綠洲荒漠過渡帶風況對波文比和蒸散發的影響

向　皎, 李　程, 張清濤, 熊育久, 邱國玉

北京大學 環境與能源學院，深圳　518055

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綠洲荒漠過渡帶風況對波文比和蒸散發的影響

向皎, 李程, 張清濤, 熊育久, 邱國玉*

北京大學 環境與能源學院，深圳518055

摘要:波文比-能量平衡法是目前蒸散發研究常用的方法之一。在利用波文比-能量平衡法對荒漠地區，尤其對綠洲荒漠過渡帶的蒸散發進行研究時，發現有波文比波動大、蒸散發結果準確性不高等問題。如何提高波文比-能量平衡法在綠洲荒漠過渡帶的準確性成為荒漠干旱區精確研究水分收支急需解決的問題。在以前的研究基礎上，發現綠洲荒漠過渡帶的不同風況對波文比有不同影響，這可能是造成波文比-能量平衡法在綠洲荒漠過渡帶精度不高的主要原因。為了證明這個假設，于2010—2012年在西北民勤綠洲荒漠過渡帶進行了野外連續觀測，觀測了不同風況條件下波文比、不同高度的溫度差、濕度差以及蒸散發的變化規律，分析了它們的特征及其影響因素。結果表明，研究區觀測期內波文比值在-17.3—16.2范圍內變化，波動較大，呈“U”型變化，生長季中期波文比值低于初期和末期；在無風天氣，綠洲荒漠過渡帶溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，波文比波動小，異常值少，波文比方法測算出的蒸散量較為準確，能夠代表實際蒸散量，所測得民勤綠洲荒漠過渡帶波文比日均值為0.07，日蒸散量為1.6mm/d；在綠洲風和荒漠風天氣，綠洲荒漠過渡帶空氣溫度、濕度結構發生明顯改變，波文比波動大，不同風況使得大氣處于逆溫或逆濕的狀態，波文比-能量平衡法所測得的蒸散量負值增多，適用性降低。因而在應用波文比-能量平衡法估算綠洲荒漠過渡帶的蒸散發時應該選擇合適的天氣和觀測點，避開風況對觀測結果的影響。

關鍵詞：綠洲荒漠過渡帶; 波文比; 綠洲風; 荒漠風

綠洲荒漠過渡帶指綠洲生態系統和荒漠生態系統之間的生態交錯帶,是對氣候變化較為敏感的區域之一[1]，是以水為主導因子的環境梯度所產生的植被梯度現象,是具有敏感退化趨勢的生態脆弱帶。綠洲荒漠過渡帶是綠洲化過程和荒漠化過程最活躍的地區[2- 4]，位于騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠交匯處的民勤綠洲荒漠過渡帶，成片的白刺沙堆固定了綠洲外圍的大量流沙，對保護綠洲安全具有重要作用[5- 6]。近幾十年來，由于水資源的過度開采利用，地下水位急劇下降，沙漠化加速發展，白刺沙堆退化十分嚴重，白刺群落逐漸衰敗，局部地區的沙堆每年以3—5m的速度向綠洲移動[7- 8]，嚴重威脅到綠洲安全和綠洲荒漠過渡帶的生態平衡[9]。

作為水分收支的重要部分，精確估測蒸散發對綠洲荒漠過渡帶的生態系統管理、水資源規劃、環境保護都有重要意義[10- 12]。目前，在荒漠干旱地區應用較為普遍的是波文比-能量平衡法，波文比-能量平衡法是一種精度較高且計算過程相對簡單的蒸散發估測方法，物理概念明確，不需要空氣動力學信息，可獲得長期連續數據[13- 15]，因此得到最為廣泛的應用。劉樹華等在內蒙古沙地對波文比-能量平衡法和其他蒸散發測算方法(水量平衡法、渦度相關法)的對比研究表明，波文比-能量平衡法在干旱區能得到較準確的結果[16]。李彥等利用波文比儀對綠洲荒漠交界處顯熱和潛熱輸送特征進行了日變化規律的分析[17]。朱治林等根據1998年淮河流域能量和水循環試驗加密觀測獲得的資料，用波文比儀測定和計算了該地區的顯熱和潛熱通量狀況[18]。在國外，波文比法也得到了應用，如James等用波文比儀研究冠層溫度對日蒸散量的影響等[19]。Richard用波文比儀對半干旱地區平流環境條件下灌溉苜薯地的潛熱輸送進行研究[20]； Peacock等用波文比方法估算了蘆葦地蒸散發[21]，Nobuhiro等通過波文比-能量平衡法估算了常綠闊葉林蒸散發[22]，Zeggaf等利用波文比-能量平衡法，對照玉米冠層與土壤潛熱流差異估算蒸散發，并與Lysimeter稱重及樹干液流法測量結果進行比較，證明波文比能量平衡法在農田尺度上進行蒸散發分割估算相對合理[23]。Domingo等在西班牙東南部灌叢地[24]、Malek和Bingham在美國猶他州苜蓿地[25]、Todd等在美國南部干旱研究區[26]表明波文比-能量平衡法比其他蒸散發測算方法能得到更準確的觀測結果。

