閆人華, 熊黑鋼,陳肖飛

1 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所， 南京 210008 2 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院， 城市科學(xué)系，北京 100083 3 新疆大學(xué), 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

天山北麓綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地地表能量通量研究

閆人華1,2,3, 熊黑鋼2,3,*,陳肖飛1

1 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所， 南京 210008 2 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院， 城市科學(xué)系，北京 100083 3 新疆大學(xué), 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

利用天山北麓綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地的小氣候?qū)崪y資料，分析了該地區(qū)不同天氣條件下地表能量及其能量分配日變化特征，并進(jìn)一步探討了潛熱與其它地表能量的關(guān)系。結(jié)果表明：晴天各地表能量分量曲線呈“單峰型”，陰天表現(xiàn)為峰谷頻繁交替的“多峰型”，雨天則顯示為“偏峰型”。由于該區(qū)以晴天為主，陰雨天氣發(fā)生頻率少，平均情況下的各能量曲線變化與晴天基本一致。任何天氣條件下能量傳輸均以潛熱(LE)為主，其次為感熱(H)和土壤熱通量(G)。觀測期內(nèi)LE/Rn平均值介于沙漠和綠洲之間，很好地在能量分配上體現(xiàn)出自身的過渡性。各種天氣條件下能量分配的日動態(tài)變化趨勢基本一致，白天均以潛熱為主，夜間則有所不同。LE/Rn、H/Rn、G/Rn曲線白天變化平穩(wěn)，夜間持續(xù)波動，日出和日落前后波動最為劇烈。其中，日出時(shí)刻以LE/Rn和G/Rn曲線波動最為強(qiáng)烈，且兩者峰谷互補(bǔ)。因輻射強(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)的不同，不同天氣條件下曲線早、晚劇烈變化開始時(shí)間也有所差別。晴天、平均、陰天(8:00—18:00)波文比依次減小，且均小于1，表明它們在白天能量分配均以潛熱為主。而雨天波文比則表現(xiàn)出較大的波動性，整體呈上升趨勢。LE與Rn、H、G相關(guān)性程度均表現(xiàn)為：晴天與平均相當(dāng)，陰天次之，雨天最小。

地表能量；綠洲-荒漠過渡帶；波文比法；能量分配

地表和大氣之間的相互耦合作用將直接影響到區(qū)域和全球的氣候變化[1]，而以地表熱量平衡為主的能量傳遞過程則是地-氣之間相互作用研究的主要內(nèi)容。因?yàn)榈乇砟芰康膫鬏斠环矫媸堑?氣耦合過程的能量紐帶，另一方面也是影響地面溫度、水份輸送及植被生長發(fā)育與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因素[2- 3]。因此，對能量平衡特征的研究一直是地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、大氣科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外進(jìn)行的許多觀測試驗(yàn)均將地表能量平衡過程列為主要研究內(nèi)容之一，涉及高原、山地、荒漠、戈壁、森林、草原等不同下墊面，較好地揭示了這些下墊面的不同能量傳輸規(guī)律[4- 7]。然而目前涉及綠洲-荒漠過渡帶這一特殊區(qū)域，以及其與干旱區(qū)其它下墊面之間能量對比分析的研究仍需深入。

綠洲荒漠過渡帶是處于綠洲與荒漠之間，受綠洲生態(tài)系統(tǒng)與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的雙重影響且具有敏感退化趨勢的生態(tài)脆弱帶，是綠洲與荒漠進(jìn)退消漲的橋頭堡[8]。而其自身特殊的熱量循環(huán)特征深刻影響著該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的形成。因此，搞清楚這一區(qū)域地表熱量運(yùn)動的基本特征是建立過渡帶微氣候模型、實(shí)現(xiàn)自然資源優(yōu)化配置和促進(jìn)綠洲可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。本文利用新疆天山北麓綠洲荒漠過渡帶的天然芨芨草地能量觀測數(shù)據(jù)，分析該區(qū)不同天氣條件下的地表能量平衡特征及其能量分配規(guī)律，以深化對綠洲荒漠過渡帶能量循環(huán)過程的基本認(rèn)識，為進(jìn)一步探究過渡帶維持其特殊生境的能量環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本觀測場布設(shè)在天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣的新疆奇臺縣西北部萬木春林場附近的大面積天然芨芨草地，其向北1 km與我國第二大沙漠——古爾班通古特沙漠鄰接，屬典型的綠洲-荒漠過渡帶。實(shí)驗(yàn)觀測于2010年7—9月進(jìn)行。該地區(qū)年平均氣溫5 ℃，年平均風(fēng)速2.9 m/s，多年平均降水量150 mm，而潛在年蒸發(fā)量高達(dá)2 100 mm以上，年日照時(shí)數(shù)2933. 6 h， 年無霜期158 d，屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候。

