荒漠草原區(qū)顯熱通量變化特征及源區(qū)分布

唐家琦，王成杰

(內蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，地表和大氣之間的相互作用表現(xiàn)為地氣間不斷進行著熱量、動量和物質的交換[1]，這些交換過程是從局地到全球范圍內影響氣候變化的重要因素。地表水熱通量(顯熱、潛熱通量)是地氣間熱量交換過程中的主要內容，其中潛熱通量可以利用地表能量平衡原理，在顯熱通量已知的情況下估算得到[2-3]。因此，對顯熱通量的觀測及研究十分重要，一直是生態(tài)學、氣象學、邊界層氣象學等研究的重點[4-8]。

相比于傳統(tǒng)的通量測量方法如波文比-能量平衡法、渦動相關法等[9-10]，上世紀末興起的大孔徑閃爍儀(Large aperture scintillometer，LAS)時間分辨率高，空間代表性強，可以得到區(qū)域尺度非均勻下墊面的平均顯熱通量，并且在野外工作中便于操作管理[11-12]?；谶@些優(yōu)勢LAS已被廣泛用到各類生態(tài)區(qū)的通量觀測[13-22]。然而雖然大孔徑閃爍儀相對于渦度相關系統(tǒng)在研究尺度上實現(xiàn)了由“點”到“線”的擴展，但其觀測結果仍是反映有限且特定下墊面上的湍流過程，所以在深入分析通量觀測結果時必須要考慮數(shù)據(jù)的空間代表性[23]。足跡模型和源區(qū)則為解決這一問題提供了有效方法，足跡(Footprint)用來描述近地面層表面源或匯的空間分布和儀器觀測通量值之間的關系；源區(qū)(Source area)指對通量觀測值有主要貢獻的區(qū)域[24]。自從Pasquill[25]和Schmid等[26]先后引入這兩個概念后，足跡理論和方法逐步應用到通量中并取得較大進展，Meijninger等[5]在2002年首次將足跡理論應用到LAS的觀測結果中，結合LAS的空間權重函數(shù)得到了大孔徑閃爍儀足跡解析函數(shù)，彭谷亮等[27]基于歐拉解析方法在國內首次建立了適用于LAS區(qū)域測量的足跡模型。李陽等[14]、黃天宇等[19]采用通量加權法計算了南方紅壤地區(qū)、科爾沁沙地LAS的氣候學足跡并界定了源區(qū)內的下墊面類型。Li等[6]、Sun等[13]、Zhao等[15]分別在非均勻農(nóng)田、高寒草地、沼澤濕地上研究通量的空間代表性，用源區(qū)分布解釋了不同方法觀測通量的差異及尺度效應。Valayamkunnath等[17]指出在地面使用LAS觀測通量及分析其足跡，可用于驗證中尺度氣象或陸面模式模擬結果。

目前應用大孔徑閃爍儀測量通量的研究結果多涉及農(nóng)田、森林、城市等下墊面，在草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的荒漠草原上鮮有報道?；哪菰莵喼拗胁恳粋€特殊的地帶性植被類型[28]，主要分布在內蒙古高原和鄂爾多斯高原，氣候干旱嚴酷，草層低矮稀疏，同時獨特的地域過渡性使其極易受到外界干擾作用。前人用渦動相關系統(tǒng)、路面模式模擬等方法對內蒙古荒漠草原的顯熱通量及其影響因子進行過一些研究[29-32]，但用大孔徑閃爍儀在該區(qū)域分析通量時空特征的研究尚未見發(fā)表。為此，本文基于大孔徑閃爍儀，觀測內蒙古荒漠草原區(qū)2021年生長季和非生長季的顯熱通量，同時結合氣象站數(shù)據(jù)，研究荒漠草原區(qū)顯熱通量動態(tài)變化，確定所測通量在不同時期的源區(qū)分布并解釋其空間代表性，為加深認識荒漠草原下墊面與大氣間的熱量傳遞規(guī)律，進而模擬區(qū)域更大尺度水熱通量提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古包頭達爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆仁鎮(zhèn)境內(41°47′N，111°53′E)，屬于中溫帶荒漠草原，地形平坦開闊，氣候類型屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，春冬季干燥多風，降水集中在7—9月，年均降水量為280 mm左右，蒸發(fā)量為降雨量的8倍多，年均溫2.5℃，日照充足，年均日照總時數(shù)約3 200 h，春、冬季寒冷皆以西北風為主要風向，土壤類型為栗鈣土，植被以多年生旱生禾草和雜類草為主，研究區(qū)主要植物種有克氏針茅(Stipakrylovii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 儀器和觀測

