黃天宇, 劉廷璽,2, 王冠麗,2, 段利民,2, 陳小平

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010018)

大氣邊界層在氣候系統(tǒng)中起著十分重要的作用。其中,邊界層內(nèi)的水熱通量是反映地表與大氣互相作用的重要指標(biāo)。大氣運(yùn)動(dòng)所需要的熱能及水汽主要是通過(guò)邊界層的湍流運(yùn)動(dòng)由地表輸送到自由大氣中去的。同時(shí),地表的熱通量又決定了邊界層內(nèi)湍流及擴(kuò)散的強(qiáng)度和穩(wěn)定度,并影響著平均風(fēng)速、溫度和濕度等氣象因子的變化。因而準(zhǔn)確地確定不同尺度生態(tài)系統(tǒng)水熱通量是近些年國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-5]。我國(guó)北方、西北地區(qū)干旱少雨,了解大尺度干旱區(qū)氣候及水分循環(huán)對(duì)于解決干旱區(qū)需水用水問(wèn)題是極為重要的。

成熟的測(cè)量水熱通量的方法已有很多,常用的有波文比法、渦度法、機(jī)載渦動(dòng)相關(guān)法、大孔徑閃爍儀法、遙感法等。其中,大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintilometer,LAS)因其測(cè)量精度高,尺度廣,自20世紀(jì)90年代中后期以來(lái),被廣泛應(yīng)用于通量的測(cè)定,且具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少應(yīng)用LAS觀測(cè)各種下墊面類型水熱通量的研究[7-16],但目前國(guó)內(nèi)將LAS應(yīng)用于荒漠化梯級(jí)生態(tài)帶這樣復(fù)雜下墊面的研究成果尚未見發(fā)表。因此本文利用2017年3—12月LAS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)科爾沁梯級(jí)生態(tài)帶復(fù)雜下墊面上的水熱通量進(jìn)行分析研究,探討不同時(shí)間尺度上水熱通量的變化特征,剖析水熱通量與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系,為深入研究復(fù)雜下墊面地表水熱交換、將研究擴(kuò)展到更大尺度提供基礎(chǔ)與參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地東南邊緣,行政區(qū)隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮(zhèn),地理坐標(biāo)(122°33′00″—122°41′00″E,43°18′48″—43°21′24″N),該區(qū)域?qū)儆诎敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫6.6℃,多年平均日照時(shí)數(shù)2 931.5 h,多年平均降水量389 mm,且主要集中在6—9月。研究區(qū)處于農(nóng)牧過(guò)渡帶交匯處,區(qū)域內(nèi)分布有沙丘、草甸、農(nóng)田、湖泊等多種地貌類型。地形總趨勢(shì)西高東低,南北沙丘高,中間農(nóng)田、沙質(zhì)草甸和小型湖泊低。各種下墊面地形呈“階梯狀”分布南北為沙丘,中部為農(nóng)田、沙質(zhì)草甸和小型湖泊,植被多樣,是典型的沙丘—草甸梯級(jí)生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 觀測(cè)站點(diǎn)及觀測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)區(qū)梯級(jí)生態(tài)帶內(nèi)建有多個(gè)生態(tài)—?dú)庀蟆寥拉h(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn),從北至南依次為:半流動(dòng)沙丘A4,農(nóng)田玉米地BC4,草甸蘆葦群落C4,小型湖泊E4,固定沙丘半灌木—雜草群落F4。A4-F4為大孔徑閃爍儀(BLS450,Scintec)觀測(cè)帶,F4為L(zhǎng)AS發(fā)射端,A4為接收端。8月在相鄰梯級(jí)帶設(shè)置另一組大孔徑閃爍儀(BLS900,Scintec)作為A4-F4的對(duì)照和精度控制的重復(fù),G3為L(zhǎng)AS發(fā)射端,A3為接收端。各站點(diǎn)相關(guān)介紹及儀器布設(shè)情況見表1,表2。

表1 各站點(diǎn)相關(guān)介紹

表2 各站點(diǎn)儀器布設(shè)

1.3 研究方法

(1)

