新疆東部黑戈壁地表輻射及能量收支演變特征

高佳程，司馬義·阿不力孜，買買提艾力·買買提依明*，王 豫，肖婉秋，4，趙雪賞，楊 帆，霍 文，周成龍

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學(xué)觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室/中國氣象局樹木年輪理論研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；3.哈密市氣象局氣象服務(wù)中心，新疆 哈密 839000；4.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理系，新疆 烏魯木齊 830002）

干旱半干旱區(qū)約占全球陸地總面積40%，并且還在繼續(xù)擴(kuò)張[1]。干旱半干旱區(qū)因其土地貧瘠、植被覆蓋度低、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點，不僅對氣候變化極其敏感[2]，而且對陸氣間能量、物質(zhì)交換產(chǎn)生重要影響。以地表輻射與能量收支為主的能量交換過程是陸面過程研究的主要內(nèi)容，作為地球表面轉(zhuǎn)化太陽能量及實現(xiàn)熱量循環(huán)與分配的重要環(huán)節(jié)，其表現(xiàn)反映了地球氣候系統(tǒng)對太陽輻射強(qiáng)迫的響應(yīng)[3-5]。研究地表輻射與能量收支，不僅對改進(jìn)陸面模式及其參數(shù)化方案有重要意義，而且能夠為認(rèn)識當(dāng)前氣候狀態(tài)及準(zhǔn)確預(yù)測氣候變化提供重要參考[6]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識干旱半干旱區(qū)地表輻射與能量收支等特征已逐漸成為研究熱點之一。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者在干旱半干旱地區(qū)陸面過程方面開展了一系列野外觀測試驗[7]，并在綠洲、綠洲—戈壁過渡帶、戈壁及沙漠等典型下墊面陸面物理過程方面取得諸多成果。

戈壁作為干旱半干旱區(qū)一種特殊的下墊面，和周圍綠洲的水汽、能量交換對局地大氣環(huán)流和小氣候產(chǎn)生重要影響[8]。研究戈壁地表輻射與能量收支特征對準(zhǔn)確理解干旱半干旱區(qū)陸—氣相互作用機(jī)制及其對氣候的響應(yīng)具有重要意義。前人對戈壁下墊面的陸面過程研究主要集中在敦煌戈壁[9-11]、鼎新戈壁[12-13]及甘肅金塔戈壁[14-15]等地區(qū)，豐富了戈壁下墊面陸氣相互作用研究的內(nèi)容。針對位于新疆東部哈密地區(qū)的黑戈壁區(qū)域，阿吉古麗·沙依提等[16]利用紅柳河站2017年梯度探測資料對東疆黑戈壁大氣邊界層氣象要素季節(jié)特征進(jìn)行分析，得出典型晴天條件下冬季逆溫強(qiáng)于夏季的結(jié)論；阿吉古麗·沙依提等[17]利用紅柳河站2017年太陽紫外輻射等資料對東疆黑戈壁太陽紫外輻射變化特征進(jìn)行分析，指出紫外輻射季節(jié)變化呈現(xiàn)夏季高、冬季低、春季高于秋季的特點；李如琦[18]利用紅柳河氣象站56 a降水和氣溫資料對東疆黑戈壁氣溫與降水氣候特征進(jìn)行分析，得出該地氣溫明顯上升，降水呈減少趨勢的結(jié)論；咸迪等[19]對比了黑戈壁地區(qū)與荒漠化地區(qū)氣候變化特征，得出黑戈壁年平均氣溫增溫速率高于荒漠化地區(qū)的結(jié)論；趙雪賞等[20]利用紅柳河站2017年太陽紫外輻射資料對CERES紫外輻射產(chǎn)品在東疆黑戈壁的適用性進(jìn)行評估，指出CERES紫外輻射產(chǎn)品在該地較為適用。然而，目前有關(guān)東疆黑戈壁地表輻射和能量收支研究報道較少。東疆黑戈壁作為氣候惡劣、人跡罕至及黑色礫石下墊面的生態(tài)脆弱區(qū)，具有豐富的太陽能資源，并對干旱半干旱區(qū)氣候產(chǎn)生重要影響。為此，本文利用東疆黑戈壁紅柳河陸氣相互作用觀測站2019年4、7、9月觀測資料，對該戈壁地表輻射與能量收支演變特征進(jìn)行分析，從而為進(jìn)一步認(rèn)識該區(qū)域陸面過程特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

