溫帶針闊混交林內溫度和水汽壓垂直梯度變化特征*

楊亞麗，任傳友**，王艷華**，喬延艷，秦 瑜

（1. 沈陽農業大學農學院大氣科學系，沈陽 110866；2. 遼寧省本溪市氣象局，本溪 117000）

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溫帶針闊混交林內溫度和水汽壓垂直梯度變化特征*

楊亞麗1，任傳友1**，王艷華1**，喬延艷1，秦 瑜2

（1. 沈陽農業大學農學院大氣科學系，沈陽 110866；2. 遼寧省本溪市氣象局，本溪 117000）

摘要：應用長白山針闊混交林2003-2005年空氣溫度和水汽壓梯度觀測資料，以4、7、10和1月分別代表春、夏、秋和冬季，分析不同季節典型晴天條件下林內氣溫、水汽壓的垂直分布規律及其日變化特征，以冠層頂部的氣溫和水汽壓為本底值構建林內氣溫和水汽壓隨觀測高度變化的廓線函數，分析其變化特征。結果表明：（1）林內各觀測高度的氣溫均具有單峰曲線形式的日變化特征，最高值出現在15：00左右，最低值出現在日出前，林內各高度氣溫日較差以秋季最大，冬季最小，各季氣溫日較差均隨高度的增加而減小；（2）在春、秋和冬季，林內氣溫表現出隨高度增加而升高的趨勢，且具有明顯的日變化規律，在正午前后林內氣溫的垂直梯度較小，甚至表現出氣溫隨高度增加而減小的趨勢，而其它時刻林內氣溫的垂直梯度較大，在夏季，各個時刻林內氣溫均隨觀測高度的增加而升高；（3）不同季節林內水汽壓的日變化特征不同，春、秋和冬季各觀測高度水汽壓皆呈單峰曲線的分布規律，而夏季則呈雙峰曲線形式的日變化規律；（4）同一時刻不同季節林內水汽壓垂直分布規律存在顯著差異，而同一季節不同時刻的水汽壓垂直分布廓線形狀相似，夏季林內水汽壓隨觀測高度增加而降低的規律明顯，其它季節水汽壓的垂直梯度則較??；（5）林內氣溫和水汽壓垂直分布廓線均近似滿足對數曲線規律。

關鍵詞：森林；氣溫；水汽壓；垂直梯度；對數規律

楊亞麗，任傳友，王艷華，等.溫帶針闊混交林內溫度和水汽壓垂直梯度變化特征[J].中國農業氣象，2016，37（1）:11-18

森林是陸地生態系統的主體，在地-氣相互作用及全球氣候變化的研究中具有重要意義[1]。森林無時無刻不與周圍環境進行著物質和能量交換，森林的溫濕度等氣象要素既是這種交換過程的結果，同時又構成這種交換的未來條件[2]。植物的光合蒸騰等生理過程受溫濕度等微氣象因子的影響和限制[3-4]，在較高大的森林冠層中，林冠內的微氣象條件隨冠層深度的變化很大，Leuzinger等[5]對溫帶混交林的研究表明，林冠層溫度比其上層空氣溫度高4.5～5.0℃，這必然會導致林內不同冠層深度處植物的生理過程表現出明顯的差異，因此，精確的森林生態系統冠層尺度的碳水交換過程的模擬必須以準確的微氣象條件隨冠層深度變化的獲得為前提。

20世紀70、80年代，關于大氣中氣象要素廓線規律的相關研究已取得較豐碩成果[6-8]。森林冠層的遮擋作用，導致森林冠層內微氣象要素的垂直變化規律比大氣中復雜得多。林內氣象要素的垂直梯度規律主要決定于兩方面的因素，一是與林冠結構有關的動力作用，主要表現為阻擋作用；二是與熱源/匯有關的熱力作用，熱力作用除決定了溫度和濕度的本底值外，還影響大氣的層結狀態。相關研究也表明，森林內溫度不僅與林冠結構有關，同時很大程度上決定于環境條件[5，9]，且不同的森林類型、不同季節及一天中的不同時刻，冠層內溫度及濕度的垂直分布規律也存在明顯差異[2]，而林冠結構[2]與氣溫和凈輻射[1]是造成這種差異的最根本原因。不同地區的森林結構不同，導致森林中氣象要素的垂直分布規律具有明顯的差異，長白山針闊混交林是中國最大的林區之一，屬成熟的原始森林，是東北地區典型的地帶性植被，研究其冠層內氣象要素的垂直分布規律，對于精確模擬冠層內的碳水交換過程，使之更接近于真實情況，減少碳評估中的不確定性具有重要意義，但有關長白山針闊混交林內氣象要素垂直分布規律方面的研究還鮮見報道。本文以長白山針闊混交林為研究對象，采用微氣象觀測塔的氣象要素梯度數據，分析評價不同季節、不同時刻的林內溫度、水汽壓的垂直分布規律；并以熱力因素決定溫度和水汽壓的本底值為理論基礎，采用冠層頂部的溫度和水汽壓為本底值構建林內溫度和水汽壓隨高度的分布函數，以期補充針闊混交林林內氣象要素垂直分布規律方面研究的不足，為準確模擬混交林生態系統的碳水通量，減少該區碳水通量評估中的不確定性提供依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

