中天山地區草地地表輻射收支演變規律

肖婉秋,買買提艾力·買買提依明,劉永強,王 豫,高佳程,阿吉古麗·沙依提,古麗妮薩罕·麥提庫爾班

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046

2 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室,烏魯木齊 830002

3 新疆氣象學會,烏魯木齊 830002

4 和田地區民豐縣氣象局,和田 848500

5 新疆氣象信息中心，烏魯木齊 830002

陸面過程是陸-氣間物質與能量交換的主要途徑。地表輻射收支是陸面過程研究的重要內容[1],也是水熱交換中的一個重要參量,在半干旱氣候變化中發揮主要作用,同時又是地球表面轉化太陽能量及實現熱量循環的重要環節[2—4]。地表輻射作為氣候變化的主要影響因子之一,其改變體現著區域乃至全球氣候的變化狀況[5—7]。研究地表輻射收支過程,對客觀量測氣候狀態及估計未來氣候變化具有重要意義。20世紀80年代開始,不同生態系統輻射收支觀測與研究逐漸成為學界廣泛關注的熱點問題[8—13]。近年來,國內、外科學家在不同地區開展了大量陸面野外觀測試驗,并在地表輻射方面取得諸多進展[14—20],國內輻射收支研究在青藏高原[21—23]、內蒙古[24—26]及西北干旱區[27—29]等均獲得了重要成果,為理解不同區域陸面過程提供了珍貴參考依據。

草地作為陸地生態系統最重要的組成部分之一,其地表輻射收支研究極為迫切[30]。針對草地生態系統,王少影等[19]利用中國氣象科學院氣候與環境綜合觀測研究站2010年觀測數據,分析瑪曲高寒草甸地表輻射特征,發現該地太陽總輻射轉化為地表長波輻射的比值明顯高于低海拔草地；顧潤源等[25]選取錫林浩特國家氣候觀測臺2010年輻射觀測資料,分析內蒙古半干旱草地下墊面輻射各分量變化特征,發現該地太陽總輻射季節變化表現為夏季>春季>秋季>冬季。此外,殷代英等[27]根據2013年干旱環境背景下敦煌西湖濕地站輻射數據,分析該地區輻射季節變化特征,得出晴天變化曲線呈光滑單峰型,而雨天和沙塵天呈不規則多峰型變化的結論；次仁尼瑪等[21]利用一年輻射資料,對青藏高原羊八井地區地表輻射變化特征進行分析,指出該地存在總輻射瞬時值超出太陽常數的個例,且主要出現在夏季。然而,目前有關西北干旱區中天山草地生態系統輻射收支分析及其同期對比的研究較少。中天山地理位置特殊,植被類型復雜,考慮到中天山草地下墊面的特殊性,研究中天山草地輻射收支變化特征意義重大。因此,本文利用中天山烏拉斯臺草地站2018年5—2019年4月連續一年地表輻射觀測資料,對該草地地表輻射收支與反照率在不同時間尺度和不同天氣條件下的變化特征進行分析,以期為了解中天山草地下墊面陸面過程演變規律提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

天山橫亙于歐亞大陸腹地,橫穿新疆維吾爾自治區全境,東西跨度超過2500 km,南北平均距離約250—350 km,有“中亞水塔”之稱,中天山位于天山山脈核心部位,是世界上距離海洋最遠的山系[31]。研究區位于中天山烏拉斯臺草地,屬于典型溫帶大陸性氣候,冬季寒冷且持續時間長,夏季溫涼但時間短。受西風環流及北冰洋高緯氣團和印度洋暖濕氣流交匯作用的影響,該地區域溫度、濕度變化都較大。天山日照時間長,太陽總輻射量大,年日照時數達2429 h,晝夜溫差大,年平均氣溫2.40 ℃,年降水量468.64 mm,年蒸發量1193.60 mm。在此背景下,天山不同區域降水、溫度與植被種類不盡相同,其中中天山最重要的植被覆蓋類型當屬草地,草地植被群落以羊茅、針茅、草甸早熟禾等為主[32—33]。

1.2 數據處理

觀測數據來自中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2016年建設的烏魯木齊白楊溝烏拉斯臺地區中天山草地陸—氣相互作用觀測試驗站(簡稱“草地站”,43°28′55.88″N,87°12′5.76″E,海拔2036 m)。如圖1所示，草地站位于中天山烏拉斯臺草地,站內有輻射觀測系統、梯度探測系統以及渦動相關系統。本文數據主要來自輻射觀測系統,所用儀器包括凈輻射傳感器(荷蘭Hukseflux公司,型號NR01,安裝高度1.5 m,采集器型號CR1000),土壤濕度傳感器(美國Campbell Scientific公司,型號CS616,觀測深度2、5、10、20、40 cm,采集器型號CR3000)；這些儀器的采集頻率均為1 Hz,并輸出10 s、1 min、30 min、1 d數據,數據采集器所用時間均為地方時,與北京時相差2 h。計算前剔除明顯異常值、小于20 W/m2的太陽總輻射及對應的反射短波輻射。文中有關平均值的計算,短波輻射為白天平均,而長波輻射與凈輻射則為全天平均。儀器相關參數見表1。

