半干旱区不同下垫面类型陆-气相互作用特征分析

0半干旱区不同下垫面类型陆-气相互作用特征分析本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL站）和兴隆山站2011年5月至2012年10月的观测资料，分析对比了原生植被下垫面和农田、森林下垫面陆气相互作用的特征及差异。结果表明:SACOL站温度和风速的数值和变化都要较大，兴隆山站的降水量和湿度均相对较大；SACOL站的净辐射量要略大于兴隆山站，感热通量各个季节平均值都偏大，潜热通量的变化二者较相似且和降水变化呈正相关，土壤热通量的变化二者较为一致；兴隆山站的CO2通量在夏季要明显大于SACOL站，其他季节则相对较小；SACOL站接收到的太阳辐射以及地表发射的长波辐射都要较多，二者大气逆辐射的变化基本一致，11月--4月SACOL站的地表反射辐射要大一些其他月份的则较小，净辐射SACOL站在夏季要略大，其他季节二者差异较小。关键字：SACOL站；兴隆山站；下垫面；通量；辐射第一章引言1.1半干旱区不同下垫面类型陆气相互作用研究的目的及意义全球陆地面积约占地球表面积的30%,而干旱、半干旱区约占世界陆地面积的40%，由于干旱、半干旱区下垫面不均一性等特性的影响，使得它与其它下垫面相比，对气候变化的响应非常敏感[1]。陆地作为大气的下边界，它与大气在不同的时间和空间尺度上相互作用、相互影响，在陆地与大气的交界面上,由于大气环流的驱动和太阳辐射的强迫,使得在它们交界面的上下两侧不断发生着物质、能量和动量的交换，这就称为陆地-大气的相互作用，简称陆气相互作用。陆气相互作用主要表现为这三个方面：一是地表与大气之间的辐射交换过程，二是表面粗糙元等对大气运动的摩擦拖曳作用，三是地表与大气间感热和潜热的交换[7]。陆气相互作用除了受到太阳辐射和大气环流的影响之外，还在很大程度上受到地表特征的影响，由于地表粗糙度，反照率，地形，植被类型等因素直接影响了陆地和大气间的物质、能量和动量的交换与输送过程，进而也间接影响了大气的运动和气候的变化。经过研究证实干旱化表现最为剧烈的地区不是在干旱区的腹地，而是在半干旱区[4]，半干旱区作为气候和生态系统的过渡带，由于其下垫面类型复杂多样，使得它对气候变化和土地利用的改变非常敏感，它的变化（干旱化加剧，冷季增温[13]等）也就直接反应了全球气候的变化趋势。因此研究陆表不同下垫面类型与大气之间相互作用将会对气候变化的模拟效果和对未来气候变化预测的提高有十分重要的意义，同时对于研究全球变化也有非常深远的意义。1.2半干旱区陆气相互作用研究的现状及进展陆气相互作用的研究从上个世纪六十年代开始（如Charney等人进行的土壤湿度等的变化对气候、水文影响的敏感性实验[9]等），已经有五十多年的历史。自上个世纪八十年代开始由JamesHansen提出全球变暖这个概念后，关于陆气相互作用的研究和试验开始在世界气候研究计划等机构的组织和协调下大量的开展起来并且得到了人们的高度重视。我国自1979年开始至今这30年间相继在青藏高原、黑河地区、江淮暴雨区、内蒙古草原、通榆、黄土高原等地区开展了许多陆面过程的综合观测试验[1-3]，这期间取得了大量宝贵的观测实验资料和研究成果，如刘和平等发展了MSiB陆面模式较好解决了不同下垫面陆气之间的水、热交换的计算问题[11]；黑河实验首次发现在干旱区存在逆温（沙漠效应）和逆湿(冷岛效应)等现象[6]；内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用(IMGRASS)项目研究了典型的半干旱区草原下垫面陆气交换和大气边界层结构以及它与生态演化的关系[12]；中国西北干旱区陆气相互作用观测试验(NWC-ALIEX)在近几年的研究中提出了一些关于敦煌干旱区的重要路面过程参数[14]等。这些研究成果都表明我国在干旱半干旱区陆气作用的研究中已经取得了一系列的进展和突破，但由于缺乏长时间连续的观测资料以及干旱半干旱区下垫面类型复杂多样等问题的影响，对于干旱半干旱区陆气相互作用的进一步了解还有待我们进行更全面和深入的研究。