齊斐斐，買買提艾力·買買提依明，霍 文,何 清，劉永強(qiáng)

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.中國(guó)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(tái)，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(dòng)性沙漠，面積廣袤且自然環(huán)境極為惡劣，被稱為“死亡之?！保俏覈?guó)沙塵暴的主要發(fā)源地，并對(duì)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(dú)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(dú)特的規(guī)律，對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)過(guò)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(guò)程和陸-氣相互作用一直以來(lái)都是干旱區(qū)氣候研究的重點(diǎn)[3-4]。

地表輻射和能量平衡是陸面過(guò)程和陸-氣相互作用研究的核心內(nèi)容，用來(lái)描述地面與大氣間物質(zhì)和能量的交換過(guò)程[5]。近年來(lái)，針對(duì)不同下墊面條件下地表輻射與能量平衡開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí)左右[12]；藏北高原地區(qū)草甸下墊面在季風(fēng)前后凈輻射、太陽(yáng)短波輻射、地面長(zhǎng)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(fēng)速、土壤濕度、太陽(yáng)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(chǔ)[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(duì)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(cè)條件，對(duì)該地區(qū)地表輻射和能量平衡的研究仍然不夠全面。通過(guò)陸面過(guò)程野外觀測(cè)試驗(yàn)，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(guò)程和沙漠氣候的研究奠定基礎(chǔ)。因此本文利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境綜合觀測(cè)試驗(yàn)站2014年觀測(cè)資料，綜合分析塔克拉瑪干沙漠腹地下墊面的太陽(yáng)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(duì)塔克拉瑪干沙漠陸氣相互作用有更全面的認(rèn)識(shí)，為提高該地區(qū)數(shù)值預(yù)測(cè)和氣候模擬的準(zhǔn)確性提供必要依據(jù)。

1 觀測(cè)試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)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(dòng)性沙漠，也是我國(guó)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(fēng)沙活動(dòng)頻繁，流動(dòng)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?yàn)镹NE—SSW，沙粒質(zhì)地輕，以細(xì)沙和極細(xì)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(lái)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(fēng)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(yáng)直接輻射由東向西遞減，年總輻射為5700～6000 MJ·m-2，居全國(guó)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(dá)3800 mm，多年平均氣溫10～12 ℃，自2003年塔中氣象站記錄以來(lái)最高氣溫為45.6 ℃，最低氣溫為-32.7 ℃，年均風(fēng)速2.3 m·s-1[18]。

1.2 觀測(cè)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(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[19]。觀測(cè)站東面150 m和西面500 m左右均為復(fù)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(cè)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(cè)系統(tǒng)和地表能量探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其中包括梯度觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的風(fēng)、溫、濕等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，及地表能量探測(cè)系統(tǒng)中輻射平衡各分量探測(cè)儀測(cè)得的短波輻射、長(zhǎng)波輻射，土壤熱通量探測(cè)儀測(cè)得不同深度的土壤熱通量值和土壤溫度值，OPEC開(kāi)路渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算得到湍流熱通量。主要觀測(cè)系統(tǒng)及參數(shù)見(jiàn)表1，其中輻射數(shù)據(jù)采集時(shí)間為地方時(shí)，與北京時(shí)時(shí)差145 min，本文分析以當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)為準(zhǔn)。

表1 觀測(cè)設(shè)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(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制和預(yù)處理，具體包括：首先利用EddyPro軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)、野點(diǎn)去除，并剔除降水時(shí)次數(shù)據(jù)，再進(jìn)行二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、延遲時(shí)間校正、去勢(shì)、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(jì)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(yáng)總輻射、地表反射輻射、大氣長(zhǎng)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(shí)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(cè)值通過(guò)溫度積分法校正到地表[5]。感熱通量和潛熱通量可以通過(guò)渦動(dòng)探測(cè)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(dòng)量；ω′為垂直風(fēng)速的脈動(dòng)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 四個(gè)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(gè)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。可以看出，在廣闊且植被覆蓋幾乎為零的沙漠表面，地表接收的太陽(yáng)總輻射較大，但由于其地表反照率較大，導(dǎo)致地表反射輻射也相對(duì)較大。四個(gè)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(gè)季節(jié)太陽(yáng)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(yáng)總輻射一致，峰值分別為202、183、157和135 W·m-2；大氣長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)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(dǎo)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(duì)地表能量通量各分量模擬的結(jié)果一致。

