科尔沁梯级生态带水热通量动态变化及对环境因子的响应

黄天宇, 刘廷玺,2, 王冠丽,2, 段利民,2, 陈小平

(1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室, 呼和浩特 010018)

大气边界层在气候系统中起着十分重要的作用。其中,边界层内的水热通量是反映地表与大气互相作用的重要指标。大气运动所需要的热能及水汽主要是通过边界层的湍流运动由地表输送到自由大气中去的。同时,地表的热通量又决定了边界层内湍流及扩散的强度和稳定度,并影响着平均风速、温度和湿度等气象因子的变化。因而准确地确定不同尺度生态系统水热通量是近些年国内外广泛关注的热点问题[1-5]。我国北方、西北地区干旱少雨,了解大尺度干旱区气候及水分循环对于解决干旱区需水用水问题是极为重要的。

成熟的测量水热通量的方法已有很多,常用的有波文比法、涡度法、机载涡动相关法、大孔径闪烁仪法、遥感法等。其中,大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintilometer,LAS)因其测量精度高,尺度广,自20世纪90年代中后期以来,被广泛应用于通量的测定,且具有广阔的应用前景[6]。国内外已经有不少应用LAS观测各种下垫面类型水热通量的研究[7-16],但目前国内将LAS应用于荒漠化梯级生态带这样复杂下垫面的研究成果尚未见发表。因此本文利用2017年3—12月LAS观测数据对科尔沁梯级生态带复杂下垫面上的水热通量进行分析研究,探讨不同时间尺度上水热通量的变化特征,剖析水热通量与环境因子的相关关系,为深入研究复杂下垫面地表水热交换、将研究扩展到更大尺度提供基础与参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地东南边缘,行政区隶属于内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼后旗阿古拉镇,地理坐标(122°33′00″—122°41′00″E,43°18′48″—43°21′24″N),该区域属于半干旱大陆性季风气候,年平均气温6.6℃,多年平均日照时数2 931.5 h,多年平均降水量389 mm,且主要集中在6—9月。研究区处于农牧过渡带交汇处,区域内分布有沙丘、草甸、农田、湖泊等多种地貌类型。地形总趋势西高东低,南北沙丘高,中间农田、沙质草甸和小型湖泊低。各种下垫面地形呈“阶梯状”分布南北为沙丘,中部为农田、沙质草甸和小型湖泊,植被多样,是典型的沙丘—草甸梯级生态系统。

1.2 观测站点及观测内容

试验区梯级生态带内建有多个生态—气象—土壤环境监测站点,从北至南依次为:半流动沙丘A4,农田玉米地BC4,草甸芦苇群落C4,小型湖泊E4,固定沙丘半灌木—杂草群落F4。A4-F4为大孔径闪烁仪(BLS450,Scintec)观测带,F4为LAS发射端,A4为接收端。8月在相邻梯级带设置另一组大孔径闪烁仪(BLS900,Scintec)作为A4-F4的对照和精度控制的重复,G3为LAS发射端,A3为接收端。各站点相关介绍及仪器布设情况见表1,表2。

表1 各站点相关介绍

表2 各站点仪器布设

1.3 研究方法

(1)

式中:T为温度;P为大气压;β为波文比系数。波文比是显热通量和潜热通量的比值。

(2)

式中:z为LAS观测高度(m);d为零平面位移(m)(d=0.667H植被);L为莫宁—奥布霍夫长度(m);fT为温度结构参数的稳定度普适函数。

(3)

式中:H为显热通量,也称感热通量(W/m2);T*为温度尺度;ρa空气密度(kg/m3);Cp为空气定压比热[J/(kg·K)];u*为摩擦速度(m/s)。

(4)

1.3.2 数据处理 LAS原始数据采集频率记录时间间隔为1 min,包括降雨时段数据和过饱和数据。为了更好的表征通量变化,将数据剔除、筛选、插补、校正、平均后得到30 min值进行通量研究。本次试验LAS数据饱和上限为4.11 E-14 m-2/3。

