塔中人工綠地與自然沙面輻射平衡對比研究

慕文玲，霍　文，何　清*，金莉莉，楊興華，楊　帆

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆　烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆　塔中841000）

塔中人工綠地與自然沙面輻射平衡對比研究

慕文玲1，2，3，霍文2，3，何清2，3*，金莉莉2，3，楊興華2，3，楊帆2，3

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆塔中841000）

使用2014年5—9月塔克拉瑪干沙漠腹地塔中大氣環境觀測實驗站地表輻射觀測資料，分析了塔中人工綠地與自然沙面在各種典型天氣條件下的輻射分量特征差異。結果表明：人工綠地與自然沙面輻射平衡各分量最小值均出現在夜間，最大值出現在中午前后，總輻射和反射輻射日最大值出現在12:00；大氣長波輻射日變化振幅較小，地面長波輻射日變化呈現不對稱分布。晴天，人工綠地與自然沙面總輻射和凈輻射變化幅度較小，自然沙面總輻射高于人工綠地；陰天，地面長波輻射略有減小，綠地大氣長波輻射略有增加，總輻射和反射輻射減少，凈輻射的變化受總輻射的影響，但減弱幅度小于總輻射；沙塵暴天氣下，沙塵對輻射各分量影響明顯，輻射各分量日變化不規則，人工綠地與自然沙面總輻射被明顯削弱，日變化波動大。

塔克拉瑪干沙漠；人工綠地；自然沙面；輻射平衡；塔中

慕文玲，霍文，何清，等.塔中人工綠地與自然沙面輻射平衡對比研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：87-94. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.013

太陽輻射是地球表面能量的主要來源，也是氣候系統中各種物理過程和生命活動的基本動力[1]。研究表明，不同下墊面條件下能量輸送過程存在著很大差異[2-4]，因此研究不同下墊面能量收支與輻射平衡對全球氣候變化有著重要的作用和意義[5]。近年來，國內外學者對不同下墊面上的能量與輻射平衡做了大量分析研究工作[6]。國內學者李江風[7-8]利用塔克拉瑪干沙漠腹地滿西一井和塔中沙漠氣象站等多年觀測資料和各種實地觀測試驗揭示了沙漠地區太陽輻射和熱量平衡分布規律。張強和王勝等[9]對干旱荒漠區地表輻射平衡做了研究，揭示了輻射平衡與氣候和環境之間的關系。翁篤鳴[10]和季國良等[11]比較全面的研究了中國輻射氣候的問題，計算了太陽輻射各分量的數值與地表輻射能量的總收入和總支出的差額即輻射平衡，詳細分析了我國太陽輻射各分量及輻射平衡的時空分布。金莉莉等[12]分析了塔克拉瑪干沙漠腹地輻射平衡和反照率特征季節變化及各種典型天氣下日變化的特征，并與其他地區進行對比。李帥等[13]對塔克拉瑪干沙漠地表輻射收支及云和沙塵的影響進行了研究，得出不同天氣條件下輻射收支有著很大的差異。傅良等[14]利用東南極高原熊貓—1自動氣象站2011年2月—2012年1月觀測的輻射資料和相關資料,對輻射分量和輻射平衡的季節變化進行了研究。雖然以往對不同下墊面的輻射平衡有較多的研究，但是沙漠下墊面的性質比較獨特，尤其是在沙漠背景下的人工綠地表現更加突出，所以本文主要是在前人的研究基礎上，對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地與自然沙面地表輻射平衡特征進行對比分析，同時分析不同天氣條件下地表各輻射分量的變化特征及規律，為研究沙漠區-綠洲區地氣之間的相互作用及影響機制提供參考。

1　研究區概況與資料選取

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地的中部，東西大約長1000 km，南北寬大約400 km，面積337 600 km2，是中國面積最大、氣候最干旱、植被最少、沙丘類型最復雜、沙丘流動性最大、流動性沙漠面積最大的沙漠[15]，是中國沙塵暴的主要起源地之一[15-18]。其中,塔中位于塔克拉瑪干沙漠腹地，深入沙漠200 km，夏季高溫，降水極少，風沙活動頻繁。根據塔中氣象站觀測資料，該地區年平均氣溫為13.1℃，年降水量僅為22.8 mm，降水時間分配不平衡，其中春夏兩季的降水量占全年降水量的90%以上；氣候炎熱干燥，蒸發量大，年潛在蒸發量高達3 798.5 mm。本文的研究區為塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測實驗站塔中本站（38°58＇N，83°39＇E，1099 m，處于2×2 km2人工綠地的中部）和塔中西站（38°58.858＇N、83° 38.462＇E，1103 m，自然沙面）。數據來源于兩個站的地表能量探測系統，觀測儀器見表1。借助CR1000型數據采集器分別獲取了10 s，1 min，30 min和1 h頻率的平均輻射觀測數據，本文使用的數據時間為2014年5—9月。