目前的研究主要集中于用波文比-能量平衡法測算干旱區的蒸散發量，進而對綠洲及荒漠生態系統能量與水分循環過程進行研究，也有探討不同環境因子對蒸發量的影響的研究，如司建華等在內蒙古對蘆葦地蒸散量進行測量，并對蒸散特點和能量平衡特征進行了分析和探討[27]，閆人華等通過波文比能量平衡法對芨芨草地蒸散量進行計算，分析了蒸散與主要環境因子之間的關系[28]，嚴坤等對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地能量交換與環境因子的關系進行測定與分析[29]。但對于綠洲荒漠過渡帶的波文比特征及其影響因素的研究還不夠深入，尤其是不同風況如何影響波文比特征、進而影響波文比方法應用的準確性，目前鮮有研究。因此，本研究針對民勤綠洲荒漠過渡帶的白刺沙堆，研究其不同風型條件下波文比的特征，重點分析在無風或微風、綠洲風和荒漠風條件下波文比及蒸散量的變化特征。探討不同風型對波文比估算蒸散發結果準確性的影響，驗證綠洲風和荒漠風導致的空氣溫度、濕度結構的改變是否是影響波文比-能量平衡法準確性的主要原因，為在綠洲荒漠過渡帶更好地運用波文比-能量平衡法提供參考依據。

1研究區概況

研究區民勤地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游，南鄰涼州區，西毗金昌，東、西、北三面與內蒙古自治區接壤(圖1a)。處于騰格里和巴丹吉林兩大沙漠之間，三面環沙。地理坐標為東經103°02′—104°02′，北緯38°05′—39°06′，該區屬溫帶大陸性干旱氣候區，是全國最干旱的地區之一。全年日照時數3028h，太陽輻射總量574kJ/cm2，年平均風速2.8mm/s，多年平均氣溫7.8℃，多年平均降水量110mm，蒸發量2644mm。民勤縣境內無自產地表水資源，石羊河為唯一的地表水資源。全縣總土地面積1.60×104km2，其中沙漠、戈壁、剝蝕山地和鹽堿灘地等占91%，綠洲僅占9%，綠洲邊緣風沙線長達408km[30]。經過野外勘察，選取位于騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠交匯處的民勤綠洲荒漠過渡帶為試驗地，行政區劃屬于民勤縣薛百鄉，試驗地自然植被主要為白刺，波文比觀測系統架設在在綠洲荒漠過渡帶成片的白刺沙堆群落樣地之間，距離綠洲外圍防護帶大約2km，如圖1b所示。

圖1　研究區地理位置(a)和波文比系統(b)Fig.1　The general situation of research area (a) Location map of study area in China, (b) Bowen ratio system

2研究方法

2.1波文比系統氣象觀測

本研究在試驗地選取平坦開闊的區域架設安裝有波文比系統的自動氣象站，并進行檢測和調試，于2010年5月12日起正常運行。觀測的基礎氣象數據包括太陽輻射、光合有效輻射、凈輻射、土壤熱通量(5、2cm各3個重復)、2m和1.5m的溫濕度(各3個重復)，傳感器具體信息如表1所示。氣象站采用太陽能驅動，利用數據采集儀(DT500 series 5，Datataker，Australia)連續自動觀測和記錄，數據采樣間隔為5s，每10min記錄1次平均值。其中降水和風速風向的數據是由民勤野外站提供，觀測起止時間為2010年5月12日至2012年6月17日。

表1　氣象站觀測要素

2.2波文比-能量平衡法

波文比-能量平衡法(Bowen ratio-energy balance，簡稱為BREB)是Bowen于1926年提出的[31]，用于估算潛熱能量(即蒸發和凝結)與顯熱通量，是基于地表能量平衡原理的計算蒸散發的方法。根據能量守恒定律，植被冠層接收的能量等于支出的能量，能量平衡方程為：

Rn= LE + H + G

(1)

式中，Rn為太陽凈輻射(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)；H為顯熱通量(W/m2)；LE為潛熱通量(E是垂直方向上的水汽通量(kg m2s)，L為水的汽化潛熱系數(J/kg))。其中，Rn、G可以實測得到，LE潛熱通量和H顯熱通量可以計算得出。

波文比(Bowen ratio，簡稱為β)為某一個界面上顯熱通量與潛熱通量的比值，且可以表示為垂直方向上溫度梯度和濕度梯度的函數。根據莫寧-奧布霍夫(Monin-Obukhov)的相似理論，假定熱量和水汽湍流交換系數相等，即Kw=Kh，β可定義為：

(2)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱(kJ kg ℃)；γ為干濕表常數；ε=0.622，為水汽和干燥空氣的分子量之比；P為氣壓(kPa)；ΔT為上下層空氣溫度差；Δe為上下層水汽壓差；Δq為上下層濕度差，本研究選擇1.5m處的水汽壓與2m處的水汽壓之差。根據波文比，可以分別計算出LE、H以及蒸散發量(ET)的值：

(3)

(4)

(5)

式中各氣象數據均可通過自動氣象站獲取。取一天中凈輻射值大于0的起止時段為日照時數，運用Excel軟件篩選功能整理得到。由于日出、日落前后、降水以及氣溫較低時，波文比的取值常接近-1，求取潛熱、顯熱和蒸散發的公式無意義。因此，按照Perez 等人的方法，剔除波文比為-0.6—-1.4、大于100、小于-100的數據[32]。同時，根據Billesbach、Arkebauer和Liu等人的研究，剔除顯熱通量不在-50—600W/m2，潛熱通量不在-50—700W/m2范圍內的數據。當剔除數據個數超過每日數據個數的50%，則將所有有效蒸散發瞬時平均值乘以日照時數得到日蒸散量；當剔除數據個數小于或等于每日數據個數的50%，則用剔除數據鄰近值的插值代替，再將當日所有蒸散發瞬時值乘以600并求和，得到日蒸散量[33- 34]。

3結果與分析

3.1不同風況對波文比季節變化的影響

常兆豐、胡影等根據民勤地區1974年以來108種植物的物候特征，提出該地區四季劃分的起止日期為：3月24日至5月27日為春季(65d)，5月28日至9月14日為夏季(110d)，9月15日至10月29日為秋季(45d)，10月30日至3月23日為冬季(145d)[35- 36]。相比起氣溫四季劃分，此方法能更好的反映植物的生命活動過程，因此本研究以此作為四季的劃分標準，討論波文比季節變化特征。

