和假設(shè)影響對(duì)感熱峰值和谷值誤差較大，D.Baldocchi等[17]表明渦動(dòng)相關(guān)法估算感熱存在能量不平衡帶來(lái)的誤差。李振朝等[18]采用整體輸送法對(duì)感熱進(jìn)行估算，引入了較為準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)非觀測(cè)量地表熱力輸送系數(shù)采用定值的做法，尤其對(duì)下墊面復(fù)雜地區(qū)的感熱精準(zhǔn)估算造成影響。王慧[19]通過(guò)研究表明在缺乏用其它方法獲得較準(zhǔn)確的區(qū)域地表熱力輸送系數(shù)的情況下，對(duì)地表熱力輸送系數(shù)Ch值的估算，采用衛(wèi)星遙感資料是比較可靠的方法。

新疆地形復(fù)雜，山脈、沙漠、戈壁、綠洲分布其中，因此對(duì)下墊面的估算程度直接影響感熱計(jì)算結(jié)果。目前對(duì)于新疆地面感熱的研究以下墊面較為單一的小尺度為研究對(duì)象居多[20-21]，但是對(duì)新疆整體區(qū)域的地面感熱研究較少，南北疆下墊面環(huán)境差異大，針對(duì)南北疆感熱差異的研究尚未討論。本文利用地面氣象觀測(cè)資料結(jié)合衛(wèi)星遙感資料研究新疆地面感熱時(shí)空變化規(guī)律，比較分析南北疆不同下墊面感熱差異，為研究中亞氣候變化及預(yù)測(cè)提供指示意義，旨在為保護(hù)和改善干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供一定理論依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 資料

本文利用新疆105個(gè)常規(guī)氣象站點(diǎn)2007～2016年逐月平均氣壓、風(fēng)速、地面溫度和百葉箱氣溫的地面觀測(cè)資料結(jié)合MODIS Terra衛(wèi)星提供的空間分辨率500m、2007～2016年逐月歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料，NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)處理提取為新疆105個(gè)站逐月站點(diǎn)數(shù)據(jù)。地面觀測(cè)資料來(lái)源于新疆氣象局信息中心，NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料來(lái)源于中科院信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 地面感熱計(jì)算方法

采用總體輸送公式[22]計(jì)算出逐月地面感熱通量值：

H=ρSCPCh∣V10∣(TS-Ta)

(1)

其中，ρS為干空氣密度，它由干空氣狀態(tài)方程ρS=Ps/RdTa確定，Rd=287.05 J·kg-1·K-1，PS是本站的氣壓；Ta=273.16+ta，ta為測(cè)站百葉箱氣溫(1.5m處)(K)；CP=1004.07 J·kg-1·K-1，為干空氣定壓比熱；TS為0cm地面溫度(K)；V10為測(cè)站點(diǎn)10m高度處風(fēng)速(m/s)；Ch為地表熱力輸送系數(shù)，是無(wú)量綱量。在計(jì)算中除Ch值外均取歷年逐月實(shí)測(cè)值。

1.2.2 地表熱力系數(shù)Ch估算方法

利用植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料[23]，通過(guò)對(duì)Ch與INDV的關(guān)系式對(duì)地表熱力輸送系數(shù)Ch進(jìn)行估算：

IMAX為各站多年NDVI的平均最大值。當(dāng)0.45≤IMAX<1時(shí)，下墊面為綠洲區(qū)；當(dāng)0.2≤IMAX<0.45時(shí)，為半干旱-戈壁區(qū)；當(dāng)0

采用EOF分析法(經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)法)分析新疆地面感熱通量異常變化的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變特征，EOF分析具體方法參閱文獻(xiàn)[24]。

2 新疆地面感熱空間分布特征和時(shí)間演變分析

對(duì)新疆感熱進(jìn)行EOF分解表明，第一模態(tài)為全區(qū)一致空間分布，第二模態(tài)呈現(xiàn)南北反向的空間分布，并劃分南、北區(qū)進(jìn)行感熱特征研究。