气象土壤环境监测数据的采集频率记录时间间隔均为10 min,包括无效值。将数据剔除、筛选、插补、平均后得到30 min数据,各监测站点数据根据其处于LAS的光径位置和LAS源区面积进行加权,将结果与LAS数据同步分析。

显热通量迭代过程用JAVA来实现,数据整理与分析采用Excel,SPSS和SRun 1.31，SRun 1.48软件来处理。

2 结果与分析

2.1 水热通量变化规律

2.1.1 研究区水热通量的日变化及分配特征 选择观测时段内植被生长旺季(夏季)和非生长季(冬季)典型晴天与阴天各一天进行分析，探讨净辐射(Rn)、显热通量(H)、潜热通量(LE)和土壤热通量(G)的日变化特征。其中,生长季典型晴天、阴天分别选择2017年7月5日、7月6日;非生长季典型晴天、阴天选择同年12月6日、12月10日。各典型日日变化特征如图1所示。

典型晴天能量各收支项在生长季(夏季)和非生长季(冬季)均呈现显著的日变化。其中,显热通量在整个观测时段呈明显的倒“U”型单峰趋势,而潜热通量表现为夏季呈双峰趋势,冬季呈单峰趋势。峰值均在正午前后达到最大值。植被生长季潜热通量的峰值433.5 W/m2占净辐射的65.63%,远大于显热通量的峰值152.4 W/m2,是生长季近地表耗能的主要形式;非生长季潜热通量与显热通量的峰值接近,均在100 W/m2左右。土壤热通量在生长季占净辐射的比例约为7%,非生长季则全天为负值。土壤热通量峰值较净辐射表现出一定滞后性,其中生长季季滞后1～2 h,非生长季滞后2～3 h。

图1 生长季和非生长季典型晴天、阴天地表能量收支各分量日变化

阴天条件下生长季和非生长季的日峰值和日均值均小于同时期晴天条件观测值,地表能量平衡各项分量日变化曲线出现锯齿状波动,与实际天气条件有关。但土壤热通量峰值仍表现出较稳定的滞后性。阴天时日峰值和日均值均小于同时期晴天条件,阴天地表能量接收较少,地面温度降低,水热通量降低,向下传到土壤的热通量也减少。

总的来说,生长季水热通量日变化曲线表现为“高而宽”,非生长季“矮而窄”。

2.1.2 研究区水热通量月变化及分配特征 将LAS观测时段各月份(BLS450观测时段为2017年3月10日—12月31日,BLS900观测时段为同年8月18日—12月31日)处理后得到天尺度数据，再平均到月尺度得到能量平衡各分量月均日变化图,见图2。

图2 研究区净辐射和水热通量月均月变化

各月显热通量月变化曲线呈显著单峰状,6月峰值最大,为154.17 W/m2;8月峰值最低,为60.57 W/m2。3—12月峰值出现时间依次为11：00，11：00，11：00，11：30，12：00，12：00，12：00，12：00，11：30，11：30,其中3—5月份峰值出现在11：00、6月份峰值出现在11：30,7—10月份为12：00,11、12月份出现在11：30。峰值在月尺度上出现的时间先后移再前移,符合季节变化规律。

生长季各月潜热通量月变化曲线呈主次双峰状,非生长季呈单峰状。7月峰值最大,为335.45 W/m2;12月峰值最低,为63.14 W/m2。整个研究时段潜热通量占净辐射比例较大,非生长季时显热通量占比升高,生长季下降。潜热通量是地表能量的主要耗能形式。

2.2 生长季各月典型晴天不同环境因子与水热通量通量的相关性

将各气象站观测到的14个气象环境因素加权后与计算得到的显热通量、潜热通量值做相关性分析,结果见表3，表4。

水热通量与气象因子的相关性很好,显热通量、潜热通量与净辐射相关性都达0.96以上,与风速、空气温度、空气相对湿度、空气相对水汽压都有较好的相关关系。

各层位土壤因子与水热通量呈良好相关性,表层土壤相关性最好,显热通量与各层位土壤温度多呈正相关,与土壤含水率多呈负相关,与土壤电导率相关性一般;10 cm土壤相关性最好。其中各月土壤温度与水热通量的相关性在0.7左右,各月土壤含水率与水热通量的相关性在-0.7左右。层位越深相关性越低。

