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家野外科學觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.南京大氣科學聯(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學者的重視，特別是其對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而評估未來全球變暖的趨勢。孫昭萱[8]與岳平[9]研究和探討了我國黃土高原因能量收支延伸的氣候特征與土壤參數(shù)化問題。我國著名的黑河試驗（HEIFE）與內蒙古半干旱試驗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通量和邊界層發(fā)展的影響。Jochum[14]利用（EFEDA）數(shù)據(jù)，通過數(shù)值預報模型的網(wǎng)格化計算了整個研究區(qū)域的平均通量，并指出潛熱通量邊界影響效應。

試驗數(shù)據(jù)是科學研究的基礎，從20 世紀80 年代起，以WCRP（水文大氣先行性實驗）為先導，同時在IGBP（國際地圈生物圈計劃）的協(xié)同組織下，世界各國開展了各種針對性的大型陸面過程實驗，其中北美17 項、歐洲14 項、亞洲9 項、非洲5項、澳大利亞4 項、南美2 項[15]。北半球氣候過程地面實驗（NOPEX）[16]、歐洲沙漠化地區(qū)陸面研究計劃（EFEDA）和黑河試驗（HEIFE）都是國際上具有代表性的觀測試驗。黑河試驗是我國最早的陸面過程野外試驗，它開創(chuàng)了我國陸面過程研究的先河，也是亞洲第一次國際合作進行的大型陸面過程試驗，被列為世界氣候研究計劃（WCRP）、水文大氣先行性實驗（HAPEX）和國際地圈生物圈計劃（IGBP）中的一部分[15-17]。另外，我國還開展了“中國西部環(huán)境和生態(tài)科學研究計劃”、“西北干旱區(qū)陸—氣相互作用觀測試驗研究（NWC-ALIEX）”[15-18]。中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所研究團隊從21 世紀初一直關注塔克拉瑪干沙漠的邊界層氣象問題，持續(xù)開展沙漠邊界層綜合觀測試驗，取得一些研究成果[19-22]。

本文研究基于沙漠區(qū)域小氣候觀測試驗，利用連續(xù)的輻射能量觀測數(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生的地表能量格局改變。這種精細化、小尺度的沙漠區(qū)域小氣候地表收支與能量平衡的細微甄別，有助于增強對沙漠區(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)化方案改進提供基礎支撐。

1 觀測系統(tǒng)與方法介紹

1.1 自然沙地觀測系統(tǒng)

自然沙地觀測系統(tǒng)以10 m 梯度為基準，監(jiān)測要素含溫度（T）、濕度（H）、風向（Wr）、風速（Ws）、大氣壓（P）、四分量輻射系統(tǒng)、土壤表層探測系統(tǒng)（T、H、熱通量SHF、CO2）等。渦動相關觀測系統(tǒng)配備有CSAT3 型超聲風速儀[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 自然沙地渦動相關觀測系統(tǒng)與四分量輻射觀測系統(tǒng)

1.2 人工綠地觀測系統(tǒng)

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

圖2 人工綠地80 m 梯度觀測系統(tǒng)、BSRN 輻射觀測系統(tǒng)、渦動相關觀測系統(tǒng)

1.3 計算方法

凈輻射Rn計算公式：

式中，DR為太陽總輻射，UR為反射輻射，DLR為大氣長波輻射，ULR為地面長波輻射。

地表能量平衡方程計算公式：

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。

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

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量；W′為垂直風速的脈動量。

能量平衡閉合計算公式：

式中，EBR為能量平衡比（無量綱）；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，且不易測量，因此本文在分析能量閉合時忽略不計[15]。

2 特征解析

2.1 地表輻射參數(shù)

