吳稀稀,黃 倩,王 嬋,田紅瑛,邱繼勇,張?zhí)N帥,劉宏超

(1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000;2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

引 言

沙漠-綠洲是中國西北干旱區(qū)典型生態(tài)景觀，也是防沙治沙的重要生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[1]。中國西北綠洲一般處于荒漠地區(qū)，主要由高山冰川或積雪融化和地形降水形成的內陸河提供水資源，并通過人工培育和維護形成[2]。處于戈壁或沙漠中的綠洲，是典型的極端非均勻下墊面系統(tǒng)，對邊界層湍流影響較大，溫度、降水、風速等氣候因子相應表現出一系列局地變化特征，被稱作“綠洲效應”，是研究沙漠-綠洲系統(tǒng)影響天氣和氣候變化的主要內容。

自1980年代中期以后，針對中國西北沙漠-綠洲系統(tǒng)相繼開展了一系列野外觀測試驗。試驗研究發(fā)現，相較于周邊荒漠，綠洲上空存在低溫、高濕的“冷濕氣候效應”，即綠洲“冷島效應”和“濕島效應”[3-4]，并通過數值模式試驗得到驗證[5-6]。左洪超等[7-8]根據HEIFE、DHEX和GAME/Tibet三個野外觀測實驗，深入探討了綠洲“冷島效應”以及逆濕現象的物理結構特征。隨后，研究多關注于沙漠-綠洲小系統(tǒng)非均勻熱力分布引起的局地氣候特征[9-11]，呂世華等[12]利用綠洲、沙漠的地表能量平衡和水分平衡方程，分析綠洲風環(huán)流形成的可能機理，揭示沙漠-綠洲熱力環(huán)流特征，認為綠洲風抑制了綠洲與周圍沙漠的熱量和水分等物質交換，是綠洲的自我維持機制?！熬G洲效應”是綠洲系統(tǒng)穩(wěn)定、維持和發(fā)展機制的重要一環(huán)[13]，深入探究綠洲效應的影響因子，對準確預測綠洲-荒漠區(qū)域氣候變化具有重要意義。然而，影響綠洲效應的氣象因子較復雜，探討各因子獨立性及相互作用對綠洲效應的影響，常借助中尺度數值模式進行敏感性試驗。以往研究顯示，環(huán)境風場對綠洲效應的空間分布和發(fā)展強度有較大影響[14-16]，而地形的影響則取決于地形環(huán)流與綠洲環(huán)流的方向，即兩環(huán)流反向時山地綠洲的氣候效應會抑制山地地形的氣候效應，同向時盆地綠洲氣候效應增強[17-18]，且山谷風有利于“冷濕”島效應的范圍增大[19]。另外，綠洲效應的強度還受綠洲空間尺度、植被類型、土壤性質等內部因子的影響，土壤濕度約為0.35或者綠洲水平尺度在15～25 km之間最能體現綠洲效應特點并能保持綠洲的穩(wěn)定和發(fā)展[20]。綜上所述，沙漠-綠洲是一復雜系統(tǒng)，空間尺度小，下墊面復雜，影響因素較多，對氣候響應比較敏感。因此，本文從影響綠洲效應的熱力和動力因子出發(fā)，利用2008年在金塔開展的“綠洲系統(tǒng)非均勻下墊面能量水分交換和邊界層過程觀測與理論研究”野外試驗(JTEXP)中8月3日溫度、水汽、氣壓和風的探空廓線作為數值試驗初始場，通過敏感性數值試驗，研究沙漠與綠洲的地表溫差、浮力頻率以及背景風速對綠洲效應的影響，深入探究綠洲系統(tǒng)形成和維持機理。

1 模式和試驗介紹

使用了英國氣象局開發(fā)的高分辨率行星邊界層模式BLASIUS Version3.03[21-24]。該模式采用湍流局部閉合方法模擬大氣湍流，用空間任一點上的已知量對該點未知量進行參數化，且湍流閉合方案為一階[25]，一階閉合近似為梯度輸送理論或K理論，是基于通量梯度關系的閉合方案。模式中的雷諾應力τij和熱通量Hi(i=1,3;j=1,3)表示為：

