塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

齐斐斐，买买提艾力·买买提依明，霍 文,何 清，刘永强

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046； 2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

塔克拉玛干沙漠是世界上第二大流动性沙漠，面积广袤且自然环境极为恶劣，被称为“死亡之海”，是我国沙尘暴的主要发源地，并对中亚地区乃至全球气候和环境变化产生重要影响[1-2]。沙漠下垫面由于其独特地理环境和特殊地表反照率，在能量、水分以及物质循环方面有着独特的规律，对太阳辐射的响应过程也与其他生态系统明显不同，探索沙漠地区的陆面过程和陆-气相互作用一直以来都是干旱区气候研究的重点[3-4]。

地表辐射和能量平衡是陆面过程和陆-气相互作用研究的核心内容，用来描述地面与大气间物质和能量的交换过程[5]。近年来，针对不同下垫面条件下地表辐射与能量平衡开展了大量研究[6-15]，如研究发现敦煌荒漠戈壁极端干旱气候区的波文比值较其他干旱区大一个数量级左右[12]；藏北高原地区草甸下垫面在季风前后净辐射、太阳短波辐射、地面长波辐射等具有明显日变化规律[13]；陇中黄土高原地区夏季受风速、土壤湿度、太阳高度角、天气状况等因素影响地表反射率呈较大差异[14]。辐射的收支、能量的平衡与分配是小气候特征形成的基础[16]，而在极端干旱的塔克拉玛干沙漠腹地，因其特殊的气候和下垫面条件该地区形成的小气候特征与其他生态系统有所不同，探索沙漠地区的辐射收支和能量分配对理解干旱区的能量、水汽循环和气候变化具有重要意义。

由于塔克拉玛干沙漠恶劣的自然环境和观测条件，对该地区地表辐射和能量平衡的研究仍然不够全面。通过陆面过程野外观测试验，可以获得大量、连续、高质量和高精度的资料，从而更系统地了解该地区陆气相互作用和能量通量交换与输送特征[17]，为今后沙漠陆面过程和沙漠气候的研究奠定基础。因此本文利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站2014年观测资料，综合分析塔克拉玛干沙漠腹地下垫面的太阳辐射、净辐射、感热通量、潜热通量、土壤热通量及小气候特征，以期对塔克拉玛干沙漠陆气相互作用有更全面的认识，为提高该地区数值预测和气候模拟的准确性提供必要依据。

1 观测试验介绍

1.1 试验区环境

塔克拉玛干沙漠(77°E—90°E、37°N—41°N)是世界第二大流动性沙漠，也是我国面积最大的沙漠，位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地中心，面积约为33.76×104km2，其地理位置与周边地形地貌状况如图1所示。该地区风沙活动频繁，流动沙丘面积所占百分比为82.2%左右，沙丘类型多样，多分布于克里雅河以东到塔里木河下游之间的沙漠腹地，总体走向为NNE—SSW，沙粒质地轻，以细沙和极细砂为主，中值粒径平均为0.093 mm。

图1 塔克拉玛干沙漠地理位置(图片来自Google Earth)Fig.1 The location of the Taklimakan Desert(The picture cut from Google Earth)

塔克拉玛干沙漠为暖温带干旱沙漠，气候以暖干、冷干交替为主。冬季受蒙古高压、青藏高原和天山山脉高压下沉气流影响引起增温；夏季受大陆热低压控制，产生热风暴，加剧了该地区干旱高温气候。沙漠地区日照充足，太阳直接辐射由东向西递减，年总辐射为5700～6000 MJ·m-2，居全国第3位。年降水量极少，沙漠中心区域小于10 mm，潜在蒸发量却高达3800 mm，多年平均气温10～12 ℃，自2003年塔中气象站记录以来最高气温为45.6 ℃，最低气温为-32.7 ℃，年均风速2.3 m·s-1[18]。

1.2 观测资料及仪器

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动性沙漠腹地200 km以上的大气环境综合观测试验站[19]。观测站东面150 m和西面500 m左右均为复合型纵向沙垄，南面400 m处是塔中石油作业区，北面2.5 km处为沙漠公路，公路两侧为人工种植的一些柽柳、梭梭、沙拐枣等植物。采用该气象站2014年梯度观测系统和地表能量探测系统数据，其中包括梯度观测系统测得的风、温、湿等常规气象数据，及地表能量探测系统中辐射平衡各分量探测仪测得的短波辐射、长波辐射，土壤热通量探测仪测得不同深度的土壤热通量值和土壤温度值，OPEC开路涡动相关系统测量计算得到湍流热通量。主要观测系统及参数见表1，其中辐射数据采集时间为地方时，与北京时时差145 min，本文分析以当地地方时为准。

