綠洲-荒漠過渡帶陸面溫度與地表能量關系分析*
2012-05-10 06:44:32閆人華熊黑鋼
中山大學學報(自然科學版)(中英文) 2012年5期
閆人華，熊黑鋼，張 芳
(1．新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2．北京聯合大學應用文理學院城市系，北京 100083；3．教育部綠洲生態重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)
陸面過程是連接近地層大氣圈、水圈、生物圈和土壤圈之間關系的紐帶,也是它們之間進行物質和能量交換的橋梁以及發生相互作用的必然環節[1-2]。由于其深刻影響著區域環境的形成、全球氣候變化等問題，陸面過程的研究日益成為大氣物理學、生態學、氣象氣候學、地理學等相關學科的重點研究領域[3-4]。以地表能量平衡為主的地-氣能量交換過程是陸面過程研究的主要內容，它直接關系到陸面(土壤)溫度的形成和變化。而土壤溫度作為陸面過程中的重要物理特征，又反作用于地-氣間能量和物質流的循環，是研究地氣相互作用的重要參數，對氣候變化起著非常重要的作用[5-7]。因此，國外開展的大型陸面過程實驗EFEDA[8]、NOPEX[9]、BOREAS[10]等均將陸面溫度和能量平衡過程列為主要觀測項目。
自20世紀80年代在黑河流域開展國內第一個大型陸面過程觀測試驗(HEIFE)以來，我國已先后開展了西北河西走廊干旱區(NWC-ALIEX)[11-13]、淮河流域(HUPEX)[14]、西南云貴地區(JICA)[15]、青藏高原(TIPEX)[16]、內蒙古草原(IMGRASS)[17]等具有典型自然生態性代表區域的重大陸面過程試驗。它們一方面較好地揭示了這些不同性質下墊面的陸面過程特征與發生機理，特別是陸面溫度和能量平衡變化特征；另一方面也為我國奠定了陸面過程研究的理論和實踐基礎[18]。然而目前涉及非均勻下墊面的研究還不太完善，尤其是它在不同天氣條件下陸面溫度與能量平衡之間關系的差異研究尚需深入，以揭示其在不同環境條件下的響應程度，為陸面過程的參數化提供依據。處在綠洲與荒漠交錯位置，性質上介于兩者生態系統之間的綠洲荒漠過渡帶，是減輕荒漠對綠洲壓力的天然屏障和綠洲擴展并改造荒漠的先鋒[19-20]。而其特殊的陸面溫度變化及其與地表能量之間的關系特征則為過渡帶的穩定和發展提供能量支撐，因此，在該區開展上述相關研究是合理配置水熱資源，科學調控人類行為的基礎，關系著荒漠化的進退。本文以2010年7-9月準噶爾盆地東南部的綠洲荒漠過渡帶天然芨芨草地實測數據為基礎，分析了該區陸面溫度典型天氣條件下的日變化規律，采用相關分析和多元逐步回歸等方法定量研究了陸面溫度與地表能量通量之間的相互關系以及不同天氣背景對兩者關系的影響，并在此基礎上建立了預測陸面溫度的經驗模型。這些可深化對過渡帶陸面過程模式的研究，為進一步提高區域氣候模型的模擬水平奠定基礎，有利于該地區水熱資源的優化利用。
1 研究區概況
研究區是位于天山北麓，準噶爾盆地東南緣的新疆奇臺縣西北部萬木春林場附近(89°26′E， 44°11′N，海拔611 m)的大面積天然芨芨草地，向北1 km與我國第二大沙漠——古爾班通古特沙漠鄰接，屬典型的綠洲-荒漠過渡帶。該地區年平均氣溫5 ℃，年平均風速為2.9 m/s；多年平均降水量150 mm，而年平均蒸發潛力高達2 100 mm，屬溫帶大陸性干旱氣候。
地表主要植物為多年密叢生禾本科草本植物芨芨草(Achnatherumsplendens)，總蓋度30%左右，在100 m2內約有30叢，其間稀疏分布有苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛菜(SalsolacollinaPall)等小型植物，土壤為沙質土，地下水埋深3～5 m。
