定量評估黑河流域4種下墊面類型對地表溫度的影響

李爾晨， 張 羽， 苑廣輝,2

（1.南京信息工程大學(xué)，中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.南京信大安全應(yīng)急管理研究院，江蘇 南京 210044）

土地利用/土地覆蓋變化（Land Use Land Cover Change，LULCC）是全球變化的重要環(huán)節(jié)和主要原因之一［1］，目前很多研究證明LULCC 例如森林砍伐、農(nóng)業(yè)化及城市化發(fā)展對區(qū)域氣候（如地表溫度）有重要影響［2-9］。受背景氣候的影響，高緯度及中緯度森林砍伐通常會使地表降溫，特別是在有雪的情況下［10-11］，但在低緯度地區(qū)森林砍伐通常有變暖效應(yīng)［2］。農(nóng)業(yè)化通常會產(chǎn)生降溫效應(yīng)，不同的農(nóng)業(yè)覆蓋類型產(chǎn)生不同的冷卻信號，而農(nóng)田的灌溉通常會使冷卻效果放大［12-16］。城市因大量的人工放熱及綠地減少等因素導(dǎo)致其地表溫度明顯高于自然下墊面，且通常也會受背景氣候影響［17-21］。

基于地表能量平衡方程量化不同下墊面對地表溫度的生物物理效應(yīng)有兩種經(jīng)典的理論。第一種方法是Lee 等［2］開發(fā)的“內(nèi)在生物物理機制”方法（Intrinsic Biophysical Mechanism，IBPM），該理論引入能量再分配因子，將地表溫度的變化歸因于輻射強迫、地表粗糙度和波文比3種生物物理效應(yīng)［22-23］。Zhao 等［24］改進(jìn)IBPM，以量化地表溫度對城市化的響應(yīng)。Chen 和Dirmeyer［25］在原始的IBPM 中加入了背景大氣的影響（間接影響），將輻射、地表粗糙度和波文比的生物物理效應(yīng)作為直接影響。研究表明，直接生物物理反饋中地表粗糙度是主導(dǎo)因素，其他效應(yīng)起次要作用，間接反饋（大氣變化）甚至?xí)^這些直接影響的作用。第二種是Juang 等［3］首次提出的直接分解溫度（Direct Decomposed Temper?ature Metric，DTM）理論，在地表能量平衡的條件下分析由地表凈輻射、土壤熱通量、感熱通量和潛熱通量差異引起的地表溫度變化。Chen和Dirmeyer［25］將DTM和IBPM理論應(yīng)用于對比八對通量站點觀測結(jié)果。發(fā)現(xiàn)用DTM 理論計算的裸土和森林之間的地表溫度差異與觀測到的溫度差異一致，在IBPM 法中加入背景大氣差異訂正后，IBPM的結(jié)果也與觀測結(jié)果相一致。Wang 等［23］利用微氣象觀測資料量化了庫布齊沙漠地區(qū)造林對地表溫度的生物物理效應(yīng)。對比DTM和IBPM理論得到的溫度差異分解結(jié)果，均與觀測結(jié)果基本一致。

生物物理過程受區(qū)域氣候條件影響［23］，有研究表明，造林的輻射效應(yīng)在高緯度地區(qū)占主導(dǎo)地位，故森林砍伐地區(qū)地表通常會降溫，尤其在冬季［10-11,26-27］。非輻射效應(yīng)在熱帶地區(qū)更重要，例如，地表粗糙度變化，在潮濕比在干燥的背景氣候條件下更重要［2,22,28-29］，導(dǎo)致森林砍伐通常有變暖效應(yīng)［2］。溫帶地區(qū)森林的生物物理效應(yīng)還存在爭議。有研究認(rèn)為，在溫帶地區(qū)，輻射和非輻射效應(yīng)趨于平衡，相互抵消［30］。Peng 等［31］評估了中國造林對地表溫度的影響。結(jié)果表明，與鄰近的草原或農(nóng)田相比，森林在白天有降溫作用，在夜間有增溫作用。然而，哪種生物物理因素對地表溫度變化產(chǎn)生的貢獻(xiàn)最大目前還不清楚［23］。中國大部分地區(qū)處于中緯度，有多種氣候類型，其中干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱。近年來，在全球氣候變暖與人類活動的雙重影響下，中國西北干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題日益突出［32］。中國干旱及半干旱地區(qū)的下墊面條件轉(zhuǎn)換例如防治荒漠化、退耕還林等正在廣泛發(fā)生，其對地表溫度產(chǎn)生的生物物理效應(yīng)仍存在很大的不確定性。