τij=vSij

(1)

(2)

(3)

v=l(z)2S(1-Ri)1/2

(4)

(5)

(6)

式中：Sij是形變張量(Pa)；v是湍流粘滯系數(Pa·s-1)；T是溫度(℃)；Ri是理查森數；l(z)是混合長(m)；U是湍流速度矢量(m·s-1)；δij是單位張量(Pa)；κ是卡門常數；z是距地面高度(m)；z0為粗糙度長度(m)；Φ是Monin-Obukhov相似函數；l0為與粘滯耗散率有關的長度尺度(m)。

甘肅酒泉地區(qū)東北部的金塔綠洲，位于河西走廊中段北側、祁連山下，處于山谷底部，是由黑河支流北大河沖積扇形成的倒三角形區(qū)域，地理位置介于97°58′E—100°20′E、39°47′N—40°59′N之間(區(qū)域中心為40.2°N、98.9°E)，綠洲面積約為2152 km2，地勢平坦，海拔高差最大僅84 m，屬于溫帶干旱氣候，年降水量約59 mm，年潛在蒸發(fā)量約2538 mm。

模式采用地形追隨坐標，模擬區(qū)域為金塔綠洲中心四周75個格點范圍，水平方向格點數150×150，網格距1 km，地形高度自中心向南北兩側逐漸升高，西南角有一相對高度約850 m的山脊(圖1)；模式頂高度10 km，垂直方向采用隨高度伸縮的不等格距。為便于邊界層內模擬結果分析，在方案設計時模擬高度從最低海拔(1213 m)開始，高度均是減去最低海拔后的相對高度。初始場是2008年JTEXP試驗期間8月3日10:00(北京時，下同)的GPS探空資料，為減小天氣過程對模擬結果的影響，試驗時段選為晴天，模擬結果每半小時輸出一次。另外，下墊面植被分布資料來自MODIS衛(wèi)星數據反演產品，地形資料為WRF模式(weather research and forecasting model)中自帶的地形數據。

圖1 模擬區(qū)域地形相對高度(單位：m)(黑實線以內區(qū)域為金塔綠洲，相對高度為絕對高度與最低海拔高度的差)Fig.1 Topography relative height of the simulated area (Unit: m) (Jinta oasis is located inside solid line, and the relative altitude is the difference between absolute altitude and the lowest altitude)

為了探討綠洲效應形成的動力和熱力機制，針對綠洲與周邊沙漠之間的地表溫差、浮力頻率和背景風速設計10個敏感性試驗(表1)。其中，試驗1是標準試驗，ΔT為10:00沙漠和綠洲地表間的平均溫差；W為初始背景風速，是標準試驗中的倍數；N2為浮力頻率，又稱作布倫特-維薩拉頻率(Brunt-V?is?l? frequency)，是在層結穩(wěn)定的大氣中氣塊受到小擾動時的振蕩頻率，可分別利用溫度垂直遞減率或者位溫表示，其公式為：

(7)

式中：T為靜止大氣的溫度(℃)；θ為位溫(K)；γd、γ分別為干絕熱溫度垂直遞減率和溫度垂直遞減率[℃·(100 m)-1]；g是重力加速度(m·s-2)；z是距地面高度(m)。

表1 不同試驗的參數設置Tab.1 Parameters information in different tests

2 標準試驗的結果分析與檢驗

圖2是實測與試驗1模擬的金塔綠洲與周圍沙漠近地面感熱和潛熱通量日變化，其中實測熱通量是渦動協方差觀測系統(tǒng)距離地面約3 m高度處的觀測結果，而模擬結果則是模式第一層高度(距地面5 m)的輸出數據?？傮w上看，BLASIUS模式模擬的綠洲和沙漠近地面感熱和潛熱通量的日變化特征與實測基本一致，且模擬的最大值和最小值與實測值較接近，但部分時刻模擬值和實測值差異較大。其中，綠洲的感熱通量模擬值普遍小于實測值，尤其午后14:00—18:00兩者差異較大，而沙漠的感熱通量在14:00以前模擬值和實測值接近，14:00之后模擬值小于實測值；綠洲的潛熱通量在15:00之前模擬值略大于實測值，15:00之后模擬值小于實測值，而沙漠的潛熱通量除12:00—13:00之外模擬值都大于實測值。由于實測和模擬高度不同，可能引起峰值對應時間有所差別。另外，模式中植被類型及空間分布與地表真實情況的差異也可能造成實測和模擬值的差別。綜上可見，BLASIUS模式在一定程度上能夠反映均勻地表感熱通量和潛熱通量的日變化特征，這與WANG等[26]的研究結論一致，說明該模式具有合理模擬地表熱通量的能力。

