塔中地面加熱場強度變化特征分析

王 娟，霍 文，何 清

（1.桂林市氣象局，廣西 桂林541001；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 烏魯木齊830002）

隨著氣候與環境科學的深入研究，陸面過程中的地氣相互作用已經成為大氣科學和環境科學研究的重要基礎。地面加熱狀況是地氣相互作用的重要參數之一，直接影響大氣環流和天氣氣候的變化[1]，對地面加熱場的監測也可為短期氣候預測提供依據[2]。塔克拉瑪干沙漠面積廣闊，下墊面和大氣之間的加熱作用對我國西北干旱氣候的形成有著重要作用。塔中位于塔克拉瑪干沙漠腹地，下墊面為廣袤的流動沙丘[3]。自然沙面這種獨特的下墊面，決定了研究區獨特的加熱場特征。因此，為了研究塔中的沙層與大氣之間熱量傳輸規律，分析塔中地面加熱場強度的變化特征具有十分重要的意義。

國內外學者對不同類型地表與大氣間能量交換過程進行了大量研究，以研究生態系統交換為主的國際通量網（FLUX-NET）在全球不同地區已有500多個通量站，這些站點，除包括風溫濕梯度、輻射、土壤溫濕及熱通量等觀測外，普遍使用渦動相關通量觀測系統進行近地層熱通量直測。Oncley等[4]、Foken研究組[5]對地氣間通量交換進行了系統性研究。國內研究始于青藏高原試驗研究（GAME/Tibet），李韌等[6]利用觀測數據（氣溫、地表溫度和地表水汽壓）給出了計算地面加熱場強度的經驗公式，同時考慮了感熱和潛熱對地面加熱場強度的影響。馬耀明等[7]根據地表的凈輻射和位于地表以下1cm處熱流板實測的土壤熱通量值，分析了草甸下墊面近地層的地面加熱場特征，草甸下墊面地表對大氣而言白天為強的加熱源，晚上為弱冷源。王昊等[8]利用衛星遙感資料和數值模式再分析資料，首先計算出感熱和潛熱通量，再根據地表能量平衡方程得到地面加熱場強度。

地面加熱場強度目前無法直接測量，在能量不平衡的地區[9]可以首先計算出地表土壤熱通量，再獲得地面加熱場強度。土壤熱通量一般用埋在地表以下數厘米的土壤熱流板觀測，或用土壤溫度和含水量梯度資料加上已知的土壤熱參數計算。而地表土壤熱通量的測定，受到太陽輻射和天氣條件等影響，使得測量的準確程度受到很大影響，土壤熱通量板不能直接裸露在地表，以至于至今地表土壤熱通量仍無法直接得到。陽坤等[10]利用土壤溫度資料用熱擴散方程構造溫度廓線的主要部分，用線性插值修正溫度廓線的次要部分，然后通過積分溫度廓線得到地表土壤熱通量。Tanaka等[11]將熱流板的測量值作為參考值的熱通量，向上積分估計地表熱通量。近年來，隨著塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站的建立，塔中微氣象特征、地氣相互作用參數和湍流熱通量計算等方面的研究取得了大量成果[12-18]，而地面加熱場的研究則較少。本文根據淺層土壤熱通量的實測值，基于土壤的一維熱擴散方程，首先計算出地表土壤熱通量，再結合凈輻射資料，獲得地面加熱場強度，從而分析其變化特征，以期為研究沙漠下墊面的地表能量平衡問題提供參考依據。

1 資料選取

塔中位于塔里木盆地中央，深入塔克拉瑪干沙漠腹地229 km，塔中地區除了塔中四油田作業區和生活區2 km2周圍及沙漠公路兩旁人工種植了梭梭、紅柳、沙拐棗及一些野生蘆葦外，其余地區基本是裸露的流沙地表。土壤主要為風沙土，由于氣候極端干旱，含水量極低。

