科爾沁梯級生態帶水熱通量動態變化及對環境因子的響應

黃天宇, 劉廷璽,2, 王冠麗,2, 段利民,2, 陳小平

(1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018;2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室, 呼和浩特 010018)

大氣邊界層在氣候系統中起著十分重要的作用。其中,邊界層內的水熱通量是反映地表與大氣互相作用的重要指標。大氣運動所需要的熱能及水汽主要是通過邊界層的湍流運動由地表輸送到自由大氣中去的。同時,地表的熱通量又決定了邊界層內湍流及擴散的強度和穩定度,并影響著平均風速、溫度和濕度等氣象因子的變化。因而準確地確定不同尺度生態系統水熱通量是近些年國內外廣泛關注的熱點問題[1-5]。我國北方、西北地區干旱少雨,了解大尺度干旱區氣候及水分循環對于解決干旱區需水用水問題是極為重要的。

成熟的測量水熱通量的方法已有很多,常用的有波文比法、渦度法、機載渦動相關法、大孔徑閃爍儀法、遙感法等。其中,大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintilometer,LAS)因其測量精度高,尺度廣,自20世紀90年代中后期以來,被廣泛應用于通量的測定,且具有廣闊的應用前景[6]。國內外已經有不少應用LAS觀測各種下墊面類型水熱通量的研究[7-16],但目前國內將LAS應用于荒漠化梯級生態帶這樣復雜下墊面的研究成果尚未見發表。因此本文利用2017年3—12月LAS觀測數據對科爾沁梯級生態帶復雜下墊面上的水熱通量進行分析研究,探討不同時間尺度上水熱通量的變化特征,剖析水熱通量與環境因子的相關關系,為深入研究復雜下墊面地表水熱交換、將研究擴展到更大尺度提供基礎與參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于科爾沁沙地東南邊緣,行政區隸屬于內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮,地理坐標(122°33′00″—122°41′00″E,43°18′48″—43°21′24″N),該區域屬于半干旱大陸性季風氣候,年平均氣溫6.6℃,多年平均日照時數2 931.5 h,多年平均降水量389 mm,且主要集中在6—9月。研究區處于農牧過渡帶交匯處,區域內分布有沙丘、草甸、農田、湖泊等多種地貌類型。地形總趨勢西高東低,南北沙丘高,中間農田、沙質草甸和小型湖泊低。各種下墊面地形呈“階梯狀”分布南北為沙丘,中部為農田、沙質草甸和小型湖泊,植被多樣,是典型的沙丘—草甸梯級生態系統。

1.2 觀測站點及觀測內容

試驗區梯級生態帶內建有多個生態—氣象—土壤環境監測站點,從北至南依次為:半流動沙丘A4,農田玉米地BC4,草甸蘆葦群落C4,小型湖泊E4,固定沙丘半灌木—雜草群落F4。A4-F4為大孔徑閃爍儀(BLS450,Scintec)觀測帶,F4為LAS發射端,A4為接收端。8月在相鄰梯級帶設置另一組大孔徑閃爍儀(BLS900,Scintec)作為A4-F4的對照和精度控制的重復,G3為LAS發射端,A3為接收端。各站點相關介紹及儀器布設情況見表1,表2。

表1 各站點相關介紹

表2 各站點儀器布設

1.3 研究方法

(1)

式中:T為溫度;P為大氣壓;β為波文比系數。波文比是顯熱通量和潛熱通量的比值。

(2)

式中:z為LAS觀測高度(m);d為零平面位移(m)(d=0.667H植被);L為莫寧—奧布霍夫長度(m);fT為溫度結構參數的穩定度普適函數。

(3)

式中:H為顯熱通量,也稱感熱通量(W/m2);T*為溫度尺度;ρa空氣密度(kg/m3);Cp為空氣定壓比熱[J/(kg·K)];u*為摩擦速度(m/s)。

(4)

1.3.2 數據處理 LAS原始數據采集頻率記錄時間間隔為1 min,包括降雨時段數據和過飽和數據。為了更好的表征通量變化,將數據剔除、篩選、插補、校正、平均后得到30 min值進行通量研究。本次試驗LAS數據飽和上限為4.11 E-14 m-2/3。

氣象土壤環境監測數據的采集頻率記錄時間間隔均為10 min,包括無效值。將數據剔除、篩選、插補、平均后得到30 min數據,各監測站點數據根據其處于LAS的光徑位置和LAS源區面積進行加權,將結果與LAS數據同步分析。

