新疆于田县不同下垫面小气候特征比较研究*

钟秀娟,熊黑钢,张建兵

(1.新疆大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830046;2.北京联合大学应用文理学院,北京 100083)

小气候是指在近地面1.5～2.0 m以下的局部地区内,因下垫面局部特性影响而形成的贴地层和土壤上层的气候,它与大气候不同,其差异可用范围小、差别大、很稳定来概括[1-2]。研究小气候具有很大的实践意义,因为植物(特别是农作物)和动物,都是在这个区域中生活和生长的;理论上,小气候的研究也是很重要的,因为地表是大气圈热能和水汽的主要直接能源,了解空气最低层的情况,对于了解空气上层的情况无疑是有帮助的[3]。

近年来,随着气候研究的深入,小气候越来越受到气象学家的重视[4]。国内外对小气候的研究也越来越多,对干旱区的小气候研究多为植物冠层的微气候研究以及绿洲单一界面小气候[5-6]。不同下垫面之间的差别和相互作用的研究对大气环境和气候数值模拟极为重要。国内外对下垫面进行了大量的观测研究,但这些观测大多数是在湿润和半干旱地区进行的,而对干旱地区下垫面的研究则较少[7]。伴随着非均匀下垫面陆面过程及大气边界层研究的展开,对绿洲-交错带-荒漠这种典型的非均匀下垫面系统,仅孤立地分析绿洲、交错带或是荒漠的特征是远远不够的。

于田县内不仅有典型的干旱区绿洲,还有生态环境极其脆弱的绿洲-荒漠交错带以及大面积的荒漠[8-9],这3个下垫面上的小气候分析是研究干旱区不同下垫面相互作用的基础[10]。

本文利用HOBO小气候观测仪对新疆于田县绿洲、绿洲-荒漠交错带以及荒漠的小气候因子进行了定点、连续观测,以探讨3个不同性质下垫面的小气候变化特征,以期为防治沙漠化、维持绿洲的稳定性、保护日趋恶化的绿洲-交错带-荒漠生态系统提供理论依据。

1 研究区概况

于田县位于塔里木盆地南缘,东经81°09′-82°51′,北纬 35°14′-39°29′,南靠雄伟的昆仑山与西藏自治区相接,北靠浩瀚的塔克拉玛干大沙漠与沙雅县接壤,东连民丰,西邻策勒,具有典型的绿洲、绿洲-荒漠交错带、荒漠3个下垫面,南北长约466 km,东西宽30～120 km,土地面积为3.95万 km2,其中绿洲面积仅为1 773 km2。该县属于典型的极端干旱区,其气候的主要特征是:四季分明、昼夜温差大;光照充足,热量资源丰富,日照率为62%,年日照总数超过2 769.5 h,积温高达4 208.1℃;降水稀少,蒸发剧烈,多年平均降水量仅为47.7 mm,而蒸发力却高达 2 420.3 mm;多年平均气温为11.68℃,大部分灌区多年平均无霜期为213 d;平原绿洲年平均风速1.8 m/s,风速以春季最大,平均2.2 m/s,秋冬季最小,平均为1.4 m/s,且春夏多风沙和浮尘天气。

2 研究方法

本观测试验于2000年9月5-12日在于田县的绿洲(棉花地)、绿洲-荒漠交错带及荒漠(戈壁)的典型样地上进行,利用HOBO观测仪对3个样地的气温、相对湿度、风速、蒸发、地温等小气候特征进行观测。其中,气温、相对湿度、风速探头分为0 cm、50 cm、100 cm、150 cm 及 200 cm 高度5层布设 ;地温分 0 cm(地表)、5 cm 、10 cm 、15 cm 、20 cm及40 cm五个布设。每天的观测时间为 6:00-22:00,每隔2 h进行一次数据采集。蒸发观测选用小型蒸发皿,昼夜各观测一次。最后,利用Excel 2003以及DPS数据处理系统对野外所采集的数据进行整理和分析。HOBO小气候观测仪是目前使用比较广泛的小气候观测仪器,它能快速、准确并连续地观测气温、地温、风速、相对湿度、蒸发等小气候因子。

