吳 燁, 霍 文, 何 清, 金莉莉

(中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002)

塔克拉瑪干沙漠腹地自然沙面與人工綠地不同季節(jié)局地氣候的差異性

吳 燁, 霍 文, 何 清, 金莉莉

(中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002)

[目的] 開展塔克拉瑪干沙漠腹地自然沙面與人工綠地不同季節(jié)局地氣候差異性研究，通過觀測數(shù)據(jù)的解析，反映出沙漠與綠地區(qū)之間小氣候變化的互饋機(jī)制，為沙漠區(qū)域人工綠地的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。 [方法] 利用塔克拉瑪干沙漠腹地流動沙丘—人工綠地不同下墊面4個氣象站的同步加密觀測資料，分析自然沙面與人工綠地的小氣候特征差異，初步探討產(chǎn)生這些差異的原因。 [結(jié)果] 沙漠區(qū)對氣溫的升降速率響應(yīng)快，綠洲區(qū)對氣溫的變化幅度響應(yīng)顯著；四季在增溫時段綠洲相對于沙漠屬冷島，降溫時段屬熱島；夏季比濕最大，冬季最小，綠洲區(qū)相對于沙漠區(qū)在秋季濕島效應(yīng)持續(xù)時間最長，強(qiáng)度最大；春、夏、秋季凌晨至日出時段，綠洲上游邊界呈現(xiàn)濕島效應(yīng)特征，綠洲下游邊界四季全天均表現(xiàn)為濕島效應(yīng)；沙漠區(qū)域風(fēng)速日變化極值出現(xiàn)時間早于綠洲區(qū)，風(fēng)速變化范圍沙漠區(qū)最大，綠洲區(qū)最小，在春、夏季，綠洲核心區(qū)風(fēng)速遞減率大于綠洲上游邊界。 [結(jié)論] 下墊面的差異對小氣候影響是十分顯著的，綠洲區(qū)存在較強(qiáng)的“冷島效應(yīng)”和“濕島效應(yīng)”。

塔克拉瑪干沙漠; 溫度; 比濕; 風(fēng)速; 小氣候

文獻(xiàn)參數(shù)： 吳燁, 霍文, 何清, 等.塔克拉瑪干沙漠腹地自然沙面與人工綠地不同季節(jié)局地氣候的差異性[J].水土保持通報，2017,37(2)：75-82.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.011； Wu Ye, Huo Wen, He Qing, et al. Microclimate Variability of Natural Sand and Artificial Green Land in Different Seasons over Taklimakan Desert Hinterland[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：75-82.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.011