顯熱通量迭代過程用JAVA來實現,數據整理與分析采用Excel,SPSS和SRun 1.31，SRun 1.48軟件來處理。

2 結果與分析

2.1 水熱通量變化規律

2.1.1 研究區水熱通量的日變化及分配特征 選擇觀測時段內植被生長旺季(夏季)和非生長季(冬季)典型晴天與陰天各一天進行分析，探討凈輻射(Rn)、顯熱通量(H)、潛熱通量(LE)和土壤熱通量(G)的日變化特征。其中,生長季典型晴天、陰天分別選擇2017年7月5日、7月6日;非生長季典型晴天、陰天選擇同年12月6日、12月10日。各典型日日變化特征如圖1所示。

典型晴天能量各收支項在生長季(夏季)和非生長季(冬季)均呈現顯著的日變化。其中,顯熱通量在整個觀測時段呈明顯的倒“U”型單峰趨勢,而潛熱通量表現為夏季呈雙峰趨勢,冬季呈單峰趨勢。峰值均在正午前后達到最大值。植被生長季潛熱通量的峰值433.5 W/m2占凈輻射的65.63%,遠大于顯熱通量的峰值152.4 W/m2,是生長季近地表耗能的主要形式;非生長季潛熱通量與顯熱通量的峰值接近,均在100 W/m2左右。土壤熱通量在生長季占凈輻射的比例約為7%,非生長季則全天為負值。土壤熱通量峰值較凈輻射表現出一定滯后性,其中生長季季滯后1～2 h,非生長季滯后2～3 h。

圖1 生長季和非生長季典型晴天、陰天地表能量收支各分量日變化

陰天條件下生長季和非生長季的日峰值和日均值均小于同時期晴天條件觀測值,地表能量平衡各項分量日變化曲線出現鋸齒狀波動,與實際天氣條件有關。但土壤熱通量峰值仍表現出較穩定的滯后性。陰天時日峰值和日均值均小于同時期晴天條件,陰天地表能量接收較少,地面溫度降低,水熱通量降低,向下傳到土壤的熱通量也減少。

總的來說,生長季水熱通量日變化曲線表現為“高而寬”,非生長季“矮而窄”。

2.1.2 研究區水熱通量月變化及分配特征 將LAS觀測時段各月份(BLS450觀測時段為2017年3月10日—12月31日,BLS900觀測時段為同年8月18日—12月31日)處理后得到天尺度數據，再平均到月尺度得到能量平衡各分量月均日變化圖,見圖2。

圖2 研究區凈輻射和水熱通量月均月變化

各月顯熱通量月變化曲線呈顯著單峰狀,6月峰值最大,為154.17 W/m2;8月峰值最低,為60.57 W/m2。3—12月峰值出現時間依次為11：00，11：00，11：00，11：30，12：00，12：00，12：00，12：00，11：30，11：30,其中3—5月份峰值出現在11：00、6月份峰值出現在11：30,7—10月份為12：00,11、12月份出現在11：30。峰值在月尺度上出現的時間先后移再前移,符合季節變化規律。

生長季各月潛熱通量月變化曲線呈主次雙峰狀,非生長季呈單峰狀。7月峰值最大,為335.45 W/m2;12月峰值最低,為63.14 W/m2。整個研究時段潛熱通量占凈輻射比例較大,非生長季時顯熱通量占比升高,生長季下降。潛熱通量是地表能量的主要耗能形式。

2.2 生長季各月典型晴天不同環境因子與水熱通量通量的相關性

將各氣象站觀測到的14個氣象環境因素加權后與計算得到的顯熱通量、潛熱通量值做相關性分析,結果見表3，表4。

水熱通量與氣象因子的相關性很好,顯熱通量、潛熱通量與凈輻射相關性都達0.96以上,與風速、空氣溫度、空氣相對濕度、空氣相對水汽壓都有較好的相關關系。

各層位土壤因子與水熱通量呈良好相關性,表層土壤相關性最好,顯熱通量與各層位土壤溫度多呈正相關,與土壤含水率多呈負相關,與土壤電導率相關性一般;10 cm土壤相關性最好。其中各月土壤溫度與水熱通量的相關性在0.7左右,各月土壤含水率與水熱通量的相關性在-0.7左右。層位越深相關性越低。

