新疆于田縣不同下墊面小氣候特征比較研究*

鐘秀娟,熊黑鋼,張建兵

(1.新疆大學資源與環境學院,烏魯木齊 830046;2.北京聯合大學應用文理學院,北京 100083)

小氣候是指在近地面1.5～2.0 m以下的局部地區內,因下墊面局部特性影響而形成的貼地層和土壤上層的氣候,它與大氣候不同,其差異可用范圍小、差別大、很穩定來概括[1-2]。研究小氣候具有很大的實踐意義,因為植物(特別是農作物)和動物,都是在這個區域中生活和生長的;理論上,小氣候的研究也是很重要的,因為地表是大氣圈熱能和水汽的主要直接能源,了解空氣最低層的情況,對于了解空氣上層的情況無疑是有幫助的[3]。

近年來,隨著氣候研究的深入,小氣候越來越受到氣象學家的重視[4]。國內外對小氣候的研究也越來越多,對干旱區的小氣候研究多為植物冠層的微氣候研究以及綠洲單一界面小氣候[5-6]。不同下墊面之間的差別和相互作用的研究對大氣環境和氣候數值模擬極為重要。國內外對下墊面進行了大量的觀測研究,但這些觀測大多數是在濕潤和半干旱地區進行的,而對干旱地區下墊面的研究則較少[7]。伴隨著非均勻下墊面陸面過程及大氣邊界層研究的展開,對綠洲-交錯帶-荒漠這種典型的非均勻下墊面系統,僅孤立地分析綠洲、交錯帶或是荒漠的特征是遠遠不夠的。

于田縣內不僅有典型的干旱區綠洲,還有生態環境極其脆弱的綠洲-荒漠交錯帶以及大面積的荒漠[8-9],這3個下墊面上的小氣候分析是研究干旱區不同下墊面相互作用的基礎[10]。

本文利用HOBO小氣候觀測儀對新疆于田縣綠洲、綠洲-荒漠交錯帶以及荒漠的小氣候因子進行了定點、連續觀測,以探討3個不同性質下墊面的小氣候變化特征,以期為防治沙漠化、維持綠洲的穩定性、保護日趨惡化的綠洲-交錯帶-荒漠生態系統提供理論依據。

1 研究區概況

于田縣位于塔里木盆地南緣,東經81°09′-82°51′,北緯 35°14′-39°29′,南靠雄偉的昆侖山與西藏自治區相接,北靠浩瀚的塔克拉瑪干大沙漠與沙雅縣接壤,東連民豐,西鄰策勒,具有典型的綠洲、綠洲-荒漠交錯帶、荒漠3個下墊面,南北長約466 km,東西寬30～120 km,土地面積為3.95萬 km2,其中綠洲面積僅為1 773 km2。該縣屬于典型的極端干旱區,其氣候的主要特征是:四季分明、晝夜溫差大;光照充足,熱量資源豐富,日照率為62%,年日照總數超過2 769.5 h,積溫高達4 208.1℃;降水稀少,蒸發劇烈,多年平均降水量僅為47.7 mm,而蒸發力卻高達 2 420.3 mm;多年平均氣溫為11.68℃,大部分灌區多年平均無霜期為213 d;平原綠洲年平均風速1.8 m/s,風速以春季最大,平均2.2 m/s,秋冬季最小,平均為1.4 m/s,且春夏多風沙和浮塵天氣。

2 研究方法

本觀測試驗于2000年9月5-12日在于田縣的綠洲(棉花地)、綠洲-荒漠交錯帶及荒漠(戈壁)的典型樣地上進行,利用HOBO觀測儀對3個樣地的氣溫、相對濕度、風速、蒸發、地溫等小氣候特征進行觀測。其中,氣溫、相對濕度、風速探頭分為0 cm、50 cm、100 cm、150 cm 及 200 cm 高度5層布設 ;地溫分 0 cm(地表)、5 cm 、10 cm 、15 cm 、20 cm及40 cm五個布設。每天的觀測時間為 6:00-22:00,每隔2 h進行一次數據采集。蒸發觀測選用小型蒸發皿,晝夜各觀測一次。最后,利用Excel 2003以及DPS數據處理系統對野外所采集的數據進行整理和分析。HOBO小氣候觀測儀是目前使用比較廣泛的小氣候觀測儀器,它能快速、準確并連續地觀測氣溫、地溫、風速、相對濕度、蒸發等小氣候因子。