在研究區(qū)內東北和西南處分別安裝大孔徑閃爍儀(LAS MKII,Kipp&Zonen,Holland)的發(fā)射器和接收器，其海拔分別為1 690 m和1 674 m，安裝高度3 m，光徑長度590 m，方向為東北—西南走向。在接收端同時安裝空氣溫濕度傳感器(HMP155,Vaisala,Finland)，LAS原始數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)同步用數(shù)據(jù)采集器(CR1000X,Campbell,USA)記錄。

土壤墑情儀(智墑，東方智感(浙江)科技股份有限公司，中國)位于大孔徑閃爍儀光程路徑中點處，用于監(jiān)測11層土壤溫度及10層土壤含水量。自動氣象站(PC-4型，錦州陽光氣象科技有限公司，中國)架設于光程路徑中點往東210 m處，記錄儀每10 min自動記錄1次氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、濕度、降雨量、大氣壓、風速風向等。觀測站點分布如圖1所示(陰影區(qū)域每年6—8月會輪牧蒙古馬)。

圖1 觀測站點示意圖

1.3 研究方法

(1)

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1.3.2足跡模型分析原理 本研究使用FLEM(Flux footprint model for LAS and EC Measurement)模型進行通量源區(qū)分析，模型的可靠性已經(jīng)眾多學者試驗驗證[19,27,37-38]。該模型以適用于單點觀測的全顯式解析足跡模型為基礎[39]，結合LAS沿光程路徑方向的權重函數(shù)，構建LAS通量源區(qū)足跡模型[27]，其公式如下：

(6)

式中：fLAS為LAS的通量足跡函數(shù)；W(x)為LAS的空間權重函數(shù)；x1,x2分別為LAS發(fā)射端和接收端的位置；(x，y)為光徑上各點坐標；(x′，y′)為光徑上每個點的上風向各點坐標；zm為計算足跡高度。

FLEM足跡模型首先需要設定部分參數(shù)，包括觀測高度、下墊面粗糙度、計算區(qū)域和分辨率大小、LAS發(fā)射端與接收端的位置及光徑長度等，其次輸入zm高度的風速、風向、摩擦速度、莫寧-奧布霍夫長度、側風向湍流速度標準差等觀測數(shù)據(jù)運行。本文選擇1 000 m×1 000 m的區(qū)域來研究LAS觀測顯熱通量的氣候學足跡，網(wǎng)格分辨率設置為20 m，將計算出的各網(wǎng)格氣候學足跡值從大到小排列，并依次逐個累加至所有網(wǎng)格總足跡值的A%，此時對應的足跡值定為A%源區(qū)等值線值，表示此范圍是對通量觀測值有A%貢獻的區(qū)域。

1.4 數(shù)據(jù)處理

自動氣象站的數(shù)據(jù)為10 min間隔計算平均后存儲的值，由于有線傳輸過程及電源不足等會影響當時次的輸出值，同樣經(jīng)過篩選、剔除、插補、平均后得到30 min步長的數(shù)據(jù)進行研究。用于計算顯熱通量的數(shù)據(jù)為每半小時一組，覆蓋整個研究時期，僅有幾小時由于儀器檢修原因缺測，經(jīng)過上述質量控制后共得到4 189組有效數(shù)據(jù)；其中取每小時整點(整點前半小時平均)的數(shù)據(jù)輸入足跡模型用來分析通量源區(qū)，共有2 093組參數(shù)資料。