表1　地表能量探測系統

2　人工綠地與自然沙面輻射分量的日變化

圖1顯示2014年5—9月塔克拉瑪干沙漠生長季人工綠地與自然沙面平均地表輻射平衡各分量的日變化特征，從圖1可以看出，塔中人工綠地與自然沙面輻射平衡各分量日變化特征差異明顯。

圖1　塔中人工綠地與自然沙地輻射平衡各分量平均日變化

總輻射是水平地表面接受到的太陽直接輻射和散射輻射之和，它的大小受太陽高度角、大氣透明條件、云狀、云量和大氣沙塵等多因子的共同影響。從圖1a可以看出，塔中綠地與自然沙面總輻射呈現出典型的單峰對稱日變化特征，日平均最大值分別為685.5、664.5 W·m-2，12:00出現最大值，且人工綠地和自然沙面日平均總量分別為54.60、52.65 MJ·m-2。日出后人工綠地與自然沙面總輻射快速上升，且增幅較大，夜間降低為零，10:00人工綠地的總輻射為597.9 W·m-2，自然沙面為563.8 W·m-2，隨著時間的增加，到下午19:00之前,人工綠地總輻射都高于自然沙面，所以，兩者相比較，大多數時間段人工綠地的總輻射要大于自然沙面，主要是由于人工綠地上空大氣渾濁度比自然沙面地區小，從而對太陽輻射的削減較小。

反射輻射日變化規律與總輻射相同，白天其值隨著太陽高度角的增大（減小）而增大（減少），從圖1b可以看出，人工綠地與自然沙面最大值分別為176.4、236.6 W·m-2，出現在12:00，且自然沙面和人工綠地的反射輻射日平均總量分別為19.85、14.45 MJ·m-2，自然沙面大于人工綠地，主要是由于自然沙面的地表反照率高于人工綠地，總體而言，反射輻射的差異主要與下墊面地表覆蓋度的關系較為密切，且地表反照率與太陽高度角之間呈負相關關系，即中午低日出日落高的特征，太陽高度角較低時，反照率變化大，隨著高度角增大反照率減小并趨于穩定。

長波輻射包括大氣向下的長波輻射和地面向上的長波輻射，地面長波輻射主要受溫度的控制，大氣長波輻射則與大氣溫度、空氣中的水汽含量及塵埃粒子密度等密切相關[1]。從圖1c和圖1d可以看出，人工綠地與自然沙面大氣長波輻射日平均最大值分別為394.5、355.1 W·m-2，出現在14:00，相較于短波輻射，長波輻射的最大值出現時間相對比較滯后，這是因為地表先吸收太陽短波輻射使自身溫度升高，再放出長波輻射，且其變化幅度較小，平均日總量分別為87.77、79.27 MJ·m-2，人工綠地高于自然沙面。人工綠地與自然沙面的地面長波輻射日平均最大值分別為612.8、583.9 W·m-2，出現時間為14:00，平均日總量分別為11.36、11.14 MJ·m-2，人工綠地高于自然沙面。與地面長波輻射相比較，大氣長波輻射振幅比較小，日出之后，大氣長波輻射增加緩慢，到14:00達到最大值，然后緩慢減小到日出前的最低值。

凈輻射是地面收入輻射能和支出輻射能的差值，主要以感熱和潛熱的形式對大氣進行加熱，是表示地氣系統輻射熱交換的特征量。當收入的輻射能大于支出的輻射能時，凈輻射為正值，反之，為負值。所以凈輻射的日變化規律是：白天由大氣向地下傳輸熱量，為正值；夜晚由地下向大氣傳輸熱量，為負值。從圖1e可以看出，人工綠地與自然沙面凈輻射日平均最大值分別為301.1、368.2 W·m-2，出現在12:00，最小值分別為-71.2、-16.9 W·m-2，日平均總量分別為13.59、28.10 MJ·m-2，兩者相比較，人工綠地小于自然沙面，白天為正值，變化特征幾乎與總輻射基本一致，夜間為負值，特征與大氣向下長波輻射特征相近，且凈輻射的大小和變化受太陽高度角、云量、大氣透明度和地表狀況等因素的共同制約，不同的下墊面地表反射率和地面有效輻射有顯著差異，所以人工綠地與自然沙面地表凈輻射有明顯的不同。

