夏季金塔绿洲效应的理想数值试验研究

吴稀稀,黄 倩,王 婵,田红瑛,邱继勇,张蕴帅,刘宏超

(1.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃 兰州 730000)

引 言

沙漠-绿洲是中国西北干旱区典型生态景观，也是防沙治沙的重要生态环境系统[1]。中国西北绿洲一般处于荒漠地区，主要由高山冰川或积雪融化和地形降水形成的内陆河提供水资源，并通过人工培育和维护形成[2]。处于戈壁或沙漠中的绿洲，是典型的极端非均匀下垫面系统，对边界层湍流影响较大，温度、降水、风速等气候因子相应表现出一系列局地变化特征，被称作“绿洲效应”，是研究沙漠-绿洲系统影响天气和气候变化的主要内容。

自1980年代中期以后，针对中国西北沙漠-绿洲系统相继开展了一系列野外观测试验。试验研究发现，相较于周边荒漠，绿洲上空存在低温、高湿的“冷湿气候效应”，即绿洲“冷岛效应”和“湿岛效应”[3-4]，并通过数值模式试验得到验证[5-6]。左洪超等[7-8]根据HEIFE、DHEX和GAME/Tibet三个野外观测实验，深入探讨了绿洲“冷岛效应”以及逆湿现象的物理结构特征。随后，研究多关注于沙漠-绿洲小系统非均匀热力分布引起的局地气候特征[9-11]，吕世华等[12]利用绿洲、沙漠的地表能量平衡和水分平衡方程，分析绿洲风环流形成的可能机理，揭示沙漠-绿洲热力环流特征，认为绿洲风抑制了绿洲与周围沙漠的热量和水分等物质交换，是绿洲的自我维持机制。“绿洲效应”是绿洲系统稳定、维持和发展机制的重要一环[13]，深入探究绿洲效应的影响因子，对准确预测绿洲-荒漠区域气候变化具有重要意义。然而，影响绿洲效应的气象因子较复杂，探讨各因子独立性及相互作用对绿洲效应的影响，常借助中尺度数值模式进行敏感性试验。以往研究显示，环境风场对绿洲效应的空间分布和发展强度有较大影响[14-16]，而地形的影响则取决于地形环流与绿洲环流的方向，即两环流反向时山地绿洲的气候效应会抑制山地地形的气候效应，同向时盆地绿洲气候效应增强[17-18]，且山谷风有利于“冷湿”岛效应的范围增大[19]。另外，绿洲效应的强度还受绿洲空间尺度、植被类型、土壤性质等内部因子的影响，土壤湿度约为0.35或者绿洲水平尺度在15～25 km之间最能体现绿洲效应特点并能保持绿洲的稳定和发展[20]。综上所述，沙漠-绿洲是一复杂系统，空间尺度小，下垫面复杂，影响因素较多，对气候响应比较敏感。因此，本文从影响绿洲效应的热力和动力因子出发，利用2008年在金塔开展的“绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究”野外试验(JTEXP)中8月3日温度、水汽、气压和风的探空廓线作为数值试验初始场，通过敏感性数值试验，研究沙漠与绿洲的地表温差、浮力频率以及背景风速对绿洲效应的影响，深入探究绿洲系统形成和维持机理。

1 模式和试验介绍

使用了英国气象局开发的高分辨率行星边界层模式BLASIUS Version3.03[21-24]。该模式采用湍流局部闭合方法模拟大气湍流，用空间任一点上的已知量对该点未知量进行参数化，且湍流闭合方案为一阶[25]，一阶闭合近似为梯度输送理论或K理论，是基于通量梯度关系的闭合方案。模式中的雷诺应力τij和热通量Hi(i=1,3;j=1,3)表示为：

τij=vSij

(1)

(2)

(3)

v=l(z)2S(1-Ri)1/2

(4)

(5)

(6)

式中：Sij是形变张量(Pa)；v是湍流粘滞系数(Pa·s-1)；T是温度(℃)；Ri是理查森数；l(z)是混合长(m)；U是湍流速度矢量(m·s-1)；δij是单位张量(Pa)；κ是卡门常数；z是距地面高度(m)；z0为粗糙度长度(m)；Φ是Monin-Obukhov相似函数；l0为与粘滞耗散率有关的长度尺度(m)。

甘肃酒泉地区东北部的金塔绿洲，位于河西走廊中段北侧、祁连山下，处于山谷底部，是由黑河支流北大河冲积扇形成的倒三角形区域，地理位置介于97°58′E—100°20′E、39°47′N—40°59′N之间(区域中心为40.2°N、98.9°E)，绿洲面积约为2152 km2，地势平坦，海拔高差最大仅84 m，属于温带干旱气候，年降水量约59 mm，年潜在蒸发量约2538 mm。