EOF法能將要素場(chǎng)分解為若干相互正交模態(tài)的正交組合，并提取主要模態(tài)反映時(shí)空分布特征。圖1給出了新疆地面感熱EOF年平均第一、第二模態(tài)場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。從圖中可以看出，第一模態(tài)場(chǎng)全區(qū)有較好負(fù)值一致性分布，可稱(chēng)之為“全區(qū)一致型”，地面感熱的一致性變化主要受大尺度天氣系統(tǒng)影響。結(jié)合時(shí)間序列分析，全疆感熱在十年間感熱輸送經(jīng)歷偏強(qiáng)-偏弱的過(guò)程。第二模態(tài)大致以42～44°N為界呈現(xiàn)出南北反向的空間分布形態(tài)，可稱(chēng)之為“南北反向型”，北疆大部為正，東疆、南疆大部為負(fù)，阿勒泰表現(xiàn)為正極大值區(qū)。結(jié)合時(shí)間序列分析，第二模態(tài)南部(北部)地面感熱輸送10年間經(jīng)歷偏弱(偏強(qiáng))-偏強(qiáng)(偏弱)-偏弱(偏強(qiáng))過(guò)程。

圖1 新疆地面感熱EOF分析第一、第二模態(tài)場(chǎng)及其時(shí)間系數(shù)

綜合一、二模態(tài)空間場(chǎng)分布特征，結(jié)合南北疆下墊面分布狀況及高沈童[25]對(duì)西北干旱區(qū)氣候差異劃分研究，把新疆地面感熱分為南北兩塊區(qū)域進(jìn)行研究分析。分界線(xiàn)大致以43°N為界，北區(qū)(主要為北疆)包含51個(gè)站點(diǎn)，南區(qū)(主要為南疆、東疆)包含54個(gè)站點(diǎn)。

3 新疆地面感熱時(shí)間變化特征分析

3.1 地面感熱月變化特征

對(duì)新疆感熱月變化分析得出，南、北區(qū)地面感熱呈單峰型變化特征，3～4月感熱迅速增加，6月達(dá)到峰值，4～10月南區(qū)感熱明顯大于北區(qū)。

圖2給出了2007～2016年南、北兩區(qū)多年平均地面感熱月變化趨勢(shì)。由于新疆地氣間能量傳輸以感熱為主，所以感熱大小大體上表征了地面加熱場(chǎng)的強(qiáng)弱。北區(qū)弱冷源持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，北塔山1月平均感熱達(dá)-24.2 W/m2，這可能受北區(qū)積雪覆蓋時(shí)間長(zhǎng)和緯度高共影響。3～11月，南、北區(qū)地面感熱經(jīng)歷迅速增加至減弱過(guò)程，其中除11月外，南區(qū)感熱高于北區(qū)，6～7月差幅最大，達(dá)10 W/m2左右，這說(shuō)明這一時(shí)期南區(qū)地表持續(xù)加熱大氣明顯，表現(xiàn)為較強(qiáng)的熱源。相比河西干旱區(qū)感熱最小值出現(xiàn)在12月[18]，新疆感熱在1月達(dá)到最小值，存在月份差異。

圖2 2007～2016年新疆地面感熱月變化

3.2 地面感熱季節(jié)變化特征

對(duì)新疆感熱季節(jié)分析表明，南、北區(qū)冬季感熱最小，夏季最高。南區(qū)四季平均感熱均高于北區(qū)，春季北區(qū)地面感熱增幅明顯，夏季南區(qū)地面感熱顯著于北區(qū)。

冬季(12～2月)是南、北區(qū)地面感熱最小的季節(jié)(圖3)，北區(qū)負(fù)值區(qū)主要集中在伊犁河谷、中天山及昌吉州東部一帶，南區(qū)負(fù)值區(qū)主要集中在和田和巴州南部一帶(圖4)。春季(3～5月)北區(qū)主要受升溫明顯影響，地面感熱迅速增加，南北區(qū)地面感熱差距縮小，伊犁河谷是感熱增幅最大的綠洲區(qū)，這與草地凈輻射隨太陽(yáng)高度角增大而增大結(jié)論一致[26]。夏季(6～8月)是全疆感熱值最大的季節(jié)，南區(qū)感熱明顯高于北區(qū)，差值在13W/m2左右。增強(qiáng)最為顯著的站點(diǎn)為十三間房、葉城和達(dá)坂城，這與西南地區(qū)春季感熱最大[26]的研究結(jié)果差異明顯，主要原因可能受緯度和下墊面共同影響。