研究在中國科學院長白山森林生態系統定位站一號標準地 （42°24′N，128°06′E，738m） 針闊混交林內進行。該地區是受季風影響的溫帶大陸性山地森林氣候，春季風大干燥，夏季短暫且溫暖多雨，秋季涼爽多霧，冬季漫長而寒冷。年平均降水量695mm，年平均氣溫3.6℃。降水多集中于夏季，6-9月降水量占全年總降水量的80%以上，冬季雖然降雪期很長，但降水量并不大。氣溫低，降水多而蒸發量少，以及森林的作用，使該地區非常濕潤，年相對濕度達70%。全區水熱狀況可以歸納為水量充沛、熱量不足而濕潤狀況良好。林下土壤為山地暗棕色森林土，地勢平坦，林型為成熟原始林，主喬木為水曲柳（Fraxinus mandshurica）、紅松（Pinus koriaensis）、椴樹（Tilia amurensis）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、色木槭（Acer mimo）。林分為復層結構，平均株高約26m，立木株數約560株·hm?2，下木覆蓋率40%，郁閉度0.8，平均冠層高度約為26m[10]。

1.2 數據來源及預處理

觀測樣地內建有高62.0m的微氣象觀測塔，塔上裝有常規氣象要素的觀測系統，其中大氣溫濕度（HMP45C，Vaisala，Helsinki，Finland）的7層廓線高度分別為2.5、8.0、22.0、26.0、32.0、50.0和60.0m，原始采樣頻率為0.5Hz，通過數據采集器（CR23X and CR10X，Campbell Inc.，USA）采集并按30min計算平均值進行存儲。

觀測區間為2003年1月-2005年12月，氣溫和水汽壓每30min輸出一個平均值，每天得到48個觀測數據。對整個觀測期內典型晴天條件下氣溫（Ta）和水汽壓（Pw）觀測數據按月份、時刻及層次求取平均值，得到各時刻及各層次的月平均氣溫和水汽壓，本研究分析數據即以此為基礎。由于林內和林上氣溫梯度的變化規律差別很大，而水汽壓在林內和林上的變化規律則基本一致，因此本文在分析時，氣溫僅選取林內的5層，而水汽壓則選取林內和林上的全部共7個層次的數據。

不同季節內及一日內的不同時刻，林內的熱源/匯狀況導致森林溫、濕度垂直廓線也存在差異?；诖耍疚倪x擇1、4、7、10月分別作為冬、春、夏和秋季的代表月份探討長白山針闊混交林內氣溫、水汽壓的垂直分布規律的季節變化，選擇6個時刻（0：00、4：00、8：00、12：00、16：00、20：00）探討氣溫和水汽壓垂直分布的日內變化規律。

2 結果與分析

2.1 各季節林內氣溫變化特征

2.1.1 代表月林內氣溫的日內變化

各季節代表月在典型晴天條件下月平均氣溫的日內變化如圖1所示，由圖可見，各代表月不同高度處氣溫的日內變化趨勢一致，均為單峰曲線。氣溫最高值的出現時間也基本一致，均在15：00前后；而最低值出現時間存在很大差異，冬季（1月）最低值出現在7：00前后，而春季（4月）、夏季（7月）和秋季（10月）在5：00左右。氣溫最低值一般出現在日出前，這是因為夜間下墊面輻射冷卻，各高度處氣溫均降低，日出后地表被太陽輻射加熱，熱量通過湍流交換進入近地層大氣中，氣溫開始回升。由圖1還可看出，1月和10月白天（10：00-17：00）各高度層間氣溫的差異不大，其它時間差異較明顯?？傮w上各季節均表現為，26m（即平均冠層高度）以上各層的氣溫明顯高于同時刻低層林內氣溫，這與森林的遮蔽作用使白天進入林內的太陽輻射減小，而夜間地面輻射冷卻及下沉的冷空氣不易擴散有關。