模式采用地形追随坐标，模拟区域为金塔绿洲中心四周75个格点范围，水平方向格点数150×150，网格距1 km，地形高度自中心向南北两侧逐渐升高，西南角有一相对高度约850 m的山脊(图1)；模式顶高度10 km，垂直方向采用随高度伸缩的不等格距。为便于边界层内模拟结果分析，在方案设计时模拟高度从最低海拔(1213 m)开始，高度均是减去最低海拔后的相对高度。初始场是2008年JTEXP试验期间8月3日10:00(北京时，下同)的GPS探空资料，为减小天气过程对模拟结果的影响，试验时段选为晴天，模拟结果每半小时输出一次。另外，下垫面植被分布资料来自MODIS卫星数据反演产品，地形资料为WRF模式(weather research and forecasting model)中自带的地形数据。

图1 模拟区域地形相对高度(单位：m)(黑实线以内区域为金塔绿洲，相对高度为绝对高度与最低海拔高度的差)Fig.1 Topography relative height of the simulated area (Unit: m) (Jinta oasis is located inside solid line, and the relative altitude is the difference between absolute altitude and the lowest altitude)

为了探讨绿洲效应形成的动力和热力机制，针对绿洲与周边沙漠之间的地表温差、浮力频率和背景风速设计10个敏感性试验(表1)。其中，试验1是标准试验，ΔT为10:00沙漠和绿洲地表间的平均温差；W为初始背景风速，是标准试验中的倍数；N2为浮力频率，又称作布伦特-维萨拉频率(Brunt-Väisälä frequency)，是在层结稳定的大气中气块受到小扰动时的振荡频率，可分别利用温度垂直递减率或者位温表示，其公式为：

(7)

式中：T为静止大气的温度(℃)；θ为位温(K)；γd、γ分别为干绝热温度垂直递减率和温度垂直递减率[℃·(100 m)-1]；g是重力加速度(m·s-2)；z是距地面高度(m)。

表1 不同试验的参数设置Tab.1 Parameters information in different tests

2 标准试验的结果分析与检验

图2是实测与试验1模拟的金塔绿洲与周围沙漠近地面感热和潜热通量日变化，其中实测热通量是涡动协方差观测系统距离地面约3 m高度处的观测结果，而模拟结果则是模式第一层高度(距地面5 m)的输出数据。总体上看，BLASIUS模式模拟的绿洲和沙漠近地面感热和潜热通量的日变化特征与实测基本一致，且模拟的最大值和最小值与实测值较接近，但部分时刻模拟值和实测值差异较大。其中，绿洲的感热通量模拟值普遍小于实测值，尤其午后14:00—18:00两者差异较大，而沙漠的感热通量在14:00以前模拟值和实测值接近，14:00之后模拟值小于实测值；绿洲的潜热通量在15:00之前模拟值略大于实测值，15:00之后模拟值小于实测值，而沙漠的潜热通量除12:00—13:00之外模拟值都大于实测值。由于实测和模拟高度不同，可能引起峰值对应时间有所差别。另外，模式中植被类型及空间分布与地表真实情况的差异也可能造成实测和模拟值的差别。综上可见，BLASIUS模式在一定程度上能够反映均匀地表感热通量和潜热通量的日变化特征，这与WANG等[26]的研究结论一致，说明该模式具有合理模拟地表热通量的能力。

图2 金塔绿洲(a、c)和周围沙漠(b、d)实测与模拟的近地面感热(a、b)和潜热(c、d)通量的日变化(实测和模拟高度分别为3 m和5 m，下同)Fig.2 The diurnal changes of simulated and observed sensible heat flux (a, b) and latent heat flux (c, d) over Jinta oasis (a, c) and surrounding desert (b, d)(The observed and simulated heights were 3 m and 5 m, respectively, the same as below)

图3是不同时刻金塔绿洲实测和标准试验模拟的位温与比湿廓线。从位温廓线[图3(a)]可以看出，10:00实测的金塔绿洲上空对流边界层顶高度约为200 m，之上是强度约为0.01 K·m-1的逆温层，其厚度约800 m；随着地表接收的太阳辐射增多，绿洲边界层湍流逐渐增强，对流边界层垂直向上发展，到16:00边界层厚度约增至2 km。标准试验模拟的10:00绿洲上空对流边界层结构与实测结果基本一致，且模拟出了对流边界层的演变过程，但模拟的绿洲边界层的平均位温比实测值偏小约1 K。图3(b)中实测比湿廓线显示，10:00在200 m以下的混合层中有逆湿现象，200 m以上比湿随高度迅速减小；16:00对流边界层的平均比湿减至约4.6 g·kg-1，近地层仍有逆湿存在。模拟的16:00比湿廓线与实测结果较接近。