衛(wèi)星觀測被廣泛應(yīng)用于研究LULCC 對地表溫度的生物物理效應(yīng)［7,22,33-34］。Bright 等［28］結(jié)合了衛(wèi)星數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)，證明非輻射過程主導(dǎo)了區(qū)域氣候?qū)ULCC 的響應(yīng)。Schultz 等［35］使用衛(wèi)星和再分析數(shù)據(jù)來研究白天和夜間LULCC的生物物理效應(yīng)，結(jié)果表明地表粗糙度的差異可以導(dǎo)致裸土相比森林白天增溫（+2 K），而夜間降溫（-0.5 K）。Ge 等［36］利用2001—2012 年的衛(wèi)星觀測，基于IBPM 理論量化了中國造林的輻射和非輻射效應(yīng)對地表溫度變化的貢獻(xiàn)，證明了森林通過輻射效應(yīng)引起0.23 K（±0.21 K）的升溫，而通過非輻射效應(yīng)降溫0.74 K（±0.50 K）。結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用以上基于能量平衡方程的估算方法時，由于缺少土壤熱通量和感熱通量的數(shù)據(jù)，只能根據(jù)能量平衡方程，在土壤熱通量為零的假設(shè)條件下，計算得到感熱通量，再進(jìn)一步計算各貢獻(xiàn)因子的大小，顯然這樣的定量估算存在較大誤差。

測量陸-氣中能量、水分和碳交換的通量觀測網(wǎng)的發(fā)展為量化LULCC 的生物物理效應(yīng)提供了一個良好的平臺［37］。根據(jù)站點觀測結(jié)果來檢驗IBPM和DTM 理論的有效性是個非常好的選擇。黑河流域生態(tài)水文過程綜合研究（Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research，HiWATER）旨在構(gòu)建國際水平的流域觀測系統(tǒng)，多個站點的渦動相關(guān)系統(tǒng)和自動氣象站提供了輻射、感熱通量（SH）、潛熱通量（LE）和微氣象數(shù)據(jù)，為我們研究干旱地區(qū)不同下墊面類型對地表溫度的生物物理效應(yīng)提供了可靠的數(shù)據(jù)［38］。

基于以上原因，選取黑河流域（Heihe River Ba?sin，HRB）4 個鄰近的不同下墊面類型（沙漠、果園、蔬菜地、玉米地）的測站為研究對象，由于背景氣候較為一致，其地表溫度差異可歸因于下墊面類型差異。考慮到地表能量不閉合，對DTM 和IBPM 的潛熱和感熱通量進(jìn)行了能量不閉合訂正以改進(jìn)IBPM和DTM理論，進(jìn)而量化不同下墊面對地表溫度的生物物理效應(yīng)，評估IBPM 和DTM 理論在量化LULCC對地表溫度影響的適用性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)來自于中國國家自然科學(xué)基金委員會（NSFC）于2010 年啟動的HiWATER 實驗項目。HiWATER 實驗于2012 年5—9 月開展了第一個專題實驗，非均勻地表蒸散發(fā)多尺度觀測實驗（Multi-Scale Observation Experiment on Evapotranspi?ration，HiWATER-MUSOEXE）［38］。該實驗由一個大實驗區(qū)（30 km×30 km）和一個核心試驗區(qū)（5.5 km×5.5 km）兩個嵌套矩陣組成一個通量觀測矩陣。核心試驗區(qū)設(shè)立于甘肅省張掖市黑河流域中游地區(qū)的盈科灌區(qū)農(nóng)田內(nèi)。實驗場周圍平坦開闊，是一個較理想的綠洲農(nóng)田觀測場。根據(jù)農(nóng)作物、居民區(qū)、防護(hù)林的分布，在實驗場設(shè)置17 個站點進(jìn)行觀測（詳情見Xu等［38］和Li等［39］）。