2 研究方法
2.1 數據觀測與處理
本研究主要觀測項目有輻射(包括總輻射、凈輻射)、空氣溫濕度、風速風向、土壤溫濕度、土壤熱通量、降水量。土壤溫濕度測量采用一體化土壤溫濕度傳感器TRIME-PICO-32/64(IMKO，Germany),分別埋設在地下5、10、15、20、40、60、80和100 cm等共8個深度；土壤熱通量板埋設在地表以下5 cm，降水量采用RE1雨量筒傳感器(Delta-T，England)測量。
總輻射、凈輻射分別采用ES2總輻射表(測量范圍：0～2 000 W；精度：±3%)和NR2凈輻射表(測量范圍：-500～2 000 W/m2；精度：±5%)觀測,均架設在距地1.5 m處。空氣溫濕度和風速風向均在芨芨草灌層以上0.5和2.5 m處進行觀測。其中，空氣溫濕度利用AT2(測量范圍：-20～80 ℃；精度：±0.5%)和RHT2(測量范圍：0～100%；精度：±2%(5%
利用SPSS統計分析軟件、DPS數據處理系統對野外所采集的數據進行整理和分析。
2.2 地表能量計算
波文比能量平衡法是國際上廣泛采用的精度較高的能量估算方法之一。并且許多學者也對該方法適用的可靠性進行了討論[21-24]，為此方法在觀測和計算的實際應用中就如何更好地提高精度提供了許多可借鑒的經驗。
波文比法基于能量平衡原理和梯度擴散方程，主要是利用溫度梯度和水汽壓梯度之比將下墊面獲得的能量分為感熱通量和潛熱通量
Rn=LE+H+G
式中，Rn為凈輻射通量(W/m2)，由輻射儀直接測出；LE為潛熱通量(W/m2)；H為感熱通量(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)，由土壤熱通量板測出；γ為濕度計常數(取值為0.646[25])；Δt為上下空氣溫度差(℃)；Δe為上下水汽壓差(hPa)。
3 結果與討論
3.1 不同天氣條件下陸面溫度日變化
地氣之間能量傳輸的日動態變化必然會反映到陸面(土壤)溫度的變化上。選取典型晴天(總云量<2成，7月22日)、陰天(總云量>8成，7月25日)、降雨天(1.2 mm/h，8月11日)，對比分析它們的土壤溫度日變化特征，以揭示不同天氣條件下土壤溫度日變化的差異性。各種天氣條件下40、60、80和100 cm深土壤溫度幾乎沒有明顯的日變化特征，始終分別維持在28、26、23和22 ℃的低水平上，受大氣能量傳輸的日變化影響較小(圖1)。因此將只討論20 cm以上土壤溫度的日變化特征。
晴天5、10和15 cm土層溫度日變化表現為準“S”型曲線，峰值隨深度的增加而逐漸減小，其出現時間也逐步滯后(圖1a)。10 和15 cm土層溫度峰值依次比5 cm(40.56 ℃)低4.43 ℃、7.46 ℃，出現時間分別比5 cm晚約2h、5h。這表明土壤溫度對短波輻射能量加熱的響應程度隨深度逐漸減小，主要是因為太陽輻射的直接照射，使地表溫度升溫迅速，而下層土壤則依賴于地表土壤熱量的傳遞，所以溫度上升緩慢，峰值時間延遲，數值減小。20 cm的土壤溫度則呈現出幅度較小的反相位變化，在中午14∶30達到最小值29.19 ℃，午夜0∶30左右出現最大值31.89 ℃。
雨天時，土壤溫度日變化與晴天規律相似，但振幅明顯減小，以5 cm土層為例，其變化極差為8 ℃，僅相當于晴天極差的53%(圖1c)。而且受雨水的影響，峰值大大削弱，5～20 cm各層峰值分別比晴天減小9.40、4.27、2.94、3.01 ℃。此外，5和10 cm峰值出現時間分別比晴天滯后1 h、0.5 h。