圖1 中天山草地站周邊下墊面類型及地形圖Fig.1 Types and topographic maps of underlying surface around the grassland station in the Middle Tianshan Mountains

表1 儀器及參數Table 1 The instruments and parameters

選取2018年5月1日至2019年4月30日連續一年同步觀測的輻射四分量數據進行分析。根據草地站實測數據,計算草地下墊面地表凈輻射以及地表反照率,公式如下[34]：

Rnet=SWnet+LWnet=SW↓-SW↑+LW↓-LW↑

(1)

α=SW↑/SW↓

(2)

式中,Rnet為凈輻射,SWnet為地表凈吸收的太陽輻射,LWnet為地面有效輻射,SW↓、SW↑、LW↓和LW↑分別為太陽總輻射、反射短波輻射、大氣和地表長波輻射,α為地表反照率。輻射通量單位均為W/m2。

晴空指數(kt,clearness index)計算公式如下[35]：

kt=SW↓/Se↓

(3)

Se↓=Ssc[1+0.033cos(360td/365)]sinβ

(4)

式中,Se為天文輻射,Ssc為太陽常數(1367 W/m2),td為日序數,β為太陽高度角。該指數反映了云量變化對太陽輻射的影響。kt值接近于0表示天空云量增加,太陽輻射弱；kt值接近于1則反之。本文利用晴空指數的大小來區分不同天空狀況,即kt>0.7為晴天,0.3≤kt≤0.7為多云,kt<0.3為陰天[7]。

2 結果與分析

2.1 地表輻射收支變化特征

2.1.1地表輻射月平均日變化

中天山草地地表太陽總輻射月平均日變化均呈單峰型,同時受氣候條件影響,日變化幅度季節波動較為明顯(圖2)。太陽總輻射具體表現為5—9月保持在較高水平,10—12月逐漸減小,次年1—3月繼續增大,而4月又略有減小。各月日峰值集中在12:00—13:00,最大和最小日峰值分別出現在6月和12月,分別為920.9與511.8 W/m2,月均值為300.7—503.5 W/m2；此外,3月和4月太陽總輻射日峰值相差較大,分別為919.9與792.5 W/m2,這是3月晴天較多,而4月多云、降水天氣頻繁所致。不同月份反射短波輻射月平均日變化亦呈單峰型,但極值出現時間不同于太陽總輻射,集中在11:00—13:00,最大和最小日峰值分別出現在2月和3月,為520.6 W/m2與156.2 W/m2,月均值為92.0—291.7 W/m2。

圖2 地表輻射收支的月平均日變化Fig.2 The monthly mean diurnal variation of surface radiation budget

大氣長波輻射月平均日變化較為平緩,具體表現為4—8月保持在較高水平,9—12月逐漸減小,次年1—3月又逐漸增大。大氣長波輻射日峰值出現的時間比短波輻射跨度更大,最大和最小日峰值分別出現在7月和12月,為327.5與179.6 W/m2,月均值為169.5—305.3 W/m2；地表長波輻射月平均日變化趨勢與短波輻射較一致,全年變化與大氣長波輻射趨勢基本一致,但日峰值卻有極大不同,具體表現為：5—6月呈上升趨勢,6—8月呈先下降后上升趨勢,9—12月下降更快,次年1—4月又呈上升趨勢；地表長波輻射日峰值集中在12:30—13:00,最大與最小日峰值分別出現在8月和12月,為471.7與272.4 W/m2,月均值為246.0—397.1 W/m2。

凈輻射夜間變化較小,但白天與太陽總輻射的變化基本一致。草地凈輻射具體表現為：5—8月保持在較高水平,9—12月減小,次年1—4月又持續增大。其日峰值集中在12:00—13:00,最大和最小日峰值分別出現在6月和12月,為603.3與31.2 W/m2,月均值為-46.9—149.7 W/m2。

2.1.2地表輻射月曝輻量

圖3為輻射月曝輻量變化,太陽總輻射年曝輻量為6860.62 MJ/m2,平均月曝輻量為571.72 MJ/m2。全年最大和最小月曝輻量分別出現在5月和12月,分別為781.20 MJ/m2與294.14 MJ/m2。太陽總輻射曝輻量季節變化明顯,為夏季>春季>秋季>冬季。

