新疆地面感热的时空变率特征分析

艾冠男，潘新民，安大维，张新军

(1.新疆气象服务中心，乌鲁木齐 830002；2.新疆气象台，乌鲁木齐 830002)

引 言

下垫面热通量异常作为地-气系统热量平衡过程中的重要组成部分，对其领域内的大气环流演变起着十分重要的作用[1～3]。新疆地处亚欧大陆复地，其年降水量通常在200mm以下，属于典型干旱、半干旱气候区，且拥有我国最大的流动性沙漠，其特殊的陆面物理过程对我国气候变化和西北干旱气候形成都有深刻作用[4]。干旱地区地表干燥，蒸发量微小，地表辐射中感热占绝对优势，因此感热变化对当地小气候特征形成及水汽循环和气候变化皆具有重要意义[4～9]。

对地面感热的讨论国内外许多学者做了大量研究，感热对气候变化影响方面，Jofia Joseph等[10]表明孟加拉湾感热日变化与印度夏季风活动密切相关，Lian Chen等[11]指出青藏高原中东部冬季感热变化对东亚冬季风有一定影响，周连童等[12～14]表明西北地区的感热输送变化是我国华北地区出现持续性干旱的成因之一，针对不同地理环境的感热研究日益成熟。感热估算方法研究方面，王介民等[15]利用SEBAL模型对地表蒸散进估算，表明该模型有很好应用性，但所需计算资源较高，何奇瑾等[16]指出波文比法得到的感热受经验公式和假设影响对感热峰值和谷值误差较大，D.Baldocchi等[17]表明涡动相关法估算感热存在能量不平衡带来的误差。李振朝等[18]采用整体输送法对感热进行估算，引入了较为准确的观测数据，但对非观测量地表热力输送系数采用定值的做法，尤其对下垫面复杂地区的感热精准估算造成影响。王慧[19]通过研究表明在缺乏用其它方法获得较准确的区域地表热力输送系数的情况下，对地表热力输送系数Ch值的估算，采用卫星遥感资料是比较可靠的方法。

新疆地形复杂，山脉、沙漠、戈壁、绿洲分布其中，因此对下垫面的估算程度直接影响感热计算结果。目前对于新疆地面感热的研究以下垫面较为单一的小尺度为研究对象居多[20-21]，但是对新疆整体区域的地面感热研究较少，南北疆下垫面环境差异大，针对南北疆感热差异的研究尚未讨论。本文利用地面气象观测资料结合卫星遥感资料研究新疆地面感热时空变化规律，比较分析南北疆不同下垫面感热差异，为研究中亚气候变化及预测提供指示意义，旨在为保护和改善干旱区生态环境提供一定理论依据。

1 资料与研究方法

1.1 资料

本文利用新疆105个常规气象站点2007～2016年逐月平均气压、风速、地面温度和百叶箱气温的地面观测资料结合MODIS Terra卫星提供的空间分辨率500m、2007～2016年逐月归一化植被指数(NDVI)数据产品资料，NDVI数据经处理提取为新疆105个站逐月站点数据。地面观测资料来源于新疆气象局信息中心，NDVI数据产品资料来源于中科院信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 地面感热计算方法

采用总体输送公式[22]计算出逐月地面感热通量值：

H=ρSCPCh∣V10∣(TS-Ta)

(1)

其中，ρS为干空气密度，它由干空气状态方程ρS=Ps/RdTa确定，Rd=287.05 J·kg-1·K-1，PS是本站的气压；Ta=273.16+ta，ta为测站百叶箱气温(1.5m处)(K)；CP=1004.07 J·kg-1·K-1，为干空气定压比热；TS为0cm地面温度(K)；V10为测站点10m高度处风速(m/s)；Ch为地表热力输送系数，是无量纲量。在计算中除Ch值外均取历年逐月实测值。

1.2.2 地表热力系数Ch估算方法

利用植被指数(NDVI)数据产品资料[23]，通过对Ch与INDV的关系式对地表热力输送系数Ch进行估算：

IMAX为各站多年NDVI的平均最大值。当0.45≤IMAX<1时，下垫面为绿洲区；当0.2≤IMAX<0.45时，为半干旱-戈壁区；当0

采用EOF分析法(经验正交函数展开法)分析新疆地面感热通量异常变化的空间结构和时间演变特征，EOF分析具体方法参阅文献[24]。

2 新疆地面感热空间分布特征和时间演变分析

对新疆感热进行EOF分解表明，第一模态为全区一致空间分布，第二模态呈现南北反向的空间分布，并划分南、北区进行感热特征研究。

EOF法能将要素场分解为若干相互正交模态的正交组合，并提取主要模态反映时空分布特征。图1给出了新疆地面感热EOF年平均第一、第二模态场及其对应的时间系数。从图中可以看出，第一模态场全区有较好负值一致性分布，可称之为“全区一致型”，地面感热的一致性变化主要受大尺度天气系统影响。结合时间序列分析，全疆感热在十年间感热输送经历偏强-偏弱的过程。第二模态大致以42～44°N为界呈现出南北反向的空间分布形态，可称之为“南北反向型”，北疆大部为正，东疆、南疆大部为负，阿勒泰表现为正极大值区。结合时间序列分析，第二模态南部(北部)地面感热输送10年间经历偏弱(偏强)-偏强(偏弱)-偏弱(偏强)过程。