3 结果与分析

3.1 气温的变化特征

3.1.1 气温的时序变化 对比分析观测期内荒漠、交错带、绿洲各层日平均气温可知(图1-2),不同下垫面之间的气温具有差异性,荒漠的平均气温最高(22.12℃),交错带次之(21.14℃),绿洲最低(18.3℃)。这是由3个下垫面的性质差异引起的,荒漠下垫面的砂砾地表对太阳的短波辐射具有很强的吸收能力,致使地表迅速升温并对外释放大量长波辐射,这导致荒漠区近地表的气温高;而绿洲与此相反,其较高的植被覆盖能吸收大量的太阳辐射能量进行光合作用以维系自身的生长发育,另一方面,绿洲下垫面较高的植被覆盖不利于太阳光线到达地表,也不利于地表的长波辐射,从而导致绿洲区近地表的气温较低;空间上介于荒漠与绿洲之间的交错带具有过渡性,其下垫面性质也介于两者之间,从而导致气温低于荒漠下垫面而高于绿洲下垫面。

虽然3个下垫面气温在数值上存在较大的差异,但是其平均气温的时序变化特征(逐日变化特征及日内变化特征)却表现出了明显的相似性(图1,图2),即变化趋势一致。3个下垫面气温的逐日变化在观测期内出现相似的波动变化,均在6日达到各自的最高值,而在10日达到最低值;在日内变化方面,相似性更高。在观察时段内,6:00 3者气温最低,而在16:00最高,说明不同下垫面的气温虽然受到其性质的影响,在数值上会表现出一定的差异性,但是其变化趋势却是一致的,这是由于3者处于同一的外界大气候环境,这也说明小气候特征虽然在各自下垫面性质的影响下会发生一些变化,但是其基本特征始终离不开大气候的影响,并与大气候保持着一致性。

图1 不同下垫面平均气温的逐日变化特征

图2 不同下垫面平均气温的日变化特征

3.1.2 气温的垂直变化 总体上,荒漠、交错带及绿洲3下垫面气温的垂直变化特征是:变化趋势相似,变化幅度各异(图3)。在变化趋势上,荒漠、交错带及绿洲气温都随着高度的上升而降低,并且均在0-50 cm变化强烈,往上缓慢降低。其原因在于近地表的热量主要来源于地面的长波辐射,离地面越远,收到的长波辐射能量越低,气温也就越低。

在变化幅度方面,由地表到200 cm高度,3者气温的降低值分别为3.41℃,2.78℃,0.85℃。荒漠由于地表光秃,其气温的降低只受到离地面高度的影响;而在绿洲区,植被众多,而且9月初各类庄稼尚未收割,不仅茂密的植被阻挡了太阳辐射,而且地表由于受到灌溉的影响,温度最低。50 cm高度大致为棉花的生长高度。由于农田四周有较宽的防护林带,此时的绿洲区50 cm以上高度内可以近似看做一整体,所以气温在这一相对均质的空间内变化小。交错带植被稀疏低矮,气温在200 cm高度内的变化大多还是受离地面距离的影响,所以其变化趋势接近于荒漠,变幅较大。

3.2 大气相对湿度的变化

3.2.1 相对湿度的时序变化 绿洲、交错带、荒漠的各层日平均相对湿度差异显著,绿洲高达64.7%,而后两者仅为49.8%、36.9%(图4-5)。绿洲下垫面与其他2者最大的差别在于绿洲受到了人类活动的影响,因此,绿洲地表以及浅层土壤具有较多的水分,另一方面,绿洲具有较高的植被覆盖度,植被蒸腾作用旺盛,使得其相对湿度最高;交错带虽然植被稀疏,但是由于靠近绿洲,相对湿度也较高。而在荒漠区,其光秃的砂砾质地表涵水能力差,地表及浅层土壤水分匮乏,虽然有强烈的蒸发力,但是其相对湿度仍较低。