輻射能量各參數(shù)時間尺度變化特征顯著，契合輻射收支基本規(guī)律。太陽總輻射（DR）、反射輻射（UR）在沙地與綠地變化趨勢類同，夏季為高峰季節(jié)，7 月為峰值月，地面長波輻射（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，其性質決定了下墊面對輻射的吸收特征。因觀測地點臨近，可忽略太陽高度角的影響，自然沙地在年尺度內具有很好的均一性，因此反照率相對穩(wěn)定（圖3a）。人工綠地反照率（圖3b）月尺度變化波動大，在植被生長周期6—10 月，反照率位于低值區(qū)。由于滴灌活動改善了沙漠地表水分條件，提高了土壤濕度，導致了反照率值減少。圖4 給出了土壤濕度對反照率的影響。綠地土壤濕度月平均日變化明顯比沙地復雜。沙地20 cm 土壤濕度表征效應滯后于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日正負值更替規(guī)律表現(xiàn)出很強的季節(jié)性，以夏季7 月為例，綠地負轉正更替時刻為5：30，沙地為6：30；綠地正轉負更替時刻為18：00，沙地為18：30，沙地存在滯后效應。同理，以冬季1 月為例，Rn負轉正更替時刻綠地為08：00、沙地為08：30；反之正轉負，綠地為15：30 沙地14：30。Rn夏季日尺度正值區(qū)長，冬季夜間負值區(qū)長，符合季節(jié)特征規(guī)律。

圖5 能量平衡各個分量月平均變化

G0的日變化趨勢呈單峰分布，G0峰值出現(xiàn)時間比Rn提前1.5 h。沙地G0小于綠地，這是由于綠地在生長期土壤水分條件優(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，熱量傳輸強度遞減。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，綠地土壤熱導率和熱容量受到植被與水分條件影響，導致綠地單位時間內更多的熱量與能量被傳遞。

綠地H與沙地H變化趨勢一致，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。日間隨著時間推移，輻射強度遞增，地表增溫速率大于空氣增溫速率，產生向上的熱對流，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，致使湍流強度產生差異，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82 W·m-2，7 月平均日峰值達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，由觀測資料可知6 月降水量累計值為23.9 mm，7 月累計降水量為5.2 mm，可見，降水是影響LE變化的主導因素之一。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，日間隨著太陽輻射的增強，溫度遞增，植被凝結水和土壤表層水隨著蒸騰作用變?yōu)樗?，并在垂直方向上擴散，因此，LE在正午左右達到最大值。午后因蒸發(fā)強烈，綠地由液態(tài)向氣態(tài)轉化的水汽量不斷減弱，其垂直輸送強度也相應遞減，導致LE趨于減少，在夜間達到最低值[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)律的基礎上，進一步剖析各個特征參數(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)夜間層結穩(wěn)定，日間湍流旺盛，日出日落時段屬于穩(wěn)定期與不穩(wěn)定期的轉換期，耗能比易出現(xiàn)跳躍值，此時，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)能量分配日動態(tài)

圖7 自然沙地不同季節(jié)能量分配日動態(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可以較為全面地評估出由于觀測測量原因以及誤差項所導致的能量平衡差，其正負值及閾值區(qū)間變化體現(xiàn)了能量的不平衡程度[15]。研究區(qū)域內，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，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流，造成湍流活動強烈，因此在日尺度范圍內，正午D值接近極大值，在日出前后或者午后時段接近0，而這個時段即為日尺度內能量閉合率較高時段。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。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)過閉合狀態(tài)，也是由于日出時能量不穩(wěn)定、觀測值跳躍引起的（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）。可見白天擬合系數(shù)R2比全天低，因此，沙地日間是負貢獻。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，綠地日間也是負貢獻，且貢獻率更大。在夜間，綠地與沙地有效能量與湍流能量的回歸散點值更接近0，說明研究區(qū)域的夜間閉合率為正貢獻。

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，基于觀測試驗，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，建設了人工綠地，改變了地表反照率、增加了儲熱量、地表蒸發(fā)增加導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，引起了實際蒸發(fā)增強，形成了溫度差異，在日間與夜間促進了局地環(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)，在人為活動的影響下，人工綠地成為下墊面性質改變的典型案例，下墊面格局的改變成為能量平衡參數(shù)規(guī)律性表征的主要歸因；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；溫差效應引發(fā)在垂直和水平方向上局地風環(huán)流，從而改變感熱通量、潛熱通量的傳輸特征規(guī)律，最終導致不同下墊面的能量收支差異[15]。

4 主要結論

（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。植被生長與成熟周期，綠地LE日尺度震蕩幅度較沙地更為強烈，相對于沙地增加了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，夜間以G0為主導。

（2）日間與夜間的大氣穩(wěn)定條件決定了EBR的波動幅度，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值日周期內變化趨勢復雜。從日尺度上看，在能量轉換的關鍵時段，即日出或日落時刻，D值波動大；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%。對于全天閉合率貢獻而言，沙地與綠地均為負貢獻，且綠地負貢獻影響更大；在夜間沙地與綠地均為正貢獻。