圖2 金塔綠洲(a、c)和周圍沙漠(b、d)實測與模擬的近地面感熱(a、b)和潛熱(c、d)通量的日變化(實測和模擬高度分別為3 m和5 m，下同)Fig.2 The diurnal changes of simulated and observed sensible heat flux (a, b) and latent heat flux (c, d) over Jinta oasis (a, c) and surrounding desert (b, d)(The observed and simulated heights were 3 m and 5 m, respectively, the same as below)

圖3是不同時刻金塔綠洲實測和標準試驗模擬的位溫與比濕廓線。從位溫廓線[圖3(a)]可以看出，10:00實測的金塔綠洲上空對流邊界層頂高度約為200 m，之上是強度約為0.01 K·m-1的逆溫層，其厚度約800 m；隨著地表接收的太陽輻射增多，綠洲邊界層湍流逐漸增強，對流邊界層垂直向上發(fā)展，到16:00邊界層厚度約增至2 km。標準試驗模擬的10:00綠洲上空對流邊界層結構與實測結果基本一致，且模擬出了對流邊界層的演變過程，但模擬的綠洲邊界層的平均位溫比實測值偏小約1 K。圖3(b)中實測比濕廓線顯示，10:00在200 m以下的混合層中有逆濕現象，200 m以上比濕隨高度迅速減??；16:00對流邊界層的平均比濕減至約4.6 g·kg-1，近地層仍有逆濕存在。模擬的16:00比濕廓線與實測結果較接近。

圖3 不同時刻金塔綠洲實測與試驗1模擬的位溫(a)和比濕(b)廓線Fig.3 The profiles of observed and simulated potential temperature (a) and specific humidity (b) by test 1 over Jinta oasis at different times

3 綠洲效應影響因子的理想試驗分析

3.1 沙漠與綠洲地表溫差對綠洲效應的影響

由于綠洲與荒漠的土壤特性以及植被分布特征不同，在非均勻下墊面上動力、熱力與能量收支平衡會產生較大的差異，從而引起白天荒漠上空升溫以及夜間降溫都較綠洲上的快。這種非均勻熱力結構進而會導致綠洲環(huán)流的產生[27]，整個沙漠-綠洲系統(tǒng)表現出明顯的綠洲效應，即冷島效應與濕島效應等[28]。

研究表明，金塔綠洲區(qū)域綠洲與沙漠戈壁10:00的平均地表溫差可達2 K以上[29]。為了進一步探究綠洲和沙漠地表溫差對綠洲效應的影響，通過改變綠洲和沙漠初始地表溫差的敏感性試驗，分析地表溫差對“冷島”和“濕島”的影響。表1中敏感性試驗1、2、3、4和5的綠洲初始地表溫度分別是297.15、298.15、296.15、295.15、294.15 K，沙漠的初始地表溫度均設為299.15 K，兩者的溫差分別為2、1、3、4、5 K。