紅柳河位于新疆東部哈密地區(qū)和甘肅省交界處，周圍上百公里內(nèi)無其他測站。土壤發(fā)育微弱，石膏化過程和積鹽過程突出，表層有極不穩(wěn)定的孔狀結(jié)皮，其下為棕紅色緊實層及石膏層，其下的心土層為石膏結(jié)晶層，土壤發(fā)育為石膏棕色荒漠土。該戈壁為暖性干旱極干旱氣候，年均氣溫6.1℃，極端氣溫最高可達(dá)40.6℃，最低可至-35.1℃，年降水量不超過50.9 mm[18]。下墊面以礫石、沙礫為主，地表植被覆蓋稀疏，蓋度不足10%。

本文觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2016年在新疆東部哈密地區(qū)黑戈壁區(qū)域建立的紅柳河陸氣相互作用觀測站（簡稱紅柳河站，41°32′N，94°43′E，海拔1 579 m，圖1）。紅柳河站位于新疆東部哈密地區(qū)黑戈壁區(qū)域，該站主要包括渦動相關(guān)系統(tǒng)、梯度探測系統(tǒng)和輻射觀測系統(tǒng)。本文數(shù)據(jù)所用儀器有凈輻射儀（荷蘭Hukseflux公司，型號NR01，安裝高度1.5 m），土壤溫度傳感器（美國Campbell Scientific公司，型號109，觀測深度0、-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），土壤濕度傳感器（美國Campbell Scientific公司，型號Hydra，觀測深度-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），土壤熱流板（美國Campbell Scientific公司，型號HFP01，觀測深度-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），空氣溫濕傳感器（美國Campbell Scientific公司，型號HMP155A，安裝高度0、0.5、1、2、4、10、20、32 m）；這些儀器的采集頻率均為1 Hz，并輸出10 s、1 min、30 min、1 h數(shù)據(jù)。此外，本文所用渦動相關(guān)系統(tǒng)由一個三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀（英國Gill公司，型號Wind Master）和一個開路氣體分析儀（美國LiCor公司，型號Li-7500A）組成，安裝高度為10 m，采集頻率為20 Hz。這些儀器的相關(guān)參數(shù)見表1。此外，本文采用時間為地方時，比北京時滯后1.5 h。

表1 儀器及參數(shù)

圖1 紅柳河站地理位置示意圖及觀測場照片

因紅柳河站周邊天氣惡劣，人跡罕至，難以長期駐守維護(hù)儀器，造成冬季以及部分月份數(shù)據(jù)缺失較多。因此，選取觀測數(shù)據(jù)較為完備、質(zhì)量較好的2019年4、7、9月分別代表東疆黑戈壁春、夏、秋季的平均狀況。能量平衡計算公式如下：

式中，H和LE分別為感熱通量和潛熱通量，Rnet為凈輻射，G0為地表土壤熱通量，單位均為W·m-2。其中，感熱通量和潛熱通量由渦動相關(guān)法分別獲得：

式中，ρ為空氣密度；Cp為定壓比熱；w′為垂直風(fēng)速脈動值；λ為蒸發(fā)潛熱；θ′、q′分別為位溫和比濕的脈動量。利用渦動相關(guān)法獲得湍流通量時需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制與插補(bǔ)，本文對湍流原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了野點剔除、二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、延遲時間校正、去勢、超聲虛溫訂正及WPL訂正等處理得到質(zhì)量較好的湍流數(shù)據(jù)[21]。

凈輻射由凈輻射傳感器測得的輻射四分量計算得到[22]：

式中，Rnet為凈輻射，SWnet為地表凈吸收的太陽輻射，LWnet為地面有效輻射；SW↓、SW↑分別為太陽總輻射及反射短波輻射，LW↓、LW↑分別為大氣長波輻射和地表長波輻射，單位均為W·m-2。此外，為獲得較為準(zhǔn)確的凈輻射數(shù)據(jù)，剔除了太陽總輻射小于10 W·m-2的短波輻射數(shù)據(jù)后進(jìn)行計算。

地表土壤熱通量由土壤溫濕度數(shù)據(jù)及土壤熱通量計算得到[23]：

式中，G0為地表土壤熱通量；G2為2 cm土壤熱通量，由熱通量板實測獲得；S為土壤熱儲存項，可由平均時間間隔的土壤溫度變化（ΔTs）、濕土壤熱容（Cs）、土壤熱通量板深度（d）及平均時間間隔（t）計算獲得。其中ΔTs、d、t為已知量，Cs可由觀測點的土壤容重及土壤含水量計算得到。