陰天時，土壤溫度的日變化與晴天的日循環規律明顯不同，總體上，5、10、15 和20 cm土層溫度日內均呈現出直線下降態勢。同時，這四層溫度隨深度的增加而增大(圖1b)。之所以出現該種情況，主要是與陰天土壤全天大部分時間在釋放熱量，自身能量虧損有關。這也說明了對于降水頻率少且強度小的該地區來說，陰天對土壤溫度變化的影響程度遠大于雨天。
平均的土壤溫度日變化也和晴天保持較高的一致性(圖1d)。這是由于夏季干旱區以晴朗天氣為主，陰雨天較少的緣故。
圖1 不同天氣條件下各層土壤溫度日變化特征
土壤活動層5～20 cm的溫度梯度差在一定程度上反映了地氣之間能量傳遞的方向性。除陰天外，5～20 cm的溫度梯度差都很強，最大值達到10.88 ℃，但其峰值表現為晴天>平均>雨天(圖2)。平均情況下的溫度差日變化與晴天最為一致，雨天也較為相似，都表現出正弦曲線形態。晴天和平均在12∶00-24∶00之間溫度梯度>0，熱量向下傳輸，土壤貯藏熱量；0∶00-12∶00之間梯度<0，土壤放出熱量。雨天由于受降水低溫的影響，梯度由負值轉為正值較晴天滯后2 h、由正值轉為負值提前2.5 h。陰天土壤溫度差則在大部分時間里小于0，表明陰天由于太陽輻射的不足，土壤幾乎全天作為熱源釋放熱量來彌補地氣系統能量的不足。
圖2 不同天氣條件下5～20 cm土壤溫度差
3.2 陸面溫度與地表能量關系
3.2.1 不同深度土壤溫度與地表能量關系 為更準確、深入地探討土壤溫度與地表能量之間的關系，本文將對土壤溫度進行分層討論。因地表能量傳輸主要發生在日間，故將觀測期內地表能量日間(8∶00-18∶00)數據與各層土壤溫度分別進行相關性分析，并作顯著性水平檢驗(表1)。
各表層土壤溫度與地表能量分量的關系均呈現出:相關系數隨深度的增加而逐漸減小，由正相關轉為負相關，且負相關趨勢增加的規律(表1)。這主要是由于隨著土壤深度的增加，土溫峰值出現的時間逐漸滯后，從而導致它們與能量日變化曲線不同步性愈來愈強，相關系數變小并轉為負數。到20 cm時，土壤溫度日變化曲線呈反相位變化，與各能量變化趨勢相反，兩者負相關性達到最大。表層5 cm土壤溫度與各能量分量相關性最好，對其變化反應靈敏性最強。其與土壤熱通量(G)的相關性分別是10、15 和20 cm、平均的1.61、6.81、2.72和1.54倍。因為土壤表層是SPAC(土壤—植被—大氣)系統的臨界面，能量交換首先從表層土壤開始。在下面的討論中，將只討論5 cm深土層溫度與各能量分量的關系。
表1 不同深度土壤溫度與各地表能量分量之間的相關系數1)
雖然Rn、LE、H、G與土壤溫度的線性相關性均達到極顯著性水平，但G最好，Rn和H居中，LE最差(表1)。這主要是由于G代表熱量進出土壤的多少，直接影響著土壤溫度的變化。白天G為正，且持續增大時，熱流不斷由地表向土壤深層傳輸，土壤能量盈余，使得溫度不斷升高。而Rn、LE、H則是通過作用于G，對土壤溫度產生間接影響。這表明綠洲荒漠過渡帶土壤溫度的變化是以G變化為基礎，同時還受其它能量相互影響而發生的。
3.2.2 不同天氣條件下地表能量與土壤溫度關系 晴天G與土壤溫度關系最為密切，陰天略差，雨天最小(表2)。陰天因為一方面云量與土壤溫度呈負相關，削弱了G與土壤溫度關系；另一方面受云層的影響，凈輻射少，氣溫較低，致使G數值較小，土溫變化緩慢，造成兩者相關性R2低于晴天19%(表2b)。雨天則由于水的比熱容較大，降水(RF)對土壤溫度的冷卻作用明顯，與其呈顯著負相關，從而干擾了G和土壤溫度變化的同步性，使得兩者相關性僅為晴天的49%(表2c)。平均情況與晴天相當都在0.61左右，表明在觀測期內由于晴天較多，受云和降水影響較少，兩者關系與晴天較為一致(表2d)，這也是干旱區所特有的特征。土壤溫度對G變化的反應強度(回歸系數)也呈現為：晴天和平均相當，陰天其次，雨天最小。