式中:T為溫度;P為大氣壓;β為波文比系數(shù)。波文比是顯熱通量和潛熱通量的比值。

(2)

式中:z為L(zhǎng)AS觀測(cè)高度(m);d為零平面位移(m)(d=0.667H植被);L為莫寧—奧布霍夫長(zhǎng)度(m);fT為溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)的穩(wěn)定度普適函數(shù)。

(3)

式中:H為顯熱通量,也稱感熱通量(W/m2);T*為溫度尺度;ρa(bǔ)空氣密度(kg/m3);Cp為空氣定壓比熱[J/(kg·K)];u*為摩擦速度(m/s)。

(4)

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 LAS原始數(shù)據(jù)采集頻率記錄時(shí)間間隔為1 min,包括降雨時(shí)段數(shù)據(jù)和過(guò)飽和數(shù)據(jù)。為了更好的表征通量變化,將數(shù)據(jù)剔除、篩選、插補(bǔ)、校正、平均后得到30 min值進(jìn)行通量研究。本次試驗(yàn)LAS數(shù)據(jù)飽和上限為4.11 E-14 m-2/3。

氣象土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集頻率記錄時(shí)間間隔均為10 min,包括無(wú)效值。將數(shù)據(jù)剔除、篩選、插補(bǔ)、平均后得到30 min數(shù)據(jù),各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)其處于LAS的光徑位置和LAS源區(qū)面積進(jìn)行加權(quán),將結(jié)果與LAS數(shù)據(jù)同步分析。

顯熱通量迭代過(guò)程用JAVA來(lái)實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)整理與分析采用Excel,SPSS和SRun 1.31，SRun 1.48軟件來(lái)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱通量變化規(guī)律

2.1.1 研究區(qū)水熱通量的日變化及分配特征 選擇觀測(cè)時(shí)段內(nèi)植被生長(zhǎng)旺季(夏季)和非生長(zhǎng)季(冬季)典型晴天與陰天各一天進(jìn)行分析，探討凈輻射(Rn)、顯熱通量(H)、潛熱通量(LE)和土壤熱通量(G)的日變化特征。其中,生長(zhǎng)季典型晴天、陰天分別選擇2017年7月5日、7月6日;非生長(zhǎng)季典型晴天、陰天選擇同年12月6日、12月10日。各典型日日變化特征如圖1所示。

典型晴天能量各收支項(xiàng)在生長(zhǎng)季(夏季)和非生長(zhǎng)季(冬季)均呈現(xiàn)顯著的日變化。其中,顯熱通量在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段呈明顯的倒“U”型單峰趨勢(shì),而潛熱通量表現(xiàn)為夏季呈雙峰趨勢(shì),冬季呈單峰趨勢(shì)。峰值均在正午前后達(dá)到最大值。植被生長(zhǎng)季潛熱通量的峰值433.5 W/m2占凈輻射的65.63%,遠(yuǎn)大于顯熱通量的峰值152.4 W/m2,是生長(zhǎng)季近地表耗能的主要形式;非生長(zhǎng)季潛熱通量與顯熱通量的峰值接近,均在100 W/m2左右。土壤熱通量在生長(zhǎng)季占凈輻射的比例約為7%,非生長(zhǎng)季則全天為負(fù)值。土壤熱通量峰值較凈輻射表現(xiàn)出一定滯后性,其中生長(zhǎng)季季滯后1～2 h,非生長(zhǎng)季滯后2～3 h。

圖1 生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季典型晴天、陰天地表能量收支各分量日變化

陰天條件下生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季的日峰值和日均值均小于同時(shí)期晴天條件觀測(cè)值,地表能量平衡各項(xiàng)分量日變化曲線出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng),與實(shí)際天氣條件有關(guān)。但土壤熱通量峰值仍表現(xiàn)出較穩(wěn)定的滯后性。陰天時(shí)日峰值和日均值均小于同時(shí)期晴天條件,陰天地表能量接收較少,地面溫度降低,水熱通量降低,向下傳到土壤的熱通量也減少。