本文選取2012 年6—9 月4 個鄰近觀測站點14號、神沙窩、17號、1號站點（圖1）進(jìn)行分析，分別對應(yīng)玉米地、沙漠、果園、蔬菜土地覆蓋類型。每個站點都具備自動氣象站（AWS）來測量微氣象要素以及渦動相關(guān)系統(tǒng)（EC）測量通量數(shù)據(jù)。平均通量數(shù)據(jù)每30 min 輸出一次，微氣象要素數(shù)據(jù)間隔10 min。剔除下雨天的數(shù)據(jù)及缺測數(shù)據(jù)。

圖1 4個站點的位置和地形高度Fig.1 The location of the four sites and the terrain height

1.2 方法介紹

選取下墊面屬性差異較大的地表溫度進(jìn)行對比，即將玉米地、果園、蔬菜地分別與沙漠對比，以便利用DTM和IBPM理論分析下墊面類型對地表溫度的生物物理效應(yīng)。

1.2.1 DTM理論 DTM理論由Juang等［3］提出，忽略了其他的熱源/匯和下墊面儲存熱量的影響后，地表能量平衡方程可表達(dá)為

式中：SH為感熱通量（W·m-2）；LE為潛熱通量（W·m-2）；G為地表土壤熱通量（W·m-2）；Rn為地表凈輻射（W·m-2）；α為地表反照率；S↓為入射短波輻射（W·m-2）；L↓為入射長波輻射（W·m-2）；ε為地表發(fā)射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（W·m-2·K-4）；Ts為地表溫度（K）。將所對比下墊面的溫度做差，忽略地表發(fā)射率的差異，省略了高階項的泰勒展開式為：

1.2.2 IBPM 理論 IBPM 理論同樣由地表能量平衡方程（公式1）變化而來，由Lee等［2］提出并假設(shè)距離較近的不同下墊面背景氣候一致，但實際情況并不滿足，Chen 和Dirmeyer［25］對原始IBPM 理論做出修正，即加入了背景大氣的差異（ΔTa）：

1.2.3 地表能量閉合 能量平衡方程（公式1）可變化為：

為了避免能量不閉合的影響，對IBPM 與DTM理論進(jìn)行訂正，將能量平衡殘差按照波文比的大小分配給感熱和潛熱通量［25,40］：

1.2.4 地表土壤熱通量的訂正 土壤熱通量可由熱通量板測量，熱通量板通常有一定埋深，其測量值不能代表地表的土壤熱通量［41］。在HiWATER實驗中，熱通量板置于地下6 cm 處，本文采用陽坤和王介民［41］的方法將觀測的土壤熱通量訂正至地表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面的地表溫度差異

如圖2a所示4個測站地表溫度達(dá)到峰值的時間均在14:00 左右，谷值出現(xiàn)在7:00 左右。無論白天還是夜間沙漠的地表溫度都是4 個測站中最高，日變化也最大，沙漠日最高溫度可達(dá)46.3 ℃，最低溫15.7 ℃。蔬菜、玉米和果園站的地表溫度日較差比沙漠小的多（平均13.6 ℃）。以上3種下墊面與沙漠的地表溫度在白天和夜間都有較明顯的不同（圖2b）。蔬菜站點白天的地表溫度在三者之間最高，與沙漠的溫差最小（為表征相比沙漠植被冷卻作用的強弱，溫差的大小指溫度差異的絕對值，下同），15:30時溫差為-16.1 ℃。白天13:00—17:00點，玉米站地表溫度低于果園，與沙漠的地表溫差最大，可達(dá)到-20.1 ℃，其余時間果園與沙漠的溫差最大。夜間，依舊是蔬菜地與沙漠的地表溫差最?。ㄆ骄?1.4 ℃），果園與沙漠的地表溫差最大（平均-2.9 ℃）。