圖2是研究區按照上述不同季節的最大風向頻率圖。風向季節性變化明顯，春季和冬季主要為西北風，以荒漠風為主；夏季和秋季主要為東南風和東風，以綠洲風為主。主導風向的變化以5月和10月為分界點，在西北風和東南風之間交替變化。1—2月西北風、西南風和東風出現的頻率相當，3月份西北風出現頻率為0.53，逐漸成為主導風向，到4月份西北風頻率達到0.63，而東南風頻率只占0.17。5月開始，主導風向由西北風向東南風演變，整個夏季(6—8月)東南風的頻率都維持在0.5左右，9月主導風向由東南風轉向東風，10月份開始逐漸向西北風轉換，西北風頻率在12月達到0.61。

圖3是研究區2010年5月12日至2012年6月17日的波文比日值變化情況。波文比日均值在-17.3—16.2范圍內變化，主要集中分布在-5—5。冬季和春季11—3月波文比值及其波動性均較大。2010、2011年12—3月波文比值分別在-9.52—12.45、-17.32—16.21內變化。風速較小的冬季12—1月，大氣環境穩定，波文比為較大的正值，春季2—4月波文比值增大。夏季和秋季波文比波動較小，大多為趨于0的負值。2010、2011年5—10月波文比日均值分別在-7.36—14.9、-9.29—4.50內變化。波文比變化大致呈現“U”型，表現出明顯干旱的特點。

通過波文比日值變化結合研究區不同季節風向頻率圖可知，在冬春季節，研究區盛行西北風，以荒漠風為主，波文比波動很大，而且波文比值也偏大，風速較小的冬季12—1月，大氣環境穩定，波文比為較大的正值，2月波文比為負值并達到最小，春季2—4月波文比值逐漸增大。5—10月是研究區的夏、秋季節，盛行東南風，以綠洲風為主，波文比波動較小，大多為趨于0的負值。研究區生長季中期波文比值低于初期和末期，這與司建華等在內蒙古額濟納旗荒漠—綠洲蘆葦地的研究結論一致。波文比反映吸收凈輻射能量在潛熱和感熱上的分配比例，是衡量局地氣候特征的一個總體指標，在一定程度上表征局地氣候的干旱程度[37]。張強和曹曉彥在敦煌戈壁的觀測表明，5月25日—6月17日波文比全天基本大于1，且白天波文比在10—100范圍內[38]。左洪超和胡隱樵在黑河地區的觀測表明，夏季平均波文比在10左右[39]。Sturman和Mcgowan于2002年9月20至24日在澳大利亞沙漠測算所得的波文比日均值為4.08—6.12[40]。本研究測算所得的最大波文比日均值可達16.2，比其他干旱區波文比值大，說明民勤綠洲荒漠過渡帶極端干旱的氣候環境。Elsawwaf等在埃及南部極端干旱區的波文比觀測表明，生長季波文比呈現較多負值，是干旱高溫的氣候環境與復雜的水汽交換條件的結果[41]。本研究波文比瞬時值和日均值波動性也比其他干旱區大，且呈現更多的負值，主要是由于民勤綠洲荒漠過渡帶常年風速較大，綠洲風和荒漠風使得大氣環境不穩定，水汽的水平、垂直運動復雜多變，逆濕、逆溫狀態較多而造成的。風速和風向的變化對顯熱和潛熱的輸送有顯著影響[42]，進而影響波文比值。

3.2不同風型對波文比及局地氣象指標的影響

在區域大氣環流的影響下，綠洲荒漠過渡帶風速較大且風向季節變化明顯。就本研究的小區域而言，由于下墊面性質的差異，荒漠成為局部環境的溫度高值中心和濕度低值中心，綠洲則成為溫度低值中心和濕度高值中心。差距較大的溫度、濕度條件在綠洲和荒漠之間形成局地熱力環流。局地熱力環流分別以綠洲風和荒漠風的形式出現：近地層冷濕的綠洲氣流輸向荒漠，而形成綠洲風；而在上空暖干的荒漠氣流輸向綠洲時則形成荒漠風[17,43]，這種局地氣流對研究區的水汽交換產生較大影響。因此選取典型無風或微風天氣、綠洲風和荒漠風天氣對比分析不同風型對波文比及局地氣象指標的影響，重點分析影響波文比方法測算蒸散發的主要氣象指標，包括風速、氣溫、相對濕度以及溫度、濕梯度等。

3.2.1無風或微風晴天波文比及局地氣象指標的日變化特征

挑選2011年9月2日和9月3日作為典型無風或微風晴天，對綠洲荒漠過渡帶的波文比及局地氣象指標日內變化情況分別作圖4、圖5進行討論。

圖4　典型無風或微風晴天波文比(β)日內變化Fig.4　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 2 to 3 September, 2011 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

如圖4為典型無風或微風晴天，波文比的日內變化圖，如圖所示，無風和微風晴天波文比日均值分別為0.07、-0.78。9月2日4:00—21:00波文比在0—1內變化，以11:00和16:00為拐點，波文比在10:00—13:00、15:00—19:00兩個時段波動性較大，均呈現增大-減小的趨勢，這種變化趨勢與Li等人在中國騰格里沙漠邊緣葡萄園的研究結論一致[44]。最大瞬時值為0.80(16:20)，最小瞬時值為-2.42(23:20)，9月3日4:00—16:00波文比值為0—10內的正值，其余時段均為負值，以15:00為拐點，14:00—16:00波文比呈現增大-減小的趨勢。從15:00—21:00呈現長時間的較大的波動，可能與當天有微風的影響有關。最大瞬時值為9.85(15:20)，最小瞬時值為-17.40(16:40)。無風日，波文比白天均為正值，夜間和清晨出現負值，僅在下午15:00前后出現較大波動，幾乎無風的9月2日波文比相對于有微風晴天的9月3日更穩定，波動更小。

