塔克拉瑪干沙漠人工綠地與自然沙地能量收支差異研究

霍 文，智協(xié)飛，楊 帆，周成龍，王 豫，宋美琪，潘紅林，買買提艾力·買買提依明，何 清

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/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/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；3.南京大氣科學(xué)聯(lián)合研究中心，江蘇 南京 210044）

沙漠是地球陸地表面一種極具代表性的下墊面形式，因其反照率高、沙粒熱容效率高等獨(dú)特的土壤物理屬性，形成了與其他下墊面形式不同的典型能量收支特征。為此，很多學(xué)者致力于沙漠區(qū)域能量收支的研究[1-6]。能量收支的研究受到多國(guó)學(xué)者的重視，特別是其對(duì)全球氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)的影響研究顯得十分重要。Brown[7]利用全球能量收支的估算進(jìn)而評(píng)估未來(lái)全球變暖的趨勢(shì)。孫昭萱[8]與岳平[9]研究和探討了我國(guó)黃土高原因能量收支延伸的氣候特征與土壤參數(shù)化問(wèn)題。我國(guó)著名的黑河試驗(yàn)（HEIFE）與內(nèi)蒙古半干旱試驗(yàn)也不乏能量收支的研究[10-12]。Holtslag[13]利用大氣—土壤—植被耦合模型研究了粗糙度對(duì)通量和邊界層發(fā)展的影響。Jochum[14]利用（EFEDA）數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值預(yù)報(bào)模型的網(wǎng)格化計(jì)算了整個(gè)研究區(qū)域的平均通量，并指出潛熱通量邊界影響效應(yīng)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，從20 世紀(jì)80 年代起，以WCRP（水文大氣先行性實(shí)驗(yàn)）為先導(dǎo)，同時(shí)在IGBP（國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃）的協(xié)同組織下，世界各國(guó)開展了各種針對(duì)性的大型陸面過(guò)程實(shí)驗(yàn)，其中北美17 項(xiàng)、歐洲14 項(xiàng)、亞洲9 項(xiàng)、非洲5項(xiàng)、澳大利亞4 項(xiàng)、南美2 項(xiàng)[15]。北半球氣候過(guò)程地面實(shí)驗(yàn)（NOPEX）[16]、歐洲沙漠化地區(qū)陸面研究計(jì)劃（EFEDA）和黑河試驗(yàn)（HEIFE）都是國(guó)際上具有代表性的觀測(cè)試驗(yàn)。黑河試驗(yàn)是我國(guó)最早的陸面過(guò)程野外試驗(yàn)，它開創(chuàng)了我國(guó)陸面過(guò)程研究的先河，也是亞洲第一次國(guó)際合作進(jìn)行的大型陸面過(guò)程試驗(yàn)，被列為世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）、水文大氣先行性實(shí)驗(yàn)（HAPEX）和國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）中的一部分[15-17]。另外，我國(guó)還開展了“中國(guó)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）”[15-18]。中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所研究團(tuán)隊(duì)從21 世紀(jì)初一直關(guān)注塔克拉瑪干沙漠的邊界層氣象問(wèn)題，持續(xù)開展沙漠邊界層綜合觀測(cè)試驗(yàn)，取得一些研究成果[19-22]。

本文研究基于沙漠區(qū)域小氣候觀測(cè)試驗(yàn)，利用連續(xù)的輻射能量觀測(cè)數(shù)據(jù)闡述了研究區(qū)域的地表能量收支特征，從局地氣候的角度揭示了由于人類影響而產(chǎn)生的地表能量格局改變。這種精細(xì)化、小尺度的沙漠區(qū)域小氣候地表收支與能量平衡的細(xì)微甄別，有助于增強(qiáng)對(duì)沙漠區(qū)域不同地表格局能量輻射平衡特征規(guī)律的理解，同時(shí)也為沙漠陸面模式或者區(qū)域氣候模式的參數(shù)化方案改進(jìn)提供基礎(chǔ)支撐。

1 觀測(cè)系統(tǒng)與方法介紹

1.1 自然沙地觀測(cè)系統(tǒng)

自然沙地觀測(cè)系統(tǒng)以10 m 梯度為基準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)要素含溫度（T）、濕度（H）、風(fēng)向（Wr）、風(fēng)速（Ws）、大氣壓（P）、四分量輻射系統(tǒng)、土壤表層探測(cè)系統(tǒng)（T、H、熱通量SHF、CO2）等。渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)配備有CSAT3 型超聲風(fēng)速儀[15]，LI-COR7500 型CO2/H2O水汽分析儀等傳感器，數(shù)據(jù)采集頻率10 Hz（圖1）。