本文使用最小二乘線性回歸法及能量平衡比率（Energy Balance Ratio，簡稱EBR）評價該地能量閉合狀況，EBR公式如下：

2 結(jié)果分析

2.1 地表輻射收支月平均日變化

東疆黑戈壁地表輻射收支各分量4、7、9月平均的日變化均為早晚低、正午高的單峰型曲線（圖2）。太陽總輻射受太陽高度角影響，日變化表現(xiàn)為日出后逐漸增強(qiáng)，于正午達(dá)日峰值后逐漸降低的單峰曲線。太陽總輻射極大瞬時值出現(xiàn)在7月1日，為1 133.6 W·m-2。不同季節(jié)日峰值集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分別為833.2、882.7、768.8 W·m-2。東疆黑戈壁太陽總輻射季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季>春季>秋季，與鼎新戈壁、巴丹吉林沙漠拐子湖、塔克拉瑪干沙漠腹地塔中及北緣肖塘[12，24-26]基本一致，說明西北戈壁、沙漠下墊面太陽總輻射季節(jié)特性主要受太陽高度角影響；就日變化幅度而言，東疆黑戈壁除了夏季太陽總輻射日峰值比巴丹吉林沙漠拐子湖低以外，不同季節(jié)太陽總輻射日峰值均略高于鼎新戈壁、拐子湖、塔中及肖塘地區(qū)。推測造成東疆黑戈壁太陽總輻射較高的原因是紅柳河站海拔相對較高，天氣活動較少。

圖2 不同季節(jié)地表輻射通量日變化

反射短波輻射受太陽總輻射影響，日變化與太陽總輻射高度一致，日峰值集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分別為222.1、214.5、193.9 W·m-2。反射短波輻射季節(jié)變化表現(xiàn)為春季>夏季>秋季，與太陽總輻射不一致，這是東疆黑戈壁春、夏季太陽總輻射相差不大及夏季地表反照率較低所致。

地表和大氣長波輻射日變化亦呈單峰型，但峰值時間相對太陽總輻射滯后。地表長波輻射相對滯后0.5~1.5 h，4、7、9月日變化范圍分別為331.8~501.6、391.6~558.1、365.6~526.5 W·m-2，日均值依次為397.5、461.2、427.3 W·m-2。大氣長波輻射相對滯后1~2.5 h，4、7、9月日變化范圍分別為271.3~312.8、329.4~374.9、296.1~337.2 W·m-2，日均值依次為291、352.8、315.5 W·m-2。地表和大氣長波輻射季節(jié)變化亦相對太陽總輻射有所滯后，具體表現(xiàn)為夏季>秋季>春季。造成東疆黑戈壁長波輻射日、季變化相對滯后的原因是長波輻射強(qiáng)度與近地層溫度成正比，而近地層最高溫通常出現(xiàn)在午后，秋季溫度高于春季。

2.2 地表能量收支及陸面過程參數(shù)

2.2.1地表能量平衡閉合狀況

能量平衡閉合程度作為評價渦動相關(guān)數(shù)據(jù)可靠性的方法已經(jīng)被廣泛接受，并且通量觀測中普遍存在10%~30%的不閉合[27-29]。對渦動相關(guān)法獲得的湍流能量通量（H+LE）與輻射平衡觀測系統(tǒng)獲得的有效能（Rnet-G0）做線性回歸分析，回歸直線中斜率代表能量平衡程度。理想狀態(tài)下，回歸直線斜率為1且通過原點，但通常兩者線性關(guān)系斜率并不為1且不經(jīng)過原點。4、7、9月線性回歸斜率分別為0.83、0.79、0.86，截距分別為2.3、4.07、1.41，R2分別為0.94、0.86、0.89（圖3）。即各月能量閉合率分別為83%、79%、86%，能量不閉合率整體介于14%~21%，說明所用觀測資料在不同季節(jié)的準(zhǔn)確性均較高。結(jié)合能量平衡比率分析（圖4），全天地表能量平衡比率亦表現(xiàn)為9月>4月>7月，EBR分別為0.89、0.86、0.83；就白晝而言，4和7月EBR均為0.83，9月為0.9；而夜間則表現(xiàn)為9月>7月>4月，EBR分別為0.63、0.95、1.12。說明白天能量平衡閉合率較高，夜間較低。對比其他地區(qū)，塔克拉瑪干沙漠北緣肖塘站7—12月能量閉合率為25.4%~74.6%[30]；塔中春、夏、秋季能量閉合率分別為83.5%、89.3%、78.7%[31]；拐子湖站分別為91.3%、76.5%、82.1%[24]。可見，東疆黑戈壁能量閉合率與塔中、拐子湖均差異不大且相對較高，而塔克拉瑪干沙漠北緣肖塘能量閉合率則明顯低于其他三個地區(qū)。這是因為東疆黑戈壁、塔中及拐子湖下墊面類型較為均一，而肖塘站下墊面受附近稀疏沙漠植被影響表現(xiàn)出一定的非均勻性，進(jìn)而造成渦動相關(guān)系統(tǒng)所測得的通量有一定的損失。目前，普遍認(rèn)為導(dǎo)致能量不平衡的原因可能有以下幾個方面[32]：①儀器的測量誤差；②數(shù)據(jù)處理引入的誤差；③觀測高度和采樣空間尺度的影響；④平流項對湍流通量的影響；⑤部分能量匯在觀測中被忽略造成的能量損失；⑥低頻或高頻部分對湍流通量貢獻(xiàn)的丟失。然而對于導(dǎo)致東疆黑戈壁地表能量不閉合原因的分析，還需在后續(xù)試驗中進(jìn)行長期觀測和進(jìn)一步研究。