白天，綠洲的凈輻射能量大部分以潛熱形式釋放，而周圍沙漠區(qū)的潛熱通量較小，干旱荒漠地表能量傳輸以感熱通量為主[30]。另外，綠洲的植被覆蓋率較大，植被冠層儲存熱量較多，使得綠洲地表感熱通量小于沙漠，進而導致綠洲地表溫度較沙漠小，出現“綠洲冷島”。綠洲與沙漠間潛熱通量的顯著差異，不僅造成地表能量收支及地表溫度的不同，還使得綠洲大氣邊界層的水汽較沙漠多，形成“綠洲濕島”。圖4是不同地表溫差試驗模擬的16:00位溫和比濕南北方向的垂直剖面。可以看出，綠洲區(qū)上空形成的“濕島”(比濕高于5 g·kg-1的范圍)主要分布在0.5 km以下，而“冷島”(位溫低于305 K的范圍)分布較高，最高可向上延伸至1 km左右。研究指出[31]，當風從綠洲吹向沙漠，綠洲上空的水汽在平流作用下輸送到沙漠上空，由于沙漠對流邊界層高度的發(fā)展，使得這部分水汽在湍流作用下充分混合，一部分向上輸送，另一部分則傳送到近地面，使得綠洲下游的沙漠區(qū)出現較高的近似等值垂直分布的水汽柱，甚至在沙漠、綠洲相鄰處出現較強的逆濕現象或者逆濕層。從圖4(b)看到，位于綠洲下游的沙漠邊界層水汽柱水平分布在14～28 km的區(qū)域，該區(qū)域內比濕為5～6 g·kg-1，水汽柱高度可達1.5～2.5 km。另外還發(fā)現，不同地表溫差試驗模擬的水汽柱高度和寬度不同；在“濕島”上空，出現一個比綠洲邊緣干的低比濕槽，該槽分布高度可達4 km以上，即在綠洲上空同時出現“干島現象”和“暖島現象”,其中圖4(b)上兩種現象出現高度分別在500 m、2.5 km以上。隨著綠洲與沙漠間的地表溫差增大，綠洲“冷島”中位溫低于304 K的冷中心(圖中深藍色陰影)寬度增加，“濕島”的高度降低，沿東西方向的位溫和比濕垂直剖面也顯示出同樣的特征(圖略)。

圖4 沿金塔綠洲中心做綠洲與沙漠間不同地表溫差試驗模擬的16:00位溫(彩色陰影，單位:K)和比濕(線條，單位：g·kg-1)南北方向的垂直剖面(黑色陰影代表地形，粗綠線代表綠洲，下同)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.4 The y-z sections of simulated potential temperature (color shading, Unit: K) and specific humidity (lines, Unit: g·kg-1) at 16:00 BST along the center point of Jinta oasis in tests of different surface temperature difference between oasis and desert(Black shadow for the topography, thick green line for Jinta oasis, the same as below)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

為了進一步分析綠洲與沙漠間地表溫差對“綠洲濕島”的影響，圖5給出試驗1～5模擬的綠洲邊界層比濕大于5 g·kg-1的平均高度?？梢钥闯?，比濕5 g·kg-1以上的平均高度隨初始地表溫差的增大而逐漸降低，地表溫差由1 K增大到5 K，比濕大于5 g·kg-1的平均高度則由200 m降低到150 m，這進一步說明隨著綠洲與沙漠地表溫差的增大，“濕島”的平均高度減小。

圖6和圖7是不同地表溫差試驗模擬的綠洲與沙漠平均位溫差和比濕差的時空分布。其中，位溫差和比濕差均是綠洲區(qū)減去沙漠區(qū)。從圖6看出，11:00以后綠洲與沙漠地表開始出現溫差，12:30—14:30平均位溫差絕對值在近地面可達3 K以上，且位溫差隨高度增加而逐漸減小、隨時間先增后減，15:00—16:00綠洲“冷島”充分發(fā)展，其中15:30“冷島”的發(fā)展高度達到最高，約1.8 km。增大地表溫差，綠洲“冷島”的影響高度有所增加，但均不超過500 m。其中，16:00試驗1、2、3、5模擬的綠洲與沙漠位溫差異最大，在5 m高度上平均位溫差絕對值分別是2.42、2.49、2.56、2.71 K。

圖5 不同地表溫差試驗模擬的16:00比濕大于5 g·kg-1的平均高度Fig.5 The average height of simulated specific humidity greater than 5 g·kg-1 at 16:00 BST in different surface temperature difference tests

不同地表溫差試驗模擬的比濕差的時空分布特征(圖7)與位溫差相似，綠洲與沙漠的最大比濕差可達4 g·kg-1。由于水汽從地表蒸發(fā)后通過湍流運動向上輸送，比濕差隨高度增加而減小，隨時間先增后減。增大地表溫差，綠洲“濕島效應”增強，這種增強作用也體現在500 m高度以下。試驗1、2、3、5模擬的16:00綠洲與沙漠在5 m高度上的平均比濕差分別是3.55、3.70、3.82、4.09 g·kg-1。另外還發(fā)現，不同地表溫差試驗模擬的綠洲與沙漠最大比濕差出現較晚，較最大位溫差出現時間滯后約1 h。

