塔克拉瑪干沙漠南緣近地層風溫濕廓線與能量交換特征

付光祥， 何 清， 王勇輝， 馬明杰， 陰璐璐， 張 乾

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；3.民豐縣氣象局，新疆 民豐 848599）

隨著氣候變暖和人類生存環境的惡化，當前地球系統科學受到廣泛重視，陸面過程作為地球系統科學研究的重要內容，現已成為學界研究的重點對象及前沿領域［1］。從1880年開始，以世界氣候研究計劃和國際地圈生物圈計劃為首的國際性組織進行了50 多項以氣候和生態為主要研究內容的陸面過程實驗［2-3］。中國自20世紀80年代末陸續開展了一系列關于不同地區及不同下墊面陸面過程的科學項目，其中以黑河實驗［4］、第二次青藏高原大氣科學實驗［5］、亞洲季風實驗-青藏高原實驗［6］、西北干旱區陸-氣相互作用實驗［7］、淮河流域能量和水分循環實驗［8］及內蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用實驗［9］最具代表性。

沙漠作為下墊面的典型類型，約占地球陸地的1/3，其獨特環境和地表能量交換在全球氣候變化中扮演重要角色，而且對氣候變化響應極為明顯［10］。因此，開展沙漠地區陸面過程研究對深入理解干旱區氣候變化及形成具有重要意義。中國沙漠地區陸面過程的研究始于新疆氣象局沙漠氣象研究所于2003年在塔中布設了一系列梯度通量觀測系統，基于此，許多學者利用這些觀測資料分析了塔中的輻射平衡、能量平衡及風溫濕廓線結構等特征［11-15］，得出了“沙漠腹地能量消耗以感熱為主、沙漠地區存在逆溫逆濕現象”等重要結論，隨后關于塔克拉瑪干沙漠北緣［16］、古爾班通古特沙漠［17］、巴丹吉林沙漠［18］等地區的陸面過程研究相繼開展，伴隨著陸面過程理論化越趨成熟，現階段關于沙漠地區陸面過程的研究多集中于數值模擬［19］、衛星遙感反演［20］等手段，這些研究為學界豐富干旱區陸面過程研究奠定了重要科學基礎。但目前關于塔克拉瑪干沙漠南緣風溫濕廓線結構及能量交換的陸面過程研究較少。

塔克拉瑪干沙漠南緣是塔克拉瑪干沙漠與昆侖山交接的核心區域，也是生態環境退化和劣變的典型地區，氣候特征是降水量小、蒸發量大、風沙天氣多［21］，屬于荒漠-綠洲生態過渡區，具有獨特的下墊面性質和自然水熱特征，所以對該區域近地層陸面過程的研究不僅能對該地區預防大風、干旱、沙塵暴等極端災害天氣具有預測作用，也可能使其在地氣物質和能量交換方面有著特殊性。因此，本文利用青藏高原北側陸-氣相互作用觀測站2022 年35 m梯度風溫濕、輻射及渦動資料分析該地區風溫濕廓線結構及能量交換特征，進而提高對該地區陸面過程的認識。

1 數據與方法

1.1 研究區概況、儀器及資料

青藏高原北側陸氣相互作用觀測站（36°44′21″N，83°11′17″E；海拔2275 m）位于塔克拉瑪干沙漠南緣，距塔克拉瑪干沙漠腹地以南200 km，處于和田地區民豐縣葉亦克鄉，簡稱“葉亦克站”。該地區屬溫帶荒漠性氣候，氣候極其干旱，沙塵天氣頻發，是全國沙塵日數之最（約280 d），具有日照時間長、晝夜溫差大、降水稀少、高溫、潛在蒸發大等特點［21］，年均氣溫12.3 ℃，年降水量不足40 mm，蒸發量達3104.3 mm。觀測環境下墊面為荒漠，周圍植被分布稀疏，主要以駝絨藜、裸果木等為主。