圖5是典型無風或微風晴天(2011年9月2日、9月3日)綠洲荒漠過渡帶局地氣象指標的日內變化圖。局地氣象指標主要包括：2m高度處的風速、氣溫、相對濕度，以及1.5m和2m高度的溫度差、濕度差等。

圖5　典型微風日波文比系統各指標變化(2m高度處的風速、氣溫、相對濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差)Fig.5　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2m, hourly wind speed at 2 m from 2 to 3 September, 2011 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

由圖5可知，9月2日、3日的平均風速分別為0.28、0.07m/s。2日風速在7:00—9:00、16:00—17:00相對較大，3日除11:00風速為1.76m/s外，其余時段均為0。近地層2m溫度變化以及相對濕度變化，可以看出兩日內溫度呈現較一致的變化。氣溫6:00左右開始升高，在13:00和18:00達到最大值，隨之下降。2日、3日的日均氣溫分別為16.85℃、17.69℃。相對濕度變化趨勢與氣溫相反，6:00左右開始下降，15:00(2日)和18:00(3日)左右達到最小值。相比綠洲風日和荒漠風日，微風日的相對濕度日較差更大，3日濕度日較差為73.6%。相對濕度在白天的波動較少，穩定的大氣環境使得大氣中水汽的含量更大的取決于溫度變化。1.5m高度與2m高度的溫度差與濕度差變化情況，無風或微風日溫度差基本大于0，在-0.08℃—0.19℃變化。濕度差波動相對較大，在-0.67%—1.03%范圍內變化。微風條件下濕度差多為正值，只在3日14:00—18:00濕度差為負值，出現逆濕現象(圖5)。

3.2.2綠洲風對波文比及局地氣象指標的影響

挑選2010年7月25日和7月26日作為典型綠洲風晴天，對綠洲荒漠過渡帶的波文比及局地氣象指標日內變化情況分別作圖6、圖7進行討論。

圖6是典型綠洲風條件下(2010年7月25日、7月26日)波文比的變化。波文比日均值分別為-0.59、-0.63。波文比在夜間22:00—24:00、0:00—6:00為較小的正值，白天6:00—22:00基本在-5—0內變化，其中，7:00—13:00波文比值表現出更大的波動性，波文比最小瞬時值出現在9:00和11:50，分別為-12.93(25日)、-9.81(26日)；最大瞬時值出現在8:30和7:50，分別為15.77(25日)、27.33(26日)。

圖6　典型綠洲風晴天波文比(β)日內變化Fig.6　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 25 to 26 July 2010 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

圖7是主導風向為東南風的綠洲風晴天(2010年7月25日、7月26日)各局地氣象指標日內變化圖。25日、26日日均風速分別為5.69 m/s、6.12m/s。25日風速從7:00開始增大，14:00達到最大值(11.76m/s)，18:00后逐漸減小，21:00再次增大。12:00—20:00風速均大于6m/s。26日風速除18:00至24:00逐漸減小外，其他時段均在6m/s左右波動，日變化不明顯。近地層2m溫度變化以及相對濕度變化，可以看出兩日內溫度呈現較一致的變化。夜間溫度不斷降低，在6:00前后達到最小值，隨后上升，兩日最高溫分別出現在17:00(31.03℃)、16:40(34.06℃)。相對濕度與空氣中的水汽含量和空氣溫度有關，在空氣中水汽含量一定的情況下，溫度愈低相對濕度愈大，相對濕度的變化與溫度的變化基本相反[45]。由圖可知，2m相對濕度日變化趨勢與氣溫相反，夜間清晨高，白天低。17:00左右開始增加，次日6:00左右達到最大值后開始下降。最大瞬時相對濕度為63.96%(25日6:30)、82.00%(26日5:40)，最小瞬時值為29.07%(25日17:00)、21.40%(26日15:20)。25日、26日平均氣溫分別為27.02℃、30.02℃，26日氣溫高于25日(圖7)。同時，由于氣溫是決定飽和水汽壓、相對濕度大小的重要因素[46]，在氣溫較高的下午(14:00—20:00)、氣溫較低的夜間和清晨(0:00—6:00)，26日相對濕度明顯比25日低。同時，在0:00—6:00、14:00—20:00時段，25日與26日氣溫差值差別不大，均在2—5℃，但相對濕度差值則較大，14:00—20:00兩日相對濕度差值為2%，但0:00—6:00兩日相對濕度差值可達到20%。結合風速日變化圖，可以看出，26日清晨0:00—6:00風速大于25日，14:00—20:00時段兩日風速相差不大(圖7)。可能由于冷濕的綠洲風帶來大量水汽，清晨氣溫較低使得蒸發消耗的水汽少，空氣中水汽含量明顯增加，相對濕度增加幅度更大。

圖7　典型綠洲風晴天波文比系統各指標變化(2m高度處的風速、氣溫、相對濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差) Fig.7　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2 m, hourly wind speed at 2 m from 25 to 26 July 2010 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

1.5m高度與2m高度的溫度差與濕度差變化情況，綠洲風日溫度差均為正值，9:00—18:00較大(0.1℃ —0.54℃)，18:00—6:00為趨近于0的負值(圖7)。說明，白天低層大氣溫度高，顯熱通量向上傳播，夜晚高層大氣溫度高。濕度差僅在風速較小的25日清晨為正值，其余時段均為負值，在-1.23%—0.63%內變化。26日清晨0:00—6:00風速較大，濕度差則為負值。隨著風速的變化，濕度差比溫度差表現出更大的波動性，以白天9:00—15:00最為明顯(圖7)，這也是綠洲風日波文比在此時段波動較大的原因。即白天大氣處于正溫、逆濕狀態。