依據(jù)研究區(qū)當?shù)貙嶋H植被生長狀況，從研究時段中劃分5，6，7，8，9月為生長季，10，11，12月為非生長季。數(shù)據(jù)整理與分析應用Excel進行處理，顯熱通量迭代計算通過LAS廠家自帶的軟件WINLAS實現(xiàn)，通量的變化特征和源區(qū)分布的制圖分別在Origin和Surfer中實現(xiàn)。

2 結果與分析

2.1 荒漠草原區(qū)顯熱通量的變化特征

2.1.1顯熱通量的日變化特征 在荒漠草原生長盛季7月和8月分別選取三個典型天(晴天、多云和陰天)來研究顯熱通量的日變化情況，此階段地表凈輻射強度大，研究區(qū)植被生長旺盛，地—氣間能量交換頻繁，同時大氣不穩(wěn)定條件時間較長，可以充分揭示荒漠草原顯熱通量的日變化趨勢，結果如圖2所示。

圖2 荒漠草原區(qū)3種典型天氣下顯熱通量的日變化(a晴天，b多云，c陰天)

典型晴天(7月29日和8月12日)的顯熱通量在白天不穩(wěn)定條件下的變化曲線比較平滑幾乎沒有波動，呈單峰型，即從大氣轉為不穩(wěn)定狀況開始，顯熱通量隨太陽高度角的增大而升高，在13:00—13:30到達峰值，后又隨太陽高度角的減小而降低；典型多云(7月27日和8月21日)天氣條件下，顯熱通量的日變化受云層移動、遮蔽等的影響，比晴天復雜，變化曲線出現(xiàn)大的波動，呈多峰型，但各個峰值基本停留在正午前后；典型陰天(7月23日和8月24日)顯熱通量的日變化復雜程度進一步加深，曲線波動劇烈，似鋸齒狀，最大值和最小值的出現(xiàn)沒有規(guī)律。除此之外，不同典型天氣下顯熱通量的峰值大小不同：晴天(240～250 W·m-2)>多云(180～210 W·m-2)>陰天(70～160 W·m-2)。白天的累積交換量也是晴天(5.58 MJ·m-2，6.23 MJ·m-2)>多云(5.43 MJ·m-2，5.03 MJ·m-2)>陰天(2.10 MJ·m-2，3.03 MJ·m-2)，晴天的日峰值是陰天的近2倍，每平米下墊面累積多傳遞1倍多的熱量，多云的特征情況介于兩者之間。由此得出，顯熱通量的日變化特征在不同天氣條件下存在明顯差異。

2.1.2顯熱通量的月變化特征 對研究時段每個月內每天對應時刻的顯熱通量取平均值，得到代表該月的月平均日變化情況，圖3是2021年研究區(qū)5—12月顯熱通量的月變化。其中5，7，8月顯熱通量的月均日動態(tài)曲線較其他月份波動大，5月峰值最大(281.45 W·m-2)，11月峰值最小(97.48 W·m-2)。月均顯熱通量由高到底依次為5月>6月>9月>10月>8月>7月>12月>11月，5月顯熱通量最大，從6—8月草原進入生長旺盛季節(jié)，顯熱通量峰值明顯減小(180～230 W·m-2)，9，10月生長季結束，峰值小幅回升保持在190 W·m-2上下，但11月驟降至最小，12月出現(xiàn)一定回升，但不足140 W·m-2。造成各月份平均顯熱通量差異的原因是月份之間凈輻射、天氣狀況和植被生長狀況不同。

圖3 荒漠草原區(qū)5—12月顯熱通量的月變化

2.1.3顯熱通量的季節(jié)變化特征 圖4為研究區(qū)5月15日—12月31日在白天(大氣不穩(wěn)定狀態(tài))顯熱通量累積交換值的季節(jié)動態(tài)變化。整個研究時段顯熱通量的日累積值變化趨勢明顯，在春季(5月)日積值最大，平均7.24 MJ·m-2，峰值11.90 MJ·m-2(5月25日)，夏季(6—8月，生長盛季)通量累積值減小且波動明顯，特別是在雨季，最小降至1.84 MJ·m-2(7月16日)，在生長季末(9月初)出現(xiàn)小幅度回升后，秋冬季(10—12月)繼續(xù)持續(xù)下降，平均2.74 MJ·m-2，最小值0.66 MJ·m-2(11月15日)?？傮w來看，整個研究時期顯熱通量在不穩(wěn)定狀態(tài)的累積交換呈下降趨勢，可能是凈輻射和草原植被狀況共同作用所致。

