塔克拉玛干沙漠北缘地表能量收支特征

王延慧，买买提艾力·买买提依明，何 清，杨兴华，霍 文，张建涛

（1.新疆防雷减灾中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

陆—气之间的能量交换对气候变化有着重要的影响，目前被广泛关注的地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的一个热点问题[1]。人们一直生存的大气和陆面之间的种种物理过程，是陆面过程的主要研究对象。它不仅同人类的生态环境与社会活动息息相关，而且象征着区域的气候问题，关键是改善大气间环流模式的预报效果。

目前，人们对于干旱半干旱与湿润地区的陆面过程，有一些认识。Oke TR（2003）等[2]关于欧洲城市的能量平衡收支进行研究分析，并确定了其特征参数。张强[3]等利用“我国西北干旱区陆气相互作用试验”加强期（IOP）在甘肃省敦煌绿洲观测的资料，系统地分析了夏季典型晴天敦煌地表能量平衡特征及小气候特征。王慧[4]等计算并分析了鼎新戈壁下垫面地表能量平衡、动量及热量总体输送系数等物理量的变化特征。黄宝霞[5]等分析了内蒙古奈曼流动沙丘地表能量收支各项的日变化、总体输送系数日变化及其与稳定度的关系。近期，岳平[6]等分析了黄土高原半干旱草地地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征及闭合率。杨启东[7]等利用观测和修正的湍流通量，建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案。秦艳[8]等基于能量平衡原理，研究了天山北坡军塘湖流域点尺度积雪融化的水热过程。对于植被覆盖率较小的沙漠及沙漠绿洲过渡带地区，却相对缺乏陆面过程的研究[9-10]。与其他下垫面相比，生态不稳定的沙漠绿洲过渡带下垫面对气候有着更大的影响。因此，研究我国西北干旱区沙漠绿洲过渡带的陆气相互作用，具有非常重要的意义。

目前，对于沙漠绿洲过渡带的能量收支方面的研究较少，本次研究开展于塔克拉玛干沙漠北缘—肖塘实验站，利用肖塘观测站3 m塔上的涡动相关探测系统探测计算得出的湍流通量资料和10 m梯度探测系统直接探测的土壤湿度、土壤温度资料，结合当地气象站测得的云量、能见度和天气现象观测资料，较详细地分析了塔克拉玛干沙漠北缘的能量收支特征，以期为沙漠地区地气系统相互作用的物理过程以及进行长期气候变化的深入研究提供参数和依据。

1 数据与方法

肖塘沙漠绿洲过渡带陆气相互作用观测站点位于肖塘（40°48′4″N，84°18′3″E，海拔 912 m），距离沙漠公路肖塘1号井1 000 m的沙漠中（图1）。地处塔克拉玛干沙漠北部边缘、古河床的南岸，距离塔里木河约40 km，是典型的沙漠—绿洲过渡带。

1.1 观测仪器

为开展荒漠绿洲过渡带的地气相互作用特征研究，2009年6月在肖塘地区风沙观测实验场安装了涡动相关探测系统和辐射观测系统。

试验场沙地中埋有土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤热通量板和4分量净辐射表，由于涉及的传感器数量多、占用通道多等原因无法并入到涡动相关系统的CR1000采集器中，故单独利用CR3000型数据采集器采集数据。通量探测仪器采用国际公认的CSAT3/Li-cor7500型涡动相关系统。仪器具体参数详见表1。

本文选用2009年8—10月地面气象观测资料以及涡动相关探测系统探测的能量资料。

1.2 数据的处理

1.2.1 数据的矫正

肖塘观测的能量数据为地方时（由程序设定），云量和沙尘数据为北京时（中国气象局气象观测规范规定的常规地面气象要素采用北京时）。由计算可知，肖塘与北京的时差为2 h 22 min 48 s，将云量和沙尘数据校正为地方时。文中晴天、阴天的界定是根据天空总云量来确定的：晴天（云量<2成）、阴天（云量>9成）。用1、4、7、10月分别代表一年中冬、春、夏、秋 4个季节[11]。