試驗(yàn)區(qū)為面積約21 km2的天然芨芨草地，主要植物為多年密叢生禾本科草本植物芨芨草(Achnatherumsplendens)，總蓋度30%左右，其間稀疏分布有苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛菜(SalsolacollinaPall)等小型植物，土壤為沙質(zhì)土，地下水埋深3—5 m。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

本研究主要觀測項(xiàng)目有輻射(包括總輻射、凈輻射)、空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、土壤溫濕度、土壤熱通量。儀器采用英國Delta-T公司生產(chǎn)的波文比能量觀測系統(tǒng)。各項(xiàng)數(shù)據(jù)利用自動數(shù)據(jù)采集器每30 min采集1次。采集記錄下的數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)，由計(jì)算機(jī)導(dǎo)出?？諝鉁貪穸群惋L(fēng)速風(fēng)向探頭分兩層布設(shè)，在芨芨草灌層以上0.5、2.5 m各布設(shè)1層。在地下5、10、15、20、40、60、80、100 cm各層布置土壤溫濕度探頭，土壤熱通量板埋設(shè)在地表以下5 cm。儀器布置點(diǎn)(89°26′E， 44°11′N，海拔611 m)距試驗(yàn)區(qū)邊界1510—3534 m，滿足風(fēng)浪區(qū)長度與安裝高度之比大于100∶1的要求[9]。

2.2 地表能量的計(jì)算

波文比能量平衡法是國際上廣泛采用的一種精度較高的能量估算方法，許多學(xué)者也對該方法適用的可靠性進(jìn)行了討論[10- 14]，為此方法在觀測和計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用中就如何更好地提高精度提供了許多可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

地表能量平衡方程表示為：

Rn=LE+H+G

(1)

式中，地表土壤熱通量G不僅指土壤熱通量板測定的熱通量，還應(yīng)包括土壤熱通量板到地表的土壤熱儲存[15]。因此，地表土壤熱通量G將利用5 cm深土壤熱通量觀測值校正到地表計(jì)算得到[16]：

(2)

綠洲-荒漠過渡帶這一非均勻下墊面因綠洲和荒漠的地表熱力性質(zhì)差異引起局地環(huán)流，產(chǎn)生量級較小但作用十分關(guān)鍵的垂直平流，并伴隨熱量的輸送，形成垂直感熱平流熱通量[17]。引入近地層垂直感熱平流輸送后，(1)式可改寫為

Rn=LE+Ho+Hvad+G

(3)

而垂直感熱平流Hvad由下式計(jì)算得到：

(4)

感熱通量Ho(湍流輸送)和潛熱通量LE計(jì)算如下[18]：

(5)

(6)

Ho=βLE

(7)

2.3 數(shù)據(jù)處理

文中所用的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法如下：首先根據(jù)水汽通量的過程曲線特征分析，劃定閾值，剔去異常值；其次，參考文獻(xiàn)[21,11]，為消除波文比法在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)Rn和G的誤差在計(jì)算LE過程中的逐步累積、LE誤差較大時(shí)，可能與實(shí)際方向相反等不足，滿足以下條件之一的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)篩除：①β→0②Rn-G>0時(shí)，△T>-(L/rCP)△q；Rn-G<0時(shí)，△T<-(L/rCP)△q。被剔除時(shí)刻的資料采用線形內(nèi)插法補(bǔ)充。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表能量日內(nèi)變化

圖1 晴天地表能量日內(nèi)變化特征 Fig.1 Feature of daily variation of surface energy of clear day in splendens grassland

