青藏高原不同地區(qū)湍流輸送特征及其與氣象因子的關(guān)系

李宏毅 肖子牛

1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

1 引言

青藏高原有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱，約占中國(guó)陸地面積的四分之一，平均海拔4500 m，是中國(guó)最大、世界海拔最高的高原，也是亞洲許多大江大河的發(fā)源地。青藏高原對(duì)我國(guó)、亞洲乃至全球的天氣氣候都有著重要影響，制約著東亞大氣環(huán)流及其系統(tǒng)的基本格局，而且引發(fā)異常的天氣氣候?yàn)?zāi)害（葉篤正和張捷遷, 1974; 葉篤正和高由禧, 1979; Kuo and Qian, 1981; 章基嘉等, 1988; 錢(qián)永甫, 1993; 季國(guó)良等, 2001, 2002; 王澄海等, 2003;吳國(guó)雄等, 2003）。青藏高原地形復(fù)雜，包括高山（海拔在7000 m 以上）、深壑（海拔3000 m 以下），地表狀況多樣，包括河灘、草甸、森林、冰雪等。青藏高原非均勻下墊面上的地氣交換過(guò)程極為復(fù)雜，這給正確認(rèn)識(shí)青藏高原大氣過(guò)程、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣氣候過(guò)程帶來(lái)極大的困難。

1978 年5～8 月，中國(guó)開(kāi)展了第一次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)，對(duì)青藏高原地氣交換過(guò)程的進(jìn)行研究，指出青藏高原在夏季是一個(gè)強(qiáng)大的熱源，整個(gè)高原湍流感熱輸送最大值都在5 月、6 月，西部的最大輸送在6 月，東部和喜馬拉雅或全高原的月平均最高值都在5 月，整個(gè)高原的蒸發(fā)潛熱在7 月最大（葉篤正和高由禧, 1979; Ding, 1994）。1998 年5～8 月第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)研究指出青藏高原地氣熱量交換在干季以感熱為主，在濕季以潛熱交換為主（陶詩(shī)言等, 1999; 李國(guó)平等, 2000）。李英等（2009）研究表明理塘地區(qū)夏季降水豐富，使得潛熱大大增加，因此理塘站7 月潛熱通量遠(yuǎn)大于感熱通量。馬耀明等（2006）研究表明藏北高原地區(qū)在7 月也是潛熱輸送占主導(dǎo)地位。1998 年青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)（Tibetan Plateau Experiment for atmospheric sciences，簡(jiǎn)稱TIPEX）期間當(dāng)雄和昌都地區(qū)在濕季的感熱和潛熱輸送所起作用基本相當(dāng)。高原西部站點(diǎn)改則和獅泉河無(wú)論在1 月還是7 月，感熱都遠(yuǎn)大于潛熱（余錦華等, 2004）。

上述研究初步揭示了高原一些站點(diǎn)在干濕季的湍流輸送特征，但由于觀測(cè)資料的匱乏，已有工作主要集中在高原單個(gè)站點(diǎn)或不同區(qū)域少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)的研究。青藏高原地形復(fù)雜，地表狀況多樣，不同地區(qū)的地氣能量交換有著很大的差異，而上述研究結(jié)果大都只能代表局地特征，難以針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行很好的對(duì)比研究，這就需要增加站點(diǎn)觀測(cè)，不斷擴(kuò)大研究區(qū)域。此外，前人研究大多關(guān)注的是濕季的湍流特征，而對(duì)全年其他月份研究較少。為此，本文將利用第三次青藏高原大氣科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同區(qū)域觀測(cè)站點(diǎn)感熱和潛熱的季節(jié)變化進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比研究，旨在揭示不同區(qū)域感熱和潛熱季節(jié)變化的差異性。

王修信等（2008）研究了半干旱地區(qū)草地水熱通量與環(huán)境因素的相關(guān)性，結(jié)果表明草地水熱通量受凈輻射影響最大，其次是下墊面溫度與氣溫之差，風(fēng)速影響相對(duì)較弱。景梽淏等（2016）研究了低丘紅壤區(qū)旱田水熱通量及其氣象影響因素，結(jié)果表明對(duì)旱地潛熱和感熱影響最大的氣象因素有凈輻射、相對(duì)濕度，其次有氣溫，而風(fēng)速和水汽壓對(duì)潛熱和感熱交換的影響并不顯著；雨季降水量與農(nóng)田潛熱和感熱總體呈負(fù)相關(guān)，旱季降水量影響相對(duì)較小。關(guān)于高原站點(diǎn)湍流通量與氣象因素的相關(guān)分析研究的較少，尤其是不同區(qū)域站點(diǎn)在不同季節(jié)的湍流通量與氣象因子的相關(guān)關(guān)系的對(duì)比研究幾乎沒(méi)有。感熱的空氣動(dòng)力學(xué)公式為H=ρcpCHUa（Ts-Ta），其中，ρ 為空氣密度，cp為空氣定壓比熱，CH為感熱整體輸送系數(shù)，Ua為參考高度上的平均風(fēng)速，Ts為地面溫度，Ta為參考高度空氣溫度（葉篤正和高由禧, 1979; 張瀅瀅等, 2011）。因此，本文選取與感熱密切相關(guān)的氣象環(huán)境因子，包括地氣溫差（地面溫度與氣溫之差）、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和降水量，旨在對(duì)比研究不同區(qū)域、不同季節(jié)，氣象因子對(duì)感熱的影響程度有何不同？潛熱的影響因子比較復(fù)雜，涉及到地表濕度，將在以后的工作中再做深入研究。

