艾冠男，潘新民，安大維，張新軍

(1.新疆氣象服務(wù)中心，烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺，烏魯木齊 830002)

引 言

下墊面熱通量異常作為地-氣系統(tǒng)熱量平衡過程中的重要組成部分，對其領(lǐng)域內(nèi)的大氣環(huán)流演變起著十分重要的作用[1～3]。新疆地處亞歐大陸復(fù)地，其年降水量通常在200mm以下，屬于典型干旱、半干旱氣候區(qū)，且擁有我國最大的流動性沙漠，其特殊的陸面物理過程對我國氣候變化和西北干旱氣候形成都有深刻作用[4]。干旱地區(qū)地表干燥，蒸發(fā)量微小，地表輻射中感熱占絕對優(yōu)勢，因此感熱變化對當(dāng)?shù)匦夂蛱卣餍纬杉八h(huán)和氣候變化皆具有重要意義[4～9]。

對地面感熱的討論國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量研究，感熱對氣候變化影響方面，Jofia Joseph等[10]表明孟加拉灣感熱日變化與印度夏季風(fēng)活動密切相關(guān)，Lian Chen等[11]指出青藏高原中東部冬季感熱變化對東亞冬季風(fēng)有一定影響，周連童等[12～14]表明西北地區(qū)的感熱輸送變化是我國華北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性干旱的成因之一，針對不同地理環(huán)境的感熱研究日益成熟。感熱估算方法研究方面，王介民等[15]利用SEBAL模型對地表蒸散進估算，表明該模型有很好應(yīng)用性，但所需計算資源較高，何奇瑾等[16]指出波文比法得到的感熱受經(jīng)驗公式和假設(shè)影響對感熱峰值和谷值誤差較大，D.Baldocchi等[17]表明渦動相關(guān)法估算感熱存在能量不平衡帶來的誤差。李振朝等[18]采用整體輸送法對感熱進行估算，引入了較為準確的觀測數(shù)據(jù)，但對非觀測量地表熱力輸送系數(shù)采用定值的做法，尤其對下墊面復(fù)雜地區(qū)的感熱精準估算造成影響。王慧[19]通過研究表明在缺乏用其它方法獲得較準確的區(qū)域地表熱力輸送系數(shù)的情況下，對地表熱力輸送系數(shù)Ch值的估算，采用衛(wèi)星遙感資料是比較可靠的方法。

新疆地形復(fù)雜，山脈、沙漠、戈壁、綠洲分布其中，因此對下墊面的估算程度直接影響感熱計算結(jié)果。目前對于新疆地面感熱的研究以下墊面較為單一的小尺度為研究對象居多[20-21]，但是對新疆整體區(qū)域的地面感熱研究較少，南北疆下墊面環(huán)境差異大，針對南北疆感熱差異的研究尚未討論。本文利用地面氣象觀測資料結(jié)合衛(wèi)星遙感資料研究新疆地面感熱時空變化規(guī)律，比較分析南北疆不同下墊面感熱差異，為研究中亞氣候變化及預(yù)測提供指示意義，旨在為保護和改善干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供一定理論依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 資料

本文利用新疆105個常規(guī)氣象站點2007～2016年逐月平均氣壓、風(fēng)速、地面溫度和百葉箱氣溫的地面觀測資料結(jié)合MODIS Terra衛(wèi)星提供的空間分辨率500m、2007～2016年逐月歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料，NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)處理提取為新疆105個站逐月站點數(shù)據(jù)。地面觀測資料來源于新疆氣象局信息中心，NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料來源于中科院信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 地面感熱計算方法

采用總體輸送公式[22]計算出逐月地面感熱通量值：

H=ρSCPCh∣V10∣(TS-Ta)

(1)

其中，ρS為干空氣密度，它由干空氣狀態(tài)方程ρS=Ps/RdTa確定，Rd=287.05 J·kg-1·K-1，PS是本站的氣壓；Ta=273.16+ta，ta為測站百葉箱氣溫(1.5m處)(K)；CP=1004.07 J·kg-1·K-1，為干空氣定壓比熱；TS為0cm地面溫度(K)；V10為測站點10m高度處風(fēng)速(m/s)；Ch為地表熱力輸送系數(shù)，是無量綱量。在計算中除Ch值外均取歷年逐月實測值。