圖1 自然沙地渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)與四分量輻射觀測(cè)系統(tǒng)

1.2 人工綠地觀測(cè)系統(tǒng)

80 m 梯度系統(tǒng)，探測(cè)層次為0.5、1、2、4、10、20、32、47、63、80 m，探測(cè)要素為風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度。土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括土壤探測(cè)系統(tǒng)，其中溫度探測(cè)層次為0、-2、-5、-10、-20、-40、-80、-160 cm；濕度探測(cè)層次為0、-2、-5、-10、-20、-40、-80、-160 cm，熱通量探測(cè)層次為0、-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm。研究級(jí)基準(zhǔn)輻射站為太陽(yáng)跟蹤器、總輻射、散射輻射、天空長(zhǎng)波輻射、地面長(zhǎng)波輻射、地表反射輻射、UV-A、UV-B 紫外輻射、直接輻射、日照時(shí)數(shù)傳感器、光和有效輻射等。10 m 處安裝IRGASON 一式渦動(dòng)相關(guān)傳感器，80 m 處安裝CSAT3+7500A 分體式渦動(dòng)相關(guān)傳感器，測(cè)定CO2/H2O 在空氣中的摩爾密度、三維風(fēng)速、超聲虛溫（聲場(chǎng)溫度）以及大氣壓、空氣溫度指標(biāo)（圖2）。

圖2 人工綠地80 m 梯度觀測(cè)系統(tǒng)、BSRN 輻射觀測(cè)系統(tǒng)、渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)

1.3 計(jì)算方法

凈輻射Rn計(jì)算公式：

式中，DR為太陽(yáng)總輻射，UR為反射輻射，DLR為大氣長(zhǎng)波輻射，ULR為地面長(zhǎng)波輻射。

地表能量平衡方程計(jì)算公式：

式中，Rn為地表凈輻射；G0為表層土壤熱通量；H為感熱通量；LE為潛熱通量。

觀測(cè)數(shù)據(jù)采用了陽(yáng)坤和王介民（2008）基于土壤溫濕資料計(jì)算地表土壤熱通量的新算法（TDEC）計(jì)算G0（表層土壤熱通量）。其中感熱通量H與潛熱通量LE的計(jì)算基于湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算：

式中，r為空氣密度；Cp為定壓比熱；l為蒸發(fā)潛熱；q′與q′分別代表位溫和比濕的脈動(dòng)量；W′為垂直風(fēng)速的脈動(dòng)量。

能量平衡閉合計(jì)算公式：

式中，EBR為能量平衡比（無(wú)量綱）；D為能量平衡殘差；H為感熱通量；LE為潛熱通量；Rn：凈輻射；G0為土壤熱通量，單位均為W·m-2。其中，S為冠層熱儲(chǔ)量，自然沙地S為零，人工綠地植被均為低矮稀疏的固沙灌木，屬于干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)冠層，S本身值很小，且不易測(cè)量，因此本文在分析能量閉合時(shí)忽略不計(jì)[15]。

2 特征解析

2.1 地表輻射參數(shù)

輻射能量各參數(shù)時(shí)間尺度變化特征顯著，契合輻射收支基本規(guī)律。太陽(yáng)總輻射（DR）、反射輻射（UR）在沙地與綠地變化趨勢(shì)類同，夏季為高峰季節(jié)，7 月為峰值月，地面長(zhǎng)波輻射（ULR）在不同下墊面反饋不同，沙地與綠地日尺度最大差值為50 W·m-2。

地表反照率（Surface Albedo）是上述差異的主控因子，其性質(zhì)決定了下墊面對(duì)輻射的吸收特征。因觀測(cè)地點(diǎn)臨近，可忽略太陽(yáng)高度角的影響，自然沙地在年尺度內(nèi)具有很好的均一性，因此反照率相對(duì)穩(wěn)定（圖3a）。人工綠地反照率（圖3b）月尺度變化波動(dòng)大，在植被生長(zhǎng)周期6—10 月，反照率位于低值區(qū)。由于滴灌活動(dòng)改善了沙漠地表水分條件，提高了土壤濕度，導(dǎo)致了反照率值減少。圖4 給出了土壤濕度對(duì)反照率的影響。綠地土壤濕度月平均日變化明顯比沙地復(fù)雜。沙地20 cm 土壤濕度表征效應(yīng)滯后于5 cm，這符合土壤水分傳遞基本特征。而研究區(qū)域的人工綠地主要集中在兩側(cè)高大沙丘之上，受地形影響，水分的傳遞被重力條件與地形條件共同支配，地形條件增加了重力向下的矢量，因此更多的水分易先往深層傳遞，再隨地形擴(kuò)散，從沙壟向壟間遷移。這就引發(fā)了人工綠地表層土壤濕度滯后于深層土壤的現(xiàn)象。