高原地區(qū)條件艱苦，測(cè)站稀少，高原近地面層及邊界層觀測(cè)研究的難度要遠(yuǎn)大于其他地區(qū)，觀測(cè)的時(shí)間、空間和物理量都十分有限，資料十分缺乏。2014 年，中國(guó)氣象局聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了第三次青藏高原大氣科學(xué)考察計(jì)劃，此次試驗(yàn)站點(diǎn)分布更加廣泛，數(shù)據(jù)也最新最全面，該數(shù)據(jù)為研究青藏高原地區(qū)陸氣能量交換提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Wang et al.（2016）利用這次試驗(yàn)的超聲脈動(dòng)觀測(cè)資料給出了新的CH估計(jì)，指出在高原中、西部草原、草甸和裸土下墊面狀況下地表感熱整體輸送系數(shù)明顯低于過(guò)去較早的估計(jì)值。8 月高原中部各站的感熱平均為18 W/m2，而西部平均為56 W/m2，這些結(jié)果也比過(guò)去的?。╖hao et al., 2018; 趙平等,2018）。Li et al.（2019）和Li et al.（2020）利用此次觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高原中部站點(diǎn)和西部站點(diǎn)的地表熱量輸送與模式結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。本文將基于第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)2014 年8 月至2015 年12月的邊界層觀測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)在于對(duì)比分析高原西部站點(diǎn)（獅泉河）、中部站點(diǎn)（那曲、安多、班戈、比如、嘉黎）感熱和潛熱季節(jié)變化的差異性，以及在不同季節(jié)，不同地區(qū)湍流通量平均日變化的差異；本文還將對(duì)比研究氣象因子對(duì)不同區(qū)域感熱的影響程度，以及這種相關(guān)關(guān)系在不同季節(jié)有何異同？

2 資料與方法

本文使用的數(shù)據(jù)是2014 年8 月至2015 年12月的第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)在安多、獅泉河（阿里）、班戈、比如、大理、嘉黎、林芝、納木錯(cuò)、那曲、聶榮、溫江這11 個(gè)地方均建立了邊界層觀測(cè)站。大理和溫江屬于高原鄰近地區(qū)，在本文不做分析。聶榮、林芝和納木錯(cuò)站數(shù)據(jù)不夠完整，因此本文最終選取安多、那曲、班戈、比如、嘉黎、獅泉河來(lái)進(jìn)行分析。這6 個(gè)站點(diǎn)主要分布在青藏高原的西部和中部，并且數(shù)據(jù)最新，氣象要素觀測(cè)較為全面，為研究青藏高原地區(qū)的陸氣能量交換提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。觀測(cè)站分布如圖1 所示，觀測(cè)站詳細(xì)地理信息見(jiàn)表1。

表1 青藏高原6 個(gè)觀測(cè)場(chǎng)地的地理位置信息Table 1 Geographical location information of the six observation sites on the Qinghai-Tibet Plateau

圖1 青藏高原地區(qū)海拔高度及6 個(gè)邊界層觀測(cè)站的位置分布Fig. 1 Altitude of the Qinghai-Tibet Plateau region and the locations of the six boundary layer observation sites

第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)利用邊界層塔開(kāi)展近地面不同高度風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、濕度的觀測(cè)，主要觀測(cè)數(shù)據(jù)還有不同深度地溫、土壤含水率、土壤熱通量，氣壓、降水量、太陽(yáng)輻射，以及利用超聲風(fēng)速儀觀測(cè)風(fēng)速的三維分量（ux、uy、uz）、超聲虛溫、紅外氣體分析儀觀測(cè)的二氧化碳濃度和水汽密度等要素。湍流通量分析時(shí)取30 min 間隔計(jì)算出來(lái)的統(tǒng)計(jì)量。

使用Li-COR 公司開(kāi)發(fā)的Eddypro 軟件對(duì)渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，主要包括以下幾個(gè)部分：（1）通量時(shí)間平均間隔設(shè)置為30 min，每30 min 之內(nèi)缺測(cè)次數(shù)超過(guò)11%時(shí)，則視為該時(shí)刻缺測(cè)；（2）超聲風(fēng)速儀的傾斜訂正，采用二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法（Tanner and Thurtell, 1969）；（3）采用密度訂正（WPL）方法考慮通量測(cè)量中密度的影響（Webb et al., 1980）；（4）剔除野點(diǎn)數(shù)據(jù)，剔除降水時(shí)段內(nèi)計(jì)算的通量數(shù)據(jù)；（5）對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。最后形成完整的數(shù)據(jù)序列。