1.2.2 地表熱力系數(shù)Ch估算方法

利用植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品資料[23]，通過對Ch與INDV的關(guān)系式對地表熱力輸送系數(shù)Ch進行估算：

IMAX為各站多年NDVI的平均最大值。當(dāng)0.45≤IMAX<1時，下墊面為綠洲區(qū)；當(dāng)0.2≤IMAX<0.45時，為半干旱-戈壁區(qū)；當(dāng)0

采用EOF分析法(經(jīng)驗正交函數(shù)展開法)分析新疆地面感熱通量異常變化的空間結(jié)構(gòu)和時間演變特征，EOF分析具體方法參閱文獻[24]。

2 新疆地面感熱空間分布特征和時間演變分析

對新疆感熱進行EOF分解表明，第一模態(tài)為全區(qū)一致空間分布，第二模態(tài)呈現(xiàn)南北反向的空間分布，并劃分南、北區(qū)進行感熱特征研究。

EOF法能將要素場分解為若干相互正交模態(tài)的正交組合，并提取主要模態(tài)反映時空分布特征。圖1給出了新疆地面感熱EOF年平均第一、第二模態(tài)場及其對應(yīng)的時間系數(shù)。從圖中可以看出，第一模態(tài)場全區(qū)有較好負值一致性分布，可稱之為“全區(qū)一致型”，地面感熱的一致性變化主要受大尺度天氣系統(tǒng)影響。結(jié)合時間序列分析，全疆感熱在十年間感熱輸送經(jīng)歷偏強-偏弱的過程。第二模態(tài)大致以42～44°N為界呈現(xiàn)出南北反向的空間分布形態(tài)，可稱之為“南北反向型”，北疆大部為正，東疆、南疆大部為負，阿勒泰表現(xiàn)為正極大值區(qū)。結(jié)合時間序列分析，第二模態(tài)南部(北部)地面感熱輸送10年間經(jīng)歷偏弱(偏強)-偏強(偏弱)-偏弱(偏強)過程。

圖1 新疆地面感熱EOF分析第一、第二模態(tài)場及其時間系數(shù)

綜合一、二模態(tài)空間場分布特征，結(jié)合南北疆下墊面分布狀況及高沈童[25]對西北干旱區(qū)氣候差異劃分研究，把新疆地面感熱分為南北兩塊區(qū)域進行研究分析。分界線大致以43°N為界，北區(qū)(主要為北疆)包含51個站點，南區(qū)(主要為南疆、東疆)包含54個站點。

3 新疆地面感熱時間變化特征分析

3.1 地面感熱月變化特征

對新疆感熱月變化分析得出，南、北區(qū)地面感熱呈單峰型變化特征，3～4月感熱迅速增加，6月達到峰值，4～10月南區(qū)感熱明顯大于北區(qū)。

圖2給出了2007～2016年南、北兩區(qū)多年平均地面感熱月變化趨勢。由于新疆地氣間能量傳輸以感熱為主，所以感熱大小大體上表征了地面加熱場的強弱。北區(qū)弱冷源持續(xù)時間較長，北塔山1月平均感熱達-24.2 W/m2，這可能受北區(qū)積雪覆蓋時間長和緯度高共影響。3～11月，南、北區(qū)地面感熱經(jīng)歷迅速增加至減弱過程，其中除11月外，南區(qū)感熱高于北區(qū)，6～7月差幅最大，達10 W/m2左右，這說明這一時期南區(qū)地表持續(xù)加熱大氣明顯，表現(xiàn)為較強的熱源。相比河西干旱區(qū)感熱最小值出現(xiàn)在12月[18]，新疆感熱在1月達到最小值，存在月份差異。

圖2 2007～2016年新疆地面感熱月變化

3.2 地面感熱季節(jié)變化特征

對新疆感熱季節(jié)分析表明，南、北區(qū)冬季感熱最小，夏季最高。南區(qū)四季平均感熱均高于北區(qū)，春季北區(qū)地面感熱增幅明顯，夏季南區(qū)地面感熱顯著于北區(qū)。