沙漠小氣候研究是沙漠氣候研究的一個分支，下墊面類型、植被類型及密度、土壤基質(zhì)、地下水位深度、海拔高度、坡度和坡向等都是影響沙漠小氣候變化的因素[1-6]。植被可以通過影響地表能量、水和動量平衡等多種方式來影響小氣候。植被和小氣候的關(guān)系非常復(fù)雜：小氣候影響植被特征，反之植被特征又影響小氣候，有些植被對地表物理過程和大氣的影響是沙漠地區(qū)特有的[7]。塔克拉瑪干沙漠是中國沙塵暴的主要起源地之一，位于中國新疆南部塔里木盆地中心，面積3.376×105km2，其中流動沙丘面積占82.2%，是中國最大的沙漠[8]。塔中沙漠油田基地位于沙漠腹地，地理坐標(biāo)為39°00′N，83°40′E，海拔1 099.3 m，為解決油田基地的防沙綠化問題，1994年起建成人工綠地35 hm2，目前石油基地人工綠地已初具規(guī)模，下墊面狀況發(fā)生了很大變化[9]，形成了有別于流動沙面的局地氣候效應(yīng)。一些學(xué)者對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地土壤理化性質(zhì)、土壤微生物學(xué)特性進(jìn)行研究[10-14]，結(jié)果表明，不同植被類型和利用方式的綠地土壤理化性質(zhì)有差異；人工綠地建成后，土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況得到改善，促進(jìn)了風(fēng)沙土的成土發(fā)育，土壤微生物在時間和地域分布上呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。對塔克拉瑪干沙漠公路中斷兩側(cè)不同下墊面和塔中地區(qū)油田防護(hù)林帶小氣候分析發(fā)現(xiàn)，防護(hù)林帶有利于改良和調(diào)節(jié)局部小氣候[15-16]。塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地小氣候特征研究表明，生長季人工綠地有利于調(diào)節(jié)地表溫度和貼地層氣溫，縮小溫差，提高大氣濕度[17]。但對于塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地與沙漠交互區(qū)局地氣候系統(tǒng)性的研究卻鮮見報道。小氣候既定量地反映了沙漠化環(huán)境的退化程度，又定量地反映了沙漠化環(huán)境過程中反饋作用的強(qiáng)度[18]。因此開展極端干旱條件下自然沙面與人工綠地小氣候研究，可為進(jìn)一步了解沙漠區(qū)與綠地區(qū)之間局地氣候變化的互饋機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持，為沙漠區(qū)域人工綠地可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)所在的塔克拉瑪干沙漠腹地年平均氣溫12.4 ℃，最熱月(7月)的平均氣溫28.2 ℃，最冷月(12月)的平均氣溫-8.1 ℃，極端最高氣溫45.6 ℃，極端最低氣溫-22.2 ℃。年降水量11.05 mm，蒸發(fā)量3 638.6 mm[19]。年平均出現(xiàn)沙塵暴30 d以上，揚(yáng)沙天氣多達(dá)70 d，浮塵天氣高達(dá)200 d，發(fā)生期可跨越整個春夏季節(jié)。該地區(qū)除了油田作業(yè)區(qū)和生活區(qū)外，周圍及沙漠公路旁還生長了一些人工種植的梭梭、紅柳、沙拐棗及一些野生蘆葦，其他地區(qū)基本是裸露的流沙地表，土壤特征隨地貌不同而有所差異，絕大部分為風(fēng)沙土。

1.2 試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 試驗設(shè)計 自塔克拉瑪干沙漠腹地流動沙丘—人工綠地內(nèi)部與盛行風(fēng)向平行取4個下墊面，依次布設(shè)4個氣象觀測站，氣象站A為塔克拉瑪干沙漠塔中大氣環(huán)境觀測試驗站副站，地表以連片流沙為主，周圍基本無植被覆蓋；氣象站B位于流動沙丘與人工綠地過渡地帶，地表分布稀疏的檉柳、駱駝刺，距離A氣象站東南方向1.5 km；氣象站C為塔克拉瑪干沙漠塔中大氣環(huán)境觀測試驗站主站，位于油田基地人工綠地內(nèi)，種有檉柳、沙拐棗和梭梭等沙生植被，地勢較為平坦；氣象站D位于人工綠地東南側(cè)，是人工綠地邊緣地帶，分布有少量檉柳、駱駝刺、梭梭等植被。A，B，C，D分別代表沙漠、綠洲上游邊界、綠洲和綠洲下游邊界(下文分析均用A，B，C，D代替，不在重復(fù)表述)。2014年1，4，7和9月對4個下墊面進(jìn)行同步氣象觀測，分別代表冬季、春季、夏季以及秋季不同下墊面的小氣候特征。

1.2.2 數(shù)據(jù)說明與處理 本研究采取的數(shù)據(jù)時間段為2014年1，4，7和9月，氣象要素有氣溫、相對濕度、風(fēng)速、氣壓等。其中A，C站為定點觀測站，B，D站為流動加強(qiáng)觀測站。A站建有10 m梯度探測系統(tǒng)，共有5層梯度層次，C站建有80 m梯度探測系統(tǒng)，共有10層梯度觀測平臺，主要使用芬蘭VAISALA、美國Metone等氣象專用研究級別探測設(shè)備，測量精度與范圍符合國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到便攜式流動加強(qiáng)觀測站B，D站的數(shù)據(jù)精確性，選用WeatherHawk氣象站，測量精度等參數(shù)詳見表1。

