塔克拉玛干沙漠人工绿地与自然沙地能量收支差异研究

霍 文，智协飞，杨 帆，周成龙，王 豫，宋美琪，潘红林，买买提艾力·买买提依明，何 清

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 210044；3.南京大气科学联合研究中心，江苏 南京 210044）

沙漠是地球陆地表面一种极具代表性的下垫面形式，因其反照率高、沙粒热容效率高等独特的土壤物理属性，形成了与其他下垫面形式不同的典型能量收支特征。为此，很多学者致力于沙漠区域能量收支的研究[1-6]。能量收支的研究受到多国学者的重视，特别是其对全球气候变化与生态系统的影响研究显得十分重要。Brown[7]利用全球能量收支的估算进而评估未来全球变暖的趋势。孙昭萱[8]与岳平[9]研究和探讨了我国黄土高原因能量收支延伸的气候特征与土壤参数化问题。我国著名的黑河试验（HEIFE）与内蒙古半干旱试验也不乏能量收支的研究[10-12]。Holtslag[13]利用大气—土壤—植被耦合模型研究了粗糙度对通量和边界层发展的影响。Jochum[14]利用（EFEDA）数据，通过数值预报模型的网格化计算了整个研究区域的平均通量，并指出潜热通量边界影响效应。

试验数据是科学研究的基础，从20 世纪80 年代起，以WCRP（水文大气先行性实验）为先导，同时在IGBP（国际地圈生物圈计划）的协同组织下，世界各国开展了各种针对性的大型陆面过程实验，其中北美17 项、欧洲14 项、亚洲9 项、非洲5项、澳大利亚4 项、南美2 项[15]。北半球气候过程地面实验（NOPEX）[16]、欧洲沙漠化地区陆面研究计划（EFEDA）和黑河试验（HEIFE）都是国际上具有代表性的观测试验。黑河试验是我国最早的陆面过程野外试验，它开创了我国陆面过程研究的先河，也是亚洲第一次国际合作进行的大型陆面过程试验，被列为世界气候研究计划（WCRP）、水文大气先行性实验（HAPEX）和国际地圈生物圈计划（IGBP）中的一部分[15-17]。另外，我国还开展了“中国西部环境和生态科学研究计划”、“西北干旱区陆—气相互作用观测试验研究（NWC-ALIEX）”[15-18]。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所研究团队从21 世纪初一直关注塔克拉玛干沙漠的边界层气象问题，持续开展沙漠边界层综合观测试验，取得一些研究成果[19-22]。

本文研究基于沙漠区域小气候观测试验，利用连续的辐射能量观测数据阐述了研究区域的地表能量收支特征，从局地气候的角度揭示了由于人类影响而产生的地表能量格局改变。这种精细化、小尺度的沙漠区域小气候地表收支与能量平衡的细微甄别，有助于增强对沙漠区域不同地表格局能量辐射平衡特征规律的理解，同时也为沙漠陆面模式或者区域气候模式的参数化方案改进提供基础支撑。

1 观测系统与方法介绍

1.1 自然沙地观测系统

自然沙地观测系统以10 m 梯度为基准，监测要素含温度（T）、湿度（H）、风向（Wr）、风速（Ws）、大气压（P）、四分量辐射系统、土壤表层探测系统（T、H、热通量SHF、CO2）等。涡动相关观测系统配备有CSAT3 型超声风速仪[15]，LI-COR7500 型CO2/H2O水汽分析仪等传感器，数据采集频率10 Hz（图1）。

图1 自然沙地涡动相关观测系统与四分量辐射观测系统

1.2 人工绿地观测系统

80 m 梯度系统，探测层次为0.5、1、2、4、10、20、32、47、63、80 m，探测要素为风向风速、温度、湿度。土壤监测系统包括土壤探测系统，其中温度探测层次为0、-2、-5、-10、-20、-40、-80、-160 cm；湿度探测层次为0、-2、-5、-10、-20、-40、-80、-160 cm，热通量探测层次为0、-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm。研究级基准辐射站为太阳跟踪器、总辐射、散射辐射、天空长波辐射、地面长波辐射、地表反射辐射、UV-A、UV-B 紫外辐射、直接辐射、日照时数传感器、光和有效辐射等。10 m 处安装IRGASON 一式涡动相关传感器，80 m 处安装CSAT3+7500A 分体式涡动相关传感器，测定CO2/H2O 在空气中的摩尔密度、三维风速、超声虚温（声场温度）以及大气压、空气温度指标（图2）。