為了加強對塔克拉瑪干沙漠南緣陸面過程的認識，烏魯木齊沙漠氣象研究所和民豐縣氣象局于2018年10月在葉亦克站布設了梯度觀測、土壤溫濕度、土壤熱通量、渦動及輻射系統。站點觀測設備及型號見表1。本文時間采用地方時，比北京時間晚2 h 28 min。季節劃分按3—5 月（春季）、6—8 月（夏季）、9—11（秋季）、12—2月（冬季）劃分。

表1 觀測儀器及型號Tab.1 Observation instruments and models

1.2 資料處理方法

原始風速、溫度、相對濕度及輻射數據首先用Loggernet 進行格式轉換，隨后用Excel 處理得到。對原始感熱和潛熱數據用EddyPro進行質量控制和預處理，具體包括對原始數據進行有效性檢驗、野點去除、延遲時間校正等步驟，最終得到1 h的感熱和潛熱數據。

比濕（q，g·kg-1）計算過程如下［22］：

式中：e為水汽分壓（hPa）；p為大氣壓（hPa）；T為大氣溫度（℃）；RH 為相對濕度（%）；E為飽和水氣壓（hPa）。

凈輻射（Rn，W·m-2）及地表反照率（α）計算公式如下［23］：

式中：SW ↓、SW ↑、LW ↓、LW ↑分別為向下短波輻射、向上短波輻射、向下長波輻射及向上長波輻射（W·m-2）。

地表能量平衡方程為：

式中：G0、H、LE 分別為地表土壤熱通量、感熱通量和潛熱通量（W·m-2）。其中，土壤熱通量通過一維熱傳導方程結合20 cm 深處的熱通量與10 cm 的土壤溫度校正到地表，具體計算過程如下［24］：

式中：G0為校正的地表土壤熱通量（W·m-2）；G20為20 cm處的土壤熱通量（W·m-2）；ρsCs為土壤體積熱容量（1.08×106J·m-3·m-1）；T(Zi,t)為0 cm、10 cm、20 cm處的土壤溫度（℃）；Zi為某層土壤深度（cm），i為土壤層數；t為時間（s）；Δt為時間間隔（3600 s）；ΔZ為20 cm處土壤深度。

土壤表層溫度（T0）計算公式如下：

式中：ε?為比輻射率，取值0.96；σ為斯蒂芬-波爾茨曼常數，取值5.67×10-8W·m-2·K-4。

感熱通量（H）和潛熱通量（LE）通過渦動觀測系統實測獲得：

式中：ρ為空氣密度（kg·m3）；Cp為定壓比熱，取值1004.67 J·kg-1；λ為水的蒸發潛熱，取值2.5×106J·kg-1；θ′為位溫脈動量；q′為比濕脈動量；ω′為垂直風速脈動量。

2 結果與分析

2.1 32 m鐵塔風溫濕廓線結構

2.1.1 風速廓線特征由塔克拉瑪干沙漠南緣0.5～32 m 四季風速廓線變化（圖1）可知，四季風速整體均隨高度上升而呈上升的變化趨勢，但四季從夜間到早上風速也有隨高度上升而出現下降的情況，這可能是因為在夜間空氣急劇下降，形成了上層氣溫高，下層氣溫低的情況，使得風從下層高壓吹向上層低壓，因此風速從夜間到早上出現了減弱趨勢。各層全年平均風速為3.05 m·s-1，四季平均風速分別為3.59 m·s-1、3.20 m·s-1、3.24 m·s-1與2.54 m·s-1，表現為春季>秋季>夏季>冬季，主要原因可能是春季溫度回升較快，導致早晚溫差大、氣壓差大、風力大。四季最大風速梯度分別為6.23 m·s-1、5.88 m·s-1、5.69 m·s-1與3.83 m·s-1，最小風速梯度分別為1.37 m·s-1、1.40 m·s-1、1.44 m·s-1與0.74 m·s-1。