表1 观测设备配置Tab.1 Configuration of observation equipments

1.3 数据处理方法

在数据使用前需要进行严格质量控制和预处理，具体包括：首先利用EddyPro软件对原始数据进行有效性检验、野点去除，并剔除降水时次数据，再进行二维坐标旋转、延迟时间校正、去势、超声虚温订正、WPL修正等处理，最终得到30 min平均的感热通量和潜热通量。

净辐射Rn计算公式[20]如下：

Rn=(Rswd-Rswu)+(Rlwd-Rlwu)

(1)

式中：Rn、Rswd、Rswu、Rlwd、Rlwu分别为净辐射、太阳总辐射、地表反射辐射、大气长波辐射和地表发射辐射(W·m-2)。

地表能量平衡方程[17]为

Rn-G0=H+LE

(2)

式中：G0、H、LE分别为地表土壤热通量、感热通量和潜热通量(W·m-2)。其中土壤热通量指的是单位时间单位面积上的土壤热交换量，利用HFP01SC土壤热通量板的观测值通过温度积分法校正到地表[5]。感热通量和潜热通量可以通过涡动探测系统获得：

(3)

(4)

式中：ρ为空气密度；Cp=1004.67 J·kg-1·℃-1是定压比热；λ为水的潜热，一般取2.5×106J· kg-1；θ′、q′分别为位温和比湿的脉动量；ω′为垂直风速的脉动量。

2 结果与分析

2.1 四个季节地表辐射和能量平衡日变化

选取1、4、7和10月分别代表冬季、春季、夏季和秋季。图2为塔中站四个季节地表辐射平衡和能量平衡各分量日变化及能量闭合率。可以看出，在广阔且植被覆盖几乎为零的沙漠表面，地表接收的太阳总辐射较大，但由于其地表反照率较大，导致地表反射辐射也相对较大。四个季节辐射和能量平衡各分量均有明显日变化，表现为春、夏季较大，秋、冬季较小，峰值出现在12:00左右。春、夏、秋、冬四个季节太阳总辐射的峰值分别为761、756、602和474 W·m-2；地表反射辐射的日变化与太阳总辐射一致，峰值分别为202、183、157和135 W·m-2；大气长波辐射峰值分别为342、429、322和229 W·m-2；地表发射辐射主要受地表温度控制，相位滞后1 h，即峰值出现在13:00左右，分别为543、633、506和367 W·m-2。

地表能量通量各分量中的净辐射、土壤热通量和感热通量有明显的日变化特征。净辐射衡量地面获得辐射能量的大小，ZHANG等[21]指出植被盖度越大、地表越湿、反照率越小的地区净辐射占总辐射百分比就越大。研究区净辐射呈标准的单峰型变化特征，12:00最大，春、夏、秋和冬季净辐射平均日变化峰值分别为354、369、273和202 W·m-2；土壤热通量峰值则滞后0.5 h左右，分别为73、81、79和49 W·m-2；感热通量与净辐射变化一致，四个季节峰值分别为219、209、137和86 W·m-2；而潜热通量在沙漠腹地极端缺水的条件下几乎为零，涡动相关系统测得的结果为-20～20 W·m-2，潜热通量的峰值分别为5、20、2和2 W·m-2。根据地表能量平衡特征发现，在塔克拉玛干沙漠地区，感热通量在能量消耗中占主导地位，春、夏、秋、冬四季占净辐射百分比分别为44.6%、68.1%、55.2%和55.3%，土壤热通量次之，潜热很小，与李火青[22]利用Colm模型在该地区对地表能量通量各分量模拟的结果一致。