3 結果與分析

3.1 氣溫的變化特征

3.1.1 氣溫的時序變化 對比分析觀測期內荒漠、交錯帶、綠洲各層日平均氣溫可知(圖1-2),不同下墊面之間的氣溫具有差異性,荒漠的平均氣溫最高(22.12℃),交錯帶次之(21.14℃),綠洲最低(18.3℃)。這是由3個下墊面的性質差異引起的,荒漠下墊面的砂礫地表對太陽的短波輻射具有很強的吸收能力,致使地表迅速升溫并對外釋放大量長波輻射,這導致荒漠區近地表的氣溫高;而綠洲與此相反,其較高的植被覆蓋能吸收大量的太陽輻射能量進行光合作用以維系自身的生長發育,另一方面,綠洲下墊面較高的植被覆蓋不利于太陽光線到達地表,也不利于地表的長波輻射,從而導致綠洲區近地表的氣溫較低;空間上介于荒漠與綠洲之間的交錯帶具有過渡性,其下墊面性質也介于兩者之間,從而導致氣溫低于荒漠下墊面而高于綠洲下墊面。

雖然3個下墊面氣溫在數值上存在較大的差異,但是其平均氣溫的時序變化特征(逐日變化特征及日內變化特征)卻表現出了明顯的相似性(圖1,圖2),即變化趨勢一致。3個下墊面氣溫的逐日變化在觀測期內出現相似的波動變化,均在6日達到各自的最高值,而在10日達到最低值;在日內變化方面,相似性更高。在觀察時段內,6:00 3者氣溫最低,而在16:00最高,說明不同下墊面的氣溫雖然受到其性質的影響,在數值上會表現出一定的差異性,但是其變化趨勢卻是一致的,這是由于3者處于同一的外界大氣候環境,這也說明小氣候特征雖然在各自下墊面性質的影響下會發生一些變化,但是其基本特征始終離不開大氣候的影響,并與大氣候保持著一致性。

圖1 不同下墊面平均氣溫的逐日變化特征

圖2 不同下墊面平均氣溫的日變化特征

3.1.2 氣溫的垂直變化 總體上,荒漠、交錯帶及綠洲3下墊面氣溫的垂直變化特征是:變化趨勢相似,變化幅度各異(圖3)。在變化趨勢上,荒漠、交錯帶及綠洲氣溫都隨著高度的上升而降低,并且均在0-50 cm變化強烈,往上緩慢降低。其原因在于近地表的熱量主要來源于地面的長波輻射,離地面越遠,收到的長波輻射能量越低,氣溫也就越低。

在變化幅度方面,由地表到200 cm高度,3者氣溫的降低值分別為3.41℃,2.78℃,0.85℃。荒漠由于地表光禿,其氣溫的降低只受到離地面高度的影響;而在綠洲區,植被眾多,而且9月初各類莊稼尚未收割,不僅茂密的植被阻擋了太陽輻射,而且地表由于受到灌溉的影響,溫度最低。50 cm高度大致為棉花的生長高度。由于農田四周有較寬的防護林帶,此時的綠洲區50 cm以上高度內可以近似看做一整體,所以氣溫在這一相對均質的空間內變化小。交錯帶植被稀疏低矮,氣溫在200 cm高度內的變化大多還是受離地面距離的影響,所以其變化趨勢接近于荒漠,變幅較大。

3.2 大氣相對濕度的變化

3.2.1 相對濕度的時序變化 綠洲、交錯帶、荒漠的各層日平均相對濕度差異顯著,綠洲高達64.7%,而后兩者僅為49.8%、36.9%(圖4-5)。綠洲下墊面與其他2者最大的差別在于綠洲受到了人類活動的影響,因此,綠洲地表以及淺層土壤具有較多的水分,另一方面,綠洲具有較高的植被覆蓋度,植被蒸騰作用旺盛,使得其相對濕度最高;交錯帶雖然植被稀疏,但是由于靠近綠洲,相對濕度也較高。而在荒漠區,其光禿的砂礫質地表涵水能力差,地表及淺層土壤水分匱乏,雖然有強烈的蒸發力,但是其相對濕度仍較低。