圖1 四季風速廓線Fig.1 Wind speed profiles in four seasons

2.1.2 溫度廓線特征由塔克拉瑪干沙漠南緣0.5～32 m 四季溫度廓線結構（圖2）可以看出，四季溫度廓線晝夜變化特征明顯，白天溫度均隨高度上升呈下降趨勢，夜間均出現逆溫現象，逆溫層厚度可達到30 m以上。四季平均溫度分別為13.69 ℃、23.64 ℃、9.16 ℃與-5.44 ℃，表現為夏季>春季>秋季>冬季，這主要受太陽高度角的影響。四季最大溫度梯度分別為19.9 ℃、28.93 ℃、15.06 ℃與0.48 ℃，最小溫度梯度分別為7.91 ℃、19.11 ℃、3.59 ℃與-10.35 ℃。此外，塔克拉瑪干沙漠南緣四季溫度廓線與其他干旱地區一樣［25-27］，也可分為早晨過渡型、白天輻射型、傍晚過渡型和夜間輻射型4種。春、夏季早晨過渡型略早于秋、冬季，在06:00—08:00 出現，白天輻射型在08:00—18:00 出現，傍晚過渡型在18:00—20:00出現，夜間輻射型則在20:00—次日06:00出現，兩季氣溫變化基本相似。秋、冬季早晨過渡型出現時間則比春、夏季晚，在08:00—10:00 出現，白天輻射型在10:00—16:00 出現，傍晚過渡型在16:00—18:00出現，夜間輻射型則在18:00—次日08:00 出現。造成這一差異的原因主要是四季太陽輻射多寡不均所致。

圖2 四季溫度廓線Fig.2 Temperature profiles in four seasons

2.1.3 比濕廓線特征根據塔克拉瑪干沙漠南緣0.5～32 m 四季比濕廓線特征（圖3）可知，各季節比濕廓線差異明顯，春、夏季比濕廓線變化特征相似，整體均呈隨高度升高比濕減少的趨勢，但秋、冬季比濕晝夜變化特征明顯，秋季夜間10 m以上出現逆濕，冬季則2 m以上，逆濕層厚度最大可達30 m。該地區各季節平均比濕分別為2.51 g·kg-1、5.91 g·kg-1、2.34 g·kg-1與1.13 g·kg-1，表現為夏季>春季>秋季>冬季，造成這一差異的原因主要是該地區降水主要集中在夏季（表2），使得空氣濕度大，比濕相較于其他季節大。四季最大比濕梯度分別為2.73 g·kg-1、6.36 g·kg-1、2.52 g·kg-1與1.27 g·kg-1，而最小比濕梯度分別為2.35g·kg-1、5.48g·kg-1、2.20g·kg-1與1.01g·kg-1。此外，該地區比濕各個時刻在1.5 m處均出現拐點。

圖3 四季比濕廓線Fig.3 Specific humidity profiles in four seasons

表2 2022年塔克拉瑪干沙漠南緣總降水量Tab.2 Total precipitation at the southern edge of the Taklimakan Desert in 2022

2.2 地表輻射平衡特征

2.2.1 四季輻射平衡由塔克拉瑪干沙漠南緣四季輻射平衡平均日變化特征（圖4）可以看出，四季地表輻射平衡以正值為主，除向下長波輻射外，其余各輻射分量均呈單峰型變化，但峰值大小及出現時間存在差異。其中，向下短波輻射因受到沙塵天氣的影響，季節變化明顯，四季均值分別為459.8 W·m-2、419.1 W·m-2、423.9 W·m-2與325.9 W·m-2，表現為春季>秋季>夏季>冬季；四季日峰值分別為846.3 W·m-2、714.9 W·m-2、716.5 W·m-2與543.2 W·m-2，出現時間與太陽高度角變化規律一致，都在正午12:00 達到最大。