圖3 地表沙地（a）與綠地（b）反照率月平均變化

圖4 土壤濕度月變化

2.2 地表能量通量參數(shù)

從圖5 可知，全年自然沙地Rn小于人工綠地（12 月除外）。沙地夜間最小值（-95 W·m-2）低于綠地（-90 W·m-2），出現(xiàn)在10 月；沙地最大值（405 W·m-2）低于綠地（452 W·m-2），出現(xiàn)在7 月。Rn日正負(fù)值更替規(guī)律表現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)性，以夏季7 月為例，綠地負(fù)轉(zhuǎn)正更替時(shí)刻為5：30，沙地為6：30；綠地正轉(zhuǎn)負(fù)更替時(shí)刻為18：00，沙地為18：30，沙地存在滯后效應(yīng)。同理，以冬季1 月為例，Rn負(fù)轉(zhuǎn)正更替時(shí)刻綠地為08：00、沙地為08：30；反之正轉(zhuǎn)負(fù)，綠地為15：30 沙地14：30。Rn夏季日尺度正值區(qū)長(zhǎng)，冬季夜間負(fù)值區(qū)長(zhǎng)，符合季節(jié)特征規(guī)律。

圖5 能量平衡各個(gè)分量月平均變化

G0的日變化趨勢(shì)呈單峰分布，G0峰值出現(xiàn)時(shí)間比Rn提前1.5 h。沙地G0小于綠地，這是由于綠地在生長(zhǎng)期土壤水分條件優(yōu)于沙地，影響了兩種下墊面的土壤熱傳導(dǎo)率而造成的。不同下墊面、不同層次G0的月平均日變化凸顯了時(shí)間尺度特征。日間，熱量傳輸方向由表層到深層垂直向下，以午后為分界點(diǎn)，熱量傳輸強(qiáng)度遞減。夜間由于地表輻射冷卻，熱量傳輸方向由深層到表層垂直向上。綠地的G0日振幅大于沙地，綠地土壤熱導(dǎo)率和熱容量受到植被與水分條件影響，導(dǎo)致綠地單位時(shí)間內(nèi)更多的熱量與能量被傳遞。

綠地H與沙地H變化趨勢(shì)一致，在不穩(wěn)定季節(jié)（春、夏）高，在穩(wěn)定季節(jié)（秋、冬）低。在湍流發(fā)展強(qiáng)烈的夏季，綠地6 月H小于沙地H、7 月基本一致，8月綠地小于沙地，極值出現(xiàn)在6 月，沙地H最大值為198.6 W·m-2，綠地H最大值為175.3 W·m-2。日間隨著時(shí)間推移，輻射強(qiáng)度遞增，地表增溫速率大于空氣增溫速率，產(chǎn)生向上的熱對(duì)流，有利于H增大。沙地與綠地的地表溫度差異不大，但受植被熱容量的制約，兩種下墊面近地面空氣溫度存在明顯的位相差，致使湍流強(qiáng)度產(chǎn)生差異，因此自然沙地的感熱通量要大于人工綠地[15]。

LE的主控因子為水分條件，塔克拉瑪干沙漠腹地常年極端干旱，LE為低值區(qū)是常態(tài)。沙地6—7 月LE有顯著提升，6 月平均日峰值達(dá)82 W·m-2，7 月平均日峰值達(dá)58.3 W·m-2，這可能受到局地環(huán)流的影響[23]。在人工綠地的生長(zhǎng)與成熟周期，綠地LE大于沙地。綠地LE6—7 月為峰值周期，由觀測(cè)資料可知6 月降水量累計(jì)值為23.9 mm，7 月累計(jì)降水量為5.2 mm，可見(jiàn)，降水是影響LE變化的主導(dǎo)因素之一。綠地LE與沙地LE日尺度變化規(guī)律與H類似，這里不再贅述。在植被覆蓋區(qū)域，日間隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，溫度遞增，植被凝結(jié)水和土壤表層水隨著蒸騰作用變?yōu)樗?，并在垂直方向上擴(kuò)散，因此，LE在正午左右達(dá)到最大值。午后因蒸發(fā)強(qiáng)烈，綠地由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化的水汽量不斷減弱，其垂直輸送強(qiáng)度也相應(yīng)遞減，導(dǎo)致LE趨于減少，在夜間達(dá)到最低值[15]。