3 青藏高原不同站點(diǎn)湍流通量季節(jié)變化的對(duì)比分析

感熱交換是指近地層中因湍流運(yùn)動(dòng)引起的地面和空氣之間的熱量輸送，而潛熱交換是大氣中的水發(fā)生相變時(shí)引起的熱量輸送，即蒸發(fā)耗熱或凝結(jié)釋熱。圖2 為安多、那曲、班戈、比如、嘉黎、獅泉河6 個(gè)站點(diǎn)的感熱通量在2014 年8 月到2015 年12 月的變化。需要說(shuō)明的是，基于不同站點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段的限制，季節(jié)變化和年平均值是以表2 中的實(shí)際觀測(cè)時(shí)段來(lái)做分析和計(jì)算的。總體來(lái)看，年平均感熱通量由大到小的站點(diǎn)依次是安多、那曲、獅泉河、班戈、嘉黎、比如（表2）。由圖2 分析得到，安多、那曲、班戈、獅泉河的感熱通量季節(jié)變化非常明顯，比如和嘉黎的感熱通量較小，且季節(jié)變化不明顯，全年較為均勻。安多和那曲感熱的季節(jié)變化比較一致，且數(shù)值接近，年平均值分別為46.5 W/m2和45.4 W/m2，感熱在3～5 月最大，峰值均出現(xiàn)在5 月（安多71.1 W/m2，那曲64.5 W/m2），感熱在12 月、1 月較小，最小值出現(xiàn)在1 月（安多21.3 W/m2，那曲12.5 W/m2）。獅泉河站感熱在4～6 月數(shù)值最大，峰值出現(xiàn)在5 月（69.7 W/m2），12 月、1 月感熱較小，最小值出現(xiàn)在12 月（15.4 W/m2）。班戈站感熱在5～7 月最大，峰值出現(xiàn)在5 月（51.8 W/m2），感熱在11、12 月較小，最小值出現(xiàn)在12 月（4.8 W/m2）；嘉黎站和比如站的感熱較為接近，年平均值分別為22.4 W/m2和20.0 W/m2，感熱在3～5 月較大，在12 月和1 月較小。

圖2 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)（安多、那曲、班戈、比如、嘉黎、獅泉河）感熱通量的變化Fig. 2 Variation in sensible heat flux at Anduo, Naqu, Bange, Biru, Jiali, and Shiquanhe stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

以往的研究表明，整個(gè)高原湍流感熱輸送最大值都在5 月、6 月，西部的最大輸送在6 月（葉篤正和高由禧, 1979）。本文的研究發(fā)現(xiàn)，由于高原地區(qū)地形的不均勻性，不同地區(qū)表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化特征，最大值也并不是都出現(xiàn)在5 月、6 月。高原中部站點(diǎn)安多、那曲、比如、嘉黎感熱在春季3～5 月達(dá)到一年的最大值；班戈在5～7 月達(dá)到最大值；高原西部站點(diǎn)獅泉河的感熱則在4～6 月達(dá)到一年中的最大值，但最大輸送在5 月，而不在6 月，比過(guò)去的結(jié)論提前了1 個(gè)月。同時(shí)，通過(guò)本文研究得到，獅泉河感熱的季節(jié)變化較中部站點(diǎn)顯著，比如和嘉黎感熱的季節(jié)變化并不明顯。

圖3為安多、那曲、班戈、比如、嘉黎、獅泉河6 個(gè)站點(diǎn)潛熱通量在2014 年8 月到2015 年12月的變化。就全年來(lái)看，潛熱由大到小的站點(diǎn)依次是那曲、比如、嘉黎、安多、班戈、獅泉河（表3）。由圖3 可得，潛熱比感熱的季節(jié)變化要顯著的多，潛熱在雨季6～9 月最大，在干季11 月、12 月、1 月最小，潛熱在冬、夏季差別非常大，這與葉篤正和高由禧（1979）的結(jié)果一致。那曲、比如、嘉黎、安多這4 個(gè)站季節(jié)變化較為一致，且數(shù)值較為接近，年平均值依次為39.7 W/m2、37.1 W/m2、36.9 W/m2、29.2 W/m2，峰值均出現(xiàn)在7 月，峰值分別為83.6 W/m2、79.0 W/m2、77.3 W/m2、73.4 W/m2。班戈站潛熱小于以上4 個(gè)站點(diǎn)，年平均值為22.2 W/m2，峰值出現(xiàn)在8 月，峰值為64.7 W/m2；獅泉河潛熱很小，年平均值僅為5.1 W/m2，最大值出現(xiàn)在8 月，數(shù)值為18.2 W/m2。葉篤正和高由禧（1979）計(jì)算了高原逐月平均月蒸發(fā)潛熱，結(jié)果表明高原7 月的蒸發(fā)潛熱最大。而通過(guò)本文研究，高原中部潛熱最大值出現(xiàn)在7 月，而高原西部最大值則滯后一個(gè)月，出現(xiàn)在8 月。

表3 2014 年8 月到2015 年12 月6 個(gè)站點(diǎn)的月平均潛熱通量Table 3 Monthly mean latent heat flux of the six stations on the Qinghai -Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

圖3 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)潛熱通量的變化Fig. 3 Variation in latent heat flux at the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