圖4 四季輻射通量平均日變化Fig.4 Mean diurnal variation of radiant flux in four seasons

向上短波輻射受向下短波輻射的直接影響，各季節變化趨勢與向下短波輻射基本一致，季節變化明顯，四季均值分別為87.5 W·m-2、78.4 W·m-2、64.8 W·m-2與44.1 W·m-2，表現為春季>夏季>秋季>冬季；四季日峰值分別為271.9 W·m-2、225.1 W·m-2、235.3 W·m-2與174.5 W·m-2，春季在13:00 出現，其他季節均在12:00 出現。此外，向上短波輻射還受到下墊面狀況和天氣現象的影響，雖然向下短波輻射在春季最大，但是向上短波輻射一年中的最大值并沒有出現在春季，而出現在冬季的12月17日12:00，為381.9 W·m-2，這極有可能受到降雪天氣的影響。

向下長波輻射因受大氣溫度和天氣狀況影響，各季節大小差異顯著，四季均值分別為302.6 W·m-2、385.8 W·m-2、335.6 W·m-2與221.1 W·m-2，表現為夏季>秋季>春季>冬季，主要是因為該地區降水集中在夏季，加之沙塵天氣頻發，空中云量和沙塵顆粒物增多，大氣散射能力增強所致；四季日峰值分別為323.6 W·m-2、407.9 W·m-2、370.1 W·m-2與230.9 W·m-2，春季日峰值出現時間在15:00，其余季節均在14:00出現。

由于沙質土壤白天與夜間升、降溫幅度較大，溫度變化較為劇烈，所以向上長波輻射季節變幅較為顯著，白天變化比夜間變化更為明顯，其受地表溫度影響極大。四季均值分別為401.4 W·m-2、463.2 W·m-2、361.8 W·m-2與286.5 W·m-2，表現為夏季>春季>秋季>冬季；四季日峰值分別為524.8 W·m-2、568.7 W·m-2、463.1 W·m-2與362.1 W·m-2，出現時間均在13:00，說明該地白天最高溫度也在此時出現。

凈輻射共同受輻射四分量影響，其變化趨勢和各輻射變化較一致，其季節變化在夜間均為負值，白天為正值，這說明夜間能量由地表向大氣傳輸，白天則由大氣向地表傳輸。四季均值分別為81.7 W·m-2、88.5 W·m-2、84.4 W·m-2與26.2 W·m-2，表現為夏季>秋季>春季>冬季；四季日峰值出現時間一致，均在12:00，分別為374.7 W·m-2、331.2 W·m-2、306.7 W·m-2與243.8 W·m-2。

2.2.2 地表反照率變化特征及影響因子分析地表反照率是影響地表輻射平衡的一個重要參量，其受下墊面性質、天氣狀況及太陽高度角等因素的影響。由塔克拉瑪干沙漠南緣地表反照率變化特征（圖5）可以看出，該地區地表反照率年變化曲折，波動大，月均值在12 月達到最大，為0.366，最小在8月，為0.297，年均值為0.326。在季節變化上，該地區地表反照率表現為冬季>秋季>春季>夏季，這主要是因為冬季有降雪天氣，地面積雪，導致地表反照率驟增，而夏季太陽高度角大，加之有一定降水，土壤濕度較大，使得地表反照率小。四季均呈現出早晚大、中午小的不規則“U”型變化特征。此外，太陽高度角與土壤濕度對地表反照率有明顯影響（圖6），地表反照率與兩者均呈負相關關系，即隨著太陽高度角與土壤濕度的增大，地表反照率減小。

圖5 地表反照率季節平均日變化與年變化Fig.5 Seasonal mean diurnal variation and annual variation of surface albedo

圖6 不同影響因子與地表反照率的關系Fig.6 Relationship between different influencing factors and surface albedo