能量守恒是能量交换和收支的基本准则，但能量不闭合几乎成为所有能量通量观测存在的问题。通过对06:00—18:00的有效能量(Rn-G0)和湍流通量(H+LE)进行回归分析，可以看出，塔中站春、夏、秋、冬季的R2分别为0.93、0.94、0.86和0.74，能量闭合率分别为75.7%、85%、67.1%和63.5%，不闭合率为15%～36.5%，与大多数生态系统观测的闭合率结果相近。其中夏季能量闭合率最高，冬季最低。其主要原因有两方面：一方面冬季在日落前后温度变化较快，涡动相关系统探头自身温度变化小于地表温度，导致感热通量的观测值偏小；另一方面通过观察涡动相关系统探头发现，在-10 ℃以下的冬季早晨探头有结霜现象，会导致潜热观测值偏小，因此H+LE值偏小，导致冬季能量闭合率较低。

2.2 典型天气条件下地表能量通量各分量的变化

挑选塔中地区几种典型天气状况进行分析，其中云面积占天空百分比的0%～10%为晴天，>70%为阴天[23]。浮尘天气为当无风或平均风速≤3.0 m·s-1时，水平能见度<10 000 m的天气现象；强沙尘暴是指大风将地面沙尘吹起，空气非常混浊，水平能见度<500 m的天气现象[24]。选取2014年7月12 日、4月9日、4月23日和2月3日分别代表塔中地区的晴天、阴天、沙尘暴和浮尘天气，分析典型天气条件下地表能量通量各分量的日变化(图3)特征。

图2 塔中站四个季节地表辐射平衡(左)和能量平衡(中)各分量日变化及能量闭合率(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

四种不同天气状况的净辐射，在18:00至次日06:00均为负值，日出后、日落前净辐射值为正。晴天、阴天和浮尘天气均有明显的日变化特征，其中阴天曲线呈不规则变化，沙尘暴天气在12:00出现明显拐点，12:00—12:30净辐射下降189 W·m-2；浮尘天气时，受沙尘的影响净辐射明显减弱，峰值约为晴天条件下同时间段净辐射通量的一半。土壤热通量变化均比较平滑，其中20:00至次日06:00晴天的土壤热通量比其他天气条件明显偏大，因为夜间土壤热通量由地表向空气传输，与白天恰好相反。不同天气状况下感热通量日变化曲线皆呈不规则状，夜间相差不大，12:00左右沙尘暴天气的峰值提前而阴天的峰值滞后。潜热通量变化没有明显规律，其值大都为-20～15 W·m-2，晴天和阴天潜热通量波动较小，沙尘暴天气和浮尘天气有不规则高值。实际上，沙漠腹地极端干旱，土壤含水量很小，以至于土壤湿度的观测值小于仪器的误差值[19]，因此对潜热通量的测量存在误差，有待进一步分析。

2.3 地表反照率

地表反照率为地表对太阳辐射的反射能力，是向上和向下短波辐射的比值。地表反照率由地表特征(地表颜色、土壤湿度、植被或冰雪覆盖)、太阳高度角等因素共同决定，地表颜色深浅对反照率的影响很大，土壤颜色的灰度值越高反照率越低，在地表颜色相同的情况下，土壤湿度和太阳高度角是影响地表反照率的主要因素，一般土壤湿度越大，反照率越低，反之亦然[22]。大量的观测实验表明地表反照率随太阳高度角增大而减小，在12:00最小[19,22]。图4 为2014年12个月塔中站地表反照率的月均日变化。可以看出，该地区地表反照率冬季高、夏季低，年均值为0.296左右，与黑河沙漠地区0.282相当[25]，比敦煌绿洲站0.234[26]，黄土高原半干旱草地0.17[5]，黑河戈壁的0.228[27]和藏北高原那曲地区0.187[13]都高。这是由于该地区土壤类型单一，地表以常年无植被覆盖的连片流沙为主，主要成分为细小石英沙粒，表面均匀平坦，地表颜色为浅土黄色。

图3 典型天气条件下地表能量通量各分量的日变化Fig.3 Diurnal variations of each components of surface energy flux under typical weather conditions

图4 2014年12个月塔中站地表反照率的月均日变化Fig.4 Diurnal variations of monthly mean albedo at Tazhong station in 2014

3 小气候特征

3.1 空气温、湿度

图5为2014年7月23日塔中站近地层不同高度空气温度和相对湿度日变化。可以看出，各高度气温均有明显日变化，白天温度高、夜间温度低。06:00各层气温均开始上升，至16:00左右达到最高，其中0.5 m高度气温上升幅度最大；约在17:00形成逆温，次日09:00再次形成逆温。这是由于日出后，太阳短波辐射使得地面迅速增温，且越靠近地表温度升高越快；而在夜晚，下垫面快速冷却，近地层降温幅度大于上层空气。不同高度相对湿度日变化曲线呈夜间高、白天低特征，与空气温度的变化正好相反。