總的來(lái)說(shuō),生長(zhǎng)季水熱通量日變化曲線表現(xiàn)為“高而寬”,非生長(zhǎng)季“矮而窄”。

2.1.2 研究區(qū)水熱通量月變化及分配特征 將LAS觀測(cè)時(shí)段各月份(BLS450觀測(cè)時(shí)段為2017年3月10日—12月31日,BLS900觀測(cè)時(shí)段為同年8月18日—12月31日)處理后得到天尺度數(shù)據(jù)，再平均到月尺度得到能量平衡各分量月均日變化圖,見圖2。

圖2 研究區(qū)凈輻射和水熱通量月均月變化

各月顯熱通量月變化曲線呈顯著單峰狀,6月峰值最大,為154.17 W/m2;8月峰值最低,為60.57 W/m2。3—12月峰值出現(xiàn)時(shí)間依次為11：00，11：00，11：00，11：30，12：00，12：00，12：00，12：00，11：30，11：30,其中3—5月份峰值出現(xiàn)在11：00、6月份峰值出現(xiàn)在11：30,7—10月份為12：00,11、12月份出現(xiàn)在11：30。峰值在月尺度上出現(xiàn)的時(shí)間先后移再前移,符合季節(jié)變化規(guī)律。

生長(zhǎng)季各月潛熱通量月變化曲線呈主次雙峰狀,非生長(zhǎng)季呈單峰狀。7月峰值最大,為335.45 W/m2;12月峰值最低,為63.14 W/m2。整個(gè)研究時(shí)段潛熱通量占凈輻射比例較大,非生長(zhǎng)季時(shí)顯熱通量占比升高,生長(zhǎng)季下降。潛熱通量是地表能量的主要耗能形式。

2.2 生長(zhǎng)季各月典型晴天不同環(huán)境因子與水熱通量通量的相關(guān)性

將各氣象站觀測(cè)到的14個(gè)氣象環(huán)境因素加權(quán)后與計(jì)算得到的顯熱通量、潛熱通量值做相關(guān)性分析,結(jié)果見表3，表4。

水熱通量與氣象因子的相關(guān)性很好,顯熱通量、潛熱通量與凈輻射相關(guān)性都達(dá)0.96以上,與風(fēng)速、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣相對(duì)水汽壓都有較好的相關(guān)關(guān)系。

各層位土壤因子與水熱通量呈良好相關(guān)性,表層土壤相關(guān)性最好,顯熱通量與各層位土壤溫度多呈正相關(guān),與土壤含水率多呈負(fù)相關(guān),與土壤電導(dǎo)率相關(guān)性一般;10 cm土壤相關(guān)性最好。其中各月土壤溫度與水熱通量的相關(guān)性在0.7左右,各月土壤含水率與水熱通量的相關(guān)性在-0.7左右。層位越深相關(guān)性越低。

表3 各月典型晴天不同環(huán)境因子與顯熱通量H的相關(guān)系數(shù)

注：(1) *在0.05水平上顯著相關(guān),**在0.01水平上顯著相關(guān)； (2)H為顯熱通量,Rn為凈輻射,WS為風(fēng)速,AT為空氣溫度,RH為空氣相對(duì)濕度,e為空氣相對(duì)水汽壓,ST為土壤溫度,VWC為土壤含水率,E為土壤電導(dǎo)率。

表4 各月典型晴天不同環(huán)境因子與潛熱通量LE的相關(guān)系數(shù)

注：(1) *在0.05水平上顯著相關(guān),**在0.01水平上顯著相關(guān)(2) LE為潛熱通量,Rn為凈輻射,WS為風(fēng)速,AT為空氣溫度,RH為空氣相對(duì)濕度,e為空氣相對(duì)水汽壓,ST為土壤溫度,VWC為土壤含水率,E為土壤電導(dǎo)率。