圖3 不同下墊面各層平均氣溫垂直變化圖

3下墊面相對濕度的逐日變化以及日內變化趨勢基本一致,在5-12日內呈相同波動變化。而在日內變化方面,均在 6:00-16:00逐漸降低,在16:00達最低值,而后逐漸升高,并在22:00左右達到6:00的水平(圖4)。在變化幅度方面,綠洲與交錯帶的變幅較大而且較接近,而荒漠卻與前2者截然不同,一直都保持一個較低的水平,這與荒漠簡單的下墊面性質、稀少的水分緊密相關。

圖4 不同下墊面各層平均相對濕度的逐日變化

圖5 不同下墊面各層平均相對濕度的日變化

另外,3下墊面相對濕度的變化與氣溫的變化呈反向相關的關系,這是因為溫度增高時,雖然蒸發加強,使實有水汽壓增大,但因飽和水汽壓增大得更多,結果相對濕度反而減小,而當溫度降低時該過程則相反,導致相對濕度增大。

3.2.2 相對濕度的垂直變化 綠洲、交錯帶及荒漠下墊面各高度的平均相對濕度中均以前者最高,中者次之,后者最低,而且隨著高度的增加,綠洲、交錯帶的相對濕度相差逐漸減小,兩者與荒漠相差逐漸增大(圖6)。

圖6 不同下墊面各層日平均相對濕度垂直變化

在變化規律上,綠洲在0-50 cm的相對濕度變化基本呈直線,這是因為所選觀測地為棉花地,植株高度為50 cm左右,在稠密的棉花地里溫度變化小,風速低,相對濕度變化小,向上由于受到風等因素的影響,相對濕度有所降低;交錯帶的相對濕度隨高度出現較小幅度的增加,而荒漠的相對濕度隨高度變化在25%～35%出現震蕩式變化,200 cm高度與0cm高度的相對濕度值相差不大。

3.3 風速的變化特征

圖7 不同下墊面各層平均風速逐日變化

3.3.1 風速的時序變化 荒漠、交錯帶風速相差小且遠大于綠洲下墊面風速,3者的平均風速值分別為1.83 m/s,1.55 m/s,0.46 m/s(圖7)。這與下墊面性質差異密切相關,荒漠地表光禿,對空氣流動無阻礙作用;而交錯帶雖然有植被,但是其數量小,分布稀疏并且植株矮小,對風的阻擋作用微弱,所以荒漠與交錯帶下墊面的風速較大,兩者差距小。綠洲由于其錯綜復雜的表面,較高的植被覆蓋度,加上植株比較高大,十分不利于近地面空氣的運動,所以該下墊面的風速遠小于荒漠與交錯帶下墊面。

在風速的時序變化上,3者變化趨勢相似,但變化幅度相差大(圖7,8)。逐日變化中,風速在9日劇烈增加,是由于該日天氣突變引起的;日變化與氣溫的日變化呈正向相關,隨著氣溫的升高,風速增大,反之亦然。由于氣溫升高將導致大氣氣壓梯度力的增加,從而導致風速的增大。另外,荒漠與交錯帶風速的逐日變化與日內變化具有變幅大,相似性高的特點,而綠洲由于其內部景觀空間分布的復雜性導致風速小,且變幅小。

圖8 不同下墊面各層日平均風速的日內變化

3.3.2 風速的垂直變化 荒漠、交錯帶及綠洲下墊面各高度上的日平均風速均是荒漠＞交錯帶＞綠洲,并且均隨著高度的上升而逐漸增加(圖9),但增加程度不同。其中,交錯帶變化最大,荒漠次之,綠洲變化最小,這同樣是由其下墊面性質的差異所引起的。

圖9 不同下墊面日平均風速的垂直變化

在3下墊面風速的垂直變化中有一顯著特點,即在0-100 cm高度,風速增加強烈,尤其以交錯帶最為明顯,其風速增加值為1.20 m/s,荒漠增加值次之,為0.55 m/s,綠洲增加值最小,為 0.33 m/s。其原因是交錯帶和荒漠植被低矮稀疏,地表空曠,空氣所受摩擦力小,風速變幅大;而在綠洲,其濃密的植被覆蓋很大程度上增加了空氣的摩擦力,使風速的變化幅度減小。在100-200 cm高度內,大氣湍流及摩擦的作用明顯小于0-100 cm,3者增值減小,荒漠、交錯帶及綠洲下墊面的風速分別增加了0.09 m/s,0.11 m/s,0.08 m/s,遠小于0-100 cm高度內的增加值。