2.3 地表能量分配格局

在了解研究區(qū)域的地表能量特征參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步剖析各個(gè)特征參數(shù)的能量分配格局，有助于深入了解研究區(qū)的凈輻射耗能比（圖6、圖7）。沙漠地區(qū)夜間層結(jié)穩(wěn)定，日間湍流旺盛，日出日落時(shí)段屬于穩(wěn)定期與不穩(wěn)定期的轉(zhuǎn)換期，耗能比易出現(xiàn)跳躍值，此時(shí)，Rn在低值區(qū)，客觀映射了耗能比的不穩(wěn)定期。自然沙地凈輻射的主要耗能形式以H和G0為主，H最大，LE最小[15]。研究區(qū)域，日間輻射強(qiáng)度大，空氣含水率低，地表水分條件差，能量傳遞由上至下，耗能形式以H為主；夜間大氣多為穩(wěn)定狀態(tài)，缺乏外部能量輸送，地表在日間儲(chǔ)存的能量由下向上釋放，耗能形式以G0為主。

圖6 人工綠地不同季節(jié)能量分配日動(dòng)態(tài)

圖7 自然沙地不同季節(jié)能量分配日動(dòng)態(tài)

研究區(qū)域的界域尺度小于塔克拉瑪干沙漠，因此在沙漠大尺度的控制下，能量分配的基本格局是一致的（綠地與沙地）。綠地日尺度LE的耗能比大于沙地，沙地LE的耗能比受水分條件限制，處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。如圖8 所示，綠地日尺度（LE）的耗能比增加了1.5%。同為干旱區(qū)，敦煌戈壁（LE）的耗能比為3.8%，H為主要耗能形式[24]。相反，水分條件優(yōu)越的華北平原耗能比以LE為主[25]。

圖8 6—8 月沙地與綠地潛熱通量耗能比日尺度變化

2.4 地表能量閉合特征

郭建俠等[26]指出能量平衡殘差D可以較為全面地評(píng)估出由于觀測(cè)測(cè)量原因以及誤差項(xiàng)所導(dǎo)致的能量平衡差，其正負(fù)值及閾值區(qū)間變化體現(xiàn)了能量的不平衡程度[15]。研究區(qū)域內(nèi)，沙地D值與綠地閾值區(qū)間存在明顯差異。在冬季，沙地D值范圍為-0.23～91.69 W·m-2，綠地為-21.34～74.36 W·m-2；在夏季沙地D值范圍為-56.52～23.16 W·m-2，綠地為-99.48～91.09 W·m-2。下墊面的不同，地表加熱與冷卻速率不同，從而導(dǎo)致了地表與大氣之間溫度差表征不同，因此，不同下墊面D值區(qū)間范圍存在異同。以白天為例，沙地地表狀態(tài)均一性強(qiáng)，地表沙地在輻射條件下加熱快，空氣加熱速率慢，明顯的地氣溫差形成熱對(duì)流，造成湍流活動(dòng)強(qiáng)烈，因此在日尺度范圍內(nèi)，正午D值接近極大值，在日出前后或者午后時(shí)段接近0，而這個(gè)時(shí)段即為日尺度內(nèi)能量閉合率較高時(shí)段。受植被影響綠地D值夏季最小、冬季最大（圖9、圖10）。

圖9 人工綠地（a）與自然沙地（b）不同季節(jié)地表能量平衡比率（EBR）的日變化

圖10 人工綠地（a）與自然沙地（b）不同季節(jié)地表能量殘差（D）的日變化

由圖11 可知，綠地能量閉合線性回歸的擬合系數(shù)R2夏季最優(yōu)，為0.541，冬季最差，為0.298。春、秋季擬合系數(shù)R2略低于夏季。沙地能量閉合線性回歸的擬合系數(shù)R2春、夏最優(yōu)，為0.882，冬季最差，為0.669。研究區(qū)域的夏季閉合率最高，冬季最低，且其不閉合率在綠地＞50%，在沙地接近50%。人工綠地的不閉合率低于自然沙地，D值較小也印證了這一點(diǎn)。由于小地形起伏及下墊面條件的共同影響，不同下墊面的閉合情況存在明顯的差異特征[15]。人工綠地秋季擬合系數(shù)R2為0.526，出現(xiàn)過(guò)閉合狀態(tài)，也是由于日出時(shí)能量不穩(wěn)定、觀測(cè)值跳躍引起的（圖11）。