3 討 論

本研究顯示,試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)梯級(jí)生態(tài)帶水熱通量晴天日變化趨勢(shì)明顯,顯熱通量全時(shí)段呈單峰狀,潛熱通量夏季表現(xiàn)為雙峰狀,冬季呈單峰狀,這是因?yàn)橄募厩宄亢拖挛绛h(huán)境適宜,蒸騰作用強(qiáng)烈;午間溫度過(guò)高,植被氣孔閉合,進(jìn)入“午休”狀態(tài),導(dǎo)致蒸騰作用下降,潛熱通量降低。冬季植被凋零死亡,植被不進(jìn)行蒸騰作用較弱,亦無(wú)“午休”。水熱通量陰天變化無(wú)明顯規(guī)律?？偟膩?lái)說(shuō),水熱通量日變化曲線生長(zhǎng)季表現(xiàn)為“高而寬”,非生長(zhǎng)季“矮而窄”,研究結(jié)果與前人在各種下墊面類型上的結(jié)果一致[13,17-19]。

月尺度上顯熱通量變化趨勢(shì)明顯,各月均為單峰狀且峰值出現(xiàn)的時(shí)間先后移再前移,與前人研究一致[14]。但前人的研究結(jié)論未出現(xiàn)8月凈輻射和顯熱通量峰值降低的情況。這是因?yàn)樵诒敬窝芯繒r(shí)段內(nèi),研究區(qū)8月出現(xiàn)了連續(xù)降雨,研究區(qū)各類植被快速生長(zhǎng),蒸騰量增大,近地表用于潛熱交換的能量比例增大導(dǎo)致用于顯熱通量的能量降低。前人研究表明,農(nóng)田、草地等下墊面以潛熱交換為主[7-8,18-19],戈壁、荒漠等地區(qū)近地表能量多用于顯熱交換[20-21]。本文研究下墊面條件復(fù)雜,植被生長(zhǎng)季內(nèi)凈輻射多用于潛熱交換,而非生長(zhǎng)季顯熱通量占比較大,3月、4月是非生長(zhǎng)季,顯熱通量占比較大;5月開始研究區(qū)部分植被轉(zhuǎn)綠且農(nóng)作物播種,此時(shí)地表大多裸露,顯熱通量占比仍較大;7月起植被進(jìn)入快速生長(zhǎng)期,研究區(qū)騰發(fā)作用強(qiáng)烈,凈輻射主要用于潛熱交換;9月研究區(qū)內(nèi)開始人工收割蘆葦和農(nóng)作物,潛熱降低,顯熱通量增大;10月后天氣變冷,天然植被逐步凋零死亡,用于顯熱交換的能量進(jìn)一步增大,為研究時(shí)段內(nèi)的最大值。

盡管研究區(qū)內(nèi)下墊面較復(fù)雜,但氣象因子受下墊面影響較小,相關(guān)性分析結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[15-16]。表層10 cm土層土壤表層與水熱通量相關(guān)性最好[15],土壤溫度與含水率與水熱通量的相關(guān)性也與前人在人工樹林、農(nóng)田、綠洲—荒漠過(guò)渡帶等均一下墊面的研究類似[15,22-25]。總的來(lái)說(shuō),目前有關(guān)復(fù)雜下墊面情況土壤因子與水熱通量的研究較少,還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)水熱通量晴天日變化中:日顯熱通量曲線呈單峰狀,生長(zhǎng)季潛熱通量曲線呈雙峰狀,非生長(zhǎng)季呈單峰狀。顯熱通量和潛熱通量陰天變化無(wú)規(guī)律。土壤熱通量曲線較凈輻射曲線表現(xiàn)為穩(wěn)定的滯后性。水熱通量曲線植被生長(zhǎng)季表現(xiàn)為“高而寬”,非生長(zhǎng)季“矮而窄”,與均一下墊面變化規(guī)律一致。

(2) 研究區(qū)水熱通量月變化中:顯熱通量6月峰值最大,8月最低;潛熱通量7月峰值最大,12月最低;潛熱通量在整個(gè)研究時(shí)段占比較大,是近地表能量的主要耗能形式。

(3) 相關(guān)性分析表明,太陽(yáng)凈輻射、空氣溫度、空氣濕度等主要?dú)庀笠蜃优c水熱通量的相關(guān)性顯著;表層10 cm土層土壤與水熱通量相關(guān)性最顯著,層位越深相關(guān)性越低;土壤溫度、土壤含水率與水熱通量相關(guān)性顯著,土壤電導(dǎo)率與水熱通量相關(guān)性不明顯。