表1 儀器參數(shù)表

四季平均溫度變化選取1，4，7和9月日平均溫度計算得出，溫度、風(fēng)速的日變化特征選取1，4，7和9月同一時段內(nèi)0：00—23：00的所有數(shù)據(jù)的平均值。相對濕度(f)是空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比濕，直接反映空氣距離飽和的程度，其日變化主要決定于溫度，而比濕(q)是指在一團(tuán)濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團(tuán)空氣總質(zhì)量(水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量)的比值，其單位是g/g，即表示每1 g濕空氣中含有多少克的水汽，也有用每1 kg質(zhì)量濕空氣中所含水汽質(zhì)量的克數(shù)表示的即g/kg。因此用比濕來表示空氣的濕度[20]。比濕由溫度、相對濕度、氣壓數(shù)據(jù)計算得出。由于儀器故障及傳輸、記錄過程中的其他原因，會出現(xiàn)一些虛假的數(shù)據(jù)，對明顯錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正和剔除，以免影響結(jié)果的可靠性。

1.3 研究時段代表月氣候概況

春、夏季是主要沙漠災(zāi)害性天氣頻發(fā)的季節(jié)，這里只闡述代表月4和7月的氣候概況，1與9月略。2014年4月觀測出現(xiàn)17次浮塵天氣，14次揚(yáng)沙天氣，3次沙塵暴天氣，2次大風(fēng)天氣過程。其中23，24日沙塵天氣持續(xù)時間長，強(qiáng)度變化大，23日沙塵暴最小能見度達(dá)200 m，24日浮塵最小能見度達(dá)300 m，14日大風(fēng)瞬間風(fēng)速達(dá)17.2 m/s。14日出現(xiàn)降水天氣，降水量為0.0 mm。與歷年同期相比，本月平均氣溫偏低1.1 ℃，降水量相等。沙塵出現(xiàn)日數(shù)較歷年同期偏多，出現(xiàn)沙塵天氣過程，對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活及交通運輸造成了不利的影響。2014年7月出現(xiàn)14次浮塵天氣，13次揚(yáng)沙天氣，7次沙塵暴天氣和5次大風(fēng)天氣過程，持續(xù)時間較長，強(qiáng)度變化大。其中浮塵最小能見度為741 m，沙塵暴最小能見度為171 m。其中16日大風(fēng)天氣，瞬時風(fēng)速達(dá)21.0 m/s。最大日降水量為1.6 mm，全月降水量為2.4 mm。與歷年同期相比，本月月平均氣溫偏低0.7 ℃，降水量偏少，沙塵出現(xiàn)日數(shù)較歷年同期偏多。雖然出現(xiàn)沙塵天氣過程和降水天氣過程，但對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活及交通運輸未造成影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化特征

2.1.1 溫度日變化特征 圖1是四季不同下墊面平均溫度，其中春、夏季各站溫度差值較小，秋、冬季差值較大，不同季節(jié)B站溫度始終最高，C站始終最低，四季平均溫度均為：B>D>A>C，A站和C站春、冬季溫度差值較小，冬季A站平均溫度為-4.94 ℃，C站-5.1 ℃；春季A站16.33 ℃，C站16.17 ℃。B站和D站均為綠洲向沙漠過渡的邊緣地帶，溫度相差較小。C站為人工綠洲，覆蓋檉柳、梭梭、駱駝刺等沙生植被，春、夏季隨著地表植被覆蓋度增加，可吸收和反射一部分太陽輻射能，使地表溫度降低，導(dǎo)致地表補(bǔ)充給大氣的熱量減少，氣溫相應(yīng)降低[21]。

圖1 研究區(qū)不同下墊面四季平均溫度

眾所周知，受太陽輻射的影響，空氣溫度有明顯的日變化規(guī)律，下墊面狀況的不同影響到輻射收支，從而會成為影響溫度日變化的因素之一。如圖2所示，給出了四季不同下墊面逐時平均溫度日變化?？梢钥闯?，四季不同下墊面溫度整體變化趨勢一致，不同下墊面溫度日變化周期不同步。A站溫度變化提前于其他3站，最高溫度秋、冬季較C站提前2 h，春、夏季提前1 h，夏季較B站提前3 h，其他三季提前2 h，冬、夏季較D站提前3 h，春、秋季提前2 h；最低溫度冬季較C站提前1 h，其他三季提前2 h，四季較B，D站均提前3 h。沙漠在升溫和降溫過程中的變化最快，綠洲在升溫和降溫過程中的變化幅度最大，綠洲上下游邊界升溫滯后于沙漠和綠洲，降溫滯后于沙漠，與綠洲基本同步。