受不同天氣條件的影響，地表能量日變化特征差異顯著。同時(shí)，該區(qū)以晴天為主，陰雨天較少，因此選取典型晴天13d(總云量<2成)、陰天5d(總云量>8成)、降雨天1d(>1.2 mm/h)數(shù)據(jù)作為樣本，分別計(jì)算各天氣狀況下能量通量的日內(nèi)平均半小時(shí)值，對比分析它們的地表能量日變化特征，以揭示不同天氣條件對地表能量傳輸特征的影響。

3.1.1 晴天日內(nèi)變化特征

凈輻射(Rn)、潛熱(LE)、感熱(H)及土壤熱通量(G)均表現(xiàn)出明顯的晝夜差異，曲線呈單峰型變化(圖1)。日出后，Rn由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，并逐漸增大至14:00達(dá)到最大值534.54 W/m2，之后逐漸降低至日落轉(zhuǎn)為負(fù)值。LE日變化曲線與Rn相吻合，中午達(dá)到最大值370.50 W/m2。雖然LE在日落后轉(zhuǎn)為負(fù)值，從蒸發(fā)潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)潛熱，但午夜后，則轉(zhuǎn)為較小的正值，表明此時(shí)仍有一定量的蒸散。H白天為正值，晚間為負(fù)值，說明在白天能量傳輸方向?yàn)榈乇碇赶虼髿?，而夜間強(qiáng)烈的地面輻射冷卻造成地表溫度小于氣溫，從而出現(xiàn)感熱向下輸送的現(xiàn)象。G變化較為平緩，極差僅為82.13 W/m2，其峰值(56.77 W/m2)時(shí)間較Rn滯后約2 h。白天G大于0，表明土壤為熱匯，吸收熱量；夜間小于0，土壤為熱源，放出熱量。

Rn、LE、H、G的日積分值分別是13.18×106J/m2、9.54×106J/m2、3.50×106J/m2、0.14×106J/m2，表明無論是日變化趨勢還是日積分值，晴天能量主要以潛熱輸送占主導(dǎo)地位，占Rn的72.4%；其次為H，占26.6%；最小為G，僅占1.1%。這與干旱區(qū)張掖西北部的綠洲荒漠過渡帶[8]H所占比例最大的情況有很大不同(表1)，因?yàn)楸緟^(qū)的植被覆蓋度指數(shù)是張掖試驗(yàn)區(qū)2.67倍，晴天植物蒸騰相對強(qiáng)烈，潛熱輸送較大。同樣由于敦煌荒漠戈壁[3]和鼎新戈壁[22]地區(qū)地表光禿，降水量少，H占主導(dǎo)地位，LE占Rn的比例僅分別為芨芨草地的2%、11%。而隴中黃土高原觀測實(shí)驗(yàn)區(qū)為旱作農(nóng)田區(qū)[2]，故晴天LE占主導(dǎo)地位，但比例仍低于芨芨草地。這充分表明，下墊面植被覆蓋狀況的不同對地表能量的分配過程起著重要的調(diào)節(jié)作用。

表1 夏季晴天不同下墊面狀況下LE/Rn、H/Rn值Table 1 LE/Rn、H/Rn of different underlying surface of clear day in summer

3.1.2 陰天日內(nèi)變化特征

圖2 陰天地表能量日內(nèi)變化特征 Fig.2 Feature of daily variation of surface energy of overcast day in splendens grassland

陰天，云層對輻射的擾動影響加大，隨著云量大小的波動，使得以晴天為背景的能量標(biāo)準(zhǔn)單峰日循環(huán)曲線在白天先后被分割為多個(gè)波峰、波谷，呈現(xiàn)峰谷起伏式變化(圖2)。Rn、LE、H的最大峰值都出現(xiàn)在12:00左右，分別為被削弱為晴天的36.89%、39.74%、29.77%。G的最大值出現(xiàn)時(shí)間則滯后1 h，為4.79 W/m2，僅是晴天的8.74%。除12:00—13:00外，全天G均小于0，表明在陰天土壤主要作為熱源，向大氣釋放熱量，以補(bǔ)償Rn的不足。

