塔克拉瑪干沙漠地表溫度時空變化特征研究

王遠弘，吳新萍，買買提艾力·買買提依明，劉凱露，劉永強

（1.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046；2.新疆且末縣塔中氣象站，新疆 且末 841000；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，烏魯木齊 830002）

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是地表自然環境的一個重要指標，是定量描述地表與大氣之間物質交換和能量平衡的重要參數，并且直接關系到地-氣相互作用過程有關研究結果的準確性。因此，在眾多研究領域，如氣候、水資源、生態和生態化學都需要該參數［1-5］。同時，地表溫度也是研究陸面過程的關鍵參數，探究地表溫度變化特征成為了不可忽略的研究［6-8］。李可相等［9］利用遙感產品分析了貴陽市城郊耕地地表溫度特征，耕地的坡向與坡度是影響耕地地表溫度的因素。管延龍等［10］基于 2001—2013 年 MODIS 地表溫度產品及 TM影像遙感解譯，對天山區域地表溫度時空特征進行了分析，天山區域呈現東高西低的特點。何冬燕等［11］基于ERA-Interim 地表溫度資料分析了青藏高原四個季節地表溫度變化特征，青藏高原春、夏、冬季地表溫度變化以整體型為主，秋季地表溫度略有下降，其東部和西部地表溫度的反向型異常變化最為顯著。楊明等［12］利用地面觀測資料和高空觀測資料，對近50 年中國西部地區的氣候變化特征進行了分析，地表溫度的變化特征與局地區域的氣候變化聯系密切。王佳琳等［13］利用相關分析、M-K 非參數檢驗等方法，分析了中國0 cm 地溫的變化特征，地溫變化受地形、海拔和下墊面影響，并且與氣溫聯系密切。朱智等［14］評估了5 種再分析地表溫度資料在中國的適用性，但均對西北地區的模擬不佳。秦艷慧等［15］檢驗了ERA-Interim 再分析地表溫度資料在青藏高原多年凍土區的適用性，ERA-Interim 再分析地表溫度資料對觀測站點相對稀少且空間分布不均勻的高原多年凍土區具有較好的適用性，可以作為地表溫度的有效代用資料。

塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動性沙漠，同時在沙漠地表有著特殊的陸面物理過程［16］。很多學者在該特殊區域進行了大量研究，其下墊面通過邊界層對大氣的加熱作用對中亞地區甚至全球氣候都產生了深遠的影響，其獨特的陸面過程對中國西北干旱區氣候的形成和東亞季風環流的發展也起著重要的作用［17-20］。崔彩霞等［21］探究出了用 MODIS資料計算塔克拉瑪干沙漠地表溫度的方法。張杰［22］通過分析塔克拉馬干沙漠沙丘冬、夏典型時段的觀測數據，研究了沙丘各個部位表層的溫度分布特征，沙丘表面的日最高溫度出現在落沙坡，沙丘各部位的溫度差異明顯。黃潔等［23］利用氣象資料研究了南疆沙漠腹地的土壤溫度，發現天氣對地溫的影響主要體現在地表溫度和淺層地溫，陰天和浮塵對地溫的影響較小，揚沙和沙塵暴天氣對地溫影響較大，其影響隨深度增加而減小。

基于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中觀測站2017 年地表溫度實測數據，分析了其年變化、日變化和季節變化特征，并與中國氣象局陸面數據同化系統CLDAS（CMA Land Data Assimilation System）中的地表溫度產品進行對比分析，驗證了CLDAS 地表溫度產品在沙漠區域的適用性。利用該地表溫度產品分析了塔克拉瑪干沙漠區域地表溫度的時空變化特征，為沙漠區域的陸面過程研究提供參考。