表3 各月典型晴天不同环境因子与显热通量H的相关系数

注：(1) *在0.05水平上显著相关,**在0.01水平上显著相关； (2)H为显热通量,Rn为净辐射,WS为风速,AT为空气温度,RH为空气相对湿度,e为空气相对水汽压,ST为土壤温度,VWC为土壤含水率,E为土壤电导率。

表4 各月典型晴天不同环境因子与潜热通量LE的相关系数

注：(1) *在0.05水平上显著相关,**在0.01水平上显著相关(2) LE为潜热通量,Rn为净辐射,WS为风速,AT为空气温度,RH为空气相对湿度,e为空气相对水汽压,ST为土壤温度,VWC为土壤含水率,E为土壤电导率。

3 讨 论

本研究显示,试验观测时段内梯级生态带水热通量晴天日变化趋势明显,显热通量全时段呈单峰状,潜热通量夏季表现为双峰状,冬季呈单峰状,这是因为夏季清晨和下午环境适宜,蒸腾作用强烈;午间温度过高,植被气孔闭合,进入“午休”状态,导致蒸腾作用下降,潜热通量降低。冬季植被凋零死亡,植被不进行蒸腾作用较弱,亦无“午休”。水热通量阴天变化无明显规律。总的来说,水热通量日变化曲线生长季表现为“高而宽”,非生长季“矮而窄”,研究结果与前人在各种下垫面类型上的结果一致[13,17-19]。

月尺度上显热通量变化趋势明显,各月均为单峰状且峰值出现的时间先后移再前移,与前人研究一致[14]。但前人的研究结论未出现8月净辐射和显热通量峰值降低的情况。这是因为在本次研究时段内,研究区8月出现了连续降雨,研究区各类植被快速生长,蒸腾量增大,近地表用于潜热交换的能量比例增大导致用于显热通量的能量降低。前人研究表明,农田、草地等下垫面以潜热交换为主[7-8,18-19],戈壁、荒漠等地区近地表能量多用于显热交换[20-21]。本文研究下垫面条件复杂,植被生长季内净辐射多用于潜热交换,而非生长季显热通量占比较大,3月、4月是非生长季,显热通量占比较大;5月开始研究区部分植被转绿且农作物播种,此时地表大多裸露,显热通量占比仍较大;7月起植被进入快速生长期,研究区腾发作用强烈,净辐射主要用于潜热交换;9月研究区内开始人工收割芦苇和农作物,潜热降低,显热通量增大;10月后天气变冷,天然植被逐步凋零死亡,用于显热交换的能量进一步增大,为研究时段内的最大值。

尽管研究区内下垫面较复杂,但气象因子受下垫面影响较小,相关性分析结果与前人研究结果一致[15-16]。表层10 cm土层土壤表层与水热通量相关性最好[15],土壤温度与含水率与水热通量的相关性也与前人在人工树林、农田、绿洲—荒漠过渡带等均一下垫面的研究类似[15,22-25]。总的来说,目前有关复杂下垫面情况土壤因子与水热通量的研究较少,还有待进一步研究。

4 结 论

(1) 研究区水热通量晴天日变化中:日显热通量曲线呈单峰状,生长季潜热通量曲线呈双峰状,非生长季呈单峰状。显热通量和潜热通量阴天变化无规律。土壤热通量曲线较净辐射曲线表现为稳定的滞后性。水热通量曲线植被生长季表现为“高而宽”,非生长季“矮而窄”,与均一下垫面变化规律一致。

(2) 研究区水热通量月变化中:显热通量6月峰值最大,8月最低;潜热通量7月峰值最大,12月最低;潜热通量在整个研究时段占比较大,是近地表能量的主要耗能形式。

(3) 相关性分析表明,太阳净辐射、空气温度、空气湿度等主要气象因子与水热通量的相关性显著;表层10 cm土层土壤与水热通量相关性最显著,层位越深相关性越低;土壤温度、土壤含水率与水热通量相关性显著,土壤电导率与水热通量相关性不明显。