3.2 浮力頻率對綠洲效應的影響

表征湍流強弱的大氣穩(wěn)定度是反映沙漠-綠洲結構特征的一個重要參數，而梯度理查森數(Ri)是綜合考慮熱力和動力因子對湍流發(fā)展影響的穩(wěn)定度參數[32]。根據IRWIN的分類標準將Ri劃分為6類[33]：Ri<-3.433為極不穩(wěn)定，-3.433≤Ri<-1.375為不穩(wěn)定，-1.375≤Ri<-0.233為弱不穩(wěn)定，-0.233≤Ri<0.145為中性，0.145≤Ri<0.636 為弱穩(wěn)定，Ri≥0.636為穩(wěn)定。

圖8是不同大氣靜力穩(wěn)定度條件下敏感性試驗模擬的16:00梯度理查森數和垂直速度的垂直分布。可以看出，在沙漠-綠洲系統(tǒng)中，由于熱力作用的不同，綠洲上空以弱的下沉氣流為主，最大下沉氣流的速度為0.7 m·s-1，這與閻宇平等[34]的模擬結果“在綠洲上空有成片的下沉氣流”相一致。同時發(fā)現，在綠洲上空2 km高度以上分布有少量的弱上升氣流[圖8(a)]，且增大浮力頻率，綠洲上空的弱上升氣流增多[圖8(d)]；由于綠洲上空低層較冷空氣的輻散引起風切變，從而使低層的湍流運動加強，形成不穩(wěn)定層結，不穩(wěn)定層結分布在400 m以下，而綠洲“冷島”環(huán)流的下沉氣流使得400 m以上大氣層結穩(wěn)定。沙漠上空邊界層對流發(fā)展的高度和強度明顯大于綠洲，邊界層對流可以發(fā)展到3.2 km的高度[圖8(d)]。另外，從沙漠地表向上是厚度約為800 m的弱不穩(wěn)定層結，這與沙漠上較大的地表感熱通量有關。沙漠上空較高處大氣表現為中性層結，湍流混合均勻；靜力穩(wěn)定度對沙漠、綠洲區(qū)1.5 km高度以下的垂直速度影響不大，但隨著穩(wěn)定度的增大，有利于重力波的形成[35]，1.5 km以上與重力波相伴的上升和下沉運動使得沙漠上的垂直速度增強，其中試驗6、7、1、8模擬的上升氣流最大速度分別為5.75、6.71、6.93、7.57 m·s-1，對應高度分別約1455、1650、2007、2962 m。

3.3 背景風場對綠洲效應的影響

當受到綠洲“冷島”和“濕島”效應影響時，綠洲上空邊界層中的下沉氣流到達近地層時向周圍沙漠區(qū)輻散，由于沙漠地表溫度較高，輻散氣流被熱力湍流抬升，與此同時在綠洲上空邊界層高層有自沙漠吹向綠洲的輻合風場，形成了局地的綠洲“冷島環(huán)流”，如果不考慮背景風場的影響，這種次級環(huán)流的空間分布是對稱的(圖略)。