3　不同天氣條件下的輻射分量日變化

本文從2014年5—9月中分別選取了晴天、陰天和沙塵暴這三種典型天氣代表塔中特殊天氣條件下的天氣類型。從中選取7月20日、7月21日、8月5日、8月10日、8月15日代表晴天，選取6月2日、6月21日、6月22日、7月5日、7月18日代表陰天，選取6月1日、6月3日、7月13日、7月16日、8月2日代表沙塵暴天氣，由圖2至圖4可以看出，除大氣長波輻射之外，地表輻射各個分量有明顯的日變化特征，波動較大。

3.1晴天

從圖2和表2可以看出，在晴天天氣條件下，人工綠地與自然沙面總輻射日平均最大值分別為506.4、790.1 W·m-2；反射輻射日平均最大值分別為134.6、188.6 W·m-2；大氣長波輻射日平均最大值分別為417.3、424.5 W·m-2，日平均最小值分別為356.3、364.2 W·m-2；地面長波輻射日平均最大值分別為 640.7、632.2 W·m-2日平均最小值分別為398.6、400.5 W·m-2；凈輻射日平均最大值分別為195.9、392.4 W·m-2。所以在晴天時，大氣長波輻射全天波動不明顯，其他輻射各分量有明顯的波動，人工綠地與自然沙面總輻射和凈輻射變化幅度較小，自然沙面凈輻射高于人工綠地，主要是由于凈輻射的大小及其變化特征受短波輻射和長波輻射的影響，晴天條件下由于人工綠地的蒸發作用，空氣中的水汽分子較多，太陽短波輻射減少，自然沙面情況相反，所以一般而言，晴天自然沙面凈輻射高于人工綠地。自然沙面總輻射高于人工綠地，因為總輻射主要受太陽高度角、大氣分子、云和氣溶膠的影響，此外，人工綠地的日均最大值會比自然沙面提前2 h，主要是由于太陽升高后，人工綠地的地表和土壤以及植被的蒸騰作用，導致空氣中水汽分子增多的影響，所以在晴天條件下，人工綠地由于蒸發作用使上空的水汽分子增多，而自然沙面相對較小，所以總體而言自然沙面總輻射高于人工綠地。

圖2　塔中晴天人工綠地與自然沙面輻射各分量平均日變化

3.2陰天

由圖3和表2可以看出，在陰天天氣條件下，人工綠地的總輻射、反射輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射、凈輻射日平均最大值分別為530.8、165.2、413.5、563.2、215.4 W·m-2，自然沙面總輻射、反射輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射、凈輻射日平均最大值分別為391.2、392.8、332.5、508.2、371.4 W·m-2。所以，在陰天，人工綠地與自然沙面輻射各分量有明顯的差異，日變化不規則，人工綠地總輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射，高于自然沙面，而反射輻射和凈輻射低于自然沙面，且自然沙面總輻射日均值比人工綠地推遲1 h，主要是由于自然沙面上空大氣透明條件和大氣中沙塵等因子的影響。陰天的輻射各分量與2014年5—9月平均日變化相比較，短波輻射和凈輻射明顯減弱，地面長波輻射略有減小，人工綠地的大氣長波輻射略有增加，這主要是由于陰天時，云對短波輻射的吸收和散射，因此總輻射和反射輻射減少，凈輻射的變化受總輻射的影響，但減弱幅度小于總輻射。

表2　不同天氣條件下的輻射各分量日平均極大值及其出現時間

3.3沙塵暴

由圖4和表2可以看出，沙塵暴條件下，人工綠地與自然沙面除大氣長波輻射外輻射各分量波動最大，達到最大值時間比中午12:00略有提前，其中總輻射、反射輻射、地面長波輻射、凈輻射被削弱很大，自然沙面總輻射、反射輻射、凈輻射日平均總量分別為49.23、13.05、16.28 MJ·m-2，人工綠地總輻射、反射輻射、凈輻射日平均總量分別為45.17、12.32、14.09 MJ·m-2，所以自然沙面總輻射、反射輻射、凈輻射高于人工綠地。這主要是因為在沙塵暴天氣條件下，空中懸浮的沙塵顆粒物較多，總輻射由于沙塵顆粒物的影響，明顯削弱，到達地面的太陽輻射減小，所以地面輻射減小。人工綠地下墊面由于植被覆蓋，空氣中的沙塵顆粒物相對于自然沙面較少，因此自然沙面總輻射總量高于人工綠地。總輻射受多種因素的影響，在塔中復雜的環境條件下，其影響因子呈現出不穩定性。但是空氣中沙塵顆粒較多，由于沙塵對輻射的散射作用，所以大氣逆輻射增加，因此無論是人工綠地還是自然沙面，輻射各分量的日變化曲線不同于晴天，變化幅度較大。但是，人工綠地與自然沙面的各輻射分量的最大值和出現時間總體差異很小，出現時間與人工綠地一致。