2.3 能量通量變化特征

2.3.1 四季能量通量變化根據塔克拉瑪干沙漠南緣能量通量四季變化（圖7）可知，沙漠南緣能量消耗以感熱為主，感熱、土壤熱通量、凈輻射四季變化特征明顯，均表現為春季>夏季>秋季>冬季，潛熱變化平穩，以0 W·m-2為中心上下波動，這一特征與塔克拉瑪干沙漠腹地一致。凈輻射夜間變化不明顯，均為負值，白天日出后隨太陽輻射增強，并在正午達到最大，變化顯著；感熱變化趨勢與向下短波輻射一致，四季日峰值分別為200.1 W·m-2、158.1 W·m-2、139.7 W·m-2與89.2 W·m-2；土壤熱通量四季日峰值分別為168.9 W·m-2、122.1 W·m-2、120.4 W·m-2與91.4 W·m-2。一年中夏季太陽高度角達到最大，地面獲得的太陽輻射能量理應越多，但是由于受該地區夏季沙塵天氣的影響，導致該地區春季凈輻射、感熱與土壤熱通量稍大于夏季，而冬季太陽輻射弱，地表溫度大幅下降，使得三者冬季均小于其他季節。夏季白天潛熱有別于其他季節，變化較明顯，這與沙漠南緣夏季降水有關。由民豐縣氣象局提供的氣象資料可知，該地區2022 年降水量（21.2 mm）在夏季最大，導致該地區夏季近地面水汽含量增加，蒸騰作用加強，潛熱增加，能量分配發生改變，但能量消耗依然以感熱為主。

圖7 四季能量通量平均日變化Fig.7 Mean diurnal variation of energy fluxes in four seasons

2.3.2 四季能量閉合狀況能量不閉合幾乎是所有地表通量觀測中存在的問題，判斷一個區域的能量閉合狀況一般都是通過對有效能量與湍流通量進行線性回歸分析，回歸直線斜率直接代表能量閉合程度。由線性回歸結果可知（圖8），塔克拉瑪干沙漠南緣四季能量閉合在顯著性水平為0.05%的條件下，線性回歸斜率分別對應為0.76、0.82、0.53 與0.48，決定系數（R2）分別為0.9、0.88、0.91 與0.57，即相應的四季能量閉合率分別為76%、82%、53%與48%，表現為夏季>春季>秋季>冬季，與塔克拉瑪干沙漠腹地一致［28］，能量不閉合率整體介于18%～59%之間，除秋、冬季外，春、夏季與大多數生態系統觀測的能量不閉合率10%～30%相近。

2.4 有效能量變化

研究塔克拉瑪干沙漠下墊面有效能量，對中國西北地區的氣候變化具有重要意義。因為湍流過程與輻射過程決定沙漠地區大氣的加熱作用，即定義凈輻射與土壤熱通量相減為有效能量，當有效能量>0 時，地面向大氣輸送熱能，地面對大氣而言為熱源；反之，當有效能量<0時，地面對大氣而言為冷源［29］。由塔克拉瑪干沙漠南緣有效能量季節平均日變化規律可知（圖9），該地區有效能量四季變化明顯，表現為春季>夏季>秋季>冬季，與塔克拉瑪干沙漠腹地一致，其日峰值分別為218.5 W·m-2、213.9 W·m-2、134.8 W·m-2、96.2 W·m-2，春、夏、秋季日峰值出現時間均在12:00，冬季則在13:00。此外，各季節白天有效能量均為正值，地面為強熱源，變化顯著，夜間則相反。早上日出后，塔克拉瑪干沙漠南緣有效能量隨著太陽高度角逐漸增強，熱源強度在12:00 達到最大，最大日峰值（218.5 W·m-2）在春季，小于塔克拉瑪干沙漠腹地（274 W·m-2）；而在傍晚日落以后，太陽輻射變小甚至消失，有效能量逐漸減弱，變為負值，這時地面就變為弱的冷源。