LE、H、G日積分值分別為2.26×106J/m2、0.37×106J/m2、-0.93×106J/m2，占Rn的133%，22%，-55%。之所以出現(xiàn)LE所占比值大于1，而G的比值為負(fù)數(shù)，是因?yàn)橥寥莱掷m(xù)向大氣釋放能量，以補(bǔ)充對蒸散供給能量的不足，從而造成LE大于Rn。這也是陰天過渡帶芨芨草地相比敦煌荒漠戈壁地區(qū)、鼎新戈壁、隴中黃土高原等不同下墊面所特有的現(xiàn)象(表2)。由于芨芨草地土壤比熱容大，自身含有的熱儲存量較多，陰天為蒸散提供了充足的熱量，從而使得LE大于Rn，G的比值也為較大的負(fù)數(shù)。上述情況也充分表明芨芨草地土壤具有一定的“能量緩存”作用即晴天儲存熱量，陰天釋放熱量。

表2 夏季陰天不同下墊面狀況下LE/Rn、H/Rn值Table 2 LE/Rn、H/Rn of different underlying surface of overcast day in Summer

3.1.3 雨天日內(nèi)變化特征

圖4 平均情況下地表能量日內(nèi)變化特征 Fig.4 Feature of daily variation of average surface energy in splendens grassland

雨天在6:00左右出現(xiàn)中雨，至11:00左右降水停止，天氣開始轉(zhuǎn)晴。由于受降水的影響，各能量分量推遲到11:00才開始迅速上升，比晴天滯后3 h，使得各能量曲線呈偏峰型。Rn、H在15:00才達(dá)到峰值，分別是晴天的1.13倍、1.59倍，說明在干旱區(qū)由于雨后天晴，空氣清新，云量和混濁物較少，凈輻射強(qiáng)度大，導(dǎo)致地氣之間瞬時(shí)能量交換速率加快(圖3)。同時(shí)，Rn達(dá)到峰值1 h后，LE迅速達(dá)到峰值328.40 W/m2，與晴天峰值相當(dāng)，表明雖然雨天氣溫較低，但由于水份供給條件的改善和凈輻射強(qiáng)度大，草地蒸散進(jìn)程仍然強(qiáng)烈。而G則在降雨期間保持負(fù)值，土壤向大氣傳輸熱量，并在雨停后的12:30左右跌入谷底(-128.89 W/m2)，即此時(shí)土壤向地表及大氣傳送大量能量，以促使LE峰值的出現(xiàn)。

3.1.4 平均日內(nèi)變化特征

觀測期內(nèi)平均情況下地表能量平衡的日變化表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的拋物線型，在形態(tài)上與晴天基本吻合，說明在干旱區(qū)綠洲荒漠過渡帶，平均地表能量平衡受云和降水的影響是有限的，晴天對其具有一定的代表性(圖4)。但由于云和降水的干擾，使得Rn、LE、H、G的峰值較晴天分別被削弱23.97%、42.58%、8.80%、18.78%。

平均狀況下過渡帶芨芨草地LE/Rn值遠(yuǎn)大于夏季同期的干旱區(qū)河西走廊沙漠[23]、敦煌戈壁，而低于綠洲灌溉小麥區(qū)[23](表3)。前兩者氣候極端干旱，地表植被稀疏，幾近光禿，生態(tài)系統(tǒng)持水、滯水能力較差，水份嚴(yán)重稀缺，因而感熱占主導(dǎo)地位。過渡帶芨芨草地在能量分配上則更好地表現(xiàn)出自身的過渡性，潛熱占主導(dǎo)地位。因?yàn)橐环矫孢^渡帶芨芨草地在水熱性質(zhì)上介于綠洲和荒漠之間，也就表現(xiàn)出能量分配上的中間性，使得LE/Rn值大于沙漠、戈壁區(qū)；另一方面在因綠洲、沙漠熱力性質(zhì)差異形成的局地環(huán)流作用下，沙漠通過水平平流將大量的干熱空氣輸送到綠州前緣——綠洲荒漠過渡帶的上空，使得過渡帶的溫度梯度減小，濕度梯度增大，從而促使其感熱通量減少，潛熱比重增加并占主導(dǎo)地位。而綠洲灌溉小麥區(qū)受自身植被覆蓋好和人工灌溉、耕作的影響，土壤濕度和植被含水較多，蒸散旺盛，能量傳輸主要通過潛熱的形式，且潛熱所占比例高于芨芨草地。過渡帶芨芨草地LE/Rn值略大于同處綠洲荒漠過渡帶的蘆葦?shù)豙24]，因?yàn)楹笳吣昃邓績H為芨芨草地的1/4，可供蒸散的水份相對較少，潛熱交換所占比重較小。