由圖2所示，冬季，08：00—15：00C站溫度低于A站，16：00—03：00C站溫度高于A站，04:00—07：00二者溫度接近，可以認(rèn)為08：00—15：00綠洲相對于沙漠是一個冷源，屬冷島，16：00—03：00綠洲屬熱島，04：00—07：00是熱島與冷島過渡期；與B，D站相比20：00—11：00C站屬冷島，12:00—19:00度接近。最熱月夏季(圖2)，06：00—13:00C站溫度低于A站，屬冷島，14：00—23:00C站溫度高于A站，屬熱島，00：00—05：00兩站溫度接近，屬冷島與熱島過渡期，B，D站溫度白天與C站相差不大，夜間略高于C站。春季(圖2)、秋季(圖2)4站溫度日變化較一致，更為平緩，07：00—13:00C站溫度低于A站，14：00—22:00高于A站，23:00—06:00溫度接近。不同季節(jié)清晨到午后，綠洲相對于沙漠屬冷島，午后到凌晨屬熱島，凌晨到日出前屬冷熱島過渡期；綠洲上下游邊界相對于沙漠，清晨到午后屬冷島，午后到次日清晨屬熱島，無明顯冷熱島過渡期。

圖2 不同下墊面平均溫度日變化

表2是不同下墊面白天和夜晚的平均溫度及日較差，可以看出，4站四季日較差最大的是C站，分別為冬季17.76 ℃、春季16.74 ℃、夏季16.51 ℃和秋季19.82 ℃，最小的是D站，值分別是冬季12.53 ℃，春季12.39 ℃，夏季11.96 ℃，秋季14.03 ℃，四季日較差大小排序： C>A>B>D。

四季來看，A站白天平均溫度最高，分別為-0.31，20.66，32.6和29.02 ℃，B站夜晚平均溫度最高，其值分別為-4.89，14.87，26.94和22.57 ℃；D站白天平均溫度最低，分別為-1.42，19.08，31.13和27.43 ℃，A站冬季和春季夜晚平均溫度最低，分別為-9.57和12.01 ℃，C站夏季和秋季夜晚平均溫度最低，分別是23.73和18.15 ℃。

A站和B站溫度在白天和夜晚均最高，說明沙漠和綠洲上游邊界起增加近地層溫度的作用，C站溫度在夏季和秋季夜晚最低，有明顯的降溫作用，較大的日較差說明降溫作用主要在夜晚，夏季夜晚相對于沙漠，綠洲是一個“冷源”，也說明了綠洲的冷島效應(yīng)[22]。

表2 不同下墊面白天和夜晚的平均溫度及日較差 ℃

綜合圖2和表2，沙漠特殊物理性質(zhì)決定著地面以長波輻射和湍流形式向空氣中迅速傳播熱量，使氣溫急劇升高，當(dāng)?shù)乇淼貌坏教栞椛淠芰?，它自身的熱量也很快傳送走，沙層溫度迅速下降，而且空中水分的短缺，近地表空氣能量也就很快向上層空氣傳遞，越靠近沙面的空氣溫度越低[18]。因此不同季節(jié)沙漠達(dá)到日最高氣溫的時間較其他下墊面提前，溫度下降到最低點的時間也相應(yīng)提前，不同季節(jié)有所差異。不同季節(jié)午后到凌晨，綠洲溫度均高于沙漠，凌晨到午間，綠洲溫度低于沙漠，主要原因可能是午后沙漠溫度達(dá)到最高后，由于平流或局地環(huán)流作用將被加熱的空氣輸送到綠洲上空，植被對湍流的削弱作用超過對輻射的削弱作用[23]，致使綠洲的溫度反比沙漠高，這與嚴(yán)坤[17]在塔中地區(qū)的觀測相似。夜間植被區(qū)散熱面積大，散熱快，溫度降低也快，使貼地層氣溫稍低于流沙區(qū)，這與劉樹華[24]在騰格里沙漠南緣沙坡頭的觀測一致。