图3 不同下垫面各层平均气温垂直变化图

3下垫面相对湿度的逐日变化以及日内变化趋势基本一致,在5-12日内呈相同波动变化。而在日内变化方面,均在 6:00-16:00逐渐降低,在16:00达最低值,而后逐渐升高,并在22:00左右达到6:00的水平(图4)。在变化幅度方面,绿洲与交错带的变幅较大而且较接近,而荒漠却与前2者截然不同,一直都保持一个较低的水平,这与荒漠简单的下垫面性质、稀少的水分紧密相关。

图4 不同下垫面各层平均相对湿度的逐日变化

图5 不同下垫面各层平均相对湿度的日变化

另外,3下垫面相对湿度的变化与气温的变化呈反向相关的关系,这是因为温度增高时,虽然蒸发加强,使实有水汽压增大,但因饱和水汽压增大得更多,结果相对湿度反而减小,而当温度降低时该过程则相反,导致相对湿度增大。

3.2.2 相对湿度的垂直变化 绿洲、交错带及荒漠下垫面各高度的平均相对湿度中均以前者最高,中者次之,后者最低,而且随着高度的增加,绿洲、交错带的相对湿度相差逐渐减小,两者与荒漠相差逐渐增大(图6)。

图6 不同下垫面各层日平均相对湿度垂直变化

在变化规律上,绿洲在0-50 cm的相对湿度变化基本呈直线,这是因为所选观测地为棉花地,植株高度为50 cm左右,在稠密的棉花地里温度变化小,风速低,相对湿度变化小,向上由于受到风等因素的影响,相对湿度有所降低;交错带的相对湿度随高度出现较小幅度的增加,而荒漠的相对湿度随高度变化在25%～35%出现震荡式变化,200 cm高度与0cm高度的相对湿度值相差不大。

3.3 风速的变化特征

图7 不同下垫面各层平均风速逐日变化

3.3.1 风速的时序变化 荒漠、交错带风速相差小且远大于绿洲下垫面风速,3者的平均风速值分别为1.83 m/s,1.55 m/s,0.46 m/s(图7)。这与下垫面性质差异密切相关,荒漠地表光秃,对空气流动无阻碍作用;而交错带虽然有植被,但是其数量小,分布稀疏并且植株矮小,对风的阻挡作用微弱,所以荒漠与交错带下垫面的风速较大,两者差距小。绿洲由于其错综复杂的表面,较高的植被覆盖度,加上植株比较高大,十分不利于近地面空气的运动,所以该下垫面的风速远小于荒漠与交错带下垫面。

在风速的时序变化上,3者变化趋势相似,但变化幅度相差大(图7,8)。逐日变化中,风速在9日剧烈增加,是由于该日天气突变引起的;日变化与气温的日变化呈正向相关,随着气温的升高,风速增大,反之亦然。由于气温升高将导致大气气压梯度力的增加,从而导致风速的增大。另外,荒漠与交错带风速的逐日变化与日内变化具有变幅大,相似性高的特点,而绿洲由于其内部景观空间分布的复杂性导致风速小,且变幅小。

图8 不同下垫面各层日平均风速的日内变化

3.3.2 风速的垂直变化 荒漠、交错带及绿洲下垫面各高度上的日平均风速均是荒漠＞交错带＞绿洲,并且均随着高度的上升而逐渐增加(图9),但增加程度不同。其中,交错带变化最大,荒漠次之,绿洲变化最小,这同样是由其下垫面性质的差异所引起的。

图9 不同下垫面日平均风速的垂直变化

在3下垫面风速的垂直变化中有一显著特点,即在0-100 cm高度,风速增加强烈,尤其以交错带最为明显,其风速增加值为1.20 m/s,荒漠增加值次之,为0.55 m/s,绿洲增加值最小,为 0.33 m/s。其原因是交错带和荒漠植被低矮稀疏,地表空旷,空气所受摩擦力小,风速变幅大;而在绿洲,其浓密的植被覆盖很大程度上增加了空气的摩擦力,使风速的变化幅度减小。在100-200 cm高度内,大气湍流及摩擦的作用明显小于0-100 cm,3者增值减小,荒漠、交错带及绿洲下垫面的风速分别增加了0.09 m/s,0.11 m/s,0.08 m/s,远小于0-100 cm高度内的增加值。