由圖2可見，各層最高、最低氣溫變化的不一致導致其氣溫日較差出現明顯差異。各季節代表月不同高度處氣溫日較差平均值隨著觀測高度增加而呈減小趨勢，其中1月氣溫日較差隨高度減小最快（斜率k＝ -0.7806），7月最慢（斜率k＝ -0.6896）。此外，在各觀測高度上，1月氣溫日較差均小于4、7、10月，4、7、10月之間則差異不明顯。

圖1 各季節代表月不同觀測高度氣溫的日內變化Fig. 1 Diurnal variations of air temperature at different observed heights in different seasons

圖2 各季節代表月平均氣溫日較差隨高度的分布Fig. 2 Distribution of mean diurnal temperature range with height in representative months

圖3 各季節代表月溫度廓線的日內變化特征Fig. 3 Diurnal variations of temperature profile in different seasons

2.1.2 代表月林內氣溫垂直梯度的日內變化

由圖3可見，林內不同觀測高度氣溫廓線有明顯的日變化特征。春、秋和冬季各個時刻的變化規律相似，日出前，氣溫隨著觀測高度的增加而增加，且冬季較春、秋季表現明顯，隨著時間的推移，氣溫隨觀測高度增加而增加的趨勢逐漸減弱，在日出前后，由于夜間的輻射降溫，春、秋、冬季在冠層頂部的氣溫達到最低值，日出后，隨著下墊面吸收太陽輻射的增加，林內氣溫則高于林冠之上，16：00以后，隨著下墊面輻射能流入量的減少，林內氣溫再次降低。12：00-16：00，林內溫度梯度明顯小于0：00、4：00、8：00和20：00共4個時刻，期間，溫度隨著高度增加略有減小，溫度層結變為不穩定狀態，湍流交換加強，至16：00，林內溫度隨高度變化不明顯，溫度層結呈中性狀態，至20：00，林內又出現逆溫，恢復穩定狀態。夏季（圖3b）各時刻林內溫度隨觀測高度的變化規律不同于其它3個季節，林內各時刻溫度均隨高度增加而升高，即林內全天有逆溫存在。0：00和4：00林內溫度變化梯度較小，其它時刻林內溫度隨高度變化較快且隨高度的增加而增加，8：00-16：00，林冠層頂的溫度最高，在林冠層頂以上隨高度的增加溫度又有所降低。由于夏季冠層枝葉繁茂，白天對太陽輻射的遮蔽作用很強，到達林內的太陽輻射隨著冠層深度的加深快速減少，冠層頂得到的輻射多，因此溫度最高，而晚上由于輻射冷卻，越靠近地面溫度越低。由此可見，全年大部分時間林內均存在逆溫，即處于溫度層結穩定狀態，湍流運動相對較弱，且冬季的逆溫強度最強。

由圖3還可見，盡管各季節溫度廓線形狀略有差異，但其基本形式一致，近似滿足對數曲線的變化規律，可擬合為

式中，Th和Ttop分別為高度為h處和冠層頂（本文取為26.0m）處的溫度，a和b為參數。利用各代表林內的4個層次月平均溫度資料進行擬合，結果見表1。由表可見，各季不同時刻溫度廓線對數方程的擬合整體較好，多數通過了0.05水平的顯著性檢驗。

表1 各季節代表月林內溫度廓線對數規律模擬效果Table 1 Statistics result of temperature profiles simulated by logarithmic law in different seasons

2.2 各季節水汽壓變化特征

2.2.1 代表月水汽壓的日內變化

在林內，水汽的源主要是林下土壤的蒸發和冠層的蒸騰，此外，還有被葉片截留的降水的蒸發。由圖4可見，林內及其上部水汽壓日內變化規律的季節差異明顯。春季（4月）各層水汽壓的日內變化規律表現為余弦曲線，最大值出現在凌晨，最小值出現在14：00左右（圖4a）。秋季（10月）和春季（4月）各層的水汽壓日變化規律相似，均表現為單峰曲線，但水汽壓的上升和下降趨勢比春季變化劇烈。冬季（1月）水汽壓的日內變化曲線仍表現為單峰曲線，但與春季的表現形式基本相反，最高值出現在12：00左右（圖4d）。夏季，各觀測高度水汽壓的日內變化不同于其它3個季節，表現為雙峰曲線，在日出前和14：00左右水汽壓最小，而在9：00和17：00左右出現最大值。夏季因日出前的低值與此時溫度低，蒸發量小，且近地層水汽出現凝結現象有關；而午后14：00左右的低值則是由于此時輻射較強，氣溫達到一天中的最高值，一方面高溫使冠層蒸騰作用減弱，另一方面森林經過較長時間的蒸發，林內土壤濕度下降致使林地地表土壤蒸發降低，而此時湍流交換較強，林內上下層空氣交換充分，使空氣中的水汽壓降低造成的。9：00和17：00左右，由于溫度較高和森林蒸騰量大以及湍流作用不太強的原因，出現兩個峰值。夏季林地上2.5m處的水汽壓在全天均最大，且日變化劇烈，而林內其它層及林冠上部的水汽壓日內波動較小，主要由于此時降水充沛，土壤含水量高，隨著日出后溫度升高，加快土壤蒸發，使近地面的水汽壓快速增大，日落后各高度上的水汽壓開始緩慢下降。