1.2.2 数据的剔除

根据朱治林[12]等计算方法，剔除夜间低于临界摩擦风速（0.15 m·s-1）时的通量观测数据。此外，剔除明显的异常数据。

表1 开路涡度探测仪器设备概况

1.2.3 通量的计算方法

1.2.3.1 湍流热通量的计算

本文利用EddyPro4.4.1软件计算湍流通量。计算脚本中采取了野点剔除、倾斜校正（采用DR方法进行坐标旋转）、时间滞后修正、超声虚温订正、WPL订正等计算步骤。然后对30 min通量数据进行湍流平稳性检验和发展性检验等数据质量评价，选取质量评价结果好的数据用于分析。在计算中使用的湍流热通量公式如下：

式中，H为感热通量；LE为潜热通量；ρ为空气密度；w′为垂直风速脉动；T为温度脉动；q′为比湿脉动；Cp为定压比热，一般取值为 1 004.67 J·kg-1·℃-1；λ 为水的汽化潜热，一般取值为 2.5×106J·kg-1。

1.2.3.2 土壤热通量的计算

利用埋设在地表面下的土壤湿度计和土壤温度计的测量值求算，运用TDEC[13]（Thermal Diffusion Equation+Correction）法，如下：

若给定温度廓线为T（Zi），假设G（Zref）≈0，则利用方程（3），从底部开始逐层积分，即得到各层的土壤热通量：

式中t/s代表时间，z/m代表土壤深度（向下为正），T/K是土壤温度，ρsCs/（J·kg-1·K-1）是土壤热容量，G/（W·m-2）为土壤热通量（向下为正）。

2 结果与分析

2.1 肖塘地区地表能量收支平衡状况

根据能量守恒定理，到达下垫面的热能应该等于下垫面的总支出，因而下垫面的能量平衡方程可以表示为:

其中Rn为净辐射，是其余各项的能源；H为下垫面与大气间的感热交换，LE为下垫面与大气间的潜热交换，G为下垫面和土壤之间的热交换[14]。理论意义上来说，能量的收入和支出应当是平衡的，但实际中存在能量不平衡的现象。探讨能量不平衡的原因，成为近年来的研究焦点之一[15-16]。

能量不平衡统计方法有短期统计方法和长期统计方法[17]。长期的地表能量不平衡状况需要其他一些统计方法[18-19]，其中，长期总体的能量闭合程度一般用最小二乘线性回归量度。最小二乘（以下简称OLS）线性回归是利用最小二乘法得到湍流热通量和可利用能量之间的线性相关关系，斜率代表长期的平均能量闭合度。在理想状态下，回归直线应该是斜率为1，并且通过原点，线性相关系数接近1。

图2a为考虑了0～2.5 cm的土壤热量储存后，肖塘2009年夏季、秋季晴天天气资料拟合的散点回归直线。从可利用能量Rn-G和有效能量H+LE的相关图中可以看出，肖塘2009年长期的平均能量闭合度为0.78，闭合率为78%，闭合差为22%，这与大部分文献的结果20%～30%[20]是一致的。与图2b给出的结果相比，考虑了0～2.5 cm的土壤热量储存后，肖塘地区能量闭合率提高了10.9%。此外，当考虑了0～2.5 cm的土壤热量储存后，回归系数中的相关系数也得到了较大改善。可见，地表至土壤热通量板之间的土壤热流储存是影响肖塘地表能量平衡的一个重要因子。

2.2 夏、秋季晴天天气下能量收支的日变化

选用 2009 年 8 月 7、8、9、11、25、29 日，10 月 2、13、18、20、21、22、23 日晴天的地表能量收支通量数据作为夏、秋季来分析热通量的季节变化特征。

由图3可知，肖塘地区地—气能量交换主要以感热和土壤热通量为主，潜热通量的变化不是很大。净辐射、感热通量具有非常明显的季节特征，即夏季较大，秋季较小。相比之下，潜热通量和土壤热通量的季节变化特征不是很明显。

