塔中地面加热场强度变化特征分析

王 娟，霍 文，何 清

（1.桂林市气象局，广西 桂林541001；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002）

随着气候与环境科学的深入研究，陆面过程中的地气相互作用已经成为大气科学和环境科学研究的重要基础。地面加热状况是地气相互作用的重要参数之一，直接影响大气环流和天气气候的变化[1]，对地面加热场的监测也可为短期气候预测提供依据[2]。塔克拉玛干沙漠面积广阔，下垫面和大气之间的加热作用对我国西北干旱气候的形成有着重要作用。塔中位于塔克拉玛干沙漠腹地，下垫面为广袤的流动沙丘[3]。自然沙面这种独特的下垫面，决定了研究区独特的加热场特征。因此，为了研究塔中的沙层与大气之间热量传输规律，分析塔中地面加热场强度的变化特征具有十分重要的意义。

国内外学者对不同类型地表与大气间能量交换过程进行了大量研究，以研究生态系统交换为主的国际通量网（FLUX-NET）在全球不同地区已有500多个通量站，这些站点，除包括风温湿梯度、辐射、土壤温湿及热通量等观测外，普遍使用涡动相关通量观测系统进行近地层热通量直测。Oncley等[4]、Foken研究组[5]对地气间通量交换进行了系统性研究。国内研究始于青藏高原试验研究（GAME/Tibet），李韧等[6]利用观测数据（气温、地表温度和地表水汽压）给出了计算地面加热场强度的经验公式，同时考虑了感热和潜热对地面加热场强度的影响。马耀明等[7]根据地表的净辐射和位于地表以下1cm处热流板实测的土壤热通量值，分析了草甸下垫面近地层的地面加热场特征，草甸下垫面地表对大气而言白天为强的加热源，晚上为弱冷源。王昊等[8]利用卫星遥感资料和数值模式再分析资料，首先计算出感热和潜热通量，再根据地表能量平衡方程得到地面加热场强度。

地面加热场强度目前无法直接测量，在能量不平衡的地区[9]可以首先计算出地表土壤热通量，再获得地面加热场强度。土壤热通量一般用埋在地表以下数厘米的土壤热流板观测，或用土壤温度和含水量梯度资料加上已知的土壤热参数计算。而地表土壤热通量的测定，受到太阳辐射和天气条件等影响，使得测量的准确程度受到很大影响，土壤热通量板不能直接裸露在地表，以至于至今地表土壤热通量仍无法直接得到。阳坤等[10]利用土壤温度资料用热扩散方程构造温度廓线的主要部分，用线性插值修正温度廓线的次要部分，然后通过积分温度廓线得到地表土壤热通量。Tanaka等[11]将热流板的测量值作为参考值的热通量，向上积分估计地表热通量。近年来，随着塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站的建立，塔中微气象特征、地气相互作用参数和湍流热通量计算等方面的研究取得了大量成果[12-18]，而地面加热场的研究则较少。本文根据浅层土壤热通量的实测值，基于土壤的一维热扩散方程，首先计算出地表土壤热通量，再结合净辐射资料，获得地面加热场强度，从而分析其变化特征，以期为研究沙漠下垫面的地表能量平衡问题提供参考依据。

1 资料选取

塔中位于塔里木盆地中央，深入塔克拉玛干沙漠腹地229 km，塔中地区除了塔中四油田作业区和生活区2 km2周围及沙漠公路两旁人工种植了梭梭、红柳、沙拐枣及一些野生芦苇外，其余地区基本是裸露的流沙地表。土壤主要为风沙土，由于气候极端干旱，含水量极低。

塔中沙尘天气频繁，春季最多，其次是夏季。2009年塔中浮尘有164 d，扬沙有94 d，沙尘暴有8 d。浮尘最多的是4月，有24 d，其次是7月，有23 d。塔中昼夜温差大，2009年最高气温为40.5℃，最低气温为-24.3℃，年平均气温为11.9℃。塔中大气含水量低，年平均比湿为2.76 g/kg。塔中降水量极少，2009年共有9次降水过程，总降水量为6.8 mm。

塔克拉玛干沙漠塔中大气环境综合观测试验站（简称塔中站，38°58′N，83°39′E，海拔1 099.3 m），在塔中站的西北2.2 km和东南1.6 km处分别建立了塔中西站和东站。本文数据来源于塔中西站10 m梯度探测系统，测量辐射的四分量辐射仪安装在1.7 m的支架上，地温仪分别安装在地表以下0、10、20、40 cm沙层中，土壤湿度仪分别安装在地表以下2.5、10、20、40 cm的沙层中。测量土壤热通量的探头分别位于地表以下2 cm和8 cm的沙层处。热通量板探头（HFPO1SC，荷兰Hukseflux）具有自动校准功能，其测量精度可达5%。本文利用2009年1、4、7、10月沙层的温度资料、地面辐射资料以及土壤热通量资料，分析塔中地面加热场强度特征。文中所涉及的时间均为地方时（塔中的地方时比北京时间晚2 h 25 min）。