1 研究區概況

塔克拉瑪干沙漠屬大陸性溫帶沙漠氣候，常年干旱少雨，深處歐亞大陸的中部，遠離海洋，同時受青藏高原以及天山山脈的影響，加劇了其干旱的程度。中國氣象局塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站（以下簡稱塔中站）位于塔里木盆地的沙漠腹地（38°58′51″N、83°39′28″E，海拔 1 088 m，圖 1），是目前世界上惟一深入流動性沙漠腹地200 km 以上的大氣環境綜合觀測試驗站［24］。

圖1 塔中站點

2 數據與方法

2.1 站點觀測數據

利用塔中觀測站2017 年的梯度觀測系統和地表能量探測系統的觀測數據（表1）。對原數據經過嚴格的質量控制與預處理，剔除受非常規天氣影響的異常值，挑選出具有統計學意義的數據進行處理并分析。

表1 觀測儀器及型號

地表土壤溫度測量采用3 種方式。第一種使用紅外地表溫度傳感器測量地表溫度Tf；第二種利用一半的傳感器埋在土壤中，一半暴露在空氣中的方式測量地表溫度Ts，該技術已被中國氣象局廣泛用于裸露地表溫度的常規測量［25］；第三種通過地表能量探測系統觀測出的地表向上長波輻射和向下長波輻射基于斯特藩-玻耳茲曼（Stefan-Boltzmann）定律和熱輻射傳輸原理，根據公式（1）計算而間接獲得地表溫度Tg［26］。

式中，σ（5.67×10-8W/m2/K4）為斯特藩-玻耳茲曼常數，寬波段地表比輻射率εs采用李火青等［27］在新疆沙漠地區得到的平均值，即εs=0.906。

3 種 地 表 溫 度 數 據Ts、Tf、Tg的 時 間 間 隔 為 30 min，且觀測時間為當地時間，比北京時間晚2 h 25 min。為了便于與CLDAS 產品對比驗證分析，故將3種實測數據值分別進行小時平均。

根據研究區氣候特征，選取 1 月、4 月、7 月和 10月分別為當地的冬季、春季、夏季和秋季，并以此形成逐季序列進行特征分析，更好地揭示其變化特征，同時根據2017 年站點記錄的天氣情況，選取沙塵暴（4 月 5 日）、浮塵（4 月 25 日）、雨天（7 月 30 日）和晴天（10 月15 日）進行不同典型天氣的地表溫度特征研究。

2.2 CLDAS 地表溫度產品數據

CLDAS 地表溫度分析產品覆蓋了亞洲區域（0—65° N，60—160° E），時間分辨率為逐小時，空間分辨率為0.062 5°×0.062 5°，為等經緯度網格的地表溫度分析產品。該數據集研制技術和精度與國際同類產品（如GLDAS、NLDAS 產品）相當，在中國質量優于國際同類產品，且時空分辨率更高［28-31］。本研究選取與實測數據相對應的典型天氣日期產品數據進行相關分析，選取數據的范圍為（34—50°N，73—97°E），時間跨度為2017 年，取與實測的典型天氣一致的日期 CLDAS 數據中塔中站點（38°58′51″N、83°39′28″E）所在格點溫度值，與實測數據進行擬合分析，再根據天氣記錄挑選 CLDAS 產品的 1 月、4 月、7月與10 月晴天數據做月平均，全年的晴天數據年平均后做日變化分析，以探究整片沙漠區域的地表溫度分布特征。

2.3 評價方法

為了檢驗Tf和Tg與Ts3 種測量方法兩兩之間的離散度，采用標準差（SEE，Standard Error of the Estimate）、歸一化標準差（NSEE，Normalized Standard Error of the Estimate）和偏差（Bias）進行誤差分析。