图1 新疆地面感热EOF分析第一、第二模态场及其时间系数

综合一、二模态空间场分布特征，结合南北疆下垫面分布状况及高沈童[25]对西北干旱区气候差异划分研究，把新疆地面感热分为南北两块区域进行研究分析。分界线大致以43°N为界，北区(主要为北疆)包含51个站点，南区(主要为南疆、东疆)包含54个站点。

3 新疆地面感热时间变化特征分析

3.1 地面感热月变化特征

对新疆感热月变化分析得出，南、北区地面感热呈单峰型变化特征，3～4月感热迅速增加，6月达到峰值，4～10月南区感热明显大于北区。

图2给出了2007～2016年南、北两区多年平均地面感热月变化趋势。由于新疆地气间能量传输以感热为主，所以感热大小大体上表征了地面加热场的强弱。北区弱冷源持续时间较长，北塔山1月平均感热达-24.2 W/m2，这可能受北区积雪覆盖时间长和纬度高共影响。3～11月，南、北区地面感热经历迅速增加至减弱过程，其中除11月外，南区感热高于北区，6～7月差幅最大，达10 W/m2左右，这说明这一时期南区地表持续加热大气明显，表现为较强的热源。相比河西干旱区感热最小值出现在12月[18]，新疆感热在1月达到最小值，存在月份差异。

图2 2007～2016年新疆地面感热月变化

3.2 地面感热季节变化特征

对新疆感热季节分析表明，南、北区冬季感热最小，夏季最高。南区四季平均感热均高于北区，春季北区地面感热增幅明显，夏季南区地面感热显著于北区。

冬季(12～2月)是南、北区地面感热最小的季节(图3)，北区负值区主要集中在伊犁河谷、中天山及昌吉州东部一带，南区负值区主要集中在和田和巴州南部一带(图4)。春季(3～5月)北区主要受升温明显影响，地面感热迅速增加，南北区地面感热差距缩小，伊犁河谷是感热增幅最大的绿洲区，这与草地净辐射随太阳高度角增大而增大结论一致[26]。夏季(6～8月)是全疆感热值最大的季节，南区感热明显高于北区，差值在13W/m2左右。增强最为显著的站点为十三间房、叶城和达坂城，这与西南地区春季感热最大[26]的研究结果差异明显，主要原因可能受纬度和下垫面共同影响。

4 新疆地面感热变化与各要素的相关分析

为了解各季感热输送强弱变化的主导因子，将新疆地面感热与各要素进行相关分析。结果表明南、北区地面感热与地气温差(t)、地表热力输送系数(Ch)、地面风速(V)相关并通过显著性检验，但相关性存在季节差异。

结合表1、表2可以得出，南、北区冬季地气温差对感热变化起主导作用。冬季感热与地气温差的相关系数均通过了0.01显著性水平检验(临界值为0.76)，各站点通过0.05显著性水平检验的的比例均高达96%以上。春季南、北区Ch值对感热变化影响较大，通过0.05显著性检验的站点比例在60%以上，北区感热与Ch值相关性更为显著。这主要因为春夏季是地表植被变化最显著的季节，所以一些重要的地表参数对感热变化的影响是不可忽视的。春季南区感热同时受风速影响，风向主要为偏东风。秋季，北区由于地气温差迅速减小，地气温差对感热变化再次占据主导。同时将感热对降水做相关分析发现，南区夏季感热与降水呈负相关，相关系数为-0.67，这也为提高降水预报技术提供一定参考价值。

表1 新疆南、北区地面感热变化与各要素相关系数

表2 新疆南、北区感热变化与各要素显著相关站的比例

5 结 论

本文利用常规地面观测逐月站点资料结合MODIS Terra卫星逐月植被指数(NDVI)数据产品站点资料，对2007-2016年新疆地面感热进行计算，对其时空分布特征与各要素相关分析做出了总结，主要结论如下：

5.1 感热经EOF分解的第一模态为全区一致的空间分布，全疆感热经历偏强-偏弱过程。第二模态呈南北反向的空间分布，南部(北部)感热经历5偏弱(偏强)-偏强(偏弱)-偏弱(偏强)过程。

5.2 南、北区感热具有明显月变化特征。南、北区地面感热输送呈单峰型变化特征，感热1月最小，3～4月迅速增加，6月达到顶峰。4～10月南区感热明显大于北区。

5.3 南、北区感热分布存在季节异同。南、北区地面感热冬季最小，夏季最高，南区四季平均感热均高于北区。北区春季地面感热增幅明显，南区夏季地面感热显著于北区。

5.4 南、北区感热变化与地气温差、地表热力输送系数和地面风速相关并通过显著性检验，但相关性存在季节差异。冬季地气温差和春季地表热力输送对南、北区感热变化起主导。春季，北区感热与地表热力输送系数相关更为显著，南区感热同时受风速响应。秋季北区地气温差对感热变化影响显著。

本文研究内容弥补了新疆不同区域地面感热空间分布差异及时间变化特征，初步揭示四季感热变化的影响因子，能为保护和改善干旱区生态环境提供一定理论依据。但研究内容仍有不足，对南区夏季感热与降水影响的内在机理值得思考，有待深入研究。