图3 不同时刻金塔绿洲实测与试验1模拟的位温(a)和比湿(b)廓线Fig.3 The profiles of observed and simulated potential temperature (a) and specific humidity (b) by test 1 over Jinta oasis at different times

3 绿洲效应影响因子的理想试验分析

3.1 沙漠与绿洲地表温差对绿洲效应的影响

由于绿洲与荒漠的土壤特性以及植被分布特征不同，在非均匀下垫面上动力、热力与能量收支平衡会产生较大的差异，从而引起白天荒漠上空升温以及夜间降温都较绿洲上的快。这种非均匀热力结构进而会导致绿洲环流的产生[27]，整个沙漠-绿洲系统表现出明显的绿洲效应，即冷岛效应与湿岛效应等[28]。

研究表明，金塔绿洲区域绿洲与沙漠戈壁10:00的平均地表温差可达2 K以上[29]。为了进一步探究绿洲和沙漠地表温差对绿洲效应的影响，通过改变绿洲和沙漠初始地表温差的敏感性试验，分析地表温差对“冷岛”和“湿岛”的影响。表1中敏感性试验1、2、3、4和5的绿洲初始地表温度分别是297.15、298.15、296.15、295.15、294.15 K，沙漠的初始地表温度均设为299.15 K，两者的温差分别为2、1、3、4、5 K。

白天，绿洲的净辐射能量大部分以潜热形式释放，而周围沙漠区的潜热通量较小，干旱荒漠地表能量传输以感热通量为主[30]。另外，绿洲的植被覆盖率较大，植被冠层储存热量较多，使得绿洲地表感热通量小于沙漠，进而导致绿洲地表温度较沙漠小，出现“绿洲冷岛”。绿洲与沙漠间潜热通量的显著差异，不仅造成地表能量收支及地表温度的不同，还使得绿洲大气边界层的水汽较沙漠多，形成“绿洲湿岛”。图4是不同地表温差试验模拟的16:00位温和比湿南北方向的垂直剖面。可以看出，绿洲区上空形成的“湿岛”(比湿高于5 g·kg-1的范围)主要分布在0.5 km以下，而“冷岛”(位温低于305 K的范围)分布较高，最高可向上延伸至1 km左右。研究指出[31]，当风从绿洲吹向沙漠，绿洲上空的水汽在平流作用下输送到沙漠上空，由于沙漠对流边界层高度的发展，使得这部分水汽在湍流作用下充分混合，一部分向上输送，另一部分则传送到近地面，使得绿洲下游的沙漠区出现较高的近似等值垂直分布的水汽柱，甚至在沙漠、绿洲相邻处出现较强的逆湿现象或者逆湿层。从图4(b)看到，位于绿洲下游的沙漠边界层水汽柱水平分布在14～28 km的区域，该区域内比湿为5～6 g·kg-1，水汽柱高度可达1.5～2.5 km。另外还发现，不同地表温差试验模拟的水汽柱高度和宽度不同；在“湿岛”上空，出现一个比绿洲边缘干的低比湿槽，该槽分布高度可达4 km以上，即在绿洲上空同时出现“干岛现象”和“暖岛现象”,其中图4(b)上两种现象出现高度分别在500 m、2.5 km以上。随着绿洲与沙漠间的地表温差增大，绿洲“冷岛”中位温低于304 K的冷中心(图中深蓝色阴影)宽度增加，“湿岛”的高度降低，沿东西方向的位温和比湿垂直剖面也显示出同样的特征(图略)。

图4 沿金塔绿洲中心做绿洲与沙漠间不同地表温差试验模拟的16:00位温(彩色阴影，单位:K)和比湿(线条，单位：g·kg-1)南北方向的垂直剖面(黑色阴影代表地形，粗绿线代表绿洲，下同)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.4 The y-z sections of simulated potential temperature (color shading, Unit: K) and specific humidity (lines, Unit: g·kg-1) at 16:00 BST along the center point of Jinta oasis in tests of different surface temperature difference between oasis and desert(Black shadow for the topography, thick green line for Jinta oasis, the same as below)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