图2 人工绿地80 m 梯度观测系统、BSRN 辐射观测系统、涡动相关观测系统

1.3 计算方法

净辐射Rn计算公式：

式中，DR为太阳总辐射，UR为反射辐射，DLR为大气长波辐射，ULR为地面长波辐射。

地表能量平衡方程计算公式：

式中，Rn为地表净辐射；G0为表层土壤热通量；H为感热通量；LE为潜热通量。

观测数据采用了阳坤和王介民（2008）基于土壤温湿资料计算地表土壤热通量的新算法（TDEC）计算G0（表层土壤热通量）。其中感热通量H与潜热通量LE的计算基于湍流观测数据计算：

式中，r为空气密度；Cp为定压比热；l为蒸发潜热；q′与q′分别代表位温和比湿的脉动量；W′为垂直风速的脉动量。

能量平衡闭合计算公式：

式中，EBR为能量平衡比（无量纲）；D为能量平衡残差；H为感热通量；LE为潜热通量；Rn：净辐射；G0为土壤热通量，单位均为W·m-2。其中，S为冠层热储量，自然沙地S为零，人工绿地植被均为低矮稀疏的固沙灌木，属于干旱区草地生态系统冠层，S本身值很小，且不易测量，因此本文在分析能量闭合时忽略不计[15]。

2 特征解析

2.1 地表辐射参数

辐射能量各参数时间尺度变化特征显著，契合辐射收支基本规律。太阳总辐射（DR）、反射辐射（UR）在沙地与绿地变化趋势类同，夏季为高峰季节，7 月为峰值月，地面长波辐射（ULR）在不同下垫面反馈不同，沙地与绿地日尺度最大差值为50 W·m-2。

地表反照率（Surface Albedo）是上述差异的主控因子，其性质决定了下垫面对辐射的吸收特征。因观测地点临近，可忽略太阳高度角的影响，自然沙地在年尺度内具有很好的均一性，因此反照率相对稳定（图3a）。人工绿地反照率（图3b）月尺度变化波动大，在植被生长周期6—10 月，反照率位于低值区。由于滴灌活动改善了沙漠地表水分条件，提高了土壤湿度，导致了反照率值减少。图4 给出了土壤湿度对反照率的影响。绿地土壤湿度月平均日变化明显比沙地复杂。沙地20 cm 土壤湿度表征效应滞后于5 cm，这符合土壤水分传递基本特征。而研究区域的人工绿地主要集中在两侧高大沙丘之上，受地形影响，水分的传递被重力条件与地形条件共同支配，地形条件增加了重力向下的矢量，因此更多的水分易先往深层传递，再随地形扩散，从沙垄向垄间迁移。这就引发了人工绿地表层土壤湿度滞后于深层土壤的现象。

图3 地表沙地（a）与绿地（b）反照率月平均变化

图4 土壤湿度月变化

2.2 地表能量通量参数

从图5 可知，全年自然沙地Rn小于人工绿地（12 月除外）。沙地夜间最小值（-95 W·m-2）低于绿地（-90 W·m-2），出现在10 月；沙地最大值（405 W·m-2）低于绿地（452 W·m-2），出现在7 月。Rn日正负值更替规律表现出很强的季节性，以夏季7 月为例，绿地负转正更替时刻为5：30，沙地为6：30；绿地正转负更替时刻为18：00，沙地为18：30，沙地存在滞后效应。同理，以冬季1 月为例，Rn负转正更替时刻绿地为08：00、沙地为08：30；反之正转负，绿地为15：30 沙地14：30。Rn夏季日尺度正值区长，冬季夜间负值区长，符合季节特征规律。

图5 能量平衡各个分量月平均变化

G0的日变化趋势呈单峰分布，G0峰值出现时间比Rn提前1.5 h。沙地G0小于绿地，这是由于绿地在生长期土壤水分条件优于沙地，影响了两种下垫面的土壤热传导率而造成的。不同下垫面、不同层次G0的月平均日变化凸显了时间尺度特征。日间，热量传输方向由表层到深层垂直向下，以午后为分界点，热量传输强度递减。夜间由于地表辐射冷却，热量传输方向由深层到表层垂直向上。绿地的G0日振幅大于沙地，绿地土壤热导率和热容量受到植被与水分条件影响，导致绿地单位时间内更多的热量与能量被传递。