圖2 2012年6—9月HRB地區(qū)4個站點地表溫度的日變化及非沙漠站和沙漠站地表溫度差異Fig.2 Diurnal variations of land surface temperature and the differences between the non-desert sites and desert site in HRB from June to September 2012

2.2 IBPM與DTM方法的訂正

2.2.1 能量不閉合

根據(jù)地表能量日變化（圖3），LE無論在白天還是夜間都是正值，表明該地區(qū)的地表水分以蒸散為主，凝結(jié)作用相對較弱。白天地表吸收短波輻射后，通過感熱通量（SH）和潛熱通量（LE）向大氣傳輸熱量，通過土壤熱通量（G）向土壤傳輸熱量。白天除了沙漠的其他3 種下墊面能量交換以潛熱為主，沙漠則因為其本身過于干旱，潛熱較小，反而感熱的能量輸送更為重要。在沙漠，白天SH占凈輻射Rn的40%～60%，最大可達(dá)181.2 W·m-2，LE的最大值僅有84.7 W·m-2。玉米地潛熱可達(dá)445.5 W·m-2，占凈輻射的80%。果園和蔬菜地的潛熱分配比例相對玉米地較低，果園潛熱可達(dá)347.5 W·m-2，占凈輻射的55%；蔬菜地潛熱可達(dá)360.7 W·m-2，約占凈輻射的65%。夜間地表發(fā)射長波輻射，無短波輻射能量來源，凈輻射均為負(fù)值。夜間感熱通量和土壤熱通量的傳輸方向與白天相反，即白天存儲在上層大氣和深層土壤中的熱量在夜間進(jìn)行釋放。

圖3顯示4種下墊面在白天的能量閉合率均可達(dá)到80%～90%，其中沙漠白天能量閉合率稍弱。夜間的能量閉合率均較差，EBRhr基本在30%以下，玉米、果園和蔬菜3 個站點夜間的EBRhr波動較大甚至出現(xiàn)大范圍負(fù)值?；谶@幾種下墊面的能量不閉合情況，通過公式7和公式8對DTM和IBPM中的潛熱通量和感熱通量項進(jìn)行訂正，稱訂正后的DTM和IBPM理論［25,40］。

圖3 HRB地區(qū)4個站點地表能量分配和EBRhr 的平均日變化特征Fig.3 Surface energy distribution and EBRhr at four sites in HRB