为了进一步分析绿洲与沙漠间地表温差对“绿洲湿岛”的影响，图5给出试验1～5模拟的绿洲边界层比湿大于5 g·kg-1的平均高度。可以看出，比湿5 g·kg-1以上的平均高度随初始地表温差的增大而逐渐降低，地表温差由1 K增大到5 K，比湿大于5 g·kg-1的平均高度则由200 m降低到150 m，这进一步说明随着绿洲与沙漠地表温差的增大，“湿岛”的平均高度减小。

图6和图7是不同地表温差试验模拟的绿洲与沙漠平均位温差和比湿差的时空分布。其中，位温差和比湿差均是绿洲区减去沙漠区。从图6看出，11:00以后绿洲与沙漠地表开始出现温差，12:30—14:30平均位温差绝对值在近地面可达3 K以上，且位温差随高度增加而逐渐减小、随时间先增后减，15:00—16:00绿洲“冷岛”充分发展，其中15:30“冷岛”的发展高度达到最高，约1.8 km。增大地表温差，绿洲“冷岛”的影响高度有所增加，但均不超过500 m。其中，16:00试验1、2、3、5模拟的绿洲与沙漠位温差异最大，在5 m高度上平均位温差绝对值分别是2.42、2.49、2.56、2.71 K。

图5 不同地表温差试验模拟的16:00比湿大于5 g·kg-1的平均高度Fig.5 The average height of simulated specific humidity greater than 5 g·kg-1 at 16:00 BST in different surface temperature difference tests

不同地表温差试验模拟的比湿差的时空分布特征(图7)与位温差相似，绿洲与沙漠的最大比湿差可达4 g·kg-1。由于水汽从地表蒸发后通过湍流运动向上输送，比湿差随高度增加而减小，随时间先增后减。增大地表温差，绿洲“湿岛效应”增强，这种增强作用也体现在500 m高度以下。试验1、2、3、5模拟的16:00绿洲与沙漠在5 m高度上的平均比湿差分别是3.55、3.70、3.82、4.09 g·kg-1。另外还发现，不同地表温差试验模拟的绿洲与沙漠最大比湿差出现较晚，较最大位温差出现时间滞后约1 h。

3.2 浮力频率对绿洲效应的影响

表征湍流强弱的大气稳定度是反映沙漠-绿洲结构特征的一个重要参数，而梯度理查森数(Ri)是综合考虑热力和动力因子对湍流发展影响的稳定度参数[32]。根据IRWIN的分类标准将Ri划分为6类[33]：Ri<-3.433为极不稳定，-3.433≤Ri<-1.375为不稳定，-1.375≤Ri<-0.233为弱不稳定，-0.233≤Ri<0.145为中性，0.145≤Ri<0.636 为弱稳定，Ri≥0.636为稳定。

图8是不同大气静力稳定度条件下敏感性试验模拟的16:00梯度理查森数和垂直速度的垂直分布。可以看出，在沙漠-绿洲系统中，由于热力作用的不同，绿洲上空以弱的下沉气流为主，最大下沉气流的速度为0.7 m·s-1，这与阎宇平等[34]的模拟结果“在绿洲上空有成片的下沉气流”相一致。同时发现，在绿洲上空2 km高度以上分布有少量的弱上升气流[图8(a)]，且增大浮力频率，绿洲上空的弱上升气流增多[图8(d)]；由于绿洲上空低层较冷空气的辐散引起风切变，从而使低层的湍流运动加强，形成不稳定层结，不稳定层结分布在400 m以下，而绿洲“冷岛”环流的下沉气流使得400 m以上大气层结稳定。沙漠上空边界层对流发展的高度和强度明显大于绿洲，边界层对流可以发展到3.2 km的高度[图8(d)]。另外，从沙漠地表向上是厚度约为800 m的弱不稳定层结，这与沙漠上较大的地表感热通量有关。沙漠上空较高处大气表现为中性层结，湍流混合均匀；静力稳定度对沙漠、绿洲区1.5 km高度以下的垂直速度影响不大，但随着稳定度的增大，有利于重力波的形成[35]，1.5 km以上与重力波相伴的上升和下沉运动使得沙漠上的垂直速度增强，其中试验6、7、1、8模拟的上升气流最大速度分别为5.75、6.71、6.93、7.57 m·s-1，对应高度分别约1455、1650、2007、2962 m。

3.3 背景风场对绿洲效应的影响

当受到绿洲“冷岛”和“湿岛”效应影响时，绿洲上空边界层中的下沉气流到达近地层时向周围沙漠区辐散，由于沙漠地表温度较高，辐散气流被热力湍流抬升，与此同时在绿洲上空边界层高层有自沙漠吹向绿洲的辐合风场，形成了局地的绿洲“冷岛环流”，如果不考虑背景风场的影响，这种次级环流的空间分布是对称的(图略)。