盡管不同季節間林內及其上部水汽壓的日內變化規律有明顯差異，但是在同一季節內，林內及其上部水汽壓的日內變化規律基本一致，尤以春季和秋季表現明顯，這可能與這兩個季節天氣狀況少變有關。長白山地區屬溫帶季風氣候，雨熱同季，降水主要集中在夏季，因此不論林內還是其上部，冬季水汽壓均極顯著小于夏季（P＜0.01）。從圖4中還可看出，林內水汽壓日內變化的振幅在夏季最大，約為0.25kPa，春、秋季次之，約0.10kPa，冬季最小，在0.05kPa以下。此外，在春、夏和秋季越接近地表水汽壓越大，而冬季則相反，表明林地土壤是春、夏和秋季林內水汽的主要來源，而冬季則為水汽的匯。冬季（圖4d）林內水汽壓明顯低于林冠之上（50.0 和60.0m處），但林內水汽壓日內變化的振幅比林冠之上明顯，且越靠近林地表面，水汽壓日變化的振幅越大。在冬季，10：00之前林內水汽壓隨著觀測高度升高而增大，10：00-19：00則隨之減小。日出后，林內水汽壓快速增大，不同高度水汽的增加速率明顯不同，林內水汽壓的增加速率大于林冠上，且越靠近地面增速越大，這表明林地地表是冬季白天水汽的源。

圖4 各季節代表月不同觀測高度水汽壓的日內變化Fig. 4 Diurnal variations of vapor pressure at different observed heights in different seasons

2.2.2 代表月水汽壓垂直梯度的日內變化

由圖5可見，同一時刻不同季節林內水汽壓垂直分布形式存在明顯差異，而相同季節不同時刻的水汽壓垂直分布廓線形狀相似。春季和秋季林內及其上部水汽壓的廓線形式基本一致，表現為自地面至冠層頂部遞減的分布規律，而冠層頂部以上，水汽壓隨觀測高度的變化不明顯。冬季冠層水汽壓垂直分布廓線在4個典型時刻相似，各層水汽壓值均較小，在0.1kPa左右，且隨著觀測高度增加，水汽壓無明顯變化。夏季，由于氣溫較高，降水充沛，白天土壤蒸發量較大，使近地面層水汽壓最高，隨著高度增加，水汽壓迅速減小，到離地面8.0m時，水汽壓梯度變小并趨于穩定，在22.0m處開始增大，至26.0m的冠層頂部，水汽壓出現相對的極大值。冠層內部出現水汽壓的極大值在白天表現尤為明顯，這與白天蒸騰作用較強使樹木冠層成為水汽的重要的源有關。

與溫度的分布類似，盡管各季節林內水汽壓垂直分布規律存在差異，但其分布形式基本一致，均近似滿足對數曲線規律，可擬合為

式中，Ph和Ptop分別為觀測高度為h和冠層頂（26.0m）處的水汽壓，a、b為參數。利用各代表月平均水汽壓的5層廓線數據進行擬合，結果見表2。由表可知，各季不同時刻水汽壓廓線對數方程的擬合效果較好，除冬季20：00外，均通過0.05水平的顯著性檢驗。

表2 各個季節不同時刻林內水汽壓廓線對數規律模擬效果Table 2 Statistics result of vapor pressure profiles simulated by logarithmic law in four seasons

圖5 不同時刻水汽壓廓線的季節變化Fig. 5 Seasonal variations of vapor pressure profile at different o’clock

3 結論與討論

長白山針闊混交林內溫度呈明顯的日變化特征，表現為單峰曲線，15：00左右達到最大值，日出前溫度最低；林內各觀測高度的溫度日較差冬季最小，且隨著觀測高度的增加其振幅變小。此結論與對落葉闊葉林的研究不一致，李海濤等[2]研究表明，落葉闊葉林1月份林內氣溫日波動程度小于7月，這可能與當地的氣候背景有關。春季、秋季和冬季各時刻的溫度垂直變化規律相似，中午前后溫度隨著觀測高度升高而減小，其它時刻均隨之緩慢升高，即有逆溫存在，而夏季全天林內存在逆溫層，即林上（26m以上）氣溫在大多數時刻高于林內，這一結論與楊振等[9]對西雙版納熱帶雨林林冠層溫度的研究結果一致。