總的來(lái)看，安多、那曲、獅泉河、班戈的年平均感熱通量均大于年平均潛熱通量。比如和嘉黎的年平均感熱通量則遠(yuǎn)小于年平均潛熱通量。安多夏季6～8 月潛熱大于感熱；那曲潛熱在雨季6～9 月遠(yuǎn)大于感熱；班戈8、9 月潛熱遠(yuǎn)大于感熱。這與理塘站在夏季7 月潛熱遠(yuǎn)大于感熱，藏北高原地區(qū)在7 月也是潛熱輸送占主導(dǎo)地位的研究結(jié)論一致（馬耀明等, 2006; 李英等, 2009）。比如和嘉黎位置偏東南，因此較為濕潤(rùn)，潛熱在4～10 月均顯著大于感熱。高原西部的獅泉河地區(qū)屬于高寒荒漠地區(qū)，降水極少，因此全年感熱大于潛熱。余錦華等（2004）的研究結(jié)果同樣也表明高原西部站點(diǎn)改則和獅泉河無(wú)論在1 月還是7 月，感熱都遠(yuǎn)大于潛熱，與本文結(jié)論一致。

圖4為總熱通量（感熱和潛熱之和）在2014年8 月到2015 年12 月的變化。從年平均來(lái)看，總熱通量由大到小的站點(diǎn)依次是那曲、安多、嘉黎、比如、班戈、獅泉河（表4）。由圖4 可得，6 個(gè)站點(diǎn)總熱通量均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，總熱通量在5～9 月數(shù)值較大，在1～2 月、11～12 月數(shù)值較小，總熱通量在冬、夏季的差異十分顯著。那曲和安多總熱通量季節(jié)變化比較一致，那曲總熱通量略大于安多，年平均值分別為85.2 W/m2、75.7 W/m2，那曲峰值在7 月（133.8 W/m2），安多峰值在6 月（122.7 W/m2）。嘉黎和比如總熱通量變化趨勢(shì)非常一致，且數(shù)值十分接近，年平均值分別為59.3 W/m2、57.2 W/m2，峰值均出現(xiàn)在7 月，數(shù)值分別為100.1 W/m2、102.1 W/m2（表4）。班戈總熱通量略大于獅泉河，年平均值分別為52.6 W/m2、48.0 W/m2，峰值也均出現(xiàn)在6 月，數(shù)值分別為84.6 W/m2、73.8 W/m2。

表4 2014 年8 月到2015 年12 月6 個(gè)站點(diǎn)的月平均總熱通量Table 4 Monthly mean total heat transfer of the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

圖4 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)總熱通量（感熱與潛熱之和）的變化Fig. 4 Variation of total heat transfer flux (the sum of sensible and latent heat fluxes) at the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

波文比為感熱與潛熱的比值，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（張強(qiáng)和曹曉彥, 2003）。波文比大于1.0，表明感熱大于潛熱；波文比小于1.0，則表明潛熱大于感熱，潛熱輸送占主導(dǎo)地位。圖5 為高原站點(diǎn)的波文比在2014 年8 月到2015 年12 月的變化，圖6 為不包括獅泉河站的波文比圖。由圖5 看出，6 個(gè)站點(diǎn)波文比的季節(jié)變化均十分明顯，呈現(xiàn)出“U”型變化趨勢(shì)，與潛熱和總熱通量的變化趨勢(shì)基本相反。總體來(lái)看，波文比在2～3 月，11～12 月數(shù)值較大，在雨季6～9 月數(shù)值較小。年平均波文比由大到小的站點(diǎn)依次為獅泉河、安多、班戈、那曲、嘉黎、比如（表5）。獅泉河站波文比最大，年平均值為20.0，4 月波文比達(dá)到峰值，數(shù)值高達(dá)64.6，獅泉河站在夏季6～8 月波文比在2.6～6.9，表明高原西部獅泉河站極為干旱，全年感熱大于潛熱。波文比較大的站點(diǎn)還有安多和班戈，年平均值分別為4.2、3.2。安多的波文比峰值出現(xiàn)在12 月，數(shù)值為10.7，在夏季6～8 月數(shù)值小于1，在0.56～0.71，表明安多在夏季6～8 月較濕潤(rùn)，潛熱輸送大于感熱輸送。班戈波文比峰值出現(xiàn)在3 月，數(shù)值為9.5，在8 月、9 月波文比非常小，分別為0.28、0.35，表明班戈在8～9 月潛熱輸送顯著大于感熱輸送。那曲站波文比小于上面2 個(gè)站點(diǎn)，年平均值為2.2，最大值出現(xiàn)在3 月，數(shù)值為4.65，在6～9 月波文比非常小，數(shù)值僅在0.44～0.61，可見(jiàn)那曲較安多和班戈要偏濕潤(rùn)，那曲在6～9 月潛熱輸送占主導(dǎo)地位。嘉黎和比如的波文比季節(jié)變化較為一致，數(shù)值也接近，這2 個(gè)站點(diǎn)較上述4 個(gè)站點(diǎn)潤(rùn)濕的多，波文比的年平均值分別為1.11、0.93。嘉黎波文比峰值出現(xiàn)在12 月，數(shù)值為2.31，波文比在4～10 月均小于1.0，范圍在0.29～0.88。比如是6 個(gè)站點(diǎn)里最濕潤(rùn)的站點(diǎn)，波文比最大值出現(xiàn)在3 月，數(shù)值為2.08，波文比在4～10 月均小于1.0，數(shù)值僅在0.27～0.66。這表明比如和嘉黎最為濕潤(rùn)，潛熱在4～10 月均大于感熱。