塔中沙塵天氣頻繁，春季最多，其次是夏季。2009年塔中浮塵有164 d，揚沙有94 d，沙塵暴有8 d。浮塵最多的是4月，有24 d，其次是7月，有23 d。塔中晝夜溫差大，2009年最高氣溫為40.5℃，最低氣溫為-24.3℃，年平均氣溫為11.9℃。塔中大氣含水量低，年平均比濕為2.76 g/kg。塔中降水量極少，2009年共有9次降水過程，總降水量為6.8 mm。

塔克拉瑪干沙漠塔中大氣環境綜合觀測試驗站（簡稱塔中站，38°58′N，83°39′E，海拔1 099.3 m），在塔中站的西北2.2 km和東南1.6 km處分別建立了塔中西站和東站。本文數據來源于塔中西站10 m梯度探測系統，測量輻射的四分量輻射儀安裝在1.7 m的支架上，地溫儀分別安裝在地表以下0、10、20、40 cm沙層中，土壤濕度儀分別安裝在地表以下2.5、10、20、40 cm的沙層中。測量土壤熱通量的探頭分別位于地表以下2 cm和8 cm的沙層處。熱通量板探頭（HFPO1SC，荷蘭Hukseflux）具有自動校準功能，其測量精度可達5%。本文利用2009年1、4、7、10月沙層的溫度資料、地面輻射資料以及土壤熱通量資料，分析塔中地面加熱場強度特征。文中所涉及的時間均為地方時（塔中的地方時比北京時間晚2 h 25 min）。

2 計算方法

2.1 土壤熱容量

土壤熱容量是指單位重量或單位體積的土壤，當溫度增加或減少1 K時所需要吸收或放出的熱量。土壤熱容量愈大，則土壤溫度升高或降低愈慢，反之則愈快。影響土壤熱容量的主要因素是土壤中水和空氣所占比例。本文中計算土壤的體積熱容量，計算公式為

式中，Cs為土壤的體積熱容量；Cd為干燥土壤的重量熱容量（比熱），Cw為水的比熱，ρb為土壤的體積密度，ρw為水的密度，θm為土壤的重量含水率，θv為土壤的體積含水率。Cd選取經驗值840 J/（kg·K）；水的比熱Cw為4190 J/（kg·K）；ρw取1000 kg/m3；土壤含水率θm、θv是觀測值；ρb通過公式（2）計算得出。通過公式（1）和（2）可以得出土壤體積熱容量。經計算，塔中流動沙層的土壤體積熱容量Cs約為1.23×106J/（m3·K）。

2.2 地表土壤熱通量

土壤熱通量（也稱土壤中的熱量交換）表示單位時間內通過單位面積的熱量，其大小與沙層中的垂直溫度梯度、體積熱容量和導熱率有關，土壤熱通量的方向向下為正。土壤熱通量板不能直接裸露在地表，因此地表土壤熱通量至今仍無法直接測量得到。本文根據8 cm土壤熱通量實測值，基于土壤的一維熱擴散方程計算地表土壤熱通量，公式如下：

式中，G0為地表土壤熱通量，G8cm為8 cm土壤熱通量，S為8 cm以上沙層的土壤熱貯量值，ΔTs為8 cm以上沙層的平均地溫間隔時間前后的溫差，d為深度，t為間隔時間。通量均使用半小時平均數據，間隔時間取半小時，即t=1800 s。

基于沙層0、10、20、40 cm土壤溫度值，利用三次樣條函數插值出4 cm土壤溫度，再與直接由儀器測出的2～6 cm平均土壤溫度值比對，選擇出較適合求算地表熱通量的ΔTs值。經三次樣條插值函數得出的4 cm土壤溫度與實測的2～6 cm平均土壤溫度值非常接近，前者略大于后者。由于插值時需剔除降水天氣下的資料，不利于本文的進一步分析，所以采用2～6 cm的平均土壤溫度值計算式（3）中的值。