圖3 地表輻射收支的月曝輻量變化Fig.3 The monthly total variation of surface radiation budget

反射短波輻射年曝輻量為2101.72 MJ/m2,平均月曝輻量為175.14 MJ/m2。全年最大和最小月曝輻量分別出現在2月和9月,分別為311.09 MJ/m2和126.81 MJ/m2。冬季曝輻量平均值為252.27 MJ/m2,明顯高于其它季節。

大氣與地表長波輻射年曝輻量分別為7171.25 MJ/m2與10089.69 MJ/m2,平均月曝輻量分別為597.60 MJ/m2與840.81 MJ/m2,全年最大曝輻量均出現在7月,分別為817.66 MJ/m2與1031.64 MJ/m2,全年最小曝輻量均出現2月,分別為406.82 MJ/m2與600.13 MJ/m2。大氣與地表長波輻射季節變化與太陽總輻射一致,均為夏季>春季>秋季>冬季。

2.1.3地表輻射日均值變化

圖4為中天山草地生態系統2018至2019連續一年各輻射分量日均值變化,太陽總輻射最大和最小日均值分別出現在5月25日和10月4日,為776.2 W/m2與75.5 W/m2。太陽總輻射具有明顯的季節變化特征,春、夏季較大,秋季較小,冬季降低至全年最小。從振幅上看,亦為春、夏季較大而冬季最小。

圖4 2018—2019年輻射分量日均值變化Fig.4 The variation of daily mean of radiation components from 2018 to 2019

反射短波輻射最大與最小日均值分別出現在5月8日和5月14日,為452.7 W/m2與12.9 W/m2。反射短波輻射最大值比太陽總輻射出現的時間早約半月,主要是因為中天山積雪時間長,植物復蘇時間略晚,地表發白發黃顏色偏淺,所以反照率較高,反射短波輻射較大。至夏季,植被生長迅速,NDVI升高,且伴有少量降雨,夏季反射短波整體上比春季小。此外,夏季與另外三季不同,振幅最小且沒有出現日均值突然增大的情況。冬季日均值明顯高于其它季節。

大氣長波輻射日均值整體水平低于地表長波輻射,但兩者日均變化曲線基本類似,且最大與最小日均值出現時間也類似。大氣與地表長波輻射最大日均值分別出現在7月4日和8月7日,為348.3 W/m2與422.2 W/m2,最小日均值都出現在1月30日,為98.6 W/m2與214.7 W/m2。

凈輻射日均值變化趨勢與太陽短波輻射的變化較為一致,春、夏季最大,秋季次之,冬季最小,夏季振幅大而冬季振幅小,一年中日平均凈輻射變化在-54.9—452.0 W/m2,最大和最小值分別出現在6月20日與12月22日。

2.2 地表反照率變化特征

地表反照率表征地表對太陽總輻射的反射能力,是影響地表能量收支和決定陸面過程的重要因子之一,地表反照率通過分配大氣和地表間的輻射能量,影響生態系統的物理、生理、生物化學過程,從而直接或間接影響全球及區域氣候[36]。圖5為2018年5月—2019年4月地表反照率月平均日變化。可以看出,草地站全年12個月份均呈早晚高、中午低的“U”型曲線,季節變化表現為冬季>秋季>春季>夏季。就全年而言,地表反照率具體表現為：1—2月保持較高水平,3月驟減,3—9月保持在較低水平且浮動較小,10月開始地表反照率略有回升,11—12月持續上升并在較高水平。最大與最小月均值分別出現在12月和8月,分別為0.760與0.217,年均值為0.393。

圖5 地表反照率月平均日變化特征Fig.5 The monthly mean diurnal variation of land surface albedo

2.3 降水條件對地表輻射與地表反照率的影響

2.3.1降雨與雨夾雪過程

為分析西北干旱區中天山烏拉斯臺草地生態系統不同降水條件下輻射收支變化特征,選取2018年6月20—23日與2019年4月10—13日兩個不同時段,分別代表降雨與雨夾雪過程的天氣狀況。根據觀測點降水資料,2018年6月21、22日為降雨日,2019年4月11日為雨夾雪、4月12日為降雨日,具體可參見表2。

