新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

高佳程，司马义·阿不力孜，买买提艾力·买买提依明*，王 豫，肖婉秋，4，赵雪赏，杨 帆，霍 文，周成龙

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室/中国气象局树木年轮理论研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；3.哈密市气象局气象服务中心，新疆 哈密 839000；4.新疆大学资源与环境科学学院地理系，新疆 乌鲁木齐 830002）

干旱半干旱区约占全球陆地总面积40%，并且还在继续扩张[1]。干旱半干旱区因其土地贫瘠、植被覆盖度低、生态系统脆弱等特点，不仅对气候变化极其敏感[2]，而且对陆气间能量、物质交换产生重要影响。以地表辐射与能量收支为主的能量交换过程是陆面过程研究的主要内容，作为地球表面转化太阳能量及实现热量循环与分配的重要环节，其表现反映了地球气候系统对太阳辐射强迫的响应[3-5]。研究地表辐射与能量收支，不仅对改进陆面模式及其参数化方案有重要意义，而且能够为认识当前气候状态及准确预测气候变化提供重要参考[6]。因此，准确认识干旱半干旱区地表辐射与能量收支等特征已逐渐成为研究热点之一。长期以来，国内外学者在干旱半干旱地区陆面过程方面开展了一系列野外观测试验[7]，并在绿洲、绿洲—戈壁过渡带、戈壁及沙漠等典型下垫面陆面物理过程方面取得诸多成果。

戈壁作为干旱半干旱区一种特殊的下垫面，和周围绿洲的水汽、能量交换对局地大气环流和小气候产生重要影响[8]。研究戈壁地表辐射与能量收支特征对准确理解干旱半干旱区陆—气相互作用机制及其对气候的响应具有重要意义。前人对戈壁下垫面的陆面过程研究主要集中在敦煌戈壁[9-11]、鼎新戈壁[12-13]及甘肃金塔戈壁[14-15]等地区，丰富了戈壁下垫面陆气相互作用研究的内容。针对位于新疆东部哈密地区的黑戈壁区域，阿吉古丽·沙依提等[16]利用红柳河站2017年梯度探测资料对东疆黑戈壁大气边界层气象要素季节特征进行分析，得出典型晴天条件下冬季逆温强于夏季的结论；阿吉古丽·沙依提等[17]利用红柳河站2017年太阳紫外辐射等资料对东疆黑戈壁太阳紫外辐射变化特征进行分析，指出紫外辐射季节变化呈现夏季高、冬季低、春季高于秋季的特点；李如琦[18]利用红柳河气象站56 a降水和气温资料对东疆黑戈壁气温与降水气候特征进行分析，得出该地气温明显上升，降水呈减少趋势的结论；咸迪等[19]对比了黑戈壁地区与荒漠化地区气候变化特征，得出黑戈壁年平均气温增温速率高于荒漠化地区的结论；赵雪赏等[20]利用红柳河站2017年太阳紫外辐射资料对CERES紫外辐射产品在东疆黑戈壁的适用性进行评估，指出CERES紫外辐射产品在该地较为适用。然而，目前有关东疆黑戈壁地表辐射和能量收支研究报道较少。东疆黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区，具有丰富的太阳能资源，并对干旱半干旱区气候产生重要影响。为此，本文利用东疆黑戈壁红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料，对该戈壁地表辐射与能量收支演变特征进行分析，从而为进一步认识该区域陆面过程特征提供科学依据。

1 数据与方法

红柳河位于新疆东部哈密地区和甘肃省交界处，周围上百公里内无