夏季晴天时，土壤热通量、净辐射均于11:30达到最大值，分别为 122.6，443.2 W·m-2；而感热通量、潜热通量则分别于13时、8:30达到峰值为244.2，48.6 W·m-2。

秋季晴天时，感热通量、潜热通量、土壤热通量、净辐射分别于11时、10时、11:30、11:30达到峰值分别为 172.3，24.0，87.4，320.2 W·m-2，依次比夏季晴天时减少了29%，75%，29%，28%。

2.3 不同天气状况下的能量收支

本文从2009年8月1日至8月31日的涡动和辐射数据资料中，挑选了8月4日、8月7日、8月22日、8月27日共4 d的资料，分别代表肖塘夏季的阴天、晴天、扬沙（18:46—19:08；20:49—21:02）和沙尘暴（14:31—15:04）天气，来分析肖塘夏季典型天气下的能量收支日变化特征。

2.3.1 晴天

从图4a看以看出，晴天时，地表能量收支各项的日变化特征为：感热、潜热、土壤热通量在量级上基本相当，但以感热传输为主；白天，地表能量收支主要以感热为主，于13时达到峰值为244.2 W·m-2，土壤热通量次之，于11:30达到最大值122.6 W·m-2，潜热最小，于12时达到最高值44.9 W·m-2。而净辐射比感热通量达到最高值的时间提前了1.5 h，于11:30达到峰值414.2 W·m-2；夜间，土壤热通量从17时—次日6时，全天将近1/2的时间一直都为负值，期间的平均土壤热通量值为-33.9 W·m-2，净辐射于18时开始转变为负值，至6:30，全天1/2表现为净辐射能量的损失，期间的平均净辐射值为-63.0 W·m-2。感热和潜热通量分别于1时、6:30达到最小值-34.3，-23.9 W·m-2；感热、潜热、土壤热通量的日总量别为 5.4，1.6，0.4 MJ·m-2·d-1，分别占到净辐射的66%，20%，4%，能量不平衡率为10%。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日平均依次为64.4，7.4，4.4，97.4 W·m-2，日较差分别为278.5，68.8，172.0，509.4 W·m-2。

2.3.2 阴天

从图4b可以看到：阴天时，由于云的遮蔽作用，达到地表的太阳辐射减少，地面温度降低，陆—气之间的湍流作用减弱，感热输送略微减少。由于湿度的增加，地面蒸发使得热量传输过程中的潜热通量增加，但全天仍以感热为主；白天，感热通量，于12时达到峰值231.0 W·m-2，占晴天的95%。土壤热通量于12时达到峰值65.1 W·m-2，潜热通量于10时达到峰值49.3W·m-2，明显比晴天增大了4.4 W·m-2；土壤热通量全天1/2的时间为负值，期间平均土壤热通量值为-24.0 W·m-2。感热、潜热通量均于19时开始转换为负值，经过一段时间，于4时、20:30达到最小值分别为-28.3，-7.0 W·m-2。净辐射于18时开始转变为负值，全天超过1/2的时间表现为净辐射的能量损失；感热、潜热、土壤热通量的日总量分别为 4.5，1.0，-0.1 MJ·m-2·d-1。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日平均依次为55.2，7.7，-3.6，60.0 W·m-2，日较差分别为 259.3，56.3，106.7，480.5 W·m-2。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日较差依次比晴天日较差减少了7%，18%，38%，6%。