2.1.2 溫度變化速率 以相鄰2 h的平均溫度差表示溫度變化速率，得到4種下墊面上溫度變化速率在不同季節(jié)的日變化特征，由圖3可知，白天溫度變化明顯比夜晚快，各站溫度變化速率差異主要在白天。圖3a是A站不同季節(jié)溫度變化速率，圖3b是夏季4站溫度變化速率，夏季C站植被覆蓋度大，因此將夏季C站溫度變化速率作為背景值(圖3a，3b中虛線)有助于直觀分析A站溫度變化速率特征。A站不同季節(jié)溫度變化速率起伏較大，穩(wěn)定增溫時間均為3 h，持續(xù)較短，持續(xù)降溫時間較長，分別是：夏季>春季>秋季>冬季，各站變化時間不同步。冬季穩(wěn)定增溫時間為07：00—10：00，明顯滯后于其他季節(jié)，持續(xù)降溫時間為10：00—18：00，持續(xù)時間8 h；春季增溫和降溫幅度較小，穩(wěn)定增溫時間為05：00—08：00，降溫持續(xù)12：00；秋季05：00開始穩(wěn)定升溫，08：00達(dá)到最大增溫速率4.37 ℃/h后開始降溫，降溫持續(xù)11 h后開始波動上升。

如圖3b所示，夏季A站和C站穩(wěn)定增溫及最大增溫時間和速率差異較大，A站夏季早晨升溫劇烈，04：00開始升溫，07：00左右增溫速率達(dá)到最大值2.72 ℃/h后降溫迅速，持續(xù)降溫14 h，C站穩(wěn)定增溫滯后A站2 h，09：00達(dá)到最大增溫速率4.04 ℃/h，B站和D站增溫時間滯后于A站和C站，增溫速率也小于A站和C站。夏季，C站明顯的降溫速率也印證了“綠洲冷島效應(yīng)”存在于塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地中。

圖3c和圖3d為B站和D站四季溫度日變化速率，圖中虛線為夏季A站溫度日變化速率，將其作為背景值，可更加清晰的看出沙漠與綠洲邊界溫度變化差異。如圖3所示，B站和D站溫度變化速率基本一致，溫度變化速率綠洲下游邊界小于綠洲上游邊界，2個綠洲邊界穩(wěn)定增溫時間出現(xiàn)早晚均為：夏季>秋季>春季>冬季，不同季節(jié)增溫速率和降溫速率均為：秋季>冬季>春季>夏季。夏季兩站增溫和降溫均滯后于A站，因為綠洲邊界隨著植被覆蓋率的增加，升溫較沙漠慢，沙漠日出后升溫快，日落后降溫也快，這是由于不同下墊面具有不同熱容量及升溫速率造成的。

圖3 研究區(qū)不同下墊面四季平均溫度日變化速率

2.2 比濕變化特征

塔克拉瑪干沙漠腹地屬于極端干旱區(qū)，降水稀少，植被覆蓋度低，比濕較小，比濕具有季節(jié)變化趨勢。夏季最大，冬季最小，秋季和春季為過渡季節(jié)，平均比濕介于冬季和夏季之間，秋季大于春季。A，B，C，D站夏季平均比濕分別為0.055，0.039，0.046和0.026 g/kg,冬季平均比濕分別為0.009，0.01，0.011，0.007 g/kg。研究范圍內(nèi)，7月降水日數(shù)5 d，降水量2.4 mm，1，4，9月均無降水，降水可以增加水汽質(zhì)量，從而增加比濕，降水日數(shù)多的夏季比濕大于其他季節(jié)。