绿地H与沙地H变化趋势一致，在不稳定季节（春、夏）高，在稳定季节（秋、冬）低。在湍流发展强烈的夏季，绿地6 月H小于沙地H、7 月基本一致，8月绿地小于沙地，极值出现在6 月，沙地H最大值为198.6 W·m-2，绿地H最大值为175.3 W·m-2。日间随着时间推移，辐射强度递增，地表增温速率大于空气增温速率，产生向上的热对流，有利于H增大。沙地与绿地的地表温度差异不大，但受植被热容量的制约，两种下垫面近地面空气温度存在明显的位相差，致使湍流强度产生差异，因此自然沙地的感热通量要大于人工绿地[15]。

LE的主控因子为水分条件，塔克拉玛干沙漠腹地常年极端干旱，LE为低值区是常态。沙地6—7 月LE有显著提升，6 月平均日峰值达82 W·m-2，7 月平均日峰值达58.3 W·m-2，这可能受到局地环流的影响[23]。在人工绿地的生长与成熟周期，绿地LE大于沙地。绿地LE6—7 月为峰值周期，由观测资料可知6 月降水量累计值为23.9 mm，7 月累计降水量为5.2 mm，可见，降水是影响LE变化的主导因素之一。绿地LE与沙地LE日尺度变化规律与H类似，这里不再赘述。在植被覆盖区域，日间随着太阳辐射的增强，温度递增，植被凝结水和土壤表层水随着蒸腾作用变为水汽，并在垂直方向上扩散，因此，LE在正午左右达到最大值。午后因蒸发强烈，绿地由液态向气态转化的水汽量不断减弱，其垂直输送强度也相应递减，导致LE趋于减少，在夜间达到最低值[15]。

2.3 地表能量分配格局

在了解研究区域的地表能量特征参数变化规律的基础上，进一步剖析各个特征参数的能量分配格局，有助于深入了解研究区的净辐射耗能比（图6、图7）。沙漠地区夜间层结稳定，日间湍流旺盛，日出日落时段属于稳定期与不稳定期的转换期，耗能比易出现跳跃值，此时，Rn在低值区，客观映射了耗能比的不稳定期。自然沙地净辐射的主要耗能形式以H和G0为主，H最大，LE最小[15]。研究区域，日间辐射强度大，空气含水率低，地表水分条件差，能量传递由上至下，耗能形式以H为主；夜间大气多为稳定状态，缺乏外部能量输送，地表在日间储存的能量由下向上释放，耗能形式以G0为主。

图6 人工绿地不同季节能量分配日动态

图7 自然沙地不同季节能量分配日动态

研究区域的界域尺度小于塔克拉玛干沙漠，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（绿地与沙地）。绿地日尺度LE的耗能比大于沙地，沙地LE的耗能比受水分条件限制，处于一个稳定状态。如图8 所示，绿地日尺度（LE）的耗能比增加了1.5%。同为干旱区，敦煌戈壁（LE）的耗能比为3.8%，H为主要耗能形式[24]。相反，水分条件优越的华北平原耗能比以LE为主[25]。

图8 6—8 月沙地与绿地潜热通量耗能比日尺度变化

2.4 地表能量闭合特征

郭建侠等[26]指出能量平衡残差D可以较为全面地评估出由于观测测量原因以及误差项所导致的能量平衡差，其正负值及阈值区间变化体现了能量的不平衡程度[15]。研究区域内，沙地D值与绿地阈值区间存在明显差异。在冬季，沙地D值范围为-0.23～91.69 W·m-2，绿地为-21.34～74.36 W·m-2；在夏季沙地D值范围为-56.52～23.16 W·m-2，绿地为-99.48～91.09 W·m-2。下垫面的不同，地表加热与冷却速率不同，从而导致了地表与大气之间温度差表征不同，因此，不同下垫面D值区间范围存在异同。以白天为例，沙地地表状态均一性强，地表沙地在辐射条件下加热快，空气加热速率慢，明显的地气温差形成热对流，造成湍流活动强烈，因此在日尺度范围内，正午D值接近极大值，在日出前后或者午后时段接近0，而这个时段即为日尺度内能量闭合率较高时段。受植被影响绿地D值夏季最小、冬季最大（图9、图10）。