2.3.3 扬沙

从图4c可以得知：扬沙时，由于沙尘的影响，到达地表的热量呈多峰状，表现出不规则性。感热通量、潜热通量于13:30、8:30达到峰值，分别为210.0，40.5 W·m-2，皆于21:30达到一天中的最小值，分别为-25.6，-26.0 W·m-2。土壤热通量则于13时达到峰值143.5 W·m-2，于13:30开始转变为负值，并且达到一天中的最小值。净辐射通量全天在-83.0～395.0 W·m-2之间变化；感热、潜热、土壤热通量的日总量分别为 3.8、0.9、0.04 MJ·m-2·d-1，感热通量、潜热通量、土壤热通量、净辐射依次比晴天减少了30%、45%、90%、38%。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日平均依次为 47.4、8.0、1.2、62.5 W·m-2，其中感热、土壤热通量和净辐射日平均分别为晴天的73%、27%、64%。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日较差依次为 235.6、66.1、191.0、478.1 W·m-2，除土壤热通量日较差比晴天增加了19.0 W·m-2外，感热、潜热通量和净辐射皆比晴天小，依次为晴天的85%、96%、94%。其中扬沙（18:46—19:08；20:49—21:02）出现时段，感热通量、潜热通量、土壤热通量、净辐射的峰值分别只有扬沙一天中峰值的0.5%，4.3%，、12.0%、13.0%；而出现扬沙时段潜热通量、土壤热通量、净辐射的平均值约为晴天相应时段的29.8%、63.3%、78.6%。

2.3.4 沙尘暴

图4 肖塘夏季典型天气下地表能量收支的日变化（时间均为地方时）

由图4d可以得知：沙尘暴时，早晚各通量较小，全天仍以感热通量为主。感热、潜热通量分别于13:30、7:30 达到峰值 215.1、33.3 W·m-2，土壤热通量全天在-36.9～112.6 W·m-2之间变化。净辐射比土壤热通量出现最大值的时间滞后了半小时，于13:30达到峰值330.8 W·m-2；感热、潜热、土壤热通量的日总量分别为 3.8、0.9、0.04 MJ·m-2·d-1。感热通量、潜热通量、土壤热通量、净辐射依次为晴天的66%，18%、22%、55%。感热、潜热通量和净辐射的日平均依次为 41.8、3.3、52.7 W·m-2，分别比晴天减少了 35%、55%、46%，土壤热通量的日平均值为-0.9 W·m-2。感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日较差依次为249.8、55.4、149.4、420.7 W·m-2， 分 别 是 晴 天 的90%、81%、87%、83%。其中沙尘暴（14:31—15:04）出现时段，感热通量、潜热通量、土壤热通量、净辐射的峰值分别是沙尘暴一天中峰值的73.1%、51.0%、38.2%、79.0%；而出现扬沙时段潜热通量、土壤热通量、净辐射的平均值分别约为晴天相应时段的88.0%、69.6%、96.5%、77.3%。

2.4 肖塘地表能量收支的分配特征

地—气相互作用的关键环节是能量收支，作为地表能量输送的连续性条件的能量平衡，是陆—气相互作用的基本准则。同时，地表能量不平衡问题一直是困扰地—气相互作用的难点之一。

表2为肖塘地区夏、秋季（8、10月）白天（G＞0）、夜间（G＜0）的地表能量收支各项在净辐射中所占的份额。

表2 地表能量收支各项占净辐射的比率

从表2中可以看出，夏季白天、夜间感热通量分别占净辐射的52%、53%，潜热通量分别占净辐射的6%、3%，土壤热通量分别占净辐射的16%、6%；秋季白天、夜间感热通量分别占净辐射的40%、28%，潜热通量分别占净辐射的2%、1%，土壤热通量分别占净辐射的18%、19%，夏季白天、夜间能量不平衡率分别为26%、38%。由此可见，在夏、秋季节，无论白天还是夜间，潜热通量占净辐射比例均较小，感热通量占净辐射比例皆较大，土壤热通量占净辐射比例均仅次于感热通量，夏季白天、夜间潜热通量均约为感热通量的1/9，秋季分别约为感热通量的1/20、1/28。说明肖塘过渡带净辐射主要通过感热形式加热大气，土壤热通量的作用也比较重要。

在华北农田下垫面，潜热通量占净辐射的59.5%，为感热通量的5倍[21]。敦煌典型干旱下垫面，夏季潜热通量约为感热通量的1/2[22]。相对华北农田下垫面而言，肖塘过渡带气候干燥，潜热对大气的加热作用明显较弱。