3.2.3荒漠風對波文比及局地氣象指標的影響

挑選2010年11月27日和11月28日作為典型荒漠風晴天，對綠洲荒漠過渡帶的波文比及局地氣象指標日內變化情況分別作圖8、圖9進行討論。

圖8　典型荒漠風晴天波文比(β)日內變化Fig.8　Diurnal variation of Bowen ratio (β) from 27 to 28 November, 2010 (Bowen ratio is 10 min ensembles)

圖8是典型荒漠風條件下(2010年11月27日、11月28日)波文比的日內變化，波文比日均值分別為2.81,-0.39，相比綠洲風，荒漠風日波文比表現出更大的波動性。11月27日夜間0:00—6:00波文比波動較大，6:00—12:00為較穩定的負值，12:00—18:00間波文比較多為正值，且先增大后減小。18:00以后波文比值幾乎都為負值，且波動很大。而28日波文比除了在18:00—24:00時間段在0附近較穩定的波動外，其余時間段波動極大，波文比呈現出極不穩定的趨勢。11月27、28日，波文比最小瞬時值出現在1:10和2:30，分別為-18.55(27日)、-18.82(28日)；最大瞬時值出現在15:00和4:00，分別為27.69(27日)、28.76(28日)。

圖9是主導風向為西北風的荒漠風晴天局地氣象指標日內變化特征，2010年11月27日、28日的日均風速分別為3.86 m/s、4.39m/s。風速和波動性均在12:00—18:00較大，兩個典型日最大風速分別出現在15:00(11.5m/s)和18:00(13.1m/s)，這與荒漠風日波文比值波動大的時段較為一致。11月27日、28日日均氣溫分別為-5.80℃、-7.53℃，兩天氣溫相差不大，且較為穩定。夜間溫度不斷降低，在7:00前后達到最小值(27日為-12.11℃、28日為-15.49℃)，隨后上升，白天12:00—18:00溫度較高，27日最高溫出現在16:40左右(0.15℃)，日較差為12.27℃。28日最高氣溫出現在14：00左右(3.06℃)，日較差為18.55℃(圖9)。濕度日變化趨勢則與氣溫相反且表現出更大的不穩定性[47]。結合風速日變化圖，可以看出，溫度的變化與風速具有一定的正相關性，而相對濕度則與風速的變化呈現負相關性，干熱的荒漠風加劇蒸發，使得大氣中的水汽含量更少。27日、28日溫度差除在10:00—18:00出現較小的正值外，其余均為負值，在 -0.62℃ —0.27℃變化。濕度差除在12:00前后出現短時負值外，其余均為較大的正值，在-0.81℃ —1.89℃之間變化，且表現出比溫度差更大的波動性。在荒漠風晴天，大氣結構在夜間為逆溫、正濕狀態，而在白天10:00—18:00為正溫逆濕狀態，波動明顯(圖9)。

圖9　典型荒漠風晴天波文比系統各指標變化(2m高度處的風速、氣溫、相對濕度，1.5m和2m高度的溫度差、濕度差)Fig.9　Diurnal variation of temperature, relative humidity at 2 m, temperature gradient, relative humidity gradient between 1.5 and 2m, hourly wind speed at 2 m from 27 to 28 November, 2010 (Wind speed is 1 hour ensembles, other data are 10 min ensembles)

3.3不同風型條件下蒸散量的日變化特征

蒸發量的變化主要取決于影響蒸散的氣候因子的日變化和下墊面條件。氣象因子主要包括溫度、風速、濕度、氣壓等[48]。在民勤綠洲荒漠過渡帶，平流對觀測的影響很大，溫度、濕度、風速等變化都很頻繁。接下來分別對綠洲風、荒漠風、無風或微風天氣條件下利用波文比-能量平衡法計算白刺沙堆的蒸散量，分析季節性盛行的綠洲風和荒漠風對波文比-能量平衡法測算蒸散量的影響。

圖10為3種典型風型天氣下的白刺植物的蒸散量日內變化特征。3種典型天氣條件下，日內蒸散發的總趨勢是一致的。日蒸散量與凈輻射的變化非常一致，同時氣溫也是蒸散發的主導影響因子，風速在這些主導因子的影響下起到加速作用[27]。上午，隨著太陽輻射的逐漸增加，氣溫逐漸升高，蒸散速率逐漸增大，在12:00左右達到峰值。此后，隨著光照強度的減弱，氣溫不斷降低，空氣相對濕度隨之增高，白刺植株內外水汽壓差減小，蒸散速率降低。

在無風或微風天氣，2011年9月2日和3日，蒸散量從8:00隨太陽輻射的增強而增強，在中午輻射最強時蒸散量達到最大(圖10)。9月2日，中午12:00—13:00蒸散量達到0.23mm/h，而9月3日中午最大蒸散量為0.19mm/h，最大值蒸散量變化呈單峰型，較好的反映綠洲荒漠過渡帶白刺的蒸散發特征。日蒸散量分別為：1.6mm/d，1.5mm/d(圖10)。由于無風或微風天氣下，水平能量流動不明顯，大氣處于正溫、正濕的較為理想的狀態，通過波文比方法計算出的蒸散發幾乎沒有負值出現。