2.3 地面加熱場強度

定義Rn-G0為地面加熱場強度，其中Rn為凈輻射通量，G0為土壤熱通量，當Rn-G0＞0時，地面向大氣輸送熱量，地面相對大氣而言為熱源；當Rn-G0＜0時，大氣向地面輸送熱量，地面相對大氣而言為冷源。

3 結果分析

3.1 地表土壤熱通量變化特征

由公式（4）得出，1、4、7、10月地表土壤熱通量分別為-44.35～87.39 W/m2、-48.15～112.27 W/m2、-89.12～140.2 W/m2、-89.16～149.62 W/m2。1、4、7、10月向下的土壤熱通量總量分別為415.87、592.16、918.03、776.3 W/m2，向上的土壤熱通量總量分別為-566.3、-449.95、-762.65、-869.93 W/m2。地表土壤熱通量正值均出現在白天，負值出現在夜間。

對逐半小時數據求矢量和，得出地表土壤熱通量的整體情況（表1）。塔中4月和7月地表土壤熱通量日總量為正值，熱通量方向向下，表明近地層大氣將熱量經地表向下傳輸給沙層，加熱沙層，沙層儲存熱量。1月和10月則相反。由胡文峰等[19]利用巴丹吉林沙漠沙層10 cm處的土壤熱通量實測值計算出的地表土壤熱通量值可知，巴丹吉林沙漠地表土壤熱通量也具有同樣的特征，春夏季地表土壤熱通量日總量為正值，熱量由地表向沙層深處傳輸，秋冬季為負值，熱量由沙層深處向地表傳輸。由于塔中土壤熱容量小于巴丹吉林沙漠，熱擴散較迅速，因此塔中地表土壤熱通量日總量的絕對值大于巴丹吉林沙漠。

塔中地表土壤熱通量日較差最大值出現在10月，最小值出現在1月。日變化振幅秋季最大，夏季振幅大于冬季和春季。巴丹吉林沙漠日變化振幅秋季最大，這與塔中一致，但春季振幅大于夏季和冬季[19]，這與塔中略有不同。

根據李輝東等[20]對科爾沁溫帶草甸能量平衡的研究可知，綠洲地表土壤熱通量最大值出現在4月，這與巴丹吉林沙漠相同，塔中的地表土地熱通量最大值出現在7月，而且塔中地表土壤熱通量均大于巴丹吉林沙漠和綠洲。

表1 地表土壤熱通量日總量和平均日較差

3.2 凈輻射變化特征

凈輻射是指地面收入輻射能和支出輻射能的差值。凈輻射是沙層的熱量來源，對地表溫度和沙層中的熱傳導起著決定性的作用。

從凈輻射日變化（圖1）可看出，塔中各月凈輻射日變化具有一致性，呈單峰結構。7月太陽高度角大、太陽短波輻射強，因此地面吸收的輻射量最多，凈輻射最大。4月次之，1月最小。1、4、7、10月凈輻射的日平均值分別為13.96、64.74、79.69、34.69 W/m2；日總量分別為1.21、5.59、6.89、3.0 MJ/（m2·d）。巴丹吉林沙漠凈輻射日變化[21]與塔中相似，呈單峰結構，夜間凈輻射介于-100~0W·m-2。塔中凈輻射峰值除春季以外，均小于巴丹吉林沙漠。凈輻射峰值出現在12時（冬季在13時），巴丹吉林沙漠出現在13時（春季為15時），綠洲出現在12時前后。

圖1 凈輻射日變化

根據地面能量平衡方程可知，能量平衡的4個分量分別為凈輻射、感熱、潛熱和土壤熱通量，其中1、4、7、10月塔中地表土壤熱通量分別占凈輻射的44.91%、9.15%、8.12%、11.25%。除冬季以外，土壤熱通量只占凈輻射通量的很小一部分。雖然土壤熱通量只占凈輻射的小部分，但沙漠下墊面土壤熱通量在能量平衡中所占比例遠大于綠洲（3%）[20]。