圖11 人工綠地（a）與自然沙地（b）不同季節(jié)地表能量的閉合狀況

圖12 為綠地與沙地白天和夜間的能量閉合狀態(tài)。白天沙地能量閉合線性回歸的擬合系數(shù)R2春季最優(yōu)，為0.851，其他三季依次為：夏（0.756）、秋（0.771）、冬（0.660）?？梢?jiàn)白天擬合系數(shù)R2比全天低，因此，沙地日間是負(fù)貢獻(xiàn)。綠地能量閉合線性回歸的擬合系數(shù)R2秋季最優(yōu)為0.450，其他三季依次為：春（0.4）、夏（0.294）、冬（0.174）。同理，綠地日間也是負(fù)貢獻(xiàn)，且貢獻(xiàn)率更大。在夜間，綠地與沙地有效能量與湍流能量的回歸散點(diǎn)值更接近0，說(shuō)明研究區(qū)域的夜間閉合率為正貢獻(xiàn)。

圖12 人工綠地（a）與自然沙地（b）不同季節(jié)白天和夜間地表能量的閉合狀況

3 討論

在沙漠極度干旱背景下，基于觀測(cè)試驗(yàn)，詮釋了自然狀態(tài)下沙漠地表與人工綠地的能量各分量的差異，原因歸納如下：

（1）由于人類活動(dòng)，建設(shè)了人工綠地，改變了地表反照率、增加了儲(chǔ)熱量、地表蒸發(fā)增加導(dǎo)致了反射通量在入射通量中的比例、改變了凈輻射能量分配，造成能量收支差異。

（2）自然沙地加熱速率快，形成地氣溫差，引發(fā)垂直熱對(duì)流，形成了以大氣感熱通量為主能量分配格局。人工綠地的植被改善了水分條件，引起了實(shí)際蒸發(fā)增強(qiáng)，形成了溫度差異，在日間與夜間促進(jìn)了局地環(huán)流的形成，觸發(fā)了潛熱通量增大、感熱通量減小。

因此，在極端干旱的沙漠區(qū)，在人為活動(dòng)的影響下，人工綠地成為下墊面性質(zhì)改變的典型案例，下墊面格局的改變成為能量平衡參數(shù)規(guī)律性表征的主要?dú)w因；人工綠地溫度、濕度的變化，形成不同于自然沙地的演變規(guī)律；溫差效應(yīng)引發(fā)在垂直和水平方向上局地風(fēng)環(huán)流，從而改變感熱通量、潛熱通量的傳輸特征規(guī)律，最終導(dǎo)致不同下墊面的能量收支差異[15]。

4 主要結(jié)論

（1）自然沙地與人工綠地之間的ULR日尺度最大差值為50 W·m-2，植被區(qū)地表反照率6、10 月是客觀反映的低值時(shí)段，這是由于滴灌是沙漠中人工綠地水分供給的主要方式，促進(jìn)了沙漠土壤含水率的提升，從而影響了地表反照率的變化。春、夏季是綠地H與沙地H的高值季節(jié)，6 月是極值出現(xiàn)期，其中沙地（H）極大值為198.6 W·m-2，綠地H極大值為175.3 W·m-2。植被生長(zhǎng)與成熟周期，綠地LE日尺度震蕩幅度較沙地更為強(qiáng)烈，相對(duì)于沙地增加了15%。研究區(qū)域Rn的主要耗能是H與G0，其中白天以H為主導(dǎo)，夜間以G0為主導(dǎo)。

（2）日間與夜間的大氣穩(wěn)定條件決定了EBR的波動(dòng)幅度，在日間沙地EBR遞增速率大于綠地，在夜間綠地EBR變化幅度大于沙地，這是由不同下墊面能量平衡參數(shù)之間的差異引發(fā)的。沙地D值日尺度變化特征顯著，與之相較，綠地D值日周期內(nèi)變化趨勢(shì)復(fù)雜。從日尺度上看，在能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)段，即日出或日落時(shí)刻，D值波動(dòng)大；從季節(jié)尺度看，不穩(wěn)定季節(jié)（春、夏）D值變化幅度明顯大于穩(wěn)定季節(jié)（秋、冬）。

（3）研究區(qū)域的夏季閉合率最高，冬季最低，且其不閉合率在綠地＞50%，在沙地接近50%。對(duì)于全天閉合率貢獻(xiàn)而言，沙地與綠地均為負(fù)貢獻(xiàn)，且綠地負(fù)貢獻(xiàn)影響更大；在夜間沙地與綠地均為正貢獻(xiàn)。