在綠洲風天氣，蒸散量在夜間為較小的負值，出現負蒸發(圖10)。7月25日，從8:00開始隨著綠洲風風速增大，逆濕程度越來越大，測算得到的蒸散量負值越多，受太陽輻射和氣溫增大的影響，蒸發量在11:00—12:00內達到最大1.19mm/h，17:00到20:00隨著綠洲風的減小，測算得到的蒸發量負值也減少。7月26日，上午綠洲風較顯著，午后，隨著溫濕度的變化，負蒸發更加明顯，在14:00—15:00達到-1.24 mm/h，而下午綠洲風減弱，蒸散增強，出現正蒸發，但是隨著太陽輻射的減小，蒸發量逐漸減小。26日的變化情況與25日相似。7月25日和7月26日日蒸散量分別為-0.28mm/d，2.44mm/d(圖10)。

圖10　典型綠洲風、荒漠風、微風或無風晴天蒸散量的日內變化Fig.10　Variation of evapotranspiration under different windy weather condition

11月27日和11月28日盛行荒漠風時，由于風的影響使溫度、濕度都發生波動，白刺的蒸散量也發生著變化，蒸發量正值和負值相間出現，個別時間段內呈現負蒸發狀態，但是受輻射的影響，在正午左右輻射最大時，其蒸散量依然最大，在夜間出現較多的負蒸發。白天除午后14:00—15:00出現負值外，其他時間蒸發量幾乎都為正值。在荒漠風天氣，逆濕程度沒有綠洲風天氣明顯，白刺植物日蒸散量在27日和28日分別為0.21mm/d，0.61mm/d，在荒漠風天氣，波文比-能量平衡法所測算得到的蒸散量負值較少(圖10)。

4討論

4.1不同風型對波文比-能量平衡法測算蒸散量的影響

4.1.1無風或微風天氣波文比方法測算蒸散量的特征分析

無風或微風天氣條件下，綠洲荒漠過渡帶波文比值波動較小，數值穩定，波文比和蒸散發的變化主要取決于太陽輻射、溫度差和濕度差等局地氣象指標的影響。夜間，由于下墊面輻射冷卻，各層氣溫均下降，下層空氣受下墊面輻射冷卻的影響，降溫幅度大于上層空氣，上層大氣溫度高于下層，白天，由于接受太陽短波輻射，地面開始增溫，同時地面向大氣輸送長波輻射，由于大氣對地面長波輻射的吸收特別強，所以大氣迅速增溫，近地層大氣靠近下墊面，受熱較多，溫度較高，再通過空氣湍流交換和分子熱傳導，加熱上層大氣，蒸散速率也逐漸增加，一方面空氣溫度的升高，為白刺和土壤表層水份汽化提供較多的熱量，滿足了汽化對能量的需求；另一方面，由于空氣的飽和水汽壓隨著溫度的升高而增大，使得飽和水汽壓與實際水汽壓差值變大，促使更多的水分蒸發進入到空氣中，加快蒸散的進行，因而溫度與實際蒸散量呈現顯著的正相關性，氣溫除本身對蒸散量的直接正作用外，更主要的是通過凈輻射和相對濕度等因子來促進蒸散的發生。而空氣相對濕度的變化卻與溫度變化相反，與蒸散呈顯著地線性負相關性，空氣相對濕度的實質是空氣的實際水汽壓與飽和水汽壓的比值，當空氣相對濕度增大時，空氣實際水汽壓與飽和水汽壓之比增大，飽和水汽壓差變小，造成下墊面與大氣的水分交換強度減弱，進而降低蒸散速度；反之，蒸散速度增大[49]。

總之，在無風或微風天氣穩定的大氣結構條件下，綠洲荒漠過渡帶低層大氣溫度高，相對濕度大，溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，大氣多處于正溫、正濕的狀態，從而符合溫度梯度擴散理論，波文比波動小，異常值少，波文比方法測算出的蒸散量較為準確。也即是無風或微風天氣用波文比-能量平衡法所測算的蒸散量結果能夠代表綠洲荒漠過渡帶實際蒸散量。

4.1.2綠洲風對波文比方法測算蒸散量的影響

在綠洲風天氣，由于冷濕的綠洲氣團密度更大，使得近地層暖干的荒漠氣團逐漸變性，相對濕度增加，溫度下降，從而使低層大氣與高層大氣之間的濕度差減小甚至出現負值，溫度差增大，使其處于正溫、逆濕的狀態。除白天少數時段外，空氣中濕度增大，蒸發潛熱也逐漸增大，潛熱明顯占據上風，波文比數值在白天中午和下午波文比波動較大，此時，通過波文比法測算的蒸散量負值較多[50]。即白天地表受太陽輻射加熱，溫度高于上層大氣中冷濕的綠洲風氣團，顯熱通量向上傳播，但是潮濕的綠洲風使得上層空氣濕度增大，潛熱通量向下傳播[51]。

由本文中介紹的波文比能量平衡法公式(2)結合本試驗數據圖7可知，在綠洲風天氣所測得的大氣處于正溫、逆濕層結，在綠洲風天氣白天的大部分時間：溫度差ΔT>0，濕度差Δq<0，因為水的汽化潛熱系數L>0，干濕表常數γ>0，所以由公式(2)可得波文比β<0，這正是在綠洲風天氣時，實際測算得到的波文比β大多為負值的原因。由公式(3)可知：LE>Rn-G=LE+H，所以顯熱H<0，即此時利用波文比方法所計算的結果為：蒸散耗熱量大于地表可供熱量，同時大氣顯熱向下輸送。而干燥的地表有如此大的蒸散量顯然不可能，而綠洲風盛行時，白天中午前后地表如此高溫，顯熱向下輸送也不可能，與實際情況不符，因此，這種情況下運用波文比方法所測數據準確性降低，這與黃妙芬對綠洲荒漠交界處大氣運動的分析結論一致[43]。綠洲風天氣條件下，對觀測到波文比及蒸散發結果應該進行修正。