3.3 地面加熱場強度的變化特征

地面對大氣的加熱作用可通過輻射過程和湍流過程獲得。1、4、7、10月塔中地面加熱場強度分別為-33.20～87.39 W/m2、-36.92～274.16 W/m2、-7.59～244.78 W/m2、-24.90～170.42 W/m2，最大值出現在4月；日平均值分別為20.22、58.82、73.21、38.59 W/m2，均為正值，就平均態而言地面相對大氣為熱源。

從圖2可以看出，1、4、7、10月地面加熱場強度的日變化曲線與凈輻射相似，夜間幾乎為負值，白天迅速增大，在正午以后達到最大值，而后迅速減小。白天地面加熱場強度遠離零值，夜間則接近零值，說明近地層和沙層間的加熱作用白天較強、夜間很弱。

圖2 地面加熱場強度日變化

1月08—16時地面加熱場強度為正值，介于2.21～112.74 W/m2，熱量是由地面輸送給大氣，地面相對大氣而言是熱源。13時達到峰值112.74 W/m2。17時開始至整個夜間，地面加熱場強度均為負值，介于-0.04～-33.2 W/m2。大氣通過逆輻射加熱地面，地面相對大氣而言是冷源。夜間加熱場強度的數值遠小于白天，說明地氣間的加熱作用遠小于白天。因此，相對大氣而言，白天地面是強熱源；夜間地面是弱冷源。

4月08—18時加熱場強度為正值，介于0.05～274.16 W/m2，峰值出現在12時，地面對大氣的加熱作用達到最強。19時地面加熱場強度轉為負值，夜間加熱場強度介于-16.35～-36.92 W/m2，大氣對地面的加熱作用很弱。相對大氣而言，白天地面是強熱源，夜間則是弱冷源。

7月07—20時，地面加熱場強度為正值，介于1.64～244.78 W/m2，峰值出現在13時，此時地面對大氣的加熱作用達到最強。21時地面加熱場強度轉為負值，夜間加熱場強度介于-1.67～-7.59 W/m2，大氣對地面的加熱作用很弱。相對大氣而言，白天地面是強熱源，夜間則是弱冷源。

10月08時—次日0時，地面加熱場強度為正值，介于1.64～170.42 W/m2，熱量由地面輸送給大氣，地面相對大氣而言是熱源，加熱場強度峰值出現在13時，此時地面對大氣的加熱作用達到最強。中午地面為強熱源，日落前后和前半夜，地面為弱熱源，地面有很少的熱量傳輸給大氣；下半夜地面為弱冷源，大氣有少量的熱量傳輸給地面。

1、7、10月地面加熱場強度峰值出現在13時，而4月出現在12時，可能與4月塔中多浮塵天氣有關（4月份有浮塵24 d）。1月、4月、7月地面白天為強熱源，夜間為弱冷源。10月地面白天為強熱源，前半夜為弱熱源，后半夜為弱冷源。10月塔中前半夜為弱熱源的特征可能與沙層的熱儲量有關，10月塔中隨著沙層深度增加，土壤溫度逐漸升高，表面沙層深處有一個高熱量層，同時10月塔中土壤濕度最小，有利于深層熱量迅速向地面傳輸，從而使得10月前半夜地面為弱熱源。

就全年的地面加熱場特征來看，1、10月加熱場強度小于4、7月。1月的加熱場強度最小，地氣間的加熱作用最弱；4月的加熱場強度最大，地氣間的加熱作用最強。加熱場強度的這種季節性差異與太陽高度角和天氣狀況有關。

白天地面是熱源，尤其在中午，地面是強熱源，雖然全年中加熱場強度的最大值出現在4月的12時，但在整個白天，7月的加熱場強度大于4月，1月最小。上午地面加熱場強度迅速增大，但是增加的速率存在差異，4月的速率最大，其次是7月，1月的速率最小，平均速率分別為50.79、34.73、16.06 W/（m2·h）。