表3 夏季不同下墊面類型平均狀況下的LE/Rn、H/Rn值Table 3 LE/Rn、H/Rn of different underlying surface of the average in summer

3.2 地表能量分配日內(nèi)動態(tài)變化

不同天氣條件下能量分配的日動態(tài)變化趨勢基本一致，白天均以LE為主，表現(xiàn)為LE/Rn>H/Rn>G/Rn(圖5)。夜間則有所不同，前半夜(20:30—24:00)晴天和平均狀況均以LE為主，G次之，H比例最小，表明前半夜它們?nèi)源嬖谝欢ǖ恼羯⒘?圖5)。而陰天和雨天同期則以感熱占主導(dǎo)地位(圖5)。除雨天外，其它天氣條件下的后半夜(24:00—次日8:00)能量分配均以G占主導(dǎo)地位，體現(xiàn)出此時(shí)土壤已成為夜間草地SPAC系統(tǒng)的主要熱源。

圖5 不同天氣條件下地表能量分配日動態(tài)變化Fig.5 Daily variation of energy distribution under different weather conditions

各種天氣背景下白天LE/Rn、H/Rn、G/Rn曲線均變化平穩(wěn)，波動幅度較小。而夜間除G/Rn在后半夜變化相對平穩(wěn)外，各曲線一直在持續(xù)波動，變化幅度較大。在日出和日落前后伴隨著草地系統(tǒng)熱源在大氣和土壤之間的轉(zhuǎn)化，各能量傳輸方向和大小發(fā)生改變，使得各曲線早、晚發(fā)生跳躍式變化，出現(xiàn)較大的波峰或波谷(圖5)，其中早晨日出時(shí)刻以LE/Rn和G/Rn曲線波動最為劇烈，且兩者峰谷互補(bǔ)。這是因?yàn)橐环矫?，?jīng)過夜間的凝結(jié)，日出時(shí)土壤和植被表面露水較多，可供蒸散潛熱的水份較為充足；另一方面，此時(shí)Rn雖由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，但能量較為微弱，遠(yuǎn)小于方向?yàn)樨?fù)的土壤熱通量(G)對蒸散能量的供給，而此時(shí)潛熱數(shù)值幾乎等于Rn與G之和，從而使得LE/Rn遠(yuǎn)大于1，雨天甚至接近于10，致使曲線產(chǎn)生劇烈突變。這也是此時(shí)LE/Rn與G/Rn曲線峰谷互補(bǔ)的原因。陰天因?yàn)樘栞椛淙?，日照時(shí)數(shù)少，曲線早、晚劇烈變化開始時(shí)間較平均分別延后和提前0.5 h。雨天各能量分量曲線均向右偏移，致使早、晚曲線突變時(shí)間較平均分別向后推延約1.5 h。晴天則由于輻射強(qiáng)度大，日照時(shí)數(shù)多，造成早、晚曲線突變時(shí)間較平均分別提前0.5 h和延遲4 h。

3.3 波文比(β)日內(nèi)變化

圖6 不同天氣條件下β日內(nèi)變化特征Fig.6 Daily variation of β under different weather conditions

波文比是反映芨芨草地吸收凈輻射能量在湍流潛熱和感熱上的分配比例[25]。晴天、平均、陰天(8:00—18:00)波文比依次減小，且均小于1，表明它們在白天能量分配均以潛熱為主(圖6)，這與能量分配日變化曲線反映的情況一致。平均狀況下波文比變化態(tài)勢和晴天較為一致，只是數(shù)值略大于晴天，說明該地區(qū)由于降水稀少，云量較小，能量分配表現(xiàn)出以晴天為背景的特征。陰天波文比波動幅度最小，尤其在13:30以右，始終在0值附近徘徊，主要是由于全天Rn和氣溫變化緩和，日較差較小的緣故。而雨天則表現(xiàn)出較大的波動性，整體呈上升趨勢。在8: 00—12：00期間，由于受上午雨水的影響，Rn<0，造成波文比也為負(fù)值，12：00由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，并繼續(xù)升高，甚至出現(xiàn)大于1，最大值接近4的情況。