能量守恒是能量交換和收支的基本準(zhǔn)則，但能量不閉合幾乎成為所有能量通量觀測(cè)存在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)06:00—18:00的有效能量(Rn-G0)和湍流通量(H+LE)進(jìn)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(cè)的閉合率結(jié)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(dòng)相關(guān)系統(tǒng)探頭自身溫度變化小于地表溫度，導(dǎo)致感熱通量的觀測(cè)值偏小；另一方面通過(guò)觀察渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)探頭發(fā)現(xiàn)，在-10 ℃以下的冬季早晨探頭有結(jié)霜現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致潛熱觀測(cè)值偏小，因此H+LE值偏小，導(dǎo)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(jìn)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(dāng)無(wú)風(fēng)或平均風(fēng)速≤3.0 m·s-1時(shí)，水平能見(jiàn)度<10 000 m的天氣現(xiàn)象；強(qiáng)沙塵暴是指大風(fēng)將地面沙塵吹起，空氣非?；鞚?，水平能見(jiàn)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(gè)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(fù)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(diǎn)，12:00—12:30凈輻射下降189 W·m-2；浮塵天氣時(shí)，受沙塵的影響凈輻射明顯減弱，峰值約為晴天條件下同時(shí)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?yàn)橐归g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(méi)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(dòng)較小，沙塵暴天氣和浮塵天氣有不規(guī)則高值。實(shí)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(cè)值小于儀器的誤差值[19]，因此對(duì)潛熱通量的測(cè)量存在誤差，有待進(jìn)一步分析。

2.3 地表反照率

地表反照率為地表對(duì)太陽(yáng)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(yáng)高度角等因素共同決定，地表顏色深淺對(duì)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(yáng)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(cè)實(shí)驗(yàn)表明地表反照率隨太陽(yáng)高度角增大而減小，在12:00最小[19,22]。圖4 為2014年12個(gè)月塔中站地表反照率的月均日變化。可以看出，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(dāng)[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(wú)植被覆蓋的連片流沙為主，主要成分為細(xì)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(gè)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(duì)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(kāi)始上升，至16:00左右達(dá)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(yáng)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(duì)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?，2014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(yáng)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(dá)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，但振幅明顯減小；40 cm土壤溫度基本不隨時(shí)間變化產(chǎn)生明顯變化，穩(wěn)定在30±2 ℃。

3.3 風(fēng)速與風(fēng)向

風(fēng)是塑造地貌形態(tài)的基本營(yíng)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?jiǎng)恿28]，還對(duì)近地面能量交換起重要推動(dòng)作用，研究表明感熱通量變化主要與地氣溫差和風(fēng)速變化有關(guān)[29-30]。圖7為塔中站2014年7月近地層不同高度平均風(fēng)速日變化?？梢钥闯觯煌叨绕骄L(fēng)速呈現(xiàn)明顯日變化，同一時(shí)次風(fēng)速隨高度的增加而增大；夜晚風(fēng)速較小，從06:00開(kāi)始風(fēng)速逐漸增大，至16:00各高度均達(dá)到峰值然后迅速降低，至04:00達(dá)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(duì)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(fēng)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(fēng)向玫瑰圖?？梢钥闯觯摰貐^(qū)夏季以東北風(fēng)為主，NNE、NE、ENE和E四個(gè)風(fēng)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(fēng)。其不同高度主導(dǎo)風(fēng)向略有差別，對(duì)比2 m高度處，10 m處的風(fēng)向均偏東一些，2 m高度NE風(fēng)頻率最高，為14.7%，10 m高度風(fēng)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(fēng)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(jié) 論

(1)塔克拉瑪干沙漠腹地總輻射在夏季較大，最大可達(dá)1018 W·m-2，這說(shuō)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(shuō)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(gè)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(wú)明顯變化規(guī)律。感熱通量在能量平衡中占主導(dǎo)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(cè)結(jié)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(shí)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(shí)，由于湍流條件和空中漂浮的大量沙塵顆粒導(dǎo)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(shí)間變化。7月近地層水平風(fēng)速隨高度增加明顯增大，風(fēng)向以NE風(fēng)為主，NNE、NE、ENE和E四個(gè)風(fēng)向所占百分比為44.5%。