圖3 不同季節(jié)能量閉合狀況

圖4 不同季節(jié)全天、白晝及夜間的能量平衡比率

2.2.2能量通量月平均日變化

東疆黑戈壁地表能量平衡各分量月平均日變化曲線均為單峰型（圖5）。凈輻射白天主要受太陽總輻射影響，表現(xiàn)為日出后逐漸增大，并于午后達(dá)日峰值后逐漸減?。灰归g由于短波輻射為零，凈輻射等于地表有效輻射，而此時地表能量支出高于吸收，凈輻射為負(fù)值且變化較弱，平均在-67.2 W·m-2左右。凈輻射日峰值均集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分別為419、476.8、389 W·m-2，日均值依次為82.6、110.6、63.3 W·m-2。東疆黑戈壁凈輻射季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季>春季>秋季，與拐子湖、塔中、敦煌戈壁及鼎新戈壁[24-25，33-34]基本一致；就日峰值而言，東疆黑戈壁除了夏季凈輻射日峰值略低于拐子湖外，不同季節(jié)凈輻射日峰值均比其他地區(qū)高。這說明凈輻射的日、季特征均主要受太陽總輻射控制。

圖5 不同季節(jié)能量通量日變化

感熱通量日變化亦呈單峰型，但4、7月日峰值相對凈輻射滯后約1.5~2 h，4、7、9月日峰值大小分別為227.1、211.4、162 W·m-2，季節(jié)變化為春季>夏季>秋季。潛熱通量日變化相對較弱，4、7、9月日峰值分別出現(xiàn)在12：30、14：00、10：30，大小依次為6.1、40.4、20.8 W·m-2。潛熱通量季節(jié)變化不同于感熱通量，具體表現(xiàn)為夏季>秋季>春季。這與東疆黑戈壁降水的季節(jié)分配有關(guān)，東疆黑戈壁2019年4、7、9月降水量分別為1.4、27.9、15.3 mm，可見東疆黑戈壁夏、秋季較多的降水造成潛熱在該階段較多，感熱在該階段較少，而降雨較少的春季則相反。與其他地區(qū)相比，鼎新戈壁、敦煌戈壁、塔中、肖塘及拐子湖潛熱通量不同季節(jié)日峰值亦均不足50 W·m-2[11，24，25，30，34]，說明西北戈壁、沙漠下墊面均有降雨少、儲水能力弱及蒸發(fā)較強(qiáng)的氣候特點。

地表土壤熱通量日變化亦呈單峰型，但日峰值相對凈輻射提前0.5~1.5 h，4、7、9月日峰值分別出現(xiàn)在13：00、12：00、11：30，大小依次為149.9、199.9、218.4 W·m-2。地表土壤熱通量季節(jié)變化與感熱通量相反，表現(xiàn)為秋季>夏季>春季。這是因為東疆黑戈壁春、夏季湍流輸送較強(qiáng)，秋季則相對較弱，進(jìn)而造成地表土壤熱通量最大日峰值反而出現(xiàn)在凈輻射最低的秋季。

2.2.3能量分配特征

圖6為東疆黑戈壁全天、白晝及黑夜地表能量分配變化特征。就全天而言，地表能量分配以感熱為主，潛熱及地表土壤熱通量均十分微弱（圖6a）。感熱占凈輻射表現(xiàn)為4月>9月>7月，H/Rnet分別為73%、60%、57%，均超過50%，說明東疆黑戈壁不同季節(jié)地表能量分配均以感熱為主；潛熱占凈輻射表現(xiàn)為7月>9月>4月，LE/Rnet分別為16%、14%、1%，均不超過20%，這是因為紅柳河戈壁降水稀少，地表儲水能力差，從而導(dǎo)致地氣間水汽輸送較少；地表土壤熱通量占凈輻射表現(xiàn)為7月>9月>4月，G0/Rnet分別為12%、11%、10%。