圖4 荒漠草原區(qū)顯熱通量的季節(jié)變化

2.2 荒漠草原區(qū)顯熱通量的源區(qū)分布

2.2.1通量源區(qū)日變化 荒漠草原非生長季時風速、風向特征強烈，地表裸露空氣動力學粗糙度較小，在這一時期隨機選擇陰(12月8日)、晴(12月11日)兩天，研究風速風向、大氣穩(wěn)定度、天氣條件等對源區(qū)日變化及日尺度上分布特征的影響。圖5和圖6分別是12月8日和12月11日的風向變化圖與當天4:00，10:00，15:00，22:00通量源區(qū)示意圖。

由圖5可以看出，12月8日全天以西南風為主；12月11日白天均為西北風，夜間出現(xiàn)少許西南風。分析風速數(shù)據(jù)得出12月8日4:00，10:00，15:00，22:00的風速分別為2.77 m·s-1，3.50 m·s-1，4.03 m·s-1，2.10 m·s-1；12月11日同時刻測得的風速分別為3.43 m·s-1，3.10 m·s-1，6.07 m·s-1，2.43 m·s-1。進一步分析圖6發(fā)現(xiàn)各個時刻的通量源區(qū)位置朝向都與該時段的風向一致，即12月8日各時刻源區(qū)分布在LAS光徑的西南面，12月11日源區(qū)分布在光徑的西北面。源區(qū)日變化從大氣層結穩(wěn)定的4:00到大氣不穩(wěn)定垂直湍流劇烈的10:00時，源區(qū)范圍減小，15:00后湍流擴散減弱大氣又從不穩(wěn)定逐步恢復穩(wěn)定，源區(qū)范圍增加?？梢钥闯?，不論是典型晴天還是典型陰天，大氣穩(wěn)定層結時段的通量源區(qū)范圍都明顯大于不穩(wěn)定時段(以90%通量源區(qū)面積為研究對象)。相對而言，風速對源區(qū)特征的影響不太明顯。此外，晴天主風向垂直于LAS光徑，相比之下陰天的風向與光徑夾角較小，所以同時刻典型晴天的源區(qū)面積均大于典型陰天。

圖5 典型天氣風向的日變化

圖6 通量源區(qū)日變化

2.2.2月尺度通量源區(qū)分布 圖7是研究區(qū)5—12月的風向玫瑰圖，由圖7并結合風速數(shù)據(jù)可知，整個研究期存在西北和西南兩個主風向，其中5,11,12月主要為西北風，7月主要為西南風，其余月份這兩個風向頻率相近，西北風在6,10月略多，西南風則在8,9月更甚。5—12的平均風速依次為5.79 m·s-1，4.04 m·s-1，2.79 m·s-1，2.89 m·s-1，3.23 m·s-1，3.42 m·s-1，4.85 m·s-1，4.76 m·s-1。

圖7 研究區(qū)5—12月風向玫瑰圖

利用研究區(qū)每月大氣不穩(wěn)定時段的觀測數(shù)據(jù)，分別計算和分析荒漠草原區(qū)月尺度顯熱通量氣候學平均足跡和源區(qū)分布特征(圖8，表1)。與日尺度源區(qū)分布特征類似，受當月氣象條件的影響，各月通量貢獻區(qū)的位置和大小存在差異。源區(qū)的分布走向和形狀與當月的風玫瑰圖幾近吻合，盛行西北風時，源區(qū)主要分布在光徑西北側且朝上風向延伸較遠；盛行西南風時，源區(qū)呈東北—西南分布，風向直接決定足跡影響區(qū)域的方位。由表1可知，各月通量90%源區(qū)面積由大到小排列為：11月、5月、12月、10月、6月、9月、8月、7月?？梢钥闯?，從5月到12月源區(qū)范圍(東西距離、南北距離、面積)從大到小再到大。一方面，當月盛行風向與光徑夾角接近垂直時，能充分發(fā)揮LAS測量范圍大的優(yōu)勢，源區(qū)面積較大；而當主風向與光徑夾角較小時，LAS只能觀測到光程附近的通量情況，貢獻觀測值的區(qū)域受限。另一方面，這期間下墊面植被從返青到盛花結實再到枯黃，導致植物高度和蓋度等群落特征變化明顯，地表粗糙度和零平面位移增加時也會影響源區(qū)面積使其變小。此外平均風速大的月份對應的通量貢獻區(qū)域偏大。