2 计算方法

2.1 土壤热容量

土壤热容量是指单位重量或单位体积的土壤，当温度增加或减少1 K时所需要吸收或放出的热量。土壤热容量愈大，则土壤温度升高或降低愈慢，反之则愈快。影响土壤热容量的主要因素是土壤中水和空气所占比例。本文中计算土壤的体积热容量，计算公式为

式中，Cs为土壤的体积热容量；Cd为干燥土壤的重量热容量（比热），Cw为水的比热，ρb为土壤的体积密度，ρw为水的密度，θm为土壤的重量含水率，θv为土壤的体积含水率。Cd选取经验值840 J/（kg·K）；水的比热Cw为4190 J/（kg·K）；ρw取1000 kg/m3；土壤含水率θm、θv是观测值；ρb通过公式（2）计算得出。通过公式（1）和（2）可以得出土壤体积热容量。经计算，塔中流动沙层的土壤体积热容量Cs约为1.23×106J/（m3·K）。

2.2 地表土壤热通量

土壤热通量（也称土壤中的热量交换）表示单位时间内通过单位面积的热量，其大小与沙层中的垂直温度梯度、体积热容量和导热率有关，土壤热通量的方向向下为正。土壤热通量板不能直接裸露在地表，因此地表土壤热通量至今仍无法直接测量得到。本文根据8 cm土壤热通量实测值，基于土壤的一维热扩散方程计算地表土壤热通量，公式如下：

式中，G0为地表土壤热通量，G8cm为8 cm土壤热通量，S为8 cm以上沙层的土壤热贮量值，ΔTs为8 cm以上沙层的平均地温间隔时间前后的温差，d为深度，t为间隔时间。通量均使用半小时平均数据，间隔时间取半小时，即t=1800 s。

基于沙层0、10、20、40 cm土壤温度值，利用三次样条函数插值出4 cm土壤温度，再与直接由仪器测出的2～6 cm平均土壤温度值比对，选择出较适合求算地表热通量的ΔTs值。经三次样条插值函数得出的4 cm土壤温度与实测的2～6 cm平均土壤温度值非常接近，前者略大于后者。由于插值时需剔除降水天气下的资料，不利于本文的进一步分析，所以采用2～6 cm的平均土壤温度值计算式（3）中的值。

2.3 地面加热场强度

定义Rn-G0为地面加热场强度，其中Rn为净辐射通量，G0为土壤热通量，当Rn-G0＞0时，地面向大气输送热量，地面相对大气而言为热源；当Rn-G0＜0时，大气向地面输送热量，地面相对大气而言为冷源。

3 结果分析

3.1 地表土壤热通量变化特征

由公式（4）得出，1、4、7、10月地表土壤热通量分别为-44.35～87.39 W/m2、-48.15～112.27 W/m2、-89.12～140.2 W/m2、-89.16～149.62 W/m2。1、4、7、10月向下的土壤热通量总量分别为415.87、592.16、918.03、776.3 W/m2，向上的土壤热通量总量分别为-566.3、-449.95、-762.65、-869.93 W/m2。地表土壤热通量正值均出现在白天，负值出现在夜间。

对逐半小时数据求矢量和，得出地表土壤热通量的整体情况（表1）。塔中4月和7月地表土壤热通量日总量为正值，热通量方向向下，表明近地层大气将热量经地表向下传输给沙层，加热沙层，沙层储存热量。1月和10月则相反。由胡文峰等[19]利用巴丹吉林沙漠沙层10 cm处的土壤热通量实测值计算出的地表土壤热通量值可知，巴丹吉林沙漠地表土壤热通量也具有同样的特征，春夏季地表土壤热通量日总量为正值，热量由地表向沙层深处传输，秋冬季为负值，热量由沙层深处向地表传输。由于塔中土壤热容量小于巴丹吉林沙漠，热扩散较迅速，因此塔中地表土壤热通量日总量的绝对值大于巴丹吉林沙漠。

塔中地表土壤热通量日较差最大值出现在10月，最小值出现在1月。日变化振幅秋季最大，夏季振幅大于冬季和春季。巴丹吉林沙漠日变化振幅秋季最大，这与塔中一致，但春季振幅大于夏季和冬季[19]，这与塔中略有不同。