式中，n為樣本容量，Tj是第j個測量值，Toj則分別為另兩種實測方法的第j個測量值。

3 結果與分析

3.1 全年地表溫度變化特征

圖2 為塔中站2017 年全年日平均地表溫度變化，3 種方法得到的溫度值均呈現統一的變化趨勢。地表溫度受太陽輻射變化的直接影響，即由于地球公轉而隨之變化，全年日均最低溫出現在1 月，最高溫出現在 7 月，從 1 月到 7 月逐漸升高，7 月到 12 月逐漸降低，其變化范圍在（-20）～43 ℃。采用變溫（當月地表溫度變溫=當月地表溫度平均值-上月地表溫度平均值）描述地表溫度的月變化幅度［20］，從總體上看，月平均絕對變溫為7.9 ℃。2—7 月各月地面溫度呈升高趨勢，其中2—4 月升幅較大，2 月變溫最大，為12.05 ℃，6—7 月升幅較為平緩，7 月變溫最小，為2.72 ℃；8 月至12 月各月地面溫度呈下降趨勢，其中 10—12 月降幅較大，10 月變溫最大，為-12.85 ℃。

圖2 塔中地區2017 年日平均和月平均地表溫度年變化

根據2017 年的天氣資料，1 月塔中地區晴天僅有3 d，并出現降雪以及霧天6 d，其余均為多云天氣，故1 月地表溫度變化呈現出一個明顯的低谷。從3 月開始進入春季，回溫迅速，3 月和4 月浮塵、揚沙天氣頻現，甚至出現沙塵暴天氣，地表溫度回暖速率較緩。進入夏季之后，偶有降水日出現，地面溫度日最高溫比晴朗時明顯降低，夏季整體變化幅度在四季中最小。秋季的地表溫度變化相對其他季節總體穩定，除10 月初受揚沙天氣狀況干擾，使得地表溫度突降外，其余時段則呈現平穩下降趨勢。

在3 種測量方法中，1 月的Ts比其他2 種測量值明顯偏高，是由于該時段的塔中地區出現了降雪天氣和持續的霧天，這類天氣在當地屬于非常規天氣，地表水汽附著在溫度傳感器上面，傳感器的測量受到了影響。在其他月份，Tf的測量值明顯低于另外2種方法的測量值，是由于紅外土壤溫度傳感器算法中的比輻射率值，遠大于沙漠地表比輻射率（εs=0.906）。顯然，在1 月，因沙漠地表降雪，濕度增加，地表比輻射率值與熱紅外溫度傳感器算法中的比輻射率值幾乎一致，導致Tf與Tg無差異。

通過分析3 種測量值的誤差（表2），Tg與Ts的標準差和偏差分別為1.04 ℃和-0.64 ℃，Tg與Ts整體差異比Ts與Tf、Tf與Tg整體差異更小。因此，在流動沙漠地區進行地表溫度觀測時，常規的溫度傳感器半埋在地表測量即可滿足研究需求，且精度頗高，同時不推薦使用熱紅外傳感器在相似的研究區進行測量，此測量值在該類下墊面地區的測量精度較其余兩種測量方法低。為了使測量更精確，建議通過對向上和向下長波輻射的測量計算出地表溫度值作為參考。

表2 Tf、Ts和 Tg的誤差對比

為了更好地分析，將Ts與Tg的平均值Ta作為實測值進行研究，并更好地與CLDAS 產品數據進行對比分析。

3.2 地表日溫極值與日較差變化特征

塔中地區的地表日最高溫和最低溫的變化趨勢見圖3，可以看出沙漠區域的地表溫度在7 月達到最高，12 月降至最低。

圖3 塔中地區2017 年地表日溫極值變化

2017 年該研究區的地表溫度的日較差（日最高溫與最低溫的差值）平均值為33 ℃（圖4），觀察整年地表溫度日較差的曲線，春夏季溫度日較差變化更突出，秋冬季溫度日較差變化較為平穩。塔克拉瑪干沙漠地處塔里木盆地內，春夏季天氣多變，出現大風天數多于秋冬季，因為地表的特殊性，沙漠下墊面的土壤質地均為細碎砂石，且植被覆蓋極少，所以其地表溫度變化劇烈，日極值隨近地層天氣變化劇烈波動，云層影響地表接收的太陽輻射，降雨和降雪天氣使得地表能量交換過程有水分的參與，水的相變減弱了地表溫度的變化幅度，因此，在干旱區沙漠地帶，地表溫度對天氣狀況更敏感。