表1 月尺度通量源區(qū)分布特征

圖8 5—12月通量源區(qū)分布

2.2.3季尺度通量源區(qū)分布 依據(jù)荒漠草原植被生長榮枯節(jié)律，將研究期劃分為生長季和非生長季，研究季節(jié)尺度下LAS觀測通量的氣候學足跡特征。由圖9可知，生長季擁有西南和西北兩個主風向(風頻分別為39.4%，33.2%)，非生長季主要是西北風(風頻54.6%)，結合風速數(shù)據(jù)可知，生長季平均風速為3.54 m·s-1，非生長季為4.26 m·s-1。

圖9 研究區(qū)生長季和非生長季的風向玫瑰圖

與日、月尺度通量源區(qū)分布規(guī)律相似，因兩季氣象條件、下墊面狀況不同，通量來源有一定差異(圖10)。生長季和非生長季都存在不少的西北向風，源區(qū)朝西北面垂直光徑的一側延伸尤其是非生長季，生長季由于還有西南風為主風向，使得源區(qū)存在西南方向的延伸并將閃爍儀的接收端所在區(qū)域包含，但整體面積小于更盛行西北風的非生長季時期。通過定量比較兩個時期通量源區(qū)的大小(表2)，發(fā)現(xiàn)它們之間通量的空間代表性差異相較上述兩種尺度有所減少，如月尺度中面積最多可相差71 000 m2(11月和7月)，距離最遠相差103 m(5月和8月)，相比之下，非生長季比生長季的通量貢獻區(qū)面積大30 000 m2左右，南北和東西方向遠大約40 m。相對長時間的風速風向、植物群落特征、大氣穩(wěn)定程度等因素不一致，導致了兩季的氣候學足跡存在一定差異。

圖10 生長季和非生長季的通量源區(qū)分布

表2 季節(jié)尺度通量源區(qū)分布特征

3 討論

3.1 荒漠草原區(qū)顯熱通量的變化特征

對內蒙古荒漠草原區(qū)顯熱通量的變化特征分析對于理解該區(qū)域水熱交換規(guī)律及進一步認識地氣之間相互作用具有重要意義。本研究結果顯示，晴好天氣下研究區(qū)顯熱通量變化曲線呈顯著單峰型日變化，這是因為日出后太陽高度角逐漸增大，伴隨著到達地面的太陽輻射強度增大，在正午時達到最大后逐漸減小直到日落，白天太陽輻射強度決定了地面凈輻射強度，作為地面水熱通量的驅動因子[30]，顯熱通量的變化趨勢和凈輻射一致且峰值出現(xiàn)時間要滯后。多云天和陰天由于受到不同程度的云層遮蔽，變化無規(guī)律，且到達地面的太陽輻射減小，使得通量的整體數(shù)值小于晴天。整體而言，本研究顯熱通量在白天不穩(wěn)定狀態(tài)的變化特征和前人在內蒙古蘇尼特左旗荒漠草原[29-32]及其他下墊面[6-8,11,14-15,19-22]的研究結果一致。