表3 各月典型晴天不同環境因子與顯熱通量H的相關系數

注：(1) *在0.05水平上顯著相關,**在0.01水平上顯著相關； (2)H為顯熱通量,Rn為凈輻射,WS為風速,AT為空氣溫度,RH為空氣相對濕度,e為空氣相對水汽壓,ST為土壤溫度,VWC為土壤含水率,E為土壤電導率。

表4 各月典型晴天不同環境因子與潛熱通量LE的相關系數

注：(1) *在0.05水平上顯著相關,**在0.01水平上顯著相關(2) LE為潛熱通量,Rn為凈輻射,WS為風速,AT為空氣溫度,RH為空氣相對濕度,e為空氣相對水汽壓,ST為土壤溫度,VWC為土壤含水率,E為土壤電導率。

3 討 論

本研究顯示,試驗觀測時段內梯級生態帶水熱通量晴天日變化趨勢明顯,顯熱通量全時段呈單峰狀,潛熱通量夏季表現為雙峰狀,冬季呈單峰狀,這是因為夏季清晨和下午環境適宜,蒸騰作用強烈;午間溫度過高,植被氣孔閉合,進入“午休”狀態,導致蒸騰作用下降,潛熱通量降低。冬季植被凋零死亡,植被不進行蒸騰作用較弱,亦無“午休”。水熱通量陰天變化無明顯規律。總的來說,水熱通量日變化曲線生長季表現為“高而寬”,非生長季“矮而窄”,研究結果與前人在各種下墊面類型上的結果一致[13,17-19]。

月尺度上顯熱通量變化趨勢明顯,各月均為單峰狀且峰值出現的時間先后移再前移,與前人研究一致[14]。但前人的研究結論未出現8月凈輻射和顯熱通量峰值降低的情況。這是因為在本次研究時段內,研究區8月出現了連續降雨,研究區各類植被快速生長,蒸騰量增大,近地表用于潛熱交換的能量比例增大導致用于顯熱通量的能量降低。前人研究表明,農田、草地等下墊面以潛熱交換為主[7-8,18-19],戈壁、荒漠等地區近地表能量多用于顯熱交換[20-21]。本文研究下墊面條件復雜,植被生長季內凈輻射多用于潛熱交換,而非生長季顯熱通量占比較大,3月、4月是非生長季,顯熱通量占比較大;5月開始研究區部分植被轉綠且農作物播種,此時地表大多裸露,顯熱通量占比仍較大;7月起植被進入快速生長期,研究區騰發作用強烈,凈輻射主要用于潛熱交換;9月研究區內開始人工收割蘆葦和農作物,潛熱降低,顯熱通量增大;10月后天氣變冷,天然植被逐步凋零死亡,用于顯熱交換的能量進一步增大,為研究時段內的最大值。

盡管研究區內下墊面較復雜,但氣象因子受下墊面影響較小,相關性分析結果與前人研究結果一致[15-16]。表層10 cm土層土壤表層與水熱通量相關性最好[15],土壤溫度與含水率與水熱通量的相關性也與前人在人工樹林、農田、綠洲—荒漠過渡帶等均一下墊面的研究類似[15,22-25]。總的來說,目前有關復雜下墊面情況土壤因子與水熱通量的研究較少,還有待進一步研究。

4 結 論

(1) 研究區水熱通量晴天日變化中:日顯熱通量曲線呈單峰狀,生長季潛熱通量曲線呈雙峰狀,非生長季呈單峰狀。顯熱通量和潛熱通量陰天變化無規律。土壤熱通量曲線較凈輻射曲線表現為穩定的滯后性。水熱通量曲線植被生長季表現為“高而寬”,非生長季“矮而窄”,與均一下墊面變化規律一致。

(2) 研究區水熱通量月變化中:顯熱通量6月峰值最大,8月最低;潛熱通量7月峰值最大,12月最低;潛熱通量在整個研究時段占比較大,是近地表能量的主要耗能形式。

(3) 相關性分析表明,太陽凈輻射、空氣溫度、空氣濕度等主要氣象因子與水熱通量的相關性顯著;表層10 cm土層土壤與水熱通量相關性最顯著,層位越深相關性越低;土壤溫度、土壤含水率與水熱通量相關性顯著,土壤電導率與水熱通量相關性不明顯。