表2 不同降水前后天氣狀況Table 2 Weather conditions before and after different precipitation

圖6、圖7為降雨與雨夾雪前后地表輻射收支與地表反照率日變化特征。2018年6月20—23日為一個典型降雨過程,這幾日太陽總輻射日均值為187.9—748.9 W/m2,雨后空氣中雜質更少,太陽輻射相對較強,降雨出現時間分別為6月21日8:00與22日15:40,此過程太陽總輻射急劇下降。2019年4月10—13日,此過程天氣條件相對復雜,4月10日為晴天,11與12日為雨夾雪,13日逐漸變晴, 這幾日太陽總輻射日均值為185.8—654.4W/m2,晴天時太陽總輻射為較光滑的倒“U”型,而降雨與雨夾雪導致太陽總輻射變化呈多峰型,對太陽總輻射均有削弱作用。

圖6 降水前后地表輻射收支日變化Fig.6 Diurnal variation of surface radiation budget before and after precipitation

圖7 降水前后地表反照率日變化Fig. Diurnal variation of surface albedo budget before and after precipitation process

兩種天氣條件下,反射短波輻射日變化與太陽總輻射較一致,但晴天時反射短波輻射整體遠低于太陽總輻射,特殊天氣反射短波值相比于晴天更低,降雨過程反射短波輻射日均值為39.7—147.9 W/m2,6月21與22日降雨,地面顏色變深,地表反照率與反射短波輻射對降雨的響應為減弱,22日雨后地表反照率有所增強；雨夾雪過程反射短波輻射日均值為29.2—108.5 W/m2,2019年4月11日18：30陣雨,地面顏色由淺變深,地表反照率減弱,反射短波輻射減小,前半段與降雨過程較為類似,而隨后的降雪導致地表反照率驟增。

大氣與地表長波輻射變化不似短波輻射明顯,二者在降雨過程日均值分別為263.2—340.4 W/m2與368.4—396.6 W/m2,雨夾雪過程大氣與地表長波輻射日均值分別為230.0—315.4 W/m2與338.6—362.1 W/m2,降雨與雨夾雪均對大氣長波輻射起到增強作用,而對地表長波輻射起到削弱作用。兩種天氣狀況下凈輻射的日變化與對應太陽總輻射變化都較為類似,降雨過程與雨夾雪過程日均值為分別51.8—230.2 W/m2與48.6—158.9 W/m2,其值較為接近,可以說,此次雨夾雪過程雨量偏多而未形成積雪或積雪量很少。

2.3.2降雪過程

圖8、圖9為降雪過程輻射收支日變化與地表反照率日均值變化。2018年10月15—27日為一個降雪過程,太陽總輻射表現為晴天>多云>降雪,日均值為78.6—510.7 W/m2,晴天后的17與18日為連續兩天的降雪,雪深由1cm升至7cm,太陽總輻射驟減。17日降雪太陽總輻射最小,19日為降雪后的晴天,大氣透明度高,太陽總輻射達到此過程的最高,積雪融化較快,至22日雪完全融化。新雪導致地表反照率上升,18日達最高(0.873),反射短波輻射亦呈上升趨勢,其日變化與太陽總輻射較為一致,日均值為23.0—413.1 W/m2。變晴后地表反照率與反射短波輻射又逐漸降低至較低水平。

圖8 降雪過程地表輻射收支日變化Fig.8 Daily variation of surface radiation budget during snowmelt

圖9 降雪過程地表反照率與雪深日均值變化 Fig.9 Changes of the surface albedo and the daily mean value of snow depth during the snow melting process

大氣與地表長波輻射在該過程的日均值分別為183.3—290.7 W/m2與264.2—341.4 W/m2,融雪過程吸熱影響空氣溫度,所以大氣長波輻射日變化較為明顯,而晴天大氣透明度好,大氣長波輻射變化平緩且處于較低水平。有積雪時,到達地表的太陽能量主要用于積雪融化與水分蒸發,地表溫度低且變化較小,導致10月17—22日地表長波輻射較低,而積雪完全融化后,地表溫度與近地層溫度升高,使地表長波輻射變化增強。

凈輻射受輻射四分量、地表反照率、云量、下墊面狀況等因素的共同作用,其日變化與太陽總輻射較一致且變化相對較明顯,日均值為-37.6—74.3 W/m2,降雪導致凈輻射驟減,融雪凈輻射逐漸回升,此過程日變化較強。