在月尺度上，顯熱通量的月均日動態(tài)差異明顯，曲線在5，7，8月存在波動，這是因為5月只用了17天的數(shù)據(jù)得到月平均，代表該月時會存在誤差，7，8月則由于降雨增多，頻繁的陰雨天氣提前或推遲了峰值出現(xiàn)時間，其他月份恢復正常則平均情況均呈明顯的單峰狀。5月的月平均顯熱通量是整個研究期最高的，因為在春季凈輻射明顯增加尤其是5月末逼近峰值[29,42]，此時研究區(qū)地表綠色植物剛開始返青，凈輻射用于潛熱交換的能量很小，大部分用于顯熱通量。6—8月草原進入生長旺季，盡管凈輻射達到了全年的峰值，但下墊面植被生長旺盛，同時伴隨一定降雨使得土壤水分含量升高，植物蒸騰和土壤表面水分蒸發(fā)消耗大量能量導致凈輻射可分配的顯熱通量變小，這種情況前人在農(nóng)田[43]、園地[44]和沙丘，草甸-下墊面[45]的研究也有發(fā)生，但本研究通量在7月就降到最小，8月已出現(xiàn)回升，因為在生長季雖然有降雨，但環(huán)境依然干旱，每年部分植物在立秋后就停止生長開始枯黃，使得植被的蒸騰作用相比于7月有所減小，顯熱通量占凈輻射的比例增加。9，10月生長季結束顯熱通量的峰值繼續(xù)小幅回升，此時潛熱通量由土壤表面水分蒸發(fā)實現(xiàn)，到達地面的凈輻射能量主要用于顯熱交換，不過凈輻射此階段也在迅速減小，所以此時的顯熱通量不能和5月相比。值得一提的是，在11月顯熱通量出現(xiàn)了驟降現(xiàn)象，這可能是因為11月6號研究區(qū)發(fā)生較大程度的降雪，新雪覆蓋的地表反照率大幅提高[46]，使得處于下降趨勢的凈輻射變得更小，降雪之后的數(shù)天中積雪升華和融化會吸收地表熱量，也是導致這個月顯熱通量異常小的緣故。12月以上兩種情況有所緩解，平均通量又有回升。

整個研究期顯熱通量的季節(jié)變化和每月的情況密切相關。春季通量日累積值最大，夏季伴隨集中降水和草原植物生長通量明顯減小，生長季季末出現(xiàn)小幅回升后秋冬季繼續(xù)持續(xù)減小，整體變化趨勢和前人在同期的研究結果一致[19,29-30,47-48]。降雨和植被狀況會影響顯熱通量的季節(jié)變化，但主導因子還是到達地面的凈輻射，顯熱通量在季節(jié)尺度的動態(tài)和凈輻射基本吻合[29-30,42]。