巴丹吉林沙漠[21]具有與塔中相似的地面加熱場強度特征。白天屬于強熱源，加熱場強度在12—13時達到最大值，日落后轉為冷源。春夏季熱源強度高于秋冬季。塔中地面加熱場作用在春季最強，而綠洲[20]則是在夏季最強。

4 結論與討論

基于土壤的一維熱擴散方程首先計算出地表土壤熱通量，結合凈輻射通量資料得出地面加熱場強度，分析其日變化和季節變化特征，得出以下結論：

（1）塔中各季節凈輻射的日變化規律具有一致性，呈單峰結構。7月凈輻射日總量最大，4月次之，1月最小。白天各月份凈輻射由大到小依次是，7月＞4月＞10月＞1月。

（2）1、4、7、10月地表土壤熱通量分別為-44.35～87.39 W/m2、-48.15～112.27 W/m2、-89.12～140.2 W/m2、-89.16～149.62 W/m2，1月、4月、7月、10月地表土壤熱通量分別占凈輻射的44.91%、9.15%、8.12%、11.25%。其中，1月土壤熱通量占凈輻射的份額最大。

（3）1、4、7、10月地面加熱場強度分別為-33.20～87.39 W/m2、-36.92～274.16 W/m2、-7.59～244.78 W/m2、-24.90～170.42 W/m2，最大值出現在4月；日平均值分別為20.22、58.82、73.21、38.59 W/m2，均為正值，就平均態而言地面相對大氣為熱源。各月份加熱場特征存在差異，這種季節性差異與太陽高度角和天氣狀況有關。4、7月的地面加熱場強度大于1、10月。

（4）塔中各季節地面加熱場強度的日變化規律具有一致性，呈現單峰結構。地面加熱場強度一天中兩次經過零點，只有一個峰值，一天中地面與大氣間冷熱源轉換兩次。1月08—16時、4月08—18時、7月07—20時、10月08時—次日0時地面加熱場強度為正值，相對大氣而言地面是熱源；其他時間段地面為冷源。1、4、7、10月地面加熱場強度的峰值分別出現在13、12、13、13時，分別為112.74、274.16、244.78、170.42 W/m2。

凈輻射和太陽高度角、地面反照率、天空狀況、地面溫度等要素有關。塔克拉瑪干沙漠腹地氣候極端干旱，土壤含水量很小，地表反照率較大，反射輻射較大。大氣中水汽含量很小，天空少云，大氣逆輻射較小。地面溫度較高，地面長波輻射較大。因此塔中凈輻射在夏秋冬季均大于巴丹吉林沙漠。塔中春季多為浮塵天氣，大氣逆輻射增大，因此春季塔中凈輻射比巴丹吉林沙漠大。春夏季隨著凈輻射的迅速增大，地面溫度升高，沙塵溫差增大，地表土壤熱通量為正值，熱量由地表向沙塵深處傳輸。塔中土壤含水量低于巴丹吉林沙漠和科爾沁綠洲，土壤熱容量較小，熱量擴散較快，因此塔中地表土壤熱通量較大。地面加熱場強度為凈輻射和地表土壤熱通量的差值，主要取決于凈輻射的大小，因此與下墊面狀況和天空狀況、地面溫度、土壤含水量、土壤溫度、氣溫和降水量等氣象要素有關。不同的下墊面具有不同的加熱場特征。

本文采用通量數據和常規觀測資料，計算了地表土壤熱通量和地面加熱場強度，通過詳細分析，對塔克拉瑪干沙漠腹地自然沙面下墊面的地面加熱場強度變化特征有了初步的認識。本文只選取了一年中4個典型月份的數據，時間序列較短，在大氣環流和天氣氣候異常的背景下，地面加熱場強度可能會有不一樣的變化特征，所以在今后的研究中，有必要建立更長時間序列的地面加熱場強度數據庫。