图9 人工绿地（a）与自然沙地（b）不同季节地表能量平衡比率（EBR）的日变化

图10 人工绿地（a）与自然沙地（b）不同季节地表能量残差（D）的日变化

由图11 可知，绿地能量闭合线性回归的拟合系数R2夏季最优，为0.541，冬季最差，为0.298。春、秋季拟合系数R2略低于夏季。沙地能量闭合线性回归的拟合系数R2春、夏最优，为0.882，冬季最差，为0.669。研究区域的夏季闭合率最高，冬季最低，且其不闭合率在绿地＞50%，在沙地接近50%。人工绿地的不闭合率低于自然沙地，D值较小也印证了这一点。由于小地形起伏及下垫面条件的共同影响，不同下垫面的闭合情况存在明显的差异特征[15]。人工绿地秋季拟合系数R2为0.526，出现过闭合状态，也是由于日出时能量不稳定、观测值跳跃引起的（图11）。

图11 人工绿地（a）与自然沙地（b）不同季节地表能量的闭合状况

图12 为绿地与沙地白天和夜间的能量闭合状态。白天沙地能量闭合线性回归的拟合系数R2春季最优，为0.851，其他三季依次为：夏（0.756）、秋（0.771）、冬（0.660）。可见白天拟合系数R2比全天低，因此，沙地日间是负贡献。绿地能量闭合线性回归的拟合系数R2秋季最优为0.450，其他三季依次为：春（0.4）、夏（0.294）、冬（0.174）。同理，绿地日间也是负贡献，且贡献率更大。在夜间，绿地与沙地有效能量与湍流能量的回归散点值更接近0，说明研究区域的夜间闭合率为正贡献。

图12 人工绿地（a）与自然沙地（b）不同季节白天和夜间地表能量的闭合状况

3 讨论

在沙漠极度干旱背景下，基于观测试验，诠释了自然状态下沙漠地表与人工绿地的能量各分量的差异，原因归纳如下：

（1）由于人类活动，建设了人工绿地，改变了地表反照率、增加了储热量、地表蒸发增加导致了反射通量在入射通量中的比例、改变了净辐射能量分配，造成能量收支差异。

（2）自然沙地加热速率快，形成地气温差，引发垂直热对流，形成了以大气感热通量为主能量分配格局。人工绿地的植被改善了水分条件，引起了实际蒸发增强，形成了温度差异，在日间与夜间促进了局地环流的形成，触发了潜热通量增大、感热通量减小。

因此，在极端干旱的沙漠区，在人为活动的影响下，人工绿地成为下垫面性质改变的典型案例，下垫面格局的改变成为能量平衡参数规律性表征的主要归因；人工绿地温度、湿度的变化，形成不同于自然沙地的演变规律；温差效应引发在垂直和水平方向上局地风环流，从而改变感热通量、潜热通量的传输特征规律，最终导致不同下垫面的能量收支差异[15]。

4 主要结论

（1）自然沙地与人工绿地之间的ULR日尺度最大差值为50 W·m-2，植被区地表反照率6、10 月是客观反映的低值时段，这是由于滴灌是沙漠中人工绿地水分供给的主要方式，促进了沙漠土壤含水率的提升，从而影响了地表反照率的变化。春、夏季是绿地H与沙地H的高值季节，6 月是极值出现期，其中沙地（H）极大值为198.6 W·m-2，绿地H极大值为175.3 W·m-2。植被生长与成熟周期，绿地LE日尺度震荡幅度较沙地更为强烈，相对于沙地增加了15%。研究区域Rn的主要耗能是H与G0，其中白天以H为主导，夜间以G0为主导。

（2）日间与夜间的大气稳定条件决定了EBR的波动幅度，在日间沙地EBR递增速率大于绿地，在夜间绿地EBR变化幅度大于沙地，这是由不同下垫面能量平衡参数之间的差异引发的。沙地D值日尺度变化特征显著，与之相较，绿地D值日周期内变化趋势复杂。从日尺度上看，在能量转换的关键时段，即日出或日落时刻，D值波动大；从季节尺度看，不稳定季节（春、夏）D值变化幅度明显大于稳定季节（秋、冬）。

（3）研究区域的夏季闭合率最高，冬季最低，且其不闭合率在绿地＞50%，在沙地接近50%。对于全天闭合率贡献而言，沙地与绿地均为负贡献，且绿地负贡献影响更大；在夜间沙地与绿地均为正贡献。