3.4 潛熱(LE)與Rn、H、G之間的關(guān)系

LE與Rn、H、G線性相關(guān)性均呈現(xiàn)為晴天與平均相當(dāng)，陰天次之，雨天最小(表4)。因?yàn)榕c晴天(T氣= 30.1 ℃，RH=35.4%)相比，陰天受(T氣=21.2 ℃，RH= 75.5%)云量大的影響，氣溫較低，致使蒸散與Rn、H、G的相關(guān)性較晴天減小，從而使得作為蒸散的能量實(shí)質(zhì)——潛熱與其它能量的相關(guān)系數(shù)小于晴天。而雨天(T氣= 17.9 ℃，RH=71.2%)則因降水的影響，氣溫最低，相對濕度較大，進(jìn)而在很大程度上削弱了LE與Rn、H、G的相關(guān)性。因?yàn)樵诟珊祬^(qū)過渡帶陰雨天氣較少，主要為晴朗天氣，所以平均狀況下潛熱(LE)與其它地表能量之間的關(guān)系程度略小于晴天，而大于陰天和雨天。

表4 潛熱(LE)與其它地表能量之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient between LE and other surface energy

*代表P<0.05，較為顯著;**代表P<0.01，極其顯著

4 結(jié)論與討論

(1) 晴天各地表能量分量均表現(xiàn)出早晚低、中午高的變化規(guī)律，促使日變化曲線呈現(xiàn)“單峰型”。陰天受云量較大的影響，各能量分量明顯削弱，且出現(xiàn)峰谷頻繁交替，使得日變化曲線表現(xiàn)為“多峰型”。雨天受降水的影響，氣溫較低，各能量分量的峰值出現(xiàn)時(shí)間較晚，導(dǎo)致曲線整體向右發(fā)生偏移，稱之為“偏峰型”。

(2) 在不同天氣條件下，綠洲荒漠過渡帶能量均以潛熱輸送占主導(dǎo)地位，這與以往許多干旱半干旱區(qū)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)H占大部分的情況有很大不同，主要是由于降水和植被覆蓋度的不同而引起的。其中，陰天LE總量甚至大于Rn的33%。平均狀況下LE占Rn的58.9%，遠(yuǎn)大于沙漠、戈壁，而低于綠洲，體現(xiàn)出自身在能量分配上的過渡性。

(3) 不同天氣條件下綠洲-荒漠過渡帶能量分配的日變化趨勢基本一致，白天均以潛熱為主，夜間則有所不同。G/Rn、H/Rn、LE/Rn曲線白天變化平穩(wěn)，夜間持續(xù)波動。而由于草地系統(tǒng)能量來源在大氣和土壤之間的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致各曲線在日出和日落前后發(fā)生跳躍式劇烈變化。其中，日出時(shí)刻以LE/Rn和G/Rn曲線波動幅度最大，且兩者峰谷互補(bǔ)。因輻射強(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)的不同，曲線早、晚劇烈變化開始時(shí)間陰天較平均分別延后和提前0.5 h，晴天較平均分別提前0.5 h和延遲4 h。雨天能量曲線因降水整體右移，導(dǎo)致早、晚劇變時(shí)間較平均都向后推延約1.5 h。

(4) 晴天、平均、陰天(8:00—18:00)波文比數(shù)值依次減小，且均小于1，表明它們在白天能量分配均以LE為主，這與能量日積分值和能量分配日變化曲線反映的規(guī)律一致。晴天和平均情況波文比變化較為一致，陰天因凈輻射和氣溫日較差較小而波動最小，雨天則表現(xiàn)出較大的波動性，整體呈上升態(tài)勢。

(5) 除雨天外，LE與Rn、H、G線性相關(guān)性均達(dá)到極其顯著性水平?？傮w上，相關(guān)程度由大到小順序?yàn)椋呵缣?平均>陰天>雨天。陰天受云量影響，氣溫較晴天低10 ℃左右，導(dǎo)致潛熱與其它地表能量的相關(guān)系數(shù)小于晴天。而雨天氣溫最低，相對濕度較大，致使?jié)摕崤c其它地表能量相關(guān)性最小。