冬季(12～2月)是南、北區(qū)地面感熱最小的季節(jié)(圖3)，北區(qū)負值區(qū)主要集中在伊犁河谷、中天山及昌吉州東部一帶，南區(qū)負值區(qū)主要集中在和田和巴州南部一帶(圖4)。春季(3～5月)北區(qū)主要受升溫明顯影響，地面感熱迅速增加，南北區(qū)地面感熱差距縮小，伊犁河谷是感熱增幅最大的綠洲區(qū)，這與草地凈輻射隨太陽高度角增大而增大結(jié)論一致[26]。夏季(6～8月)是全疆感熱值最大的季節(jié)，南區(qū)感熱明顯高于北區(qū)，差值在13W/m2左右。增強最為顯著的站點為十三間房、葉城和達坂城，這與西南地區(qū)春季感熱最大[26]的研究結(jié)果差異明顯，主要原因可能受緯度和下墊面共同影響。

4 新疆地面感熱變化與各要素的相關(guān)分析

為了解各季感熱輸送強弱變化的主導(dǎo)因子，將新疆地面感熱與各要素進行相關(guān)分析。結(jié)果表明南、北區(qū)地面感熱與地氣溫差(t)、地表熱力輸送系數(shù)(Ch)、地面風(fēng)速(V)相關(guān)并通過顯著性檢驗，但相關(guān)性存在季節(jié)差異。

結(jié)合表1、表2可以得出，南、北區(qū)冬季地氣溫差對感熱變化起主導(dǎo)作用。冬季感熱與地氣溫差的相關(guān)系數(shù)均通過了0.01顯著性水平檢驗(臨界值為0.76)，各站點通過0.05顯著性水平檢驗的的比例均高達96%以上。春季南、北區(qū)Ch值對感熱變化影響較大，通過0.05顯著性檢驗的站點比例在60%以上，北區(qū)感熱與Ch值相關(guān)性更為顯著。這主要因為春夏季是地表植被變化最顯著的季節(jié)，所以一些重要的地表參數(shù)對感熱變化的影響是不可忽視的。春季南區(qū)感熱同時受風(fēng)速影響，風(fēng)向主要為偏東風(fēng)。秋季，北區(qū)由于地氣溫差迅速減小，地氣溫差對感熱變化再次占據(jù)主導(dǎo)。同時將感熱對降水做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，南區(qū)夏季感熱與降水呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.67，這也為提高降水預(yù)報技術(shù)提供一定參考價值。

表1 新疆南、北區(qū)地面感熱變化與各要素相關(guān)系數(shù)

表2 新疆南、北區(qū)感熱變化與各要素顯著相關(guān)站的比例

5 結(jié) 論

本文利用常規(guī)地面觀測逐月站點資料結(jié)合MODIS Terra衛(wèi)星逐月植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品站點資料，對2007-2016年新疆地面感熱進行計算，對其時空分布特征與各要素相關(guān)分析做出了總結(jié)，主要結(jié)論如下：

5.1 感熱經(jīng)EOF分解的第一模態(tài)為全區(qū)一致的空間分布，全疆感熱經(jīng)歷偏強-偏弱過程。第二模態(tài)呈南北反向的空間分布，南部(北部)感熱經(jīng)歷5偏弱(偏強)-偏強(偏弱)-偏弱(偏強)過程。

5.2 南、北區(qū)感熱具有明顯月變化特征。南、北區(qū)地面感熱輸送呈單峰型變化特征，感熱1月最小，3～4月迅速增加，6月達到頂峰。4～10月南區(qū)感熱明顯大于北區(qū)。

5.3 南、北區(qū)感熱分布存在季節(jié)異同。南、北區(qū)地面感熱冬季最小，夏季最高，南區(qū)四季平均感熱均高于北區(qū)。北區(qū)春季地面感熱增幅明顯，南區(qū)夏季地面感熱顯著于北區(qū)。

5.4 南、北區(qū)感熱變化與地氣溫差、地表熱力輸送系數(shù)和地面風(fēng)速相關(guān)并通過顯著性檢驗，但相關(guān)性存在季節(jié)差異。冬季地氣溫差和春季地表熱力輸送對南、北區(qū)感熱變化起主導(dǎo)。春季，北區(qū)感熱與地表熱力輸送系數(shù)相關(guān)更為顯著，南區(qū)感熱同時受風(fēng)速響應(yīng)。秋季北區(qū)地氣溫差對感熱變化影響顯著。

本文研究內(nèi)容彌補了新疆不同區(qū)域地面感熱空間分布差異及時間變化特征，初步揭示四季感熱變化的影響因子，能為保護和改善干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供一定理論依據(jù)。但研究內(nèi)容仍有不足，對南區(qū)夏季感熱與降水影響的內(nèi)在機理值得思考，有待深入研究。