林內及其上部各觀測高度水汽壓的日內變化特征一致，春季和秋季白天（8：00-18：00）的水汽壓明顯低于早晚和夜間；冬季林內水汽壓則白天大于夜間，且林上水汽壓始終高于林內水汽壓；夏季為降水季節，林內及其上部水汽壓較高，大于0.3kPa，明顯高于春秋冬三季，其日變化規律也較其它三季復雜，表現為雙峰曲線，在日出前和14：00左右水汽壓最小，而在9：00和17：00左右出現最大值，這一結論與傅抱璞等[11-12]的研究結果一致。夏季林內水汽壓的垂直梯度最大，春秋季次之，冬季最小。

林內溫度和水汽壓廓線盡管在不同季節間存在差異，但是其基本變化規律一致，均近似滿足對數曲線規律。

本文分析了針闊混交林內氣溫和水汽壓垂直梯度的日內變化和季節變化特征，分析了產生這些特征的可能原因，并構建了以冠層頂部的氣溫和水汽壓為本底值的林內溫度和水汽壓隨高度的分布函數。研究結果補充了針闊混交林內該方面研究的不足，本文給出的林內氣溫和水汽壓的對數廓線分布規律也可為進一步提高針闊混交林內碳、水通量的模擬精度所需的林內微氣象條件的精確獲取提供保證。由于森林結構復雜，不同季節、不同時刻林內溫度和水汽壓的垂直梯度分布規律仍表現出較大的不一致性，溫度和水汽壓隨高度分布的對數曲線的參數a和b也存在很大的季節及時刻間的差異，這種差異與哪些因素有關，能否用其它的氣象要素擬合參數a和b，得到一個適用于各個季節各個時刻的統一的垂直分布廓線函數，相關研究還有待進一步加強。

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Vertical Gradient Variations of Temperature and Vapor Pressure in Temperate Coniferous and Broad-leaved Mixed Forest

YANG Ya-li1, REN Chuan-you1, WANG Yan-hua1, QIAO Yan-yan1, QIN Yu2
（1.College of Agriculture， Shenyang Agriculture University， Shenyang 110866，China; 2.Meteorological Bureau of Benxi， Benxi 117000）

Abstract：Using the data of air temperature and vapor pressure observed at temperate coniferous and broad-leaved mixed forest ecosystem over Changbai mountain during 2003 to 2005， with April， July， October and January represented as spring， summer， autumn and winter， respectively， the vertical distribution patterns of them and their diurnal variations were analyzed on typical sunny days in four representative months， and the profile functions of air temperature and vapor pressure with observed height under the canopy top were constructed by method of using the top of canopy air temperature and water vapor pressure as normalized values. The results are as followed: （1）the diurnal variation of air temperature characterized by single peak curve obviously with the highest value at 15：00 and the lowest at dawn. The diurnal air temperature range decreased with higher height in all seasons and with the maximum diurnal air temperature range in autumn and minimum in winter. （2）In spring， autumn and winter， air temperature within forest increased as height ascended accompanied by obvious diurnal change pattern. The vertical gradient of air temperature was extremely large at times except noon， whereas the gradient was small and even showed the trend of air temperature decreasing as height ascended at noon. In summer， air temperature increasedbook=12,ebook=15with observed height higher at any times. （3）The diurnal variations of the vapor pressure were different in four seasons. The vapor pressure showed diurnal patterns by single peak curve in spring， autumn and winter contract with that by double peak curve in summer. （4）The vertical distribution of vapor pressure at given time was seasonal divergence obviously， whereas at given season they had the similar vertical distribution at different times. The vertical gradient of vapor pressure was larger in summer than that in other seasons characterized by vapor pressure went down with observed height higher. （5）The profiles of air temperature and vapor pressure within forest can be fitted with logarithm law.

Key words：Forest；Air temperature；Vapor pressure；Vertical gradient；Logarithm law

作者簡介：楊亞麗（1989-），女，碩士生，主要從事應用氣候學研究。E-mail：15040048856@126.com

基金項目：國家自然科學基金（31070429；31201124）

* 收稿日期：2015-05-19**通訊作者。E-mail：rechuanyou0421@sina.com.cn；yanhuawang999@sina.com.cn

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.002