圖4 塔中地區2017 年日地表溫度日較差變化

3.3 四季典型月份地表溫度日變化特征

由不同季節地表溫度的日變化曲線（圖5）可知，地面溫度呈晝高夜低的日變化特征，春、夏和秋季的日最低溫出現在5：00，之后逐漸升溫并均在13：00 達到日最高值，冬季的日最低溫滯后到7：00，日最高溫同樣滯后1 h，于14：00 達到日最高溫，表明太陽輻射是影響研究區地表溫度的最主要因素。從總體看，日最大變溫出現在8：00—9：00，其驟增幅度可達8 ℃，到達峰值后又快速下降（速率不如上升時快，且變化率逐漸減小）。太陽輻射消失，夜間降溫趨緩慢，22：00 至次日6：00 降幅較小，其主要原因是沒有太陽輻射這個最直接的影響，沙漠地表溫度僅受沙石自身熱量散失而變化，但因沙漠特殊地表，溫度的變化幅度比其他下墊面更為明顯，同時地面的晝夜溫度變化也更為劇烈。

圖5 塔中地區2017 年四季月平均地表溫度日變化

從季節來看，地表日均溫度表現為夏季＞春季＞秋季＞冬季的特征。夏季接受太陽輻射最多，地面吸收的熱量也最多，所以地面迅速增溫，地表溫度全年最高，夏秋季日變溫接近30 ℃，但是低于春季的35 ℃，綜合站點記錄的天氣情況，春季風大，常出現浮塵或沙塵暴天氣，使得一天內的地表溫度波動更為劇烈。冬季接收到的輻射量最小，日變溫在20 ℃左右，這與該緯度的其他地區變化特征相似。以上特征表明，沙漠的地表溫度季節變化與太陽高度角變化密切相關。

3.4 CLDAS 地表溫度產品與觀測值對比分析

塔中站的實測地表溫度Ta在沙塵暴（4 月5 日）、浮塵（4 月 25 日）、雨天（7 月 30 日）和晴天（10 月 15日）4 種天氣下與CLDAS 地表溫度產品值Tcldas日平均變化曲線對比分析如圖6a 至圖6d 所示，圖6e 至圖6h 則對應地顯示了沙塵暴（4 月5 日）、浮塵（4 月25 日）、雨天（7 月 30 日）和晴天（10 月 15 日）4 種天氣下Ta與Tcldas的散點圖。CLDAS 地表溫度產品在塔克拉瑪干沙漠的適用性較好，整體來看，CLDAS 溫度產品能很好地反映出沙漠地區的日變化特征，與觀測溫度值保持相同的日變化曲線，晴天和浮塵天氣比沙塵暴天氣和雨天的擬合情況要更好，其R2均達到0.9 以上，沙塵暴和雨天也可達0.8 以上，同時，晴天和浮塵天氣的標準差也比其他2 種天氣情況要小，特別是晴天，其標準差只有0.34 ℃。不過，CLDAS 產品在晴天和浮塵天氣的 10：00 至 14：00 出現低估，這是因為CLDAS 產品是通過模型模擬得到的，模型模擬計算沒有考慮到沙漠下墊面受太陽輻射影響而劇烈變化的地表溫度變化，反而是在沙塵暴天氣和雨天里，沙漠地表接受太陽輻射受到干擾，地表溫度波動減緩。從圖6 來看，晴天CLDAS 產品與觀測值吻合情況最優，故篩選了2017 年典型月份里晴天的產品值來探究塔克拉瑪干沙漠的空間分布變化特征，選取了2017 年晴天數據進行平均后得到年平均日變化空間分布。