3 討論

中天山草地與其它地區均存在太陽總輻射超出太陽常數的現象[11,26,37—38]。中天山草地站與青藏高原BJ站、NPAM站、藏東南站的太陽總輻射季節變化相同[39]。與其它地區相比,中天山草地太陽總輻射最大日峰值(6月,920.9 W/m2)比錫林郭勒草地生長期(7月,783.4 W/m2)和錫林浩特草地(6月,850.1 W/m2)高[25—26],這主要與各個草地的地理位置及氣候條件有關。此外太陽總輻射還受緯度、海拔、日照時間、大氣環流和地形因素影響。新疆太陽輻射強度強,主要由于氣候干燥,大氣透明度好。中天山草地站反射短波輻射最大值為520.6W/m2,出現在2月,它略高于內蒙古錫林浩特草地(3月,508.1 W/m2),更高于錫林郭勒草地生長季(6月,151.6 W/m2)[25—26]。研究區2月地表尚有積雪,導致該區域的反射短波輻射比其它兩個區域高。

中天山草地站太陽總輻射最大月曝輻量(5月,781.20 MJ/m2)略低于內蒙古錫林浩特(6月,795.73 MJ/m2),更低于青藏高原羊八井地區(6月,1025.14 MJ/m2)；最小月曝輻量(12月,294.14 MJ/m2)高于內蒙古錫林浩特(12月,237.79 MJ/m2),而低于青藏高原羊八井地區(12月,533.88 MJ/m2)[21,25]。究其原因,因內蒙古天空水汽和云量等含量較中天山更低,該地太陽總輻射衰減相對較弱,又因青藏高原羊八井海拔高于中天山,該地全年接收到的太陽輻射較后者更多。中天山草地反射短波輻射最大月曝輻量(2月,311.09 MJ/m2)高于內蒙古錫林浩特草地(3月,227.78 MJ/m2),亦高于青藏高原羊八井地區(6月,199.58 MJ/m2)；最小月曝輻量(9月,126.81 MJ/m2)高于內蒙古錫林浩特地區(10月,86.86 MJ/m2),但略低于青藏高原羊八井地區(12月,127.97 MJ/m2)[21,25]。其原因在于,相比于內蒙古,中天山草地地區積雪較多且時間長,地表反照率較高,從而使得中天山草地地區反射短波曝輻量偏高。

據表3,中天山與內蒙古錫林浩特1月地表反照率比青藏高原與甘肅隴中黃土高原高3倍左右,其原因在于,前兩個地區1月有積雪,導致反照率增大。與其它草地相比,地表反照率年均值表現為新疆中天山草地>內蒙古錫林浩特>吉林省通榆退化草地>青藏高原林芝地區>甘肅隴中黃土高原半干旱草地。中天山草地年均值是甘肅隴中黃土高原半干旱草地的2倍多,主要是由于中天山積雪時間跨度大,融雪速度慢,而隴中雨季降雨時間較多,土壤濕度大,植被生長快。

表3 不同草地月平均地表反照率Table 3 Monthly average surface albedo in different region

4 結論

(1)中天山草地生態系統地表輻射收支各分量除大氣長波輻射日變化較弱外,其余分量均表現為早晚低、正午高的單峰曲線,而極值及其出現時間有所差異。太陽總輻射與凈輻射最大日峰值均出現在6月(920.9、603.3 W/m2),均集中在12:00—13:00,反射短波與地表長波輻射分別出現在2月(520.6 W/m2)和8月(471.7 W/m2),分別集中在11:00—13:00與12:30—13:00,而大氣長波輻射出現時間跨度較大。

(2)太陽總輻射、反射短波輻射、大氣與地表長波輻射年曝輻量分別為6860.62、2101.72、7171.25、10089.69 MJ/m2。太陽總輻射與反射短波輻射最大月曝輻量分別出現在5月(781.20 MJ/m2)和2月(311.09 MJ/m2),大氣與地表長波輻射最大月曝輻量均出現在7月,分別為817.66 MJ/m2與1031.64 MJ/m2。除反射短波輻射曝輻量冬季明顯高于其它季節外,其它分量均為夏季>春季>秋季>冬季。

(3)太陽總輻射、反射短波輻射、大氣長波輻射、地表長波輻射與凈輻射最大日均值分別出現在5月25日、5月8日、8月22日、7月4日和8月7日,分別為776.2、452.7、348.3、422.2、452.0 W/m2,太陽總輻射與凈輻射日均值均表現為夏季最大,春、秋季次之,冬季最小的季節特征。

(4)中天山草地地表反照率月平均日變化均表現為先減小后增加的“U”型曲線,季節變化表現為冬季>秋季>春季>夏季,最大與最小月均值分別出現在12月與8月,其值分別為0.760與0.217,年均值為0.393。

(5)中天山草地晴天各分量日變化均較光滑,其它天氣不如晴天平滑。降雨對大氣長波輻射有增強作用,對其它分量與地表反照率均有削弱作用,而降雪對太陽總輻射與地表長波輻射有削弱作用,對大氣長波輻射有增強作用,地表反射短波輻射與地表反照率在降雪后的響應均為增強。