表5 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)的月平均波文比Table 5 Monthly mean Bowen ratio of the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015

圖5 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)波文比的變化（包括獅泉河站）Fig. 5 Variation in Bowen ratio at the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015 (including Shiquanhe station)

圖6 2014 年8 月到2015 年12 月青藏高原中部5 個(gè)站點(diǎn)波文比的變化（不包括獅泉河站）Fig. 6 Variation of Bowen ratio at five stations in the central Qinghai-Tibet Plateau from August 2014 to December 2015 (Shiquanhe station is not included)

4 不同站點(diǎn)在不同季節(jié)湍流通量平均日變化的對(duì)比分析

圖7為青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)的感熱通量在春（3～5 月）、夏（6～8 月）、秋（9～11 月）、冬（12～2 月）4 個(gè)季節(jié)的平均日變化，時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間（滯后于北京時(shí)間2 h）。由圖可見(jiàn)，感熱在4 個(gè)季節(jié)均具有十分顯著的日變化特征，總體來(lái)看，春季的感熱最大，夏季的感熱最小，秋季和冬季的感熱相當(dāng)。安多站感熱在春、秋、冬3 個(gè)季節(jié)均最大，獅泉河站感熱則在夏季最大。

在春季，感熱由大到小的站點(diǎn)依次為安多、那曲、獅泉河、班戈、比如、嘉黎（圖7a）。安多和那曲地理位置相近，因此日變化趨勢(shì)和數(shù)值也較為接近，日最大值均出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:30（當(dāng)?shù)貢r(shí)間，下同），數(shù)值分別為246.5 W/m2和227.5 W/m2。班戈和獅泉河感熱在春季相接近，峰值分別為190.4 W/m2、191.7 W/m2，班戈峰值出現(xiàn)時(shí)間為11:30，超前于那曲和安多，獅泉河峰值出現(xiàn)在14:00，滯后于那曲和安多，這與獅泉河的地理位置在高原西部有關(guān)。比如感熱略大于嘉黎，峰值分別為119.7 W/m2、95.5 W/m2。

在夏季，感熱由大到小的站點(diǎn)依次為獅泉河、那曲、安多、班戈、比如、嘉黎（圖7b）。獅泉河、那曲、安多這三站的感熱在夏季比較接近，峰值分別為163.6 W/m2、159.7 W/m2、152.8 W/m2。班戈感熱小于上面3 個(gè)站點(diǎn)，峰值為131.5 W/m2。比如感熱仍略大于嘉黎，峰值分別為86.8 W/m2、75.3 W/m2。

在秋季，感熱由大到小的站點(diǎn)依次為安多、那曲、獅泉河、班戈、嘉黎、比如（圖7c），峰值依 次 為208.5 W/m2、187.3 W/m2、153.3 W/m2、118.6 W/m2、97.6 W/m2、94.1 W/m2。秋季不同站點(diǎn)感熱大小的先后順序與春季比較一致。嘉黎和比如感熱在秋季基本相當(dāng)。

在冬季，感熱由大到小依次為安多、那曲、班戈、獅泉河、嘉黎、比如（圖7d），峰值依次為203.55 W/m2、 165.8 W/m2、 115.0 W/m2、 104.1 W/m2、83.8 W/m2、84.2 W/m2。獅泉河感熱在冬季下降到比班戈還小。嘉黎和比如感熱在冬季仍然十分接近。

圖8同圖7，但為4 個(gè)季節(jié)潛熱通量的平均日變化。由圖可見(jiàn)，潛熱在4 個(gè)季節(jié)的日變化特征也十分顯著，總體來(lái)看，夏季的潛熱最大，冬季的潛熱最小，春季和秋季相當(dāng)。比如和嘉黎的潛熱在春季和秋季較其它站點(diǎn)顯著偏高。在夏季，那曲、比如、嘉黎、安多這4 個(gè)站點(diǎn)的潛熱日變化趨勢(shì)非常一致，且數(shù)值較為接近。在冬季，那曲站潛熱遠(yuǎn)大于其它站點(diǎn)。獅泉河潛熱在四個(gè)季節(jié)中均最小，班戈站次之。

圖7 青藏高原6 個(gè)站點(diǎn)感熱通量在（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季的平均日變化。時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間（滯后于北京時(shí)間2 h）Fig. 7 Average diurnal variations in sensible heat flux at the six stations on the Qinghai-Tibet Plateau in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d)winter. Time is local standard time (two hours later than Beijing time)

在春季，潛熱最大的是比如站，峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00，數(shù)值為121.58 W/m2；嘉黎站排第二，峰值為98.96 W/m2；接下來(lái)是那曲站和安多站，峰值分別為84.15 W/m2、76.73 W/m2；班戈潛熱較小，峰值為39.67 W/m2，約為那曲站的二分之一；獅泉河潛熱非常小，峰值僅為8.51 W/m2（圖8a）。