本文以實(shí)測氣象資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用訂正后的波文比能量平衡法計(jì)算了綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地的各地表能量通量，探討了不同天氣條件下該區(qū)的地表能量及其分配日動態(tài)特征。積累更豐富的觀測資料，定量研究包含云量、降水等環(huán)境因子與各能量變化的關(guān)系，建立它們之間的關(guān)系模型，以解釋云量、降水因子對地表能量交換變化的影響機(jī)制，將是進(jìn)一步研究的方向。

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Characteristics of land surface energy over:Achnatherumsplendensgrassland in the oasis-desert ecotone of Northern Piedmont of Tianshan Mountains

YAN Renhua1,2,3, XIONG Heigang2,3,*, CHEN Xiaofei1

1NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China2CollegeofArtsandSciencesofBeijingUnionUniversity,Beijing100083,China3KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

Oasis-desert ecotone that lies between oasis and desert is bridgehead of the advance and retreat of Oasis (desert), which is ecological fragile zone taking on the trend of degradation. Its special characteristics of the surface energy exchange has a profound impact on the formation and development of the regional ecological environment. Therefore, better studying the law of surface energy transmission of oasis-desert ecotone can provide the scientific foundation of establishing the micro-climate model of the ecotone, achieving the optimal allocation of natural resources and promoting sustainable development of oasis. Based on the observed data of the experiment carried out in the oasis-desert ecotone of northern piedmont of Tianshan Mountains from July to September in 2010, the characteristics of the daily variations of the surface energy balance, energy distribution and the relationship between latent heat and other surface energy were analysed. The results show that there are many differences in the daily variations of the surface energy under different weather conditions. Each energy component curve appears as ‘single peak’ type on clear day, whose circadian variation is significant. Affect by the variation of cloudiness, the curve of overcast day displays as ‘multiple peak’ type with peak and valley frequently alternating. Influenced by the precipitation change, the curve of rainy day manifests ‘partial peak’ type. Owing to the precipitation, the curve of average is basically consistent with the clear day. Unlike the most previous experimental results of the arid areas, the latent heat (LE) is the main energy transmission of the oasis-desert zone under any weather conditions, followed by sensible heat (H) and soil heat flux (G). TheLE/Rnof sunny day reaches 72.4%.Due to the complement of the soil heat flux (G),LE/Rnof overcast day is up to 131%. As the transitional hydrothermal property and the dry-heat air transported by advection from desert, the average value ofLE/Rn(58.8%) was much larger than Hexi Corridor desert，Dunhuang gobi for the same period in the arid zone, while smaller than the irrigated wheat area of oasis. That the averageLE/Rnis between desert and oasis well reflects the transitional character of energy distribution. The daily changing trends of energy distribution under any weather condition are basically in accordance: energy of daytime is latent heat mainly and night is different. The curve ofG/Rn、H/RnandLE/Rnin daytime is smooth, that fluctuate continually in night, however, the most violent in sunrise and sunset. TheLE/RnandG/Rncurve of sunrise fluctuations strongest, which display the peak-valley complementarity. The Bowen ratio(8:00—18:00)of the clear, average and overcast day decreases in turn. They are less than 1, indicating that energy distribution are mainly the latent heat in the daytime. However, the rainy day shows greater volatility with the upward trend as a whole. The correlation coefficients betweenLEand other energy includingRn,H,Gare different due to weather condition. They are all highly correlated in clear days, followed by cloudy days and rainy days, while in clear days they show similar to the average condition.

land surface energy; oasis-desert ecotone; the bowen ratio method; energy distribution

國家自然科學(xué)基金(41171165); 國家教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1180)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(IDHT20130322); 國家自然科學(xué)基金(41261049)

2013- 05- 10;

日期:2014- 04- 17

10.5846/stxb201305101015

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xhg1956@sohu.com

閆人華, 熊黑鋼,陳肖飛.天山北麓綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地地表能量通量研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(5):1350- 1358.

Yan R H, Xiong H G, Chen X F.Characteristics of land surface energy over:Achnatherumsplendensgrassland in the oasis-desert ecotone of Northern Piedmont of Tianshan Mountains.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1350- 1358.