圖3　塔中陰天人工綠地與自然沙面輻射各分量平均日變化

圖4　塔中沙塵暴人工綠地與自然沙面輻射各分量平均日變化

4　結論

本文對塔克拉瑪干沙漠生長季人工綠地與自然沙面輻射各分量特征進行對比分析，得出以下幾點結論：

（1）塔中2014年5—9月生長季人工綠地與自然沙面輻射各分量日變化特征差異明顯，總輻射呈現出典型的單峰對稱日變化特征，日出后總輻射快速上升，且增幅較大，夜間其值為零；反射輻射與下墊面地表差異相關，自然沙面和人工綠地的反射輻射日平均總量分別為19.86、14.46 MJ·m-2，自然沙面大于人工綠地；地面長波輻射人工綠地高于自然沙面，與其相比，大氣長波輻射變化較小；人工綠地與自然沙面凈輻射日平均最大值分別為301.1、368.2 W·m-2，兩者相比較，人工綠地小于自然沙面，白天為正值，夜間為負值，變化特征幾乎與總輻射基本一致，不同的下墊面地表反射率和地面有效輻射有顯著差異，因此人工綠地與自然沙面地表凈輻射有明顯的不同。

（2）不同天氣條件下除大氣長波輻射外各輻射分量變化明顯。晴天，總輻射最大值出現的時間基本上在正午，人工綠地與自然沙面總輻射日平均最大值分別為506.4 W·m-2、790.1 W·m-2，自然沙面高于人工綠地，相差較大。陰天，由于云的吸收與散射作用，人工綠地與自然沙面總輻射和反射輻射減少，輻射各分量變化不規則，凈輻射受總輻射的影響，減弱幅度小于總輻射，地面長波輻射略有減小，人工綠地的大氣長波輻射略有增加。

（3）沙塵暴天氣條件下，各輻射分量變化最大，達到最大值的時間略有提前。由于總輻射受太陽高度角、大氣分子、云和氣溶膠等多種因素的影響，沙塵天氣下，自然沙面空氣中沙塵顆粒物相對于人工綠地而言較多，受其影響，地面輻射減少，大氣逆輻射增加，且自然沙面總輻射、反射輻射、凈輻射高于人工綠地。

本文僅對2014年5—9月塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地與自然沙面一個生長季的輻射各分量進行了對比分析，揭示了一些特征，而對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地和自然沙面輻射各分量的研究還需要長時間的觀測和深入分析，為今后研究沙漠—綠洲區地氣之間的相互作用及影響機制提供重要參考。

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Comparison and Research of the Land Surface Radiation Balance in the Artificial Vegetation and Nature Desert in the Taklimakan Desert

MU Wenling1，2，3，HUO Wen2，3，HE Qing2，3，JIN Lili2，3，YANG Xinghua2，3，YANG Fan2，3
（1.Institute of Geography Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi，830054，China；2.Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；3.Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment Station，Tazhong 841000，China）

In this paper,the characteristics of the land surface radiation balance under different weather conditions in the artificial vegetation and nature desert are analyzed based on the observation data obtained from the Taklimakan Desert hinterland between May 2014 and September 2014.The results showed that the land surface radiation balance components of artificial vegetation and nature desert in Tazhong are in different time.The minimum value is in nighttime,the maximum value of global radiation and reflect radiation appeared at 12:00 am.The diurnal fluctuation of atmosphere long-wave radiation had some difference,and the ground long-wave radiation is asymmetric distributed.When the day is fine,the variations of global radiation and net radiation in artificial vegetation and nature desert have some difference,and the global radiation in artificial vegetation is smaller than in nature desert.In cloudy day,the ground long-wave radiation was slightly decreased,when the atmospheric long-wave radiation is slightly increased in artificial vegetation,The global radiation and reflect radiation is decreased.The variation pattern of net radiation was consistent with the global radiation,and the decrease range of net radiation is less than the global radiation.In sandstorm,the diurnal variation of land surface radiation balance components are irregular,and they are obviously weakened both in artificial vegetation and nature desert.

Taklimakan desert；artificial vegetation；nature desert；radiation balance；Tazhong

P422

B

1002-0799（2016）04-0087-08

2016-03-01；

2016-04-25

國家自然科學基金項目（41305107、41375163、41175140）資助。

慕文玲（1989-），女，在讀碩士研究生，主要從事干旱區環境演變與災害防治方面的研究。E-mail：mwl15294482390@163.com通訊作者：何清（1965-），男，研究員，主要從事沙漠氣象研究。E-mail：qinghe@idm.cn