圖8 同圖7，但為潛熱通量Fig. 8 Same as Fig. 7, but for the latent heat flux

夏季各站點(diǎn)潛熱均達(dá)到一年中最大。那曲潛熱增加的非?？?，超過(guò)了比如站和嘉黎站，位于第一位，接下來(lái)依次是比如、嘉黎、安多。上述4 個(gè)站點(diǎn)的潛熱日變化趨勢(shì)非常一致，數(shù)值也較為接近，峰 值 分 別 為238.12 W/m2、231.85 W/m2、213.23 W/m2、199.5 W/m2；班戈站潛熱約為那曲的一半，峰值為115.56 W/m2；獅泉河站潛熱仍最小，峰值為28.48 W/m2（圖8b）。

秋季，嘉黎和比如的潛熱是最大的，且數(shù)值接近，峰值分別為120.9 W/m2、118.4 W/m2；那曲僅次于上面2 個(gè)站點(diǎn)，峰值為105.8 W/m2；安多和班戈數(shù)值非常接近，日最大值分別為76.8 W/m2、75.9 W/m2；獅泉河仍是潛熱最小的站點(diǎn)，峰值為7.78 W/m2（圖8c）。

在冬季，各站點(diǎn)的潛熱均為一年中最小。那曲潛熱最大，峰值為60.5 W/m2；嘉黎、安多、比如這3 個(gè)站點(diǎn)相差不大，日最大值分別為33.3 W/m2、33.1 W/m2、30.0 W/m2；班戈潛熱約為嘉黎、安多的一半，峰值為16.4 W/m2；獅泉河潛熱在冬季極小，日最大值僅為2.79 W/m2（圖8d）。

圖9同圖7，但為4 個(gè)季節(jié)總熱通量（感熱通量和潛熱通量之和）的平均日變化?？傮w來(lái)看，夏季總熱通量最大，冬季總熱通量最小，春季與秋季總熱通量相當(dāng)，春季略大于秋季。安多和那曲總熱通量在四個(gè)季節(jié)中均最大，且數(shù)值非常接近。除春季外，獅泉河總熱通量在其他3 個(gè)季節(jié)中均最小。

在春季，安多和那曲的總熱通量最大，峰值分別為323.3 W/m2、309.6 W/m2；接下來(lái)依次是比如、班戈、獅泉河、嘉黎，峰值分別為241.3 W/m2、230.0 W/m2、199.0 W/m2、194.5 W/m2；比如和班戈的總熱通量接近；獅泉河和嘉黎的總熱通量接近（圖9a）。

夏季總熱通量最大，數(shù)值由大到小的站點(diǎn)依次是那曲、安多、比如、嘉黎、班戈、獅泉河，峰值依 次 為397.8 W/m2、350.2 W/m2、316.7 W/m2、283.7 W/m2、247.1 W/m2、189.4 W/m2，獅泉河總熱通量最小，日變化滯后于其他站點(diǎn)（圖9b）。

圖9 同圖7，但為總熱通量（感熱和潛熱之和）Fig. 9 Same as Fig. 7, but for the total heat transfer (the sum of sensible and latent heat flux)

秋季總熱通量數(shù)值與春季比較相近，那曲和安多總熱通量最大，數(shù)值十分接近，峰值分別為291.4 W/m2、284.2 W/m2；嘉黎站和比如站次之，數(shù)值非常接近，峰值分別為216.8 W/m2、210.2 W/m2；接下來(lái)是班戈站，峰值為194.6 W/m2；獅泉河總熱通量最小，峰值為160.1 W/m2（圖9c）。

冬季總熱通量最小，安多和那曲總熱通量遠(yuǎn)大于其他站點(diǎn)，峰值分別為236.7 W/m2、226.3 W/m2；班戈站次之，峰值為131.5 W/m2；嘉黎和比如總熱通量非常接近，峰值也幾乎相同，分別為114.8 W/m2、114.2 W/m2；獅 泉 河 峰 值 為106.6 W/m2（圖9d）。

5 氣象因子在不同季節(jié)對(duì)高原不同站點(diǎn)感熱輸送的影響

利用相關(guān)分析法，選取與感熱密切相關(guān)的氣象環(huán)境因素，包括地氣溫差（地面溫度與氣溫之差）、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和降水量，對(duì)比研究氣象因子對(duì)不同區(qū)域感熱的影響程度，以及這種相關(guān)關(guān)系在不同季節(jié)有何異同？由于潛熱的影響因子比較復(fù)雜，涉及到地表濕度，將在以后的研究中再做深入分析。相關(guān)分析時(shí)首先將所有數(shù)據(jù)處理為日平均數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。受到觀測(cè)數(shù)據(jù)的局限性，個(gè)別站點(diǎn)的氣象要素所在高度稍有所不同。安多站和那曲站氣溫為1.5 m 高度的，風(fēng)速為3 m 高度，相對(duì)濕度為1.5 m 高度。班戈站、比如站、嘉黎站氣溫為2 m 高度的，風(fēng)速為10 m 高度，相對(duì)濕度為2 m 高度。獅泉河站氣溫為2 m 高度的，風(fēng)速為4 m高度，相對(duì)濕度為2 m 高度。