3.4 各層地溫的變化特征

3.4.1 地溫的時序變化 觀測期內,荒漠、交錯帶的各層日平均地溫較接近且遠高于綠洲的平均地溫(圖 10,11),其值分別為 23.63℃,23.83℃,19.80℃,這由3個下墊面的性質決定。荒漠、交錯帶由于地面裸露,地表直接接收太陽輻射,地面快速升溫,并將一部分能量向下傳遞,導致地溫較高;而綠洲地表則相反,導致平均地溫低,向下傳遞的能量少,平均地溫低于荒漠及交錯帶下墊面。

3個下墊面地溫在5-12日內發生與氣溫變化基本一致的小波動變化。一天中3個下墊面地溫從6:00-16:00逐漸增加,并在16:00達到最高值,而后逐漸降低。此變化趨勢與氣溫的時序變化趨勢基本保持一致,說明地溫與氣溫關系十分密切。

3.4.2 地溫的垂直變化 從3下墊面地溫的垂直分布來看,地表的溫度最高,而后隨著土壤深度的增加而降低(圖12)。由于地溫的熱量主要來源于地表,深度越深,所接受到得能量越低,所以溫度也越低,但荒漠與交錯帶在15-20 cm土層之間出現反向變化。當到達一定深度(20 cm)后,因受地表溫度影響微弱,地溫差距小而且具有一定的穩定性。

圖10 不同下墊面各層日平均地溫的逐日變化

圖11 不同下墊面各層日平均地溫日內變化

在各深度層,荒漠與交錯帶地溫相差小(0.16℃),變化趨勢一致,而且都遠大于綠洲同深度層的溫度(4.12℃),這與綠洲地表溫度低,向下傳遞的熱量少有直接關系。

圖12 不同下墊面各層平均地溫的垂直變化

3.5 蒸發的時序變化特征

圖13 不同下墊面白天蒸發逐日變化

對比3下墊面晝夜蒸發可知(圖13,14),白天的蒸發遠大于夜間,而且兩時段中,荒漠、交錯帶的蒸發相差甚小(平均相差僅0.51 mm),均遠大于綠洲下墊面的蒸發。

溫度、風以及接觸面性質是影響蒸發的主要因素,荒漠地表光禿、開闊,白天氣溫高,風力大,利于蒸發;而交錯帶植被稀疏,植株矮小,其下墊面性質與荒漠相似,所以蒸發也強烈;而綠洲植被覆蓋高,外表錯綜復雜,與前兩者相比,其溫度低,風力小,所以其蒸發遠小于荒漠與交錯帶。

在夜間,由于氣溫下降,3個下墊面的蒸發迅速都減弱,綠洲下墊面的蒸發幾乎減為0,而荒漠、交錯帶由于其地表開闊,風力較大,仍有著較大的蒸發力,3個下墊面蒸發的平均下降率分別為0.86,0.37,0.12。

圖14 不同下墊面夜間蒸發逐日變化

4 結論與討論

荒漠、交錯帶、綠洲由于其下墊面性質的差異,各小氣候特征值存在著顯著差異(表1)。

總體講,3下墊面各小氣候因子無論是其時序變化特征還是其垂直變化特征都保持著一致性,其原因是小氣候要受外界大氣候環境的影響。荒漠、交錯帶、綠洲的各小氣候因子雖然由于其下墊面性質差異會引起數值上的差異,但是其本質特征還是由外界大氣候環境決定,并隨著大氣候因子的改變而發生相應的改變。

在3下墊面各氣候因子的特征值及變化趨勢中,荒漠與交錯帶都比較相似,兩者平均氣溫僅相差0.98℃,地溫前者僅高出后者0.2℃(表1)。這與兩者下墊面性質相似有著直接的關系,荒漠地表光禿,而交錯帶的植被稀疏且矮小,性質接近于荒漠,因此,兩者的小氣候因子特征相似。

綠洲平均氣溫比荒漠低3.78℃,相對濕度分別是荒漠和交錯帶的1.75倍和1.30倍。風速僅為荒漠的1/4。可見綠洲內茂密的植被、濕潤的土壤及四周寬闊的防護林在極端干旱區內具有很好的降溫、保濕、屏風等效應。

荒漠、交錯帶及綠洲下墊面各小氣候因子之間存在著相互聯系,如氣溫與風速、地溫、蒸發力呈正相關,而與相對濕度呈反相關,風速與蒸發力呈正相關等,這些小氣候因子之間的具體關系有待于繼續討論。

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