如圖4所示，夏季，比濕日變化最大，呈波動狀。C站全天比濕變化明顯，存在一個極大值(09：00，0.071 g/kg)和一個極小值(16：00，0.029 g/kg)，A站06：00比濕達(dá)到最大，最大值出現(xiàn)較B，C，D 3站提前3 h，B，C站達(dá)到最大值后迅速遞減，A，D站減小緩慢，傍晚后4站比濕持續(xù)增大，07：00～10：00，C站比濕大于A站，15：00至次日11：00，C站比濕大于B，D站，呈現(xiàn)濕島效應(yīng)[25]。春季A站比濕變化較為平緩，C站清晨比濕達(dá)到最大值后迅速減小，12：00后波動遞增，B，C站下降平緩直到凌晨開始緩慢上升，D站比濕18：00最大，夜間波動變化，次日11：00開始持續(xù)增大。冬季，20：00至次日09：00C站比濕大于A站，12：00～19：00低于A站，可以認(rèn)為20：00至次日09：00，C站相對于A站是濕島；冬季A站比濕日變化和其他3站不同，A站11：00達(dá)到最大，午后緩慢減小，次日日出后快速增大，其他3站達(dá)到最大值后，迅速減小，16：00減小到最小值后B，C站迅速增大，D站緩慢遞增，午夜至清晨，D站持續(xù)增大，B，C緩慢波動遞增；D站比濕全天均小于其他3站。秋季比濕變化趨勢與夏季一致，變化幅度較夏季小。

圖4 研究區(qū)不同下墊面平均比濕日變化

圖5分別以綠洲與沙漠、綠洲與綠洲上游邊界、綠洲與綠洲下游邊界比濕差Δq來進(jìn)一步分析綠洲與沙漠及其邊界比濕日變化特征。如圖5所示，夏季07：00—10：00，Δq為正，綠洲平均比濕大于沙漠，為濕島效應(yīng)，09：00濕島最強(qiáng)，其余時段表現(xiàn)為綠洲干島。秋季22：00至次日11：00綠洲為濕島，冬、春季綠洲濕島效應(yīng)不顯著。夏季濕島持續(xù)時間很短(3 h)，干島持續(xù)時間長，秋季濕島持續(xù)時間最長(14 h)，強(qiáng)度最大，可能原因是夏季溫度高，蒸發(fā)能力強(qiáng)，觀測周期內(nèi)，沙塵天氣頻發(fā)，空氣中水汽含量低；秋季沙塵天氣少，平均溫度低于夏季，夜間時段近地面凝結(jié)水過程比夏季長，因此，秋季濕島持續(xù)時間長、強(qiáng)度大。由圖5可見，春、夏、秋三季夜晚到日出后，Δq為正，綠洲對于其上游邊界表現(xiàn)為濕島效應(yīng)，隨著日出后太陽輻射增加，Δq迅速減小，夏、秋季午后到傍晚濕島效應(yīng)不明顯，18：00后，濕島效應(yīng)逐漸出現(xiàn)，一直持續(xù)到次日12：00，春季在午后及夜間都出現(xiàn)了濕島效應(yīng)，持續(xù)時間長，但強(qiáng)度較弱。冬季20:00—00：00有較弱濕島效應(yīng)，其余時段存在干島效應(yīng)且較弱。由圖5可知，四季Δq都為正，也就是說綠洲相對于其下游邊界均表現(xiàn)為濕島效應(yīng)，但不同季節(jié)強(qiáng)度和持續(xù)時間有差異。濕島強(qiáng)度：夏季>秋季>春季>冬季，春、夏、秋季夜晚大于白天，夏、秋季具有明顯的峰值，冬季濕島效應(yīng)強(qiáng)度較弱。綠洲相對于其邊界的濕島效應(yīng)與其較大的植被覆蓋度有關(guān)，植被覆蓋度大，植物蒸騰強(qiáng)度增加，對大氣具有加濕作用；綠洲上下游邊界溫度白天與綠洲相差不大，夜間高于綠洲內(nèi)部，夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定，貼地層水汽較日間多，比濕夜間大于日間。