表6為安多站感熱與潛熱、地氣溫差、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水量的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，感熱與地氣溫差、平均風(fēng)速均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，與潛熱、相對(duì)濕度、降水量則存在顯著的負(fù)相關(guān)。全年的感熱與地氣溫差相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.62，在4 個(gè)季節(jié)也均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在冬季和夏季最大，數(shù)值分別為0.776、0.735，均通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。感熱與潛熱的負(fù)相關(guān)關(guān)系在夏季最顯著，數(shù)值為-0.387，在秋季相對(duì)較弱。平均風(fēng)速對(duì)感熱的影響在夏季和冬季最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.588、0.431，在春季相對(duì)較弱。相對(duì)濕度、降水量對(duì)感熱的影響也是在夏季最大，相關(guān)系數(shù)分別為-0.804、-0.372，在秋季影響較小。

表6 2014 年8 月到2015 年12 月安多站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Amdo Station from August 2014 to December 2015

那曲站感熱與氣象要素的相關(guān)關(guān)系與安多站一致，同樣表現(xiàn)為感熱與地氣溫差、平均風(fēng)速為顯著的正相關(guān)關(guān)系，與潛熱、相對(duì)濕度、降水量均為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。地氣溫差、風(fēng)速對(duì)感熱的影響均在夏季最大，相關(guān)系數(shù)分別為0.795、0.355。感熱與相對(duì)濕度、潛熱的負(fù)相關(guān)關(guān)系也是在夏季最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.806、-0.473。降水量對(duì)感熱的影響在春季最大，相關(guān)系數(shù)為-0.431（表7）。

表7 2014 年8 月到2015 年12 月那曲站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Naqu Station from August 2014 to December 2015

班戈站感熱與地氣溫差的正相關(guān)關(guān)系十分顯著，全年相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.875，在4 個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)也均在0.71 以上，均通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。感熱與風(fēng)速呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在秋、冬季相對(duì)明顯，通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)。感熱與潛熱、相對(duì)濕度、降水量的負(fù)相關(guān)關(guān)系在夏季最顯著，相關(guān)系數(shù)分別為-0.476、-0.647、-0.572，在其他季節(jié)相關(guān)較弱（表8）。

表8 2014 年8 月到2015 年12 月班戈站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Bange Station from August 2014 to December 2015

比如站感熱與地氣溫差也呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，全年相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.754，相關(guān)系數(shù)在春季最大，數(shù)值為0.809。感熱與風(fēng)速的正相關(guān)在冬季很顯著，相關(guān)系數(shù)為0.405。感熱與潛熱在秋季存在較顯著的正相關(guān)。感熱與相對(duì)濕度在春季和冬季有著顯著的正相關(guān)。感熱與降水量的負(fù)相關(guān)在秋季最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為-0.616（表9）。

表9 2014 年8 月到2015 年12 月比如站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 9 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Biru Station from August 2014 to December 2015

嘉黎站感熱與地氣溫差的正相關(guān)關(guān)系也十分顯著，全年相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.793，相關(guān)系數(shù)在春季最大，數(shù)值為0.88，在其他季節(jié)也均大于0.65，均通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。風(fēng)速對(duì)嘉黎站感熱的影響不大，僅在冬季呈現(xiàn)出較明顯的負(fù)相關(guān)。嘉黎站感熱與潛熱在夏季有著顯著的正相關(guān)。感熱與相對(duì)濕度、降水量在春季和冬季均呈現(xiàn)很顯著的負(fù)相關(guān)，在其他季節(jié)則不明顯（表10）。

表10 2014 年8 月到2015 年12 月嘉黎站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 10 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Jiali Station from August 2014 to December 2015

地氣溫差對(duì)西部站點(diǎn)獅泉河的感熱輸送影響非常大，全年正相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.905，在四個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)也均大于0.79，均通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)。與高原中部站點(diǎn)相比，獅泉河站感熱與地氣溫差的相關(guān)系數(shù)最大，這可能與下墊面是裸地有關(guān)。獅泉河站感熱與風(fēng)速在春、夏季均有著極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.538、0.557。獅泉河站感熱與潛熱、相對(duì)濕度在春、夏季存在顯著的負(fù)相關(guān)，在秋季為正相關(guān)。感熱與降水量在夏季有著較明顯的負(fù)相關(guān)（表11）。

表11 2014 年8 月到2015 年12 月獅泉河站感熱與常規(guī)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 11 Correlation coefficient between sensible heat flux and basic meteorological elements at the Shiquanhe Station from August 2014 to December 2015

6 結(jié)論與討論

本文利用第三次青藏高原大氣科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)高原不同地區(qū)站點(diǎn)（安多、那曲、班戈、比如、嘉黎、獅泉河）湍流輸送特征及其與氣象因子的相關(guān)關(guān)系作了對(duì)比研究。得出主要結(jié)論如下：