第二章观测站点、项目、仪器及方法介绍2.1站点介绍2.1.1SACOL观测站兰州大学半干早气候与环境观测站(Semi-AridClimateandEnvironmentObservatoryofLanzhouUniversity,SACOL)，于2005年建成，它位于我国西北部甘肃省兰州市东南方向，距离市区48㎞的兰州大学榆中校区翠英山山顶(35°57′N,104°08′E)，海拔高度1965.8m，观测场占地约120亩。其下垫面属于典型的黄土高原地貌，塬面梁峁基本为原生植被，平均植被高度约为0.2m，地表覆盖率小于80%，属于温带半干旱气候，受大陆季风的影响。年平均气温6.7°C，一月平均气温-8°C，七月平均气温19°C。年平均降雨量381.8mm，相对湿度63%。山顶盛行西北风和东南风，年平均风速约为1.6m/s。全年日照时数为2607.2小时左右。由于该站所处的山顶地形平坦、开阔，且受人类活动干扰小，山顶环境基本为自然状态，因此该观测点的气候状况可以较好的代表方圆几百公里半干旱区的气候状况。SACOL站是国内第一个建立在高校的气候观测点，也是继中国科学院吉林通榆站之后，第二个由我国自主建设的长期观测站。SACOL站获取的观测资料可以用来验证和改进目前气候和天气预报模式中半干旱地区陆面过程、辐射过程的参数化方案，对于研究区域能量和水分循环、预测我国西北干旱化等自然灾害有着重要作用。同时，观测资料也可用于研究土地利用、水资源利用、工业及城市污染对区域能量和水分循环的影响，为西北干旱化趋势进行预测、干旱化评估和对策研究提供第一手的科学观测依据，也为人类活动与干旱区生态效应的关联提供评估(详见)。2.1.2兴隆山观测点兴隆山观测点（35°46′N，104°03′E）,位于兰州市东南方向60km的榆中县境内，距兰州大学榆中校区SACOL站西南约25km，海拔2481km。兴隆山目前是黄土高原上仅存的几个森林绿岛之一,按我国自然区划气候分类为东部季风区，大陆性气候显著，属高寒半湿润性多雨气候，表现为四季分明，水热同季。春季干燥多风；夏季昼热夜凉，初夏干旱,盛夏多雨；初秋阴雨稍多，深秋凉爽少雨；冬季寒冷少雪。年平均气温3-7℃，其中7月最高为13-18℃，1月最低为零下8-9℃；年降水量450-622mm，降水频率不均匀，主要集中在7、8、9月份，降水量约占全年降水量的55%。台站为农耕区，2011年种植大麦,2012年种植胡麻，其东面的山体为原始森林，北面山体为矮小灌木、稀疏草甸，西南和南面山体由于靠近马衔山（海拔3670km）为高寒草甸，测站附近仍有农作物[2]。兴隆山观测站点自2008年开展实验以来,陆续参加了后续每年的北方半干旱区协同观测项目,积累了大量地表辐射、地表通量、土壤水热以及常规气象要素变量等气象资料，为协同观测项目以及兰州大学进一步研究该区域生态环境的维持机制奠定了很好的基础，同时对于保护半干旱区的生态系统有着深刻的意义[2]。2.2观测项目及仪器介绍我们采用SACOL站和兴隆山站2011年5月1日至2012年10月31日的观测资料，其中包括风速、温度、水汽压差、气压、降水、土壤温度、土壤湿度、土壤热通量、太阳短波辐射、地表反射辐射、地表长波辐射、大气逆辐射、净辐射、CO2通量、潜热通量、感热通量等。观测仪器见下表：站点仪器名称仪器型号观测项目观测高度/深度制造商SACOL站和兴隆山站风速仪014AL风速2米MetOne美国风向仪034B_L风向MetOne美国空气温度传感器HMP45C-L空气温度2米Vaisalla芬兰空气湿度传感器HMP45C-L空气湿度2米Vaisalla芬兰气压传感器CS105气压8米Vaisalla芬兰雨量筒TE525MM_L降水0.5米R.MYou美国土壤温度仪STP01-L50土壤温度5、10、20、40、80、厘米Hukseflux荷兰土壤湿度仪CS616-L土壤湿度5、10、20、40、80、厘米Campbell美国土壤热通量传感器HFP01SC-L土壤热通量5、10厘米Hukseflux荷兰辐射强度计CM21短波辐射1.5米Kipp&Zonen荷兰辐射强度计CG4长波辐射1.5米Kipp&Zonen荷兰超声风速仪和CO2水汽分析仪CSAT3和LICOR7500CO2、感热、潜热通量2.88米Campbell美国观测的时间间隔均为半小时。