4 新疆地面感熱變化與各要素的相關(guān)分析

為了解各季感熱輸送強(qiáng)弱變化的主導(dǎo)因子，將新疆地面感熱與各要素進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明南、北區(qū)地面感熱與地氣溫差(t)、地表熱力輸送系數(shù)(Ch)、地面風(fēng)速(V)相關(guān)并通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)性存在季節(jié)差異。

結(jié)合表1、表2可以得出，南、北區(qū)冬季地氣溫差對(duì)感熱變化起主導(dǎo)作用。冬季感熱與地氣溫差的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.01顯著性水平檢驗(yàn)(臨界值為0.76)，各站點(diǎn)通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的的比例均高達(dá)96%以上。春季南、北區(qū)Ch值對(duì)感熱變化影響較大，通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)比例在60%以上，北區(qū)感熱與Ch值相關(guān)性更為顯著。這主要因?yàn)榇合募臼堑乇碇脖蛔兓铒@著的季節(jié)，所以一些重要的地表參數(shù)對(duì)感熱變化的影響是不可忽視的。春季南區(qū)感熱同時(shí)受風(fēng)速影響，風(fēng)向主要為偏東風(fēng)。秋季，北區(qū)由于地氣溫差迅速減小，地氣溫差對(duì)感熱變化再次占據(jù)主導(dǎo)。同時(shí)將感熱對(duì)降水做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，南區(qū)夏季感熱與降水呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.67，這也為提高降水預(yù)報(bào)技術(shù)提供一定參考價(jià)值。

表1 新疆南、北區(qū)地面感熱變化與各要素相關(guān)系數(shù)

表2 新疆南、北區(qū)感熱變化與各要素顯著相關(guān)站的比例

5 結(jié) 論

本文利用常規(guī)地面觀測(cè)逐月站點(diǎn)資料結(jié)合MODIS Terra衛(wèi)星逐月植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品站點(diǎn)資料，對(duì)2007-2016年新疆地面感熱進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其時(shí)空分布特征與各要素相關(guān)分析做出了總結(jié)，主要結(jié)論如下：

5.1 感熱經(jīng)EOF分解的第一模態(tài)為全區(qū)一致的空間分布，全疆感熱經(jīng)歷偏強(qiáng)-偏弱過(guò)程。第二模態(tài)呈南北反向的空間分布，南部(北部)感熱經(jīng)歷5偏弱(偏強(qiáng))-偏強(qiáng)(偏弱)-偏弱(偏強(qiáng))過(guò)程。

5.2 南、北區(qū)感熱具有明顯月變化特征。南、北區(qū)地面感熱輸送呈單峰型變化特征，感熱1月最小，3～4月迅速增加，6月達(dá)到頂峰。4～10月南區(qū)感熱明顯大于北區(qū)。

5.3 南、北區(qū)感熱分布存在季節(jié)異同。南、北區(qū)地面感熱冬季最小，夏季最高，南區(qū)四季平均感熱均高于北區(qū)。北區(qū)春季地面感熱增幅明顯，南區(qū)夏季地面感熱顯著于北區(qū)。

5.4 南、北區(qū)感熱變化與地氣溫差、地表熱力輸送系數(shù)和地面風(fēng)速相關(guān)并通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)性存在季節(jié)差異。冬季地氣溫差和春季地表熱力輸送對(duì)南、北區(qū)感熱變化起主導(dǎo)。春季，北區(qū)感熱與地表熱力輸送系數(shù)相關(guān)更為顯著，南區(qū)感熱同時(shí)受風(fēng)速響應(yīng)。秋季北區(qū)地氣溫差對(duì)感熱變化影響顯著。

本文研究?jī)?nèi)容彌補(bǔ)了新疆不同區(qū)域地面感熱空間分布差異及時(shí)間變化特征，初步揭示四季感熱變化的影響因子，能為保護(hù)和改善干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供一定理論依據(jù)。但研究?jī)?nèi)容仍有不足，對(duì)南區(qū)夏季感熱與降水影響的內(nèi)在機(jī)理值得思考，有待深入研究。