4.1.3荒漠風對波文比方法測算蒸散量的影響

荒漠風天氣條件下，波文比數值多數大于l，蒸散弱，能量主要以感熱的方式消耗[29]。受荒漠風的影響，波文比波動極大，通過波文比方法測算的蒸散量也出現較大波動。干熱的荒漠風影響下，大氣處于逆溫、正濕的狀態。一方面，高層大氣獲得更多熱量，氣溫升高，高層大氣更加干燥，另一方面，干熱空氣帶來的溫度普遍升高加劇了地面的蒸發，而濕度隨高度遞減，水汽以向上輸送為主[51]。

由本文中介紹的波文比能量平衡法公式(2)結合本試驗數據圖9可知，在荒漠風天氣溫度差和濕度差波動頻繁，但是波動幅度不大，夜間ΔT<0,Δq>0，而白天正午前后ΔT>0(為較小的正值),Δq則不斷波動，導致波文比β正值和負值相間出現。而且，由于溫度差ΔT在0附近波動，溫度差值與濕度差值在量級上的差別造成波文比值出現較大異常值的原因，從而導致荒漠風天氣波文比值比綠洲風天氣下的波文比值波動更大。從圖8可知，在荒漠風條件下，夜晚大部分時間和白天部分時間處于逆溫、正濕狀態，此時，用波文比-能量平衡法所計算的蒸散量能較為真實的反映實際蒸散情況；而白天正午前后干熱的荒漠風使得地表溫度較高，同綠洲風天氣一樣出現正溫、逆濕的狀態，此時，用波文比方法計算的結果同樣為顯熱向下輸送，仍然與實際情況不符，計算得到的蒸散量不是實際蒸散量，對觀測到波文比及蒸散發結果應該進行修正。

4.2波文比-能量平衡法適用性分析

通過以上對本試驗的研究表明，有風和無風情況下，利用波文比-能量平衡法測算出得蒸散量差別很大，有風時波文比的異常值增多，蒸散量波動較大，且在綠洲風天氣條件下尤為突出。由于受風的影響，綠洲荒漠過渡帶濕度結構和水汽輸送有很大差別，其潛熱和顯熱為正值或者負值，表示能量在研究的地表上方增加或者減少，這在一定情況下可能會很大，而被簡化的能量平衡方程式所忽略[52]。

作為綠洲和荒漠的交界地帶，綠洲荒漠過渡帶的溫度、相對濕度等大氣條件處于綠洲和荒漠的中間狀態。當性質迥異的綠洲氣團和荒漠氣團在此相遇時，綠洲荒漠過渡帶的大氣反應和變化極為劇烈。受綠洲風或荒漠風的影響，波文比-能量平衡法所測算的蒸散量準確性降低，綠洲風天氣條件下波文比-能量平衡法所測算的蒸散量準確性更低。

一方面，波文比-能量平衡法成立的理論假設之一是水汽湍流交換系數(Kw)和熱量湍流交換系數(Kh)相等，即Kw=Kh，假定是把方程的有效使用限于均質的下墊面, 沒有水平的梯度。因此，對于大氣層結穩定、平坦、均勻的下墊面來說，利用波文比-能量平衡法計算潛熱通量誤差相對較小。但是，大量的研究結果表明，Kh和Kw的比值是隨著大氣穩定度的變化而變化[53]。在綠洲荒漠過渡帶上空的垂直溫度、濕度梯度是平流過程和垂直水熱輸送過程相疊加的結果，由于空氣的溫、濕鉛直廓線的非相似性導致熱量與水汽的湍流交換系數的非等同性, 使得波文比法的結果精度下降。這種情況下，梯度理論不再適用，Kh=Kw的假設不再成立，以梯度擴散理論為基礎的波文比法在用于估算潛熱與顯熱輸送時失效。此時用波文比法估算蒸發量就會造成較大誤差，這是本研究中綠洲風天氣情況下波文比方法計算蒸散發出現偏差的主要原因[16]。另一方面，綠洲荒漠過渡帶大氣的不穩定度決定了波文比β出現較大的波動，波文比法計算的通量會出現劇烈的跳動，呈現出虛假的尖峰和谷值，這一現象在夏季和秋季即綠洲風盛行時表現更為明顯[53]。當波文比法計算中波文比接近于-1時，計算變得很不穩定，導致公式計算出的潛熱通量的數值異常增大或減小，而相應得到的顯熱通量的值反向異常減小或增大，此時公式中的太陽輻射同土壤熱通量的差值Rn-G或波文比β的小誤差會引起通量計算很大的誤差，而從上面分析中波文比出現劇烈跳動的時間看多為凌晨或是傍晚，這與王旭等人的研究結果一致[16,54]。

4.3提高波文比方法在綠洲荒漠過渡帶準確性的可行方法

在綠洲荒漠過渡帶，荒漠上空的綠洲風盛行時，垂直溫度、濕度梯度是平流過程與垂直水熱輸送過程相疊加的結果，以梯度擴散理論為基礎的波文比法估算蒸散量徹底失效，因此，應該避免在綠洲風盛行時觀測蒸散量；當荒漠風盛行時，來自荒漠的暖干氣流由于密度小在綠洲氣團上面成暖風型進入綠洲，因此，在靠近綠洲的綠洲荒漠過渡帶與上方的暖干氣團之間形成平衡層，在平衡層內的溫度、濕度梯度符合梯度擴散理論，可以運用波文比-能量平衡法測量，如果梯度觀測超過這個范圍，觀測失效，也即是在荒漠風盛行時，波文比-能量平衡法在干旱區綠洲的平衡層內是適用的，在平衡層外及荒漠上空卻失效。因而,應用波文比能量平衡法估算蒸散發時，測點的位置選擇是至關重要的[43]。