圖5 研究區(qū)不同下墊面四季比濕差

2.3 風(fēng)速變化特征

四季不同下墊面風(fēng)速日變化一致，白天風(fēng)速大，夜晚風(fēng)速小，極值出現(xiàn)時間不同，沙漠極值出現(xiàn)時間提前于其他3站。從季節(jié)上看，春季平均風(fēng)速最大，其次為夏、秋季，冬季最小，春季4站平均風(fēng)速2.07 m/s，冬季0.85 m/s，相差2.4倍。春季A，B，C，D 4站日風(fēng)速差分別為3.01，2.24，1.78和1.96 m/s，冬季分別為2.16，1.69，1.23和1.56 m/s，日風(fēng)速差沙漠最大，綠洲最小。四季不同下墊面風(fēng)速大小為：A站>B站>D站>C站，沙漠風(fēng)速變化幅度最大，是由于日出后太陽輻射增強(qiáng)，早間湍流發(fā)展，各層空氣充分混合，近地面風(fēng)速明顯增大，午后湍流發(fā)展旺盛，風(fēng)速達(dá)到最大；夜間邊界層穩(wěn)定，湍流較弱，不同下墊面風(fēng)速差逐漸縮小，綠洲風(fēng)速值及變化幅度最小。

圖6為A站不同季節(jié)風(fēng)速日變化特征，可以看出春季沙漠各個時段風(fēng)速均大于其他季節(jié)，夏季次之，秋季及冬季風(fēng)速較小。春季06：00到16：00平均風(fēng)速從1.77 m/s增加到4.78 m/s，增大2.7倍，17：00開始，風(fēng)速逐漸減小，夜間風(fēng)速值趨于穩(wěn)定。塔中沙漠腹地春季平均風(fēng)速最大，夏季植被覆蓋度最高，通過比較春、夏季綠洲上游邊界與沙漠、綠洲與沙漠(圖7)的風(fēng)速遞減率有助于進(jìn)一步了解其小氣候特征。圖7給出了風(fēng)速遞減率的結(jié)論，綠洲均高于綠洲上游邊界，綠洲春、夏季分別為67.8%，71.1%，綠洲上游邊界分別為34.8%和30%，說明隨著植被覆蓋度的增加，空氣動力學(xué)粗糙度增大，風(fēng)速降低程度越大[26]。

圖6 沙漠不同季節(jié)平均風(fēng)速日變化(A)站

圖7 春夏兩季綠洲上游邊界與沙漠、綠洲與沙漠風(fēng)速遞減率

3 討論與結(jié)論

(1) 下墊面輻射狀況和湍流運動的變化，導(dǎo)致不同下墊面的溫度日變化周期不一致，但變化趨勢基本相同。沙漠在升溫和降溫過程中變化速率最快，綠洲在升溫和降溫過程中變化幅度最大，綠洲上、下游邊界升溫時段滯后于沙漠和綠洲，降溫時段滯后于沙漠，與綠洲基本同步。綠洲與沙漠不同季節(jié)凌晨到日出前屬冷熱島過渡期，清晨到午后綠洲屬冷島，午后到凌晨綠洲溫度高于沙漠，屬熱島，主要原因除了植被對湍流的削弱作用超過對輻射的削弱作用外，還有可能因為沙漠腹地沙生植物的水分生理生態(tài)特征決定，某些植物蒸騰速率一直較小，并且在上午達(dá)到蒸騰高峰后，隨后氣孔就漸漸關(guān)閉直到傍晚，這樣可以免去下午過多的蒸騰失水[27]。

(2) 塔克拉瑪干沙漠腹地比濕具有季節(jié)變化特征，夏季比濕最大，冬季最小，秋季和春季為過渡季節(jié)。綠洲相對于沙漠的濕島效應(yīng)夏季持續(xù)時間短，秋季持續(xù)時間最長，最強(qiáng)濕島也發(fā)生在秋季，原因可能是夏季平均溫度較高，蒸發(fā)量大，秋季較夏季沙塵日數(shù)少，平均溫度低。春、夏、秋三季夜晚到日出后，綠洲對于其上游邊界表現(xiàn)為濕島效應(yīng)，冬季濕島效應(yīng)不明顯，四季綠洲相對于其下游邊界全天均表現(xiàn)為濕島效應(yīng)，不同季節(jié)強(qiáng)度和持續(xù)時間有差異。