3.2 荒漠草原區(qū)顯熱通量的源區(qū)分布特征

為了深入分析荒漠草原上LAS觀測的通量結果及其所代表的下墊面信息，使用FLEM模式計算研究區(qū)通量的實際氣候學足跡分布情況。已有的眾多研究表明，風速風向、大氣穩(wěn)定度、動力學粗糙度、儀器架設高度等影響觀測值的足跡分布[27,37-38,43,49-53]，這是因為儀器觀測到的通量來自于上風區(qū)域，除了觀測儀器本身外，上風向大氣條件，下墊面狀況都會對所測值的源區(qū)造成影響。本文大孔徑閃爍儀在觀測高度3.2 m的位置固定，故主要結合氣象條件等來討論源區(qū)分布特征。首先從通量源區(qū)的日變化中可以看出，源區(qū)范圍與當天大氣條件和湍流強弱趨勢變化一致，大氣穩(wěn)定度對源區(qū)范圍起決定性作用，大氣層結穩(wěn)定時源區(qū)面積遠大于不穩(wěn)定情況，這是因為大氣不穩(wěn)定時，湍流運動強烈，物質垂直擴散快，造成光閃爍的湍流來自于LAS附近，所以通量源區(qū)面積??；大氣穩(wěn)定時，垂直湍流變弱，擴散緩慢，LAS測得的通量可以代表上風向更遠區(qū)域，源區(qū)延伸擴大。風向則不僅決定通量源區(qū)的方位朝向，同時也控制著面積大小，在不同時間尺度上均能體現(xiàn)，足跡的位置朝向及延伸程度與風向及其頻率保持高度一致，源區(qū)延伸較遠的方向上的風頻也較高，同時當主風向與光徑垂直時可以充分利用整個光程去觀測通量從而獲得最大源區(qū)。風向和穩(wěn)定度對足跡分布的影響較為關鍵，這同眾多前人的觀點一致[37,43,51]。蔡旭暉等[37]、朱明佳等[43]認為風速對通量源區(qū)的影響較小，本文在日、月尺度下通量源區(qū)對風速的響應不太確定，但平均風速更大的非生長季其氣候學足跡分布更廣。根據(jù)彭谷亮等[27]的研究，水平風速的加強能夠提高水平輸送能力從而使上風向更遠處的通量被觀測到。宮麗娟等[23]認為LAS的足跡對地面粗糙度很敏感，本文按照經(jīng)驗公式用植被高度對進行估算時存在較大誤差，加之下墊面草層低矮稀疏，得到的影響結果可信度較低。不過風速和地面粗糙度通過影響大氣層結來間接影響通量源區(qū)的分布，影響相對較小但不能忽略。分析不同時間尺度的通量源區(qū)分布，發(fā)現(xiàn)三種時間尺度下，通量源區(qū)按照東北—西南走向朝迎風向延伸的規(guī)律分布，而對觀測值貢獻50%的區(qū)域都集中在光程附近，源區(qū)范圍朝上風向延伸的同時氣候學足跡值在逐步減小。此外日尺度源區(qū)差異最明顯，月尺度次之，季節(jié)尺度差異較小，這與前人的研究結果一致[14,19,43,53]，但本研究中源區(qū)差異整體偏小，和珠海城郊草地的實驗結果相似[52]，可能也是草原下墊面平坦均一的的緣故。榮星星等[38]、周梅等[52]的研究表明大氣不穩(wěn)定條件下生長季的源區(qū)面積小于非生長季，本研究生長季西南風偏多、平均風速小以及下墊面植被生長等原因同樣使得源區(qū)范圍較非生長季小，但是與紀小芳等[49]的結論相反，可能是CO2通量在生長季貢獻源較多的緣故。另外本文分析典型晴天和陰天的源區(qū)差異時認為主要原因是這兩天的風向和光徑夾角不同，王美媛等[54]就不同天氣對源區(qū)如何影響做過分析，得出了晴天凈輻射更強通量源區(qū)更大的結論，后續(xù)應該擴大典型數(shù)量去確定天氣條件對通量源區(qū)分布的影響。

荒漠草原是草原生態(tài)系統(tǒng)中最旱生的類型，水資源匱乏，穩(wěn)定性較差，開展水分和能量的觀測研究很有必要，我們利用野外管理方便，空間代表性強的LAS來研究內蒙古荒漠草原與大氣間的能量交換過程及所代表范圍，有助于加深對該區(qū)域水熱分配規(guī)律、傳輸特征的認識。再者，研究荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的地氣間相互作用，尤其是荒漠草原下墊面對大氣的反饋作用，對了解其在全球變化中的影響至關重要。本文僅使用大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對通量時空特征分析，提升了可靠性但代表性顯然不足，利用更長的時間尺度研究全天顯熱交換過程是下一步的目標。

4 結論

荒漠草原區(qū)地-氣間顯熱通量在晴天的交換強于多云和陰天，日變化曲線呈單峰型，在13:30左右達最大值，陰天的通量曲線復雜無規(guī)律。顯熱通量各月均變化曲線中5月的峰值最高，11月最低，6—8月曲線峰值明顯下降，9月峰值小幅回升后繼續(xù)持續(xù)下降。顯熱通量日積值季節(jié)變化明顯，夏季波動較大，整個研究期呈下降趨勢。LAS觀測的通量源區(qū)按照東北—西南走向朝迎風向延伸分布，50%源區(qū)分布在光徑附近，離光徑越遠單位區(qū)域貢獻越小。通量源區(qū)日變化和大氣穩(wěn)定度變化趨勢一致，大氣穩(wěn)定時源區(qū)范圍明顯更大，生長季期間源區(qū)面積小于非生長季，季節(jié)尺度源區(qū)差異較日、月尺度有所減小。影響通量源區(qū)分布的重要因素為大氣穩(wěn)定程度和風向，源區(qū)的位置朝向由對應風向和風向頻率決定，面積大小受風向與光程的夾角控制，風速和粗糙度的影響較小但不能忽略。