圖6 觀測值（Ta）與CLDAS 溫度產品值（Tcldas）在不同天氣下的日平均變化

3.5 塔克拉瑪干沙漠地表溫度空間變化特征

利用CLDAS 產品值，篩選2017 年典型月份1月、4 月、7 月和10 月的晴天數據，探究塔克拉瑪干沙漠的空間分布變化特征，對晴天數據進行平均，得到年平均日變化的空間分布。

圖7 顯示了塔克拉瑪干沙漠四季典型月份日平均地表溫度的空間分布，正如塔中觀測站點所呈現的一樣，塔克拉瑪干沙漠區域內整體地表溫度差異遠小于周邊綠洲地區，大片沙漠地區下墊面比較統一，東西差異較小，因為緯度的變化存在一定的南高北低差異，沙漠中心區域空間變化較小，沙漠邊緣區域受植被覆蓋及周圍地形地貌影響其地表溫度產生變化，盆地周圍昆侖山脈和天山山脈區域的溫度變化幅度明顯，盆地中沙漠區域的地表溫度變化相對更平緩。

圖7 塔克拉瑪干沙漠四季典型月份日平均地表溫度的空間分布

圖8 顯示了整個塔克拉瑪干沙漠區域年平均地表溫度的逐時日變化，與站點觀測的日變化一致，地表溫度的幅值在日出前相對較小，日出后迅速上升，在當地標準時間14：00 左右達到最大，在此之后，地表溫度逐漸減小，夜間趨于平穩，地表溫度的空間分布明顯區別于周圍綠洲和山脈，盆地四周的山脈海拔變化突兀，因而溫度變化比沙漠區域復雜得多，并且周圍的綠洲區域溫度變化規律明顯不同于沙漠，升溫的幅度也不如沙漠劇烈，白天沙漠區域高于周圍的綠洲，晚上綠洲高于沙漠，對比同緯度的綠洲區域，日最高溫沙漠比綠洲高4 ℃，日最低溫沙漠比綠洲低5 ℃，沙漠的日較差比綠洲高6 ℃，除了下墊面是主要不同原因外，還有海拔和地形因素的影響。總體而言，由于沙漠植被覆蓋很少，土壤里水分含量更是近乎沒有，其地表溫度變化特征明顯，與太陽輻射的變化緊密聯系。

圖8 塔克拉瑪干沙漠年平均地表溫度的日變化空間分布

4 結論

通過對2017 年全年塔克拉瑪干沙漠腹地實測地表溫度的變化特征分析，以及利用CLDAS 地表溫度產品呈現的空間分布，得出如下結論。

全年地表溫度呈現典型的單峰起伏，1 月最低，7 月最高，季節差異明顯。研究區域地表無植被，為特殊的流沙下墊面，全年的溫度差變化明顯，容易因為天氣的變化出現大波動，同時該波動在一天內同樣突出，日極值和日較差波動明顯，對比3 種觀測手段，在干旱沙漠地區進行長期連續觀測時，普通觀測手段更易受天氣情況的影響，建議利用測量長波輻射計算出的溫度數據作為輔助。

春、夏、秋和冬季4 個季節的地表溫度日變化規律相似，地表日均溫度表現出夏季＞春季＞秋季＞冬季的特征，白天溫度變化劇烈，白天溫度的最高峰為13：00，在夜晚溫度變化為緩慢降溫，最低值出現在6：00。

CLDAS 地表溫度產品可作為研究塔克拉瑪干沙漠區域的有效資料，在沙塵暴、浮塵、雨天和晴天4 類天氣下與實測值的相關系數可達0.8 以上，晴天相關系數達0.99。從空間上來看，塔克拉瑪干沙漠區域的地表溫度保持了一定的空間一致性，和周圍的綠洲形成了鮮明的對比，晝夜溫差大，整體地表溫度變化受太陽輻射變化影響大，降溫與升溫速率也很快，夜間溫度值變化趨于平穩。