3.4 各层地温的变化特征

3.4.1 地温的时序变化 观测期内,荒漠、交错带的各层日平均地温较接近且远高于绿洲的平均地温(图 10,11),其值分别为 23.63℃,23.83℃,19.80℃,这由3个下垫面的性质决定。荒漠、交错带由于地面裸露,地表直接接收太阳辐射,地面快速升温,并将一部分能量向下传递,导致地温较高;而绿洲地表则相反,导致平均地温低,向下传递的能量少,平均地温低于荒漠及交错带下垫面。

3个下垫面地温在5-12日内发生与气温变化基本一致的小波动变化。一天中3个下垫面地温从6:00-16:00逐渐增加,并在16:00达到最高值,而后逐渐降低。此变化趋势与气温的时序变化趋势基本保持一致,说明地温与气温关系十分密切。

3.4.2 地温的垂直变化 从3下垫面地温的垂直分布来看,地表的温度最高,而后随着土壤深度的增加而降低(图12)。由于地温的热量主要来源于地表,深度越深,所接受到得能量越低,所以温度也越低,但荒漠与交错带在15-20 cm土层之间出现反向变化。当到达一定深度(20 cm)后,因受地表温度影响微弱,地温差距小而且具有一定的稳定性。

图10 不同下垫面各层日平均地温的逐日变化

图11 不同下垫面各层日平均地温日内变化

在各深度层,荒漠与交错带地温相差小(0.16℃),变化趋势一致,而且都远大于绿洲同深度层的温度(4.12℃),这与绿洲地表温度低,向下传递的热量少有直接关系。

图12 不同下垫面各层平均地温的垂直变化

3.5 蒸发的时序变化特征

图13 不同下垫面白天蒸发逐日变化

对比3下垫面昼夜蒸发可知(图13,14),白天的蒸发远大于夜间,而且两时段中,荒漠、交错带的蒸发相差甚小(平均相差仅0.51 mm),均远大于绿洲下垫面的蒸发。

温度、风以及接触面性质是影响蒸发的主要因素,荒漠地表光秃、开阔,白天气温高,风力大,利于蒸发;而交错带植被稀疏,植株矮小,其下垫面性质与荒漠相似,所以蒸发也强烈;而绿洲植被覆盖高,外表错综复杂,与前两者相比,其温度低,风力小,所以其蒸发远小于荒漠与交错带。

在夜间,由于气温下降,3个下垫面的蒸发迅速都减弱,绿洲下垫面的蒸发几乎减为0,而荒漠、交错带由于其地表开阔,风力较大,仍有着较大的蒸发力,3个下垫面蒸发的平均下降率分别为0.86,0.37,0.12。

图14 不同下垫面夜间蒸发逐日变化

4 结论与讨论

荒漠、交错带、绿洲由于其下垫面性质的差异,各小气候特征值存在着显著差异(表1)。

总体讲,3下垫面各小气候因子无论是其时序变化特征还是其垂直变化特征都保持着一致性,其原因是小气候要受外界大气候环境的影响。荒漠、交错带、绿洲的各小气候因子虽然由于其下垫面性质差异会引起数值上的差异,但是其本质特征还是由外界大气候环境决定,并随着大气候因子的改变而发生相应的改变。

在3下垫面各气候因子的特征值及变化趋势中,荒漠与交错带都比较相似,两者平均气温仅相差0.98℃,地温前者仅高出后者0.2℃(表1)。这与两者下垫面性质相似有着直接的关系,荒漠地表光秃,而交错带的植被稀疏且矮小,性质接近于荒漠,因此,两者的小气候因子特征相似。

绿洲平均气温比荒漠低3.78℃,相对湿度分别是荒漠和交错带的1.75倍和1.30倍。风速仅为荒漠的1/4。可见绿洲内茂密的植被、湿润的土壤及四周宽阔的防护林在极端干旱区内具有很好的降温、保湿、屏风等效应。

荒漠、交错带及绿洲下垫面各小气候因子之间存在着相互联系,如气温与风速、地温、蒸发力呈正相关,而与相对湿度呈反相关,风速与蒸发力呈正相关等,这些小气候因子之间的具体关系有待于继续讨论。

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