3.2 土壤温度

图6为2014年7月23日塔中站不同深度土壤温度的日变化。可以看出，2014年7月23日塔中

站地表0 cm和地下10 cm温度具有明显日变化特征，越到下层土壤温度变化越不明显。原因是地表受太阳短波辐射的影响，温度变化均与其保持一致，而下层土壤主要接收上层土壤传递的热量，故升温缓慢且峰值滞后。在塔克拉玛干沙漠腹地地表0 cm 12:00温度最高可达67.5 ℃，同一天最低温度为19.0 ℃，出现在05:00，两者相差48.5 ℃；10 cm土壤温度日变化范围较小，为30～40 ℃，最大值出现在18:00；20 cm土壤温度仍呈现一定日变化规律，但振幅明显减小；40 cm土壤温度基本不随时间变化产生明显变化，稳定在30±2 ℃。

3.3 风速与风向

风是塑造地貌形态的基本营力之一，特别是在干旱气候条件下，它不仅是决定沙漠地表形态的主要动力[28]，还对近地面能量交换起重要推动作用，研究表明感热通量变化主要与地气温差和风速变化有关[29-30]。图7为塔中站2014年7月近地层不同高度平均风速日变化。可以看出，不同高度平均风速呈现明显日变化，同一时次风速随高度的增加而增大；夜晚风速较小，从06:00开始风速逐渐增大，至16:00各高度均达到峰值然后迅速降低，至04:00达到最低。

图5 2014年7月23日塔中站近地层不同高度空气温度(a)和相对湿度(b)日变化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

图6 2014年7月23日塔中站不同深度土壤温度的日变化Fig.6 Diurnal variations of soil temperature at different depths at Tazhong station on July 23, 2014

图7 2014年7月塔中站近地层不同高度平均风速日变化Fig.7 Diurnal variation of average wind speed at different height near surface layer at Tazhong station in July 2014

图8为2014年7月塔中站近地层2 m和10 m 风向玫瑰图。可以看出，该地区夏季以东北风为主，NNE、NE、ENE和E四个风向所占百分比为44.5%，主要受塔克拉玛干沙漠北缘天山山脉影响[31]，盛行偏东风。其不同高度主导风向略有差别，对比2 m高度处，10 m处的风向均偏东一些，2 m高度NE风频率最高，为14.7%，10 m高度风频率最高的则为ENE，为14.8%。

图8 2014年7月塔中站近地层2 m和10 m 风向玫瑰图Fig.8 Wind directions rose map at 2 m and 10 m height near surface layer at Tazhong station in July 2014

4 结 论

(1)塔克拉玛干沙漠腹地总辐射在夏季较大，最大可达1018 W·m-2，这说明沙漠具有很好的光资源背景；净辐射所占百分比也较大，说明沙漠中有充足的可利用热能，为加热大气和土壤提供必要的热能条件。

(2)四个季节地表能量通量各分量均表现为夏季最大、冬季最小，其中净辐射、感热通量和地表土壤热通量存在明显日变化，潜热通量值很小且无明显变化规律。感热通量在能量平衡中占主导地位，土壤热通量次之。冬、春、夏、秋能量闭合率分别为63.5%、75.7%、85.0%和67.1%，能量不闭合率为15.0%～36.5%，与大多数生态系统观测结果相近。

(3)晴朗和浮尘天气条件下，净辐射、感热通量和土壤热通量呈规律的日变化特征，浮尘天气各峰值出现滞后现象；阴天条件时净辐射出现多峰值，由于云层遮挡能量通量各分量不同程度降低；沙尘暴发生时，由于湍流条件和空中漂浮的大量沙尘颗粒导致总辐射被明显削弱。

(4)近地层空气温度和湿度具有明显的日变化，白天温度随高度增加升高，夜晚随高度增加降低；空气湿度与之相反。土壤温度白天越接近地表增温越快，夜间地表温度降低最为明显，而40 cm土壤温度几乎不随时间变化。7月近地层水平风速随高度增加明显增大，风向以NE风为主，NNE、NE、ENE和E四个风向所占百分比为44.5%。