就白晝而言，地表能量分配以感熱為主、地表土壤熱通量次之，潛熱非常微弱（圖6b）。感熱占凈輻射表現(xiàn)為4月>7月>9月，H/Rnet分別為58%、49%、44%；潛熱占凈輻射表現(xiàn)為7月>9月>4月，LE/Rnet分別為11%、7%、1%；地表土壤熱通量占凈輻射表現(xiàn)為9月>7月>4月，G0/Rnet分別為41%、29%、27%。

就夜間而言，地表能量分配以地表土壤熱通量為主，感熱和潛熱均較微弱（圖6c）。感熱占凈輻射表現(xiàn)為4月>9月>7月，H/Rnet分別為19%、16%、15%；潛熱占凈輻射均較小，其中7、9月潛熱通量在夜間出現(xiàn)正值，可能與該二月存在降雨并與夜間蒸發(fā)有關(guān)；地表土壤熱通量占凈輻射表現(xiàn)為7月>9月>4月，G0/Rnet分別為96%、92%、71%。

圖6 地表能量分配季節(jié)變化特征

2.2.4地表反照率

東疆黑戈壁不同月份地表反照率日變化均表現(xiàn)為早晚高、中午低的“U”型曲線（圖7）。4、7、9月均值分別為0.29、0.26、0.27，季節(jié)變化表現(xiàn)為春季>秋季>夏季。這是因為地表反照率不僅受太陽高度角的影響，而且還與下墊面狀況有關(guān)，東疆黑戈壁4、7、9月降水量分別為1.4、27.9、15.3 mm，降水較多的月份其土壤濕度亦較大，進(jìn)而造成地表反照率越低。相比其他地區(qū)（表2），季節(jié)平均地表反照率表現(xiàn)為巴丹吉林沙漠拐子湖>東疆黑戈壁>塔克拉瑪干沙漠塔中>古爾班通古特沙漠克拉美麗>鼎新戈壁，造成黑戈壁地表反照率相對較高的原因是新疆黑戈壁降水天氣較少。

圖7 地表反照率月平均日變化

表2 不同地區(qū)月平均地表反照率

3 結(jié)論

利用紅柳河陸氣相互作用觀測站陸面資料，分析東疆黑戈壁地表輻射和能量平衡日、季變化特征，得到以下幾點結(jié)論：

（1）東疆黑戈壁地表輻射各分量日變化均為單峰型曲線，但不同分量峰值大小和出現(xiàn)時間表現(xiàn)出季節(jié)波動性。凈輻射、反射短波輻射與太陽總輻射較為同步，峰值集中在12：30—13：00，而地表和大氣長波輻射則相對滯后約0.5~2.5 h。就不同季節(jié)而言，太陽總輻射和凈輻射表現(xiàn)為夏季>春季>秋季，反射短波輻射為春季>夏季>秋季，地表和大氣長波輻射為夏季>秋季>春季。

（2）東疆黑戈壁各季節(jié)能量閉合性均較好，能量不閉合率整體介于14%~21%，EBR介于0.83~0.89。與大多干旱區(qū)陸面過程觀測結(jié)果相比，紅柳河通量觀測資料準(zhǔn)確性相對較高。東疆黑戈壁能量各分量，除潛熱通量日變化極其微弱外，其他分量日變化亦為單峰型。其中，感熱通量相對凈輻射滯后約1.5~2 h，地表土壤熱通量則相對提前約0.5~1.5 h。能量各分量季節(jié)變化不盡相同：感熱通量表現(xiàn)為春季>夏季>秋季，潛熱通量為夏季>秋季>春季，地表土壤熱通量為秋季>夏季>春季。

（3）東疆黑戈壁不同季節(jié)能量分配在白晝和夜間有所不同。白晝能量分配以感熱為主，地表土壤熱通量次之，潛熱通量非常微弱。地表反照率月平均日變化曲線均為“U”型，不同季節(jié)平均地表反照率表現(xiàn)為春季>秋季>夏季，依次為0.29、0.27、0.26。東疆黑戈壁降水較少是造成該區(qū)域地表反照率相對較高的重要原因。

本文利用單月數(shù)據(jù)代表東疆黑戈壁的季節(jié)平均狀態(tài)，樣本量相對較少，后期將通過進(jìn)一步觀測試驗對該戈壁較長時間序列的地表輻射與能量收支進(jìn)行分析。此外，本文并未涉及該地特殊天氣過程地表輻射與能量收支變化特征，后期將通過強(qiáng)化觀測試驗對該地特殊天氣前后地表輻射與能量收支進(jìn)行分析。