根据李辉东等[20]对科尔沁温带草甸能量平衡的研究可知，绿洲地表土壤热通量最大值出现在4月，这与巴丹吉林沙漠相同，塔中的地表土地热通量最大值出现在7月，而且塔中地表土壤热通量均大于巴丹吉林沙漠和绿洲。

表1 地表土壤热通量日总量和平均日较差

3.2 净辐射变化特征

净辐射是指地面收入辐射能和支出辐射能的差值。净辐射是沙层的热量来源，对地表温度和沙层中的热传导起着决定性的作用。

从净辐射日变化（图1）可看出，塔中各月净辐射日变化具有一致性，呈单峰结构。7月太阳高度角大、太阳短波辐射强，因此地面吸收的辐射量最多，净辐射最大。4月次之，1月最小。1、4、7、10月净辐射的日平均值分别为13.96、64.74、79.69、34.69 W/m2；日总量分别为1.21、5.59、6.89、3.0 MJ/（m2·d）。巴丹吉林沙漠净辐射日变化[21]与塔中相似，呈单峰结构，夜间净辐射介于-100~0W·m-2。塔中净辐射峰值除春季以外，均小于巴丹吉林沙漠。净辐射峰值出现在12时（冬季在13时），巴丹吉林沙漠出现在13时（春季为15时），绿洲出现在12时前后。

图1 净辐射日变化

根据地面能量平衡方程可知，能量平衡的4个分量分别为净辐射、感热、潜热和土壤热通量，其中1、4、7、10月塔中地表土壤热通量分别占净辐射的44.91%、9.15%、8.12%、11.25%。除冬季以外，土壤热通量只占净辐射通量的很小一部分。虽然土壤热通量只占净辐射的小部分，但沙漠下垫面土壤热通量在能量平衡中所占比例远大于绿洲（3%）[20]。

3.3 地面加热场强度的变化特征

地面对大气的加热作用可通过辐射过程和湍流过程获得。1、4、7、10月塔中地面加热场强度分别为-33.20～87.39 W/m2、-36.92～274.16 W/m2、-7.59～244.78 W/m2、-24.90～170.42 W/m2，最大值出现在4月；日平均值分别为20.22、58.82、73.21、38.59 W/m2，均为正值，就平均态而言地面相对大气为热源。

从图2可以看出，1、4、7、10月地面加热场强度的日变化曲线与净辐射相似，夜间几乎为负值，白天迅速增大，在正午以后达到最大值，而后迅速减小。白天地面加热场强度远离零值，夜间则接近零值，说明近地层和沙层间的加热作用白天较强、夜间很弱。

图2 地面加热场强度日变化

1月08—16时地面加热场强度为正值，介于2.21～112.74 W/m2，热量是由地面输送给大气，地面相对大气而言是热源。13时达到峰值112.74 W/m2。17时开始至整个夜间，地面加热场强度均为负值，介于-0.04～-33.2 W/m2。大气通过逆辐射加热地面，地面相对大气而言是冷源。夜间加热场强度的数值远小于白天，说明地气间的加热作用远小于白天。因此，相对大气而言，白天地面是强热源；夜间地面是弱冷源。

4月08—18时加热场强度为正值，介于0.05～274.16 W/m2，峰值出现在12时，地面对大气的加热作用达到最强。19时地面加热场强度转为负值，夜间加热场强度介于-16.35～-36.92 W/m2，大气对地面的加热作用很弱。相对大气而言，白天地面是强热源，夜间则是弱冷源。

7月07—20时，地面加热场强度为正值，介于1.64～244.78 W/m2，峰值出现在13时，此时地面对大气的加热作用达到最强。21时地面加热场强度转为负值，夜间加热场强度介于-1.67～-7.59 W/m2，大气对地面的加热作用很弱。相对大气而言，白天地面是强热源，夜间则是弱冷源。

10月08时—次日0时，地面加热场强度为正值，介于1.64～170.42 W/m2，热量由地面输送给大气，地面相对大气而言是热源，加热场强度峰值出现在13时，此时地面对大气的加热作用达到最强。中午地面为强热源，日落前后和前半夜，地面为弱热源，地面有很少的热量传输给大气；下半夜地面为弱冷源，大气有少量的热量传输给地面。