與G類似，Rn、LE與土壤溫度線性相關性均表現為：晴天>平均>陰天>雨天(表2)。這主要是因為晴天相比其它天氣，Rn、LE數值較大，引起土壤溫度變化較為明顯，致使與土壤溫度關系密切(表2a)。受云層和降水對Rn、LE的干擾，陰天和雨天相關性依次減弱，均低于晴天(表2b.c)。除晴天外，LE與土溫相關性均未達到顯著性水平，表明其對土壤溫度影響微弱。
H與土壤溫度線性相關性表現為：平均>雨天>晴天>陰天(表2)。土壤溫度對H變化的反應強度(回歸系數)卻表現出：平均>晴天>雨天>陰天。
表2 不同天氣條件下各地表能量分量與土壤溫度(T土-5cm)關系
3.3 陸面溫度預測模型的建立與檢驗
由于該區以晴天為主，陰雨天較少，因此從觀測期內各選取典型晴天13天、陰天3天、雨天2天的日內半小時值數據作為樣本，采用多元逐步回歸方法分別建立以土壤溫度為因變量，地表能量分量為自變量(陰天和雨天可能分別含有云量、降水量因子)的陸面溫度預測模型。不同天氣再另外各選取1 d相關數據作為樣本，進行模型預測效果的檢驗。
從P值看，各回歸模型都達到了極顯著性水平，但晴天和平均建模效果較好，決定系數(R2)分別為0.809 3、0.947 1；陰天次之，R2為0.662 3；雨天建模效果不如前三者理想，R2為0.211 2(表3)。預測陸面溫度與實測陸面溫度的相關性檢驗與此相似。各模型的預測值與實測值相關性均達到極顯著性水平(P均小于0.01)，且斜率接近于1，平均偏差(MBE)較小，但從R2和斜率來看，仍表現為晴天最好，陰天其次，雨天相對略差(圖3)。
表3 不同天氣條件下陸面溫度預測模型的建立
圖3 陸面溫度模型預測值與實測值的相關性檢驗
經過檢驗的預測模型表明，無論何種天氣條件下土壤溫度均主要受干熱性能量因子(Rn、G、H)的影響，而與生態系統因水份蒸發而引起的潛熱(LE)能量交換關系較小(表3)。這充分說明在降水稀少、水分短缺的干旱區，綠洲荒漠過渡帶SPAC系統(土壤-植被-大氣連續體)實際蒸散微弱，對土壤溫度影響較小。而在陰天和雨天，云量、降水因子則由于已通過地表能量受其影響后的大小變化來反映出其對陸面溫度的作用，因此在逐步回歸模型中未被引入。
4 結 論
1)晴天表層土壤(5、10、15 cm)溫度變化表現為標準的“S”曲線，峰值的大小和時間因土壤深度的增加而分別減小、滯后。而20 cm土壤溫度卻出現反相位變化。陰天由于較多的土壤熱量向大氣釋放，總體上，5～20 cm土壤溫度都大致表現出隨時間變化的直線遞減特征。雨天土壤溫度日變化形態與晴天相似，但振幅明顯偏小，5 cm土溫變化極差僅為晴天的53%。平均土壤溫度日變化也與晴天保持較高的一致性。無論何種天氣條件下，40 cm及其以下深層土壤溫度幾乎沒有日變化。
2)隨著深度的增加，表層(0～15 cm)土溫峰值出現的時間以2.5h/5cm速度推延，使得它們與能量日變化曲線不同步性愈來愈強。這些造成各能量分量與土壤溫度關系均表現為相關系數隨土壤深度的增加而逐漸減小，由正相關轉為負相關，到20 cm負相關性達到最大的規律。
3)各地表能量分量與土壤溫度相關性雖都達到極顯著性水平，但表現為G>Rn>H>LE。這主要是由于G直接代表進出土壤熱量的多少，而其它能量則是通過G對土壤溫度進行間接影響。
4)不同天氣條件下，G、Rn、LE與土壤溫度相關性均表現出晴天>平均>陰天>雨天，土壤溫度對其能量變化的反應強度(回歸系數)也均表現出：晴天和平均相當，陰天其次，雨天最差。雨天降水對土壤溫度具有冷卻作用，與其呈顯著負相關(R=-0.338)。陰天云量也與土壤溫度呈負相關(R=-0.530)。
5)適合不同天氣條件的陸面溫度預測模型表明：由于干旱區SPAC系統實際蒸散微弱，綠洲荒漠過渡帶土壤溫度主要受干熱性能量因子(Rn、G、H)的影響，與濕熱性能量因子(LE)關系較小。
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