3 討論

逆溫、逆濕是干旱、半干旱區近地層特有的一種現象，塔克拉瑪干沙漠南緣四季夜間均出現逆溫，這與大多干旱區是一致的，逆溫對抑制沙塵暴具有積極影響，但逆溫阻礙了空氣的垂直對流運動，妨礙了煙塵、污染物、水汽凝結物的擴散，很有可能會導致該地區的大氣污染。該地區逆濕具有特殊性，主要發生在秋、冬季的夜間，而塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲內部逆濕發生在白天［30］，前者很可能是因為秋、冬季該地區氣溫偏低，但夜間上層氣溫較下層高，導致空氣濕度大于近地面，而后者主要是“綠洲冷島效應”所致，但沙漠腹地［14］、沙漠北緣［31］、沙漠南緣、巴丹吉林沙漠［27］及鼎新戈壁［32］等不同地區的逆濕是因地理位置、海拔及觀測高度不同，使得不同地區逆濕出現的拐點與高度存在差異。

太陽輻射是維持地表溫度、地球上大氣運動和能量平衡等的主要動力，是人類生產和生活的主要能源。與其他地區一樣［33-34］，沙漠南緣向下短波輻射一年中的極大瞬時值（1374 W·m-2）超出了太陽常數（1367 W·m-2）。與其他地區相比，沙漠南緣向下短波輻射季節變化與羌塘高原申扎濕地［35］均有春季大于夏季的特點，前者是沙塵天氣所致，后者則是受降水天氣影響。除了天氣影響外，向下短波輻射還受到太陽高度角、海拔、緯度及地形等因素的影響。如表3 中，沙漠南緣向下短波輻射日峰值除了夏季以外，其他季節該地區向下短波輻射日峰值均大于沙漠腹地［36］和鼎新戈壁［32］，但在春、夏、冬季小于青藏高原改則和獅泉河地區［37］。導致這一差異的主要原因是由于塔克拉瑪干沙漠南緣夏季沙塵天氣頻發，阻礙地表吸收太陽輻射，使得該地區夏季向下短波輻射小于塔克拉瑪干沙漠腹地和鼎新戈壁，青藏高原2個地區（改則、獅泉河）向下短波輻射春、夏、冬三季日峰值大于塔克拉瑪干沙漠南緣則主要與海拔有關。

表3 不同地區向下短波輻射日峰值Tab.3 Daily peaks of downward shortwave radiation in four seasons in different areas /W·m-2

另外，近年來西北氣候暖濕化逐漸加?。?8］，在這一氣候背景下，該地區的溫度、相對濕度較多年前可能明顯上升，其增溫增濕的特性也有可能使向下短波輻射、感熱及潛熱增多，而地表反照率受到該趨勢影響較多年前很有可能波動越大。但該趨勢具有明顯的波動性及不確定性［39］，即使在變暖變濕趨勢中也會有許多極端天氣的發生，所以該趨勢對塔克拉瑪干沙漠南緣各氣象要素的影響持續時間多久或在什么范圍也還很難下定論，未來研究中會在這方面投入。

4 結論

（1）塔克拉瑪干沙漠南緣各季節風速、溫度、比濕均隨著高度上升發生明顯變化，其中在溫度和比濕廓線中出現了逆溫和逆濕現象，逆溫層和逆濕層高度均達到了30 m，最大平均風速發生在春季，為6.23 m·s-1，最大平均溫度和比濕均在夏季，分別為28.93 ℃與6.36 g·kg-1。

（2）塔克拉瑪干沙漠南緣四季地表輻射平衡以正值為主，除向下長波輻射輻射變化平穩外，其余各輻射分量均呈單峰型，但各分量四季均值、峰值大小及出現時間存在差異；地表反照率月均最大值在12 月，為0.366，最小在8 月，為0.297，年均值為0.326，其中太陽高度角和土壤濕度對地表反照率有明顯影響。

（3）塔克拉瑪干沙漠南緣能量消耗以感熱為主，感熱、土壤熱通量、凈輻射四季變化明顯，均表現為春季>夏季>秋季>冬季，潛熱以0 W·m-2為中心上下波動，變化平穩；能量閉合率分別為76%、82%、53%與48%，表現為夏季>春季>秋季>冬季；有效能量四季變化明顯，白天為正值，地面為熱源，地面向大氣輸送熱量，夜間則相反，表現為春季>夏季>秋季>冬季。