2.2.2 IBPM 理論訂正前后對比 對4 個站點選取

0:00—3:00 和12:00—15:00 分別作為夜間和白天的分析時段。對比IBPM訂正前后在白天的定量結(jié)果（圖4a，圖4c，圖4e），訂正前后幾乎無差別，這是由于白天能量閉合率較高，對感熱通量和潛熱通量的訂正效果不明顯。利用IBPM各貢獻(xiàn)項求和計算出的地表溫度差與觀測地表溫度差相比絕對值較低，整體低估了植被下墊面相對于沙漠的降溫效果，甚至計算出的蔬菜地有輕微的增溫效果。凈輻射項與土壤熱通量項使得植被測站相比沙漠站具有增溫效應(yīng)，這要歸因于沙漠的反照率比較大，而且土壤層之間的溫度梯度大導(dǎo)致其土壤熱通量很大，不過土壤熱通量差異產(chǎn)生的增溫信號要比反照率差異產(chǎn)生的增溫信號弱很多。沙漠在空氣動力學(xué)上來說表面更光滑，粗糙度小，熱量傳遞效率較差，不利于感熱通量向上傳遞熱量，而植被測站較大的粗糙度促使感熱通量向上傳遞熱量，使粗糙度項表現(xiàn)出明顯的降溫效應(yīng)。與其他生物物理效應(yīng)相比，粗糙度差異產(chǎn)生的生物物理效應(yīng)貢獻(xiàn)較大，與輻射項的貢獻(xiàn)接近，是其他貢獻(xiàn)因子的3 倍多。植被測站較高的潛熱通量具有較明顯的降溫作用，因此，波文比項在白天也為植被測站提供了一個冷卻信號，且3 種植被測站的差異非常?。ㄆ骄禐?2.42 K）。與其他項比，氣溫的差異對白天地表溫度差異的作用較小，可以忽略。果園、玉米地和蔬菜地的反照率分別為0.13、0.18、0.17，果園反照率最小，白天吸收的凈輻射最多，極大程度上抵消了粗糙度項和波文比項的冷卻效應(yīng)，使計算得到的果園降溫效應(yīng)很小（只有-2.23 K）。蔬菜地和玉米地的反照率都比果園大一些，導(dǎo)致凈輻射項的增溫效果沒有果園強（平均弱2.88 K）。另外，蔬菜地的粗糙度與沙漠差異最小導(dǎo)致粗糙度項的降溫效應(yīng)最弱（-1.08 K），正負(fù)貢獻(xiàn)幾乎抵消。IBPM 理論計算出玉米地的降溫效果最強。

夜間（圖4b，圖4d，圖4f），利用訂正后的IBPM各貢獻(xiàn)項求和計算出的地表溫度差與訂正之前的IBPM相比，前者更符合觀測結(jié)果。訂正前后各貢獻(xiàn)項差異很大，除氣溫差以外的其他生物物理效應(yīng)都變小，導(dǎo)致夜間氣溫差與地表溫度差非常一致。Chen 和Dirmeyer［25］把Ta項歸結(jié)于背景大氣條件的影響即間接作用，把反照率、粗糙度和波文比作為直接生物物理因素，并認(rèn)為間接作用甚至可以超過直接生物物理效應(yīng)，這與我們的結(jié)果一致，即夜間不同下墊面類型產(chǎn)生的地表溫度差更大程度上由背景大氣條件決定。

圖4 2012年6—9月HRB地區(qū)白天和夜間訂正前后的IBPM理論生物物理效應(yīng)劃分Fig.4 The biophysical effects according to IBPM and revised IBPM during(a,c,e)daytime and(b,d,f)nighttime from June to September 2012 in HRB

2.2.3 DTM理論訂正前后對比 對比白天訂正前后

DTM的生物物理效應(yīng)（圖5a，圖5c，圖5e），訂正后的各貢獻(xiàn)項求和計算出的地表溫度差顯示植被下墊面相比沙漠是增溫效應(yīng)，這與實際情況完全相反。

圖5 2012年6—9月HRB地區(qū)白天和夜間訂正前后的DTM理論生物物理效應(yīng)劃分Fig.5 The biophysical effects according to DTM and revised DTM during(a,c,e)daytime and(b,d,f)nighttime from June to September 2012 in HRB

夜間訂正后DTM 的各貢獻(xiàn)項求和計算出的地表溫度差相比訂正前更接近觀測結(jié)果（圖5b，圖5d，圖5f）。因為沙漠的地表水分含量太低，潛熱項依舊呈現(xiàn)很明顯的降溫效應(yīng)。土壤熱通量項也提供了冷卻信號，這是因為夜間雖然是沙漠的土壤熱通量最強，但能量傳輸方向是從深層土壤到地表，對其他3種下墊面來說這個是降溫的因素。長波輻射項有增溫的效果歸因于沙漠缺乏水汽和云的覆蓋而減弱了向下長波輻射。訂正后玉米地由于長波輻射項無法抵消潛熱項與土壤熱通量項的降溫作用，使計算的降溫效果最強（達(dá)到-3.97 K）。對蔬菜地來說，潛熱項和土壤熱通量項的冷卻信號都較小，長波輻射項的增溫信號又較大，導(dǎo)致蔬菜站點冷卻作用最弱，但與實際觀測值最接近（相差0.25 K）。果園訂正DTM 的各貢獻(xiàn)項求和計算出的冷卻作用比實際弱1.71 K。