為了探討背景風對綠洲效應的影響，試驗9、10將初始背景風速(實測風場資料)分別設置為標準試驗(試驗1)的0.5倍和2倍。圖9是試驗9、10模擬的16:00流場和背景風場分量南北方向的垂直剖面。其中，模擬時段內背景風為西北風，而南北方向垂直剖面的背景風分量為北風?？梢钥闯?，在綠洲鄰近沙漠形成的次級環(huán)流不對稱。圖9(a)顯示，在上風向綠洲上空，位于沙漠-綠洲過渡帶的綠洲輻散風、高空的綠洲輻合風，加上沙漠的上升支及綠洲的下沉支共同組成一個完整的反時針次級環(huán)流圈，其中從沙漠向綠洲的輻合氣流出現在1 km高度處；受較強的背景風影響，在下風向綠洲上空，從沙漠向綠洲的輻合氣流出現在2 km高度左右，同樣形成完整的順時針次級環(huán)流，但環(huán)流圈的強度較上風向的弱。東西方向垂直剖面(圖略)同樣顯示，在上風向的綠洲上空形成的次級環(huán)流強度較下風向的強，但東西方向背景風分量的速度較大且地形較平緩，地形激發(fā)的次級環(huán)流對綠洲環(huán)流的疊加效果不明顯，環(huán)流的強度整體較緯向偏弱。增大背景風速，緯向垂直剖面[圖9(b)]上，上風向綠洲上空的次級環(huán)流中心的高度降低、寬度減小、強度減弱，而下風向次級環(huán)流圈的輻合風開始于2.5 km高度處，較試驗9對應的環(huán)流中心高度明顯偏高，但強度偏弱。繼續(xù)增大背景風速，環(huán)流圈幾乎消失(圖略)。

圖6 不同地表溫差試驗模擬的綠洲與沙漠平均位溫差的時空分布(單位: K)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.6 The spatial and temporal distribution of simulated average potential temperature difference between desert and oasis in different surface temperature difference tests (Unit: K)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

圖7 不同地表溫差試驗模擬的綠洲與沙漠平均比濕差的時空分布(單位：g·kg-1)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.7 The spatial and temporal distribution of simulated average specific humidity difference between desert and oasis in different surface temperature difference tests (Unit: g·kg-1)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

沙漠與綠洲是兩種極端相反的下墊面，綠洲區(qū)凈輻射主要以潛熱的形式輸送給大氣，而沙漠區(qū)凈輻射小于綠洲區(qū)則以感熱為主加熱空氣[36]，從而造成兩種下墊面之間的熱力差異，進而驅動綠洲風環(huán)流的產生。呂世華等[12]研究指出，綠洲風環(huán)流主要通過兩種途徑影響沙漠-綠洲的水熱交換：一是保護墻機制，即沙漠上空的綠洲風環(huán)流上升支圍繞著綠洲分布，阻隔了低層干熱空氣流向綠洲；二是穩(wěn)定機制，即綠洲上空的下沉氣流增加了大氣層結穩(wěn)定度，減少水汽向高空的蒸發(fā)。第一種機制與本文模擬的“沙漠上空有較多較強的上升氣流，以及在沙漠-綠洲的交界處上升與下沉氣流速度最大”相一致。另外，本文的模擬結果也顯示出在綠洲上空以較弱的下沉氣流為主，為穩(wěn)定層結，說明綠洲風環(huán)流減弱了綠洲和沙漠上空的熱量和水分交換，對綠洲的維持和穩(wěn)定有重要作用。

4 結 論

(1)綠洲與沙漠初始地表溫差對綠洲“冷島效應”和“濕島效應”的增強作用主要表現在500 m高度以下，且對后者的增強影響較前者滯后1 h。初始地表溫差的增加，可使“冷島”的寬度增加，“濕島”的平均高度降低。

(2)金塔綠洲上空的大氣層結表現為不穩(wěn)定-弱穩(wěn)定-穩(wěn)定的分布特征，隨著浮力頻率的增大，綠洲上空的下沉氣流減少、上升氣流增多，且1.5 km高度以上沙漠與綠洲過渡帶的垂直速度增大。

(3)在有背景風影響下，綠洲-沙漠上空形成的次級垂直環(huán)流的對稱性減弱，且位于上風向的環(huán)流強度較大。增大背景風速，次級環(huán)流中心的高度降低、強度減弱。

以上結論是在綠洲內植被和土壤類型均一條件下獲得的，然而實際綠洲的植被類型多樣，且存在著小面積的荒漠化地表，這些都有可能對實驗結果造成影響。因此，還需采用非均一的植被和土壤類型深入模擬探究綠洲效應的特征。另外，本文的數值試驗是在固定的熱力(或動力)因子條件下，只考慮動力(或熱力)因子對綠洲效應影響的理想試驗，而實際的綠洲效應是兩因子共同作用的結果，在后續(xù)的研究中將進一步完善模擬試驗，使結果更具有代表性。