(3) 風(fēng)速的日變化主要決定于湍流交換的日變化，白天，湍流加強(qiáng)，風(fēng)速加強(qiáng)，夜間，大氣穩(wěn)定、湍流較弱，風(fēng)速也不斷減小，沙漠站極值出現(xiàn)時間提前于其他3站，風(fēng)速及其變化幅度最大，綠洲最小，這是因為當(dāng)氣流經(jīng)過綠洲后，植被能消耗氣流的動能或動量，使得氣流進(jìn)入綠洲后風(fēng)速立即減弱，起到了風(fēng)速屏障的作用[28]。不同季節(jié)風(fēng)速日變化春季最大，冬季最小，春季沙漠腹地太陽輻射增強(qiáng)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，風(fēng)速增大導(dǎo)致沙塵頻發(fā)。在春、夏風(fēng)速遞減率，綠洲均高于綠洲上游邊界。

(4) 沙漠與綠洲小氣候差異的工作，在以后的研究中可以增加近地層觀測高度，結(jié)合不同梯度分析各氣象要素垂直廓線特征，同時采用渦度相關(guān)法等分析湍流特征，將有利于深入掌握其小氣候特征。

(5) 塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地形成的綠洲“冷島”、“濕島”等小氣候效應(yīng)，對于利用水資源和植被生長都是有利的，沙漠、過渡帶與綠洲之間的能量反饋機(jī)制還需要進(jìn)一步深入研究。

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Microclimate Variability of Natural Sand and Artificial Green Land in Different Seasons over Taklimakan Desert Hinterland

WU Ye, HUO Wen, HE Qing, JIN Lili

(InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi，Xinjiang830002,China)

[Objective] Local microclimate variability of natural sand and artificial green land in different seasons over Taklimakan desert hinterland was investigated. Mutual feed mechanism of microclimate changing between natural desert and artificial green land was reflected by analysis of the observation data. The research was expected to offer theoretical support for the sustainable development of artificial green area in the desert region. [Methods] Based on the simultaneous observation data from four meteorological stations with different underlying surfaces of natural sand and artificial green land in Taklimakan desert hinterland, the microclimate different characteristics between natural sand and artificial green were analyzed, and the reasons for these differences were explored. [Results] Desert region has fast response to the up-down rate of temperature, while the oasis region had significant influences on the temperature variation range. In comparison with desert, oasis has cold island effect during humidification period, and has heat island effect during cooling period in four seasons. The specific humidity levels of oasis showed the maximum valued in summer, and the minimum values in winter. Beside the above mentioned, the moisture island effects of oasis last longest and strongest in the autumn. In spring, summer and autumn, the upper stream boundary was affected by moisture island effect, whereas in all four seasons, moisture island effect always existed for downstream boundary. The biggest daily variation of wind velocity in the desert occurred early and had the biggest percentage variation. Meanwhile, the oasis has the smallest one. In both spring and summer, as compared with desert, wind weaken rate in oasis is higher than that in the upstream boundary. [Conclusion] The effects of underlying surfaces on microclimate are quite conspicuous， which cause obvious “cold island” and “wet island”.

Taklimakan desert; air temperature; specific humidity; wind velocity; microclimate

2016-07-07

2016-08-04

國家自然科學(xué)基金項目“塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地局地氣候觀測研究”(41305107); 中國沙漠氣象科學(xué)研究基金項目(Sqj2015011)

吳燁(1982—),女(漢族),新疆自治區(qū)和靜縣人,碩士,助理研究員,主要從事應(yīng)對氣候變化研究。E-mail:wuye416@sina.com。

霍文(1981—),男(漢族),陜西省綏德縣人,碩士,副研究員,主要從事沙漠氣象研究。E-mail:huowenpet@idm.cn。

A

1000-288X(2017)02-0075-08

P463.2