另外，波文比-能量平衡法是計算通量的方法，它綜合使用了邊界層中所觀測到的氣象指標(溫度和濕度)和地表能量平衡方程的信息來計算感熱和潛熱通量，由波文比的表達式我們可以看到波文比的大小取決于不同高度的溫度差和濕度差，測量儀器的精度會直接影響到計算的結果[55]，Perez和Allen等人研究表明，干旱區相對濕度較低，波文比方法在干旱區的準確性與溫濕度傳感器的測量精度緊密相關[15,32]。尤其在實測溫、濕度差的差值小于或等于儀器精度差值時, 常常出現較大的誤差。因此, 為提高波文比法的測量精度, 必須研制和使用高精度的干濕球傳感器,并注意儀器安裝高度要有足夠的風浪區長度，同時要把觀測點安置在水平均一的下墊面上[55]。

5結論

(1)民勤綠洲荒漠過渡帶冬春季節盛行西北風，以荒漠風為主，波文比方法所測波文比值波動大、數值大；夏秋季節盛行東南風，以綠洲風為主，波文比波動相對較小、負值多；研究區觀測期內波文比在-17.3—16.2范圍內變化，呈“U”型變化，季節性變化明顯，生長季中期波文比值低于初期和末期。

(2)在無風天氣，綠洲荒漠過渡帶溫度、濕度梯度不受水平氣流的影響，波文比波動小，異常值少，波文比-能量平衡法觀測的波文比能大致反映綠洲荒漠過渡帶的波文比特征。測算出的蒸散量較為準確，能夠代表綠洲荒漠過渡帶實際蒸散量，所測得民勤綠洲荒漠過渡帶波文比日均值為0.07，日蒸散量為1.6mm/d。

(3)在綠洲風天氣，綠洲荒漠過渡帶的空氣溫度、濕度結構發生明顯改變，冷濕的綠洲風使得大氣處于正溫、逆濕的狀態，溫度、濕度梯度是平流過程和垂直水熱輸送過程相疊加的結果，不符合波文比-能量平衡法的假設條件，這種情況下運用波文比方法所測得的蒸散量負值較多，準確性降低，應該對觀測的波文比進行修正，避免在綠洲風天氣使用波文比方法對蒸散量進行觀測。

(4)在荒漠風條件下，白天正午前后大氣溫度、濕度結構發生改變，出現正溫、逆濕的狀態，此時，波文比-能量平衡法所測算的蒸散量準確性降低，同樣應該對波文比進行修正。夜晚大部分時間和白天部分時間溫度、濕度結構沒有發生明顯改變，此時，用波文比-能量平衡法所計算的蒸散量能較為真實的反映實際蒸散情況，但是觀測點的位置選擇會影響觀測結果的準確性。

致謝：野外觀測工作得到甘肅省治沙研究所和民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站人員的幫助，特此致謝。

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Effects of wind conditions on the bowen ratio and evapotranspiration in an oasis-desert ecotone

XIANG Jiao, LI Cheng, ZHANG Qingtao, XIONG Yujiu, QIU Guoyu*

SchoolofEnvironmentandEnergy,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China

Abstract：The Bowen ratio-energy balance method is one of the most commonly used methods for estimating evapotranspiration. However, the Bowen ratio can fluctuate greatly and reduce the accuracy of estimates when it is applied to the study of evapotranspiration in desert areas, especially at an oasis-desert ecotone. Improving the precision of the Bowen ratio-energy balance method has become a major focus of studies aiming to accurately estimate water budgets in arid areas. In this study, we found that wind conditions had obvious effects on the Bowen ratio at an oasis-desert ecotone. This may be the main cause of low precision estimates from the Bowen ratio-energy balance method when used at oasis-desert ecotones. In order to test this hypothesis, we recorded meteorological data from May 2010 to June 2012 through the Bowen ratio system at an oasis-desert ecotone in Minqin, China. We analyzed variation in the Bowen ratio, temperature gradient, humidity gradient, and evapotranspiration between two different heights on windy days. The Bowen ratio was lower in the middle of the growing season than at the beginning or end of the season and fluctuated wildly between -17.3 and 16.2. On windless days, horizontal airflow had little effect, causing small fluctuations in the Bowen ratio, and few abnormal values. Thus, the accuracy of evapotranspiration estimates using the Bowen ratio-energy balance method was high. The daily Bowen ratio calculated by the method was 0.07, and the daily evapotranspiration estimate was 1.6 mm/d on windless days. However, the temperature gradient and humidity gradient changed significantly on windy days. Temperature and humidity inversion led to large fluctuations in the Bowen ratio, and more negative evapotranspiration estimates. In these conditions, the accuracy evapotranspiration estimates using the Bowen ratio-energy balance method was reduced. Therefore, when using the Bowen ratio-energy balance method to estimate evapotranspiration at oasis-desert ecotones, it is important to choose the right measurement points and weather to avoid adverse impacts of wind.

Key Words:oasis-desert ecotone; Bowen ratio; oasis wind; desert wind

DOI:10.5846/stxb201404250822

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: qiuguoyu@gmail.com

收稿日期:2014- 04- 25; 網絡出版日期:2015- 06- 12

基金項目:林業公益性行業科研專項(201304305); 國家自然科學基金項目(30972421); 國家自然科學基金項目(91025008)

向皎, 李程, 張清濤, 熊育久, 邱國玉.綠洲荒漠過渡帶風況對波文比和蒸散發的影響.生態學報,2016,36(3):705- 720.

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