2.3 訂正后的IBPM和DTM理論計算結(jié)果對比

訂正后的IBPM與DTM均表明夜間的訂正效果更好（圖4，圖5），訂正后的兩種方法計算得到的植被下墊面與沙漠之間的溫差情況更加符合觀測結(jié)果（表1）。Chen和Dirmeyer［25］也有類似的結(jié)論。

表1 訂正前后IBPM和DTM與觀測地表溫差的對比Tab.1 The comparison of the ?Ts between observation and revised or non-revised IBPM and DTM /K

在夜間，訂正后的IBPM 分解顯示直接生物物理效應(yīng)的各分量均較小，沒有反映出不同生物物理因素對地表溫度貢獻(xiàn)的差異，反而是間接作用更重要。DTM賦予每個能量平衡分量相同的權(quán)重，因此一些被劃分的貢獻(xiàn)分量比觀測到的ΔTs大幾倍［23］?？偟膩碚f訂正后的IBPM方法計算出的溫度差和觀測溫度差更接近，在進(jìn)行生物物理效應(yīng)分析中推薦使用訂正的IBPM 方法，但其在本研究中顯示的夜間直接生物物理效應(yīng)較弱的情況，還需要更多的觀測數(shù)據(jù)加以驗證，可結(jié)合訂正后的DTM方法分析夜間生物物理效應(yīng)。

3 結(jié)論

本文用觀測數(shù)據(jù)研究了相對于沙漠地不同的農(nóng)業(yè)化模式對地表溫度影響的差異，并對DTM 和IBPM理論進(jìn)行能量不閉合訂正，量化該地區(qū)4種下墊面類型對地表溫度的生物物理效應(yīng)貢獻(xiàn)。得出以下結(jié)論：

（1）相對于沙漠來說，蔬菜地、玉米地和果園這3種下墊面在白天和夜間都有降溫效應(yīng)。蔬菜地降溫最少（平均白天-15.4 K，夜間-1.4 K）。玉米地在白天降溫最強（平均-19.3 K），果園在夜間降溫最強（平均-2.9 K）。

（2）基于能量平衡原理對IBPM 和DTM 的潛熱和感熱通量進(jìn)行了能量不閉合訂正，結(jié)果表明，兩種方法都是夜間的改善效果更好，計算得到的沙漠與植被下墊面之間的溫差情況更加符合觀測結(jié)果。訂正后的IBPM方法計算出的溫度差和觀測的溫度差更接近。

（3）IBPM 分解結(jié)果表明與能量再分配有關(guān)的空氣動力粗糙度（平均-4.97 K）和波文比項（平均-2.43 K）的貢獻(xiàn)甚至超過了輻射效應(yīng)（平均+5.21 K），主導(dǎo)了白天的生物物理效應(yīng)。夜間氣溫的間接影響甚至超過了直接生物物理效應(yīng)。

IBPM 方法計算出的溫度差和觀測溫度差雖然更為接近，但其在本研究中顯示的夜間直接生物物理效應(yīng)較弱的情況，還需要更多的觀測數(shù)據(jù)加以驗證，可結(jié)合訂正后的DTM方法分析夜間生物物理效應(yīng)。HiWATER-MUSOEXE 僅于2012 年5—9 月進(jìn)行了觀測，本文所使用的數(shù)據(jù)量相對較少，且10 a間下墊面條件不斷發(fā)生變化，為了更好地了解干旱地區(qū)不同下墊面類型產(chǎn)生的區(qū)域氣候變化和生物物理效應(yīng)，還需要更多的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)和分析方法來進(jìn)行研究，同時結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)一步驗證。

致謝：本研究的數(shù)據(jù)由國家青藏高原數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn)提供，對HiWATER-MUSOEXE實驗中的所有工作人員表示衷心的感謝！