为了探讨背景风对绿洲效应的影响，试验9、10将初始背景风速(实测风场资料)分别设置为标准试验(试验1)的0.5倍和2倍。图9是试验9、10模拟的16:00流场和背景风场分量南北方向的垂直剖面。其中，模拟时段内背景风为西北风，而南北方向垂直剖面的背景风分量为北风。可以看出，在绿洲邻近沙漠形成的次级环流不对称。图9(a)显示，在上风向绿洲上空，位于沙漠-绿洲过渡带的绿洲辐散风、高空的绿洲辐合风，加上沙漠的上升支及绿洲的下沉支共同组成一个完整的反时针次级环流圈，其中从沙漠向绿洲的辐合气流出现在1 km高度处；受较强的背景风影响，在下风向绿洲上空，从沙漠向绿洲的辐合气流出现在2 km高度左右，同样形成完整的顺时针次级环流，但环流圈的强度较上风向的弱。东西方向垂直剖面(图略)同样显示，在上风向的绿洲上空形成的次级环流强度较下风向的强，但东西方向背景风分量的速度较大且地形较平缓，地形激发的次级环流对绿洲环流的叠加效果不明显，环流的强度整体较纬向偏弱。增大背景风速，纬向垂直剖面[图9(b)]上，上风向绿洲上空的次级环流中心的高度降低、宽度减小、强度减弱，而下风向次级环流圈的辐合风开始于2.5 km高度处，较试验9对应的环流中心高度明显偏高，但强度偏弱。继续增大背景风速，环流圈几乎消失(图略)。

图6 不同地表温差试验模拟的绿洲与沙漠平均位温差的时空分布(单位: K)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.6 The spatial and temporal distribution of simulated average potential temperature difference between desert and oasis in different surface temperature difference tests (Unit: K)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

图7 不同地表温差试验模拟的绿洲与沙漠平均比湿差的时空分布(单位：g·kg-1)(a) 1 K，(b) 2 K，(c) 3 K，(d) 5 KFig.7 The spatial and temporal distribution of simulated average specific humidity difference between desert and oasis in different surface temperature difference tests (Unit: g·kg-1)(a) 1 K, (b) 2 K, (c) 3 K, (d) 5 K

沙漠与绿洲是两种极端相反的下垫面，绿洲区净辐射主要以潜热的形式输送给大气，而沙漠区净辐射小于绿洲区则以感热为主加热空气[36]，从而造成两种下垫面之间的热力差异，进而驱动绿洲风环流的产生。吕世华等[12]研究指出，绿洲风环流主要通过两种途径影响沙漠-绿洲的水热交换：一是保护墙机制，即沙漠上空的绿洲风环流上升支围绕着绿洲分布，阻隔了低层干热空气流向绿洲；二是稳定机制，即绿洲上空的下沉气流增加了大气层结稳定度，减少水汽向高空的蒸发。第一种机制与本文模拟的“沙漠上空有较多较强的上升气流，以及在沙漠-绿洲的交界处上升与下沉气流速度最大”相一致。另外，本文的模拟结果也显示出在绿洲上空以较弱的下沉气流为主，为稳定层结，说明绿洲风环流减弱了绿洲和沙漠上空的热量和水分交换，对绿洲的维持和稳定有重要作用。

4 结 论

(1)绿洲与沙漠初始地表温差对绿洲“冷岛效应”和“湿岛效应”的增强作用主要表现在500 m高度以下，且对后者的增强影响较前者滞后1 h。初始地表温差的增加，可使“冷岛”的宽度增加，“湿岛”的平均高度降低。

(2)金塔绿洲上空的大气层结表现为不稳定-弱稳定-稳定的分布特征，随着浮力频率的增大，绿洲上空的下沉气流减少、上升气流增多，且1.5 km高度以上沙漠与绿洲过渡带的垂直速度增大。

(3)在有背景风影响下，绿洲-沙漠上空形成的次级垂直环流的对称性减弱，且位于上风向的环流强度较大。增大背景风速，次级环流中心的高度降低、强度减弱。

以上结论是在绿洲内植被和土壤类型均一条件下获得的，然而实际绿洲的植被类型多样，且存在着小面积的荒漠化地表，这些都有可能对实验结果造成影响。因此，还需采用非均一的植被和土壤类型深入模拟探究绿洲效应的特征。另外，本文的数值试验是在固定的热力(或动力)因子条件下，只考虑动力(或热力)因子对绿洲效应影响的理想试验，而实际的绿洲效应是两因子共同作用的结果，在后续的研究中将进一步完善模拟试验，使结果更具有代表性。