秋季白天、夜间土壤热通量占净辐射的18%、19%，而夏季白天、夜间土壤热通量仅占净辐射的2%、1%，这主要是因为夏季在大尺度的环流作用下，近地层风速加大，沙尘天气频繁，湍流交换增强，感热通量则较大。再加上局地的热力平流增强，加大了近地层水分的蒸发，使得潜热通量增大，近地层与沙层的热量交换相应地减少，使得土壤热通量占净辐射的份额减小。

2.5 总体输送系数的平均日变化

本文采用当前被认为最精确的涡动相关法来计算肖塘地区的总体输送系数[23-25]。

其中，CD为大气动量总体输送系数；CH为感热总体输送系数；U为观测高度的水平风速；ρ为空气密度；Ta和Ts分别为近地层大气温度和地表温度；′为水平风速与垂直风速脉动协方差′为垂直风速与超声温度协方差。

总体输送系数包括地表动量拖曳系数（CD）、热量输送系数（CH）和水汽输送系数（CE），当风速小于10 m/s时，通常假定 CH=CE[26]。

图5给出了肖塘地区3 m动量总体输送系数CD和感热总体输送系数CH在夏、秋季的平均日变化曲线。8月、10月，总体输送系数的日变化十分明显，白天大于夜间，变化曲线呈多峰分布。动量总体输送系数CD日平均值夏季8月较大，为4.5×10-3，秋季10月较小，为4.2×10-3，可见夏季湍流动量交换比较强烈，秋季较弱；感热总体输送系数CH日平均值夏季8月较大，为2.2×10-3，秋季10月较小，为1.6×10-3，这符合季节性规律夏季太阳辐射较秋季强，热量交换较秋季剧烈，可见夏季湍流热量交换比较强烈。总体来说，CD大于CH，在一定程度上反映了肖塘过渡带下垫面，总体输送过程受动力因子作用大于热力因子作用。

8月，CD在9时开始变大，于15:30出现峰值6.1×10-3，这主要是由于日出后随着加热作用，大气逐渐由稳定向不稳定转变。8月观测期CD日平均值为4.5×10-3，在20时出现一天中的最小值；CH于19时达到峰值 2.8×10-3，比 CD峰值减小了 3.3×10-3，在1:30出现一天中的最小值1.5×10-3。日平均值比CD日平均值减少了51%。10月，CD于8时开始增大，于11:30出现一天中的最大值6.3×10-3，比8月最大值仅大了0.2×10-3，在19时出现了一天中的最小值为2.1×10-3，日平均值比8月CD减少了6%。而CH在4时开始增大，至7:30出现峰值，于21时达到最小值，在0.6×10-3～3.9×10-3之间变化，小于10月CD的最大值。日均值比8月份CH日均值减小了28%。

表3为沙漠戈壁地区夏季总体输送系数的平均值，由表3可知，肖塘过渡带的动量总体输送系数CD，与张立盛计算的沙漠动量总体输送系数相同，比黄宝霞计算的沙丘动量总体输送系数中性值小；肖塘过渡带的感热输送系数CH，比张立盛计算的沙漠与戈壁的感热输送系数均小，大于黄宝霞计算的沙丘感热输送系数中性值。这些差异应该是下垫面和观测场地局地环境的差异性所致。

表3 干旱地区不同下垫面夏季的总体输送系数（×10-3）

3 结论

（1）通过2009年夏季、秋季晴天天气资料拟合的散点回归直线，得到肖塘2009年8—10月的平均能量闭合率为78%，闭合差为22%。

（2）夏季白天，感热、潜热、土壤热通量各占净辐射的52%，6%，16%，夜间依次占净辐射的53%，3%，6%。夏季白天、夜间能量不平衡率分别为26%，38%。秋季白天，感热、潜热、土壤热通量各占净辐射的40%，2%，18%，夜间依次占净辐射的28%，1%，19%。

（3）总体输送系数的季节和日变化十分明显，夏季大于秋季，白天大于夜间，日变化曲线呈多峰分布。8月肖塘总体输送系数CD平均值为4.5×10-3，CH为 2.2×10-3。10 月 CD、CH平均值分别为 4.2×10-3、1.6×10-3。

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