1、7、10月地面加热场强度峰值出现在13时，而4月出现在12时，可能与4月塔中多浮尘天气有关（4月份有浮尘24 d）。1月、4月、7月地面白天为强热源，夜间为弱冷源。10月地面白天为强热源，前半夜为弱热源，后半夜为弱冷源。10月塔中前半夜为弱热源的特征可能与沙层的热储量有关，10月塔中随着沙层深度增加，土壤温度逐渐升高，表面沙层深处有一个高热量层，同时10月塔中土壤湿度最小，有利于深层热量迅速向地面传输，从而使得10月前半夜地面为弱热源。

就全年的地面加热场特征来看，1、10月加热场强度小于4、7月。1月的加热场强度最小，地气间的加热作用最弱；4月的加热场强度最大，地气间的加热作用最强。加热场强度的这种季节性差异与太阳高度角和天气状况有关。

白天地面是热源，尤其在中午，地面是强热源，虽然全年中加热场强度的最大值出现在4月的12时，但在整个白天，7月的加热场强度大于4月，1月最小。上午地面加热场强度迅速增大，但是增加的速率存在差异，4月的速率最大，其次是7月，1月的速率最小，平均速率分别为50.79、34.73、16.06 W/（m2·h）。

巴丹吉林沙漠[21]具有与塔中相似的地面加热场强度特征。白天属于强热源，加热场强度在12—13时达到最大值，日落后转为冷源。春夏季热源强度高于秋冬季。塔中地面加热场作用在春季最强，而绿洲[20]则是在夏季最强。

4 结论与讨论

基于土壤的一维热扩散方程首先计算出地表土壤热通量，结合净辐射通量资料得出地面加热场强度，分析其日变化和季节变化特征，得出以下结论：

（1）塔中各季节净辐射的日变化规律具有一致性，呈单峰结构。7月净辐射日总量最大，4月次之，1月最小。白天各月份净辐射由大到小依次是，7月＞4月＞10月＞1月。

（2）1、4、7、10月地表土壤热通量分别为-44.35～87.39 W/m2、-48.15～112.27 W/m2、-89.12～140.2 W/m2、-89.16～149.62 W/m2，1月、4月、7月、10月地表土壤热通量分别占净辐射的44.91%、9.15%、8.12%、11.25%。其中，1月土壤热通量占净辐射的份额最大。

（3）1、4、7、10月地面加热场强度分别为-33.20～87.39 W/m2、-36.92～274.16 W/m2、-7.59～244.78 W/m2、-24.90～170.42 W/m2，最大值出现在4月；日平均值分别为20.22、58.82、73.21、38.59 W/m2，均为正值，就平均态而言地面相对大气为热源。各月份加热场特征存在差异，这种季节性差异与太阳高度角和天气状况有关。4、7月的地面加热场强度大于1、10月。

（4）塔中各季节地面加热场强度的日变化规律具有一致性，呈现单峰结构。地面加热场强度一天中两次经过零点，只有一个峰值，一天中地面与大气间冷热源转换两次。1月08—16时、4月08—18时、7月07—20时、10月08时—次日0时地面加热场强度为正值，相对大气而言地面是热源；其他时间段地面为冷源。1、4、7、10月地面加热场强度的峰值分别出现在13、12、13、13时，分别为112.74、274.16、244.78、170.42 W/m2。

净辐射和太阳高度角、地面反照率、天空状况、地面温度等要素有关。塔克拉玛干沙漠腹地气候极端干旱，土壤含水量很小，地表反照率较大，反射辐射较大。大气中水汽含量很小，天空少云，大气逆辐射较小。地面温度较高，地面长波辐射较大。因此塔中净辐射在夏秋冬季均大于巴丹吉林沙漠。塔中春季多为浮尘天气，大气逆辐射增大，因此春季塔中净辐射比巴丹吉林沙漠大。春夏季随着净辐射的迅速增大，地面温度升高，沙尘温差增大，地表土壤热通量为正值，热量由地表向沙尘深处传输。塔中土壤含水量低于巴丹吉林沙漠和科尔沁绿洲，土壤热容量较小，热量扩散较快，因此塔中地表土壤热通量较大。地面加热场强度为净辐射和地表土壤热通量的差值，主要取决于净辐射的大小，因此与下垫面状况和天空状况、地面温度、土壤含水量、土壤温度、气温和降水量等气象要素有关。不同的下垫面具有不同的加热场特征。

本文采用通量数据和常规观测资料，计算了地表土壤热通量和地面加热场强度，通过详细分析，对塔克拉玛干沙漠腹地自然沙面下垫面的地面加热场强度变化特征有了初步的认识。本文只选取了一年中4个典型月份的数据，时间序列较短，在大气环流和天气气候异常的背景下，地面加热场强度可能会有不一样的变化特征，所以在今后的研究中，有必要建立更长时间序列的地面加热场强度数据库。