（1）年平均感熱由大到小的站點(diǎn)依次是安多、那曲、獅泉河、班戈、嘉黎、比如。從4 個(gè)季節(jié)對(duì)比來(lái)看，春季的感熱最大，夏季的感熱最小，秋季和冬季的感熱相當(dāng)。由于高原地區(qū)不均勻性，不同地區(qū)感熱最大值出現(xiàn)時(shí)間有較大差異，高原中部站點(diǎn)感熱在春季3～5 月最大，班戈感熱在5～7 月最大，高原西部站點(diǎn)則是在4～6 月達(dá)到一年中的最大值，最大輸送在5 月，比過(guò)去的結(jié)論提前了1 個(gè)月。

（2）年平均潛熱由大到小的站點(diǎn)依次是那曲、比如、嘉黎、安多、班戈、獅泉河。潛熱的季節(jié)變化比感熱顯著的多，潛熱在雨季6～9 月最大。從四季對(duì)比來(lái)看，夏季的潛熱最大，冬季的潛熱最小，春季和秋季相當(dāng)。中部站點(diǎn)潛熱季節(jié)變化較為一致，且數(shù)值也較接近，峰值均出現(xiàn)在7 月；班戈站潛熱峰值出現(xiàn)在8 月；西部獅泉河潛熱很小，峰值出現(xiàn)在8 月。高原西部與以往研究相比潛熱最大值出現(xiàn)晚了1 個(gè)月。

（3）安多、那曲、獅泉河、班戈等干燥地區(qū)年平均感熱大于年平均潛熱，高原西部獅泉河地區(qū)屬于高寒荒漠地區(qū)，降水極少，因而全年感熱都遠(yuǎn)大于潛熱。但在比如和嘉黎等濕潤(rùn)地區(qū)年平均感熱則遠(yuǎn)小于年平均潛熱。中部地區(qū)在夏季雨季潛熱大于感熱。如，安多在夏季6～8 月潛熱大于感熱；那曲在雨季6～9 月潛熱遠(yuǎn)大于感熱；班戈在8、9月潛熱明顯大于感熱；比如和嘉黎潛熱在4～10 月均顯著大于感熱。

（4）總熱通量（感熱和潛熱之和）在5～9 月數(shù)值較大，在冬、夏季的差異十分顯著。從年平均來(lái)看，總熱通量由大到小的站點(diǎn)依次是那曲、安多、嘉黎、比如、班戈、獅泉河。夏季的總熱通量最大，冬季的總熱通量最小。波文比的季節(jié)變化明顯，整體呈現(xiàn)出“U”型變化趨勢(shì)，與潛熱和總熱通量的變化趨勢(shì)基本相反。總體來(lái)看，波文比在2～3 月，11～12 月數(shù)值較大，在雨季6～9 月數(shù)值較小。年平均波文比由大到小的站點(diǎn)依次為獅泉河、安多、班戈、那曲、嘉黎、比如。獅泉河站的波文比最大，年平均值為20.0，最大值出現(xiàn)在4 月，數(shù)值高達(dá)64.6。比如站和嘉黎站最為濕潤(rùn)，波文比在4～10月的數(shù)值范圍在0.27～0.88。

（5）各個(gè)站點(diǎn)的感熱與地氣溫差均有著極顯著的正相關(guān)，其中獅泉河站感熱與地氣溫差的相關(guān)系數(shù)最大，全年相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.905，在4 個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)也均大于0.79，這可能與下墊面是裸地有關(guān)。感熱與風(fēng)速的關(guān)系則各地表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，安多站和那曲站的感熱與風(fēng)速呈正相關(guān)，且在夏季最為顯著，與潛熱、相對(duì)濕度、降水量均為顯著負(fù)相關(guān)。班戈站感熱與風(fēng)速呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在秋冬季節(jié)較為明顯。比如站感熱與風(fēng)速的正相關(guān)在冬季非常顯著。風(fēng)速對(duì)嘉黎站感熱影響不大，僅在冬季呈現(xiàn)較明顯的負(fù)相關(guān)。獅泉河站感熱與風(fēng)速在春、夏季均有著極顯著的正相關(guān)。

本文初步分析了高原不同地區(qū)站點(diǎn)在不同季節(jié)的地氣交換特征以及氣象因子對(duì)感熱輸送的影響。但由于本次試驗(yàn)開(kāi)展的時(shí)間相對(duì)較短，所研究站點(diǎn)主要集中在高原中部，在西部只有一個(gè)站點(diǎn)，相關(guān)結(jié)論具有一定的局限性，需要更多的觀測(cè)站點(diǎn)和更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證。由于潛熱的影響因子比較復(fù)雜，涉及到地表濕度，將在以后的研究中再做深入研究。本文也僅對(duì)感熱與氣象因子的關(guān)系作了初步討論，尤其考慮到青藏高原的復(fù)雜地形和地表狀況的多樣性，而氣象要素對(duì)感熱和潛熱交換的影響和機(jī)理有待更多觀測(cè)資料來(lái)進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究。

致謝在此對(duì)所有參加第三次青藏高原大氣科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)的研究人員所付出的辛勤勞動(dòng)表示誠(chéng)摯的感謝。