二测站采用的仪器生产厂家和型号都一致，只是兴隆山站的观测精度要略低于SACOL站。2.3方法介绍涡动相关法测量的基本原理及订正:观测资料中湍流通量(如感热通量、潜热通量、二氧化碳通量)均是采用涡动相关法测量得到的,其基本原理和方法是通过测量物理量的湍流脉动和风速脉动,然后计算其协方差进而来求取该物理量F的湍流通量,表达式如下:''Fsw(2.1)其中w'为垂直风速；s'为物理量(动量、热量、水汽、微量气体等)的瞬时脉动；上横线表示某时段内的平均。给定时间间隔T,则上式可表示为:Tiidttstw0))(')('(T1F（2.2)由于实际测量中获取的都是离散数据,因此(2.2)式变形为：Niitstw0))(')('(T1F(2.3)其中N是平均周期内的样本数,等于采样频率与平均周期的积。本试验采样频率是10Hz,平均周期是30min,因此N=18000。具体的感热、潜热通量的表达式为:''HTwCP(2.4)''LEqw(2.5)其中,H为感热通量(Wm-2)；LE为潜热通量(Wm-2);；P为空气密度(kgm-3)；Cp空气的定压比热(Jkg-1K-1)；是蒸发潜热,即蒸发单位重量的水分所需要的能量(Jg-1)；T和q分别为空气温度(K)和湿度(kgkg-1)。[19]第三章陆-气相互作用特征的对比分析3.1常规气象要素的对比3.1.1风速图3.1-3.3是对SACOL站和兴隆山站2011年5月至2012年10月2米高风速资料处理得到的相关时间变化图。图3.1图3.2图3.3图3.1为SACOL站和兴隆山站2米高风速日序列变化图，图中可看出SACOL站风速的日序列变化较大，而兴隆山站的较平缓。图3.2为二测站2米高风速的季节序列变化图，在春季和秋季里二者的差异不大，在夏季SACOL站的风速要明显大于兴隆山站，而冬季SACOL站的则要小于兴隆山站。图3.3为二测站2米高风速的平均日变化图，二者变化趋势相反，且SACOL站的较为平缓，SACOL站最小值出现在10:30为1.76m/s，最大值出现在0点前后为2.88m/s，兴隆山站最小值出现在8:00为1.32m/s，最大值出现在为13:00为3.57m/s。3.1.2温度图3.4-3.6是对SACOL站和兴隆山站2011年5月至2012年10月2米高温度资料处理得到的相关时间变化图。图3.4图3.5图3.6图3.4为SACOL站和兴隆山站2米高温度的日平均时间序列变化图，图中可看出二者变化趋势基本一致，且都在1、2月份的温度值较低，7、8月份的温度值较高。图3.5为二测站2米高温度的季节平均时间序列图，在图中看出它们只在冬季（12-2月）的温度值在零度以下，其他季节的都在零度以上，并且兴隆山站的温度总是比SACOL站的低。图3.6为二测站2米高温度的平均日变化规律图，图中可以看到二者的变化趋势都一样，只是SACOL站的较兴隆山站的有些延后，SACOL站的最小值出现在8:30为6.73℃，兴隆山站的最小值出现在7:00为3.86℃；SACOL站的最大值出现在17:30为14.79℃，兴隆山站的最大值出现在16:00为10.34℃。3.1.3降水图3.7-3.9是对SACOL站和兴隆山站2011年5月至2012年10月降水资料处理得到的相关时间变化图。图3.7图3.8图3.9图3.7和图3.8为SACOL站和兴隆山站降水的日和月时间序列图，图中可看出二测站的变化较为一致且降水都主要集中在每年的5-9月，其他季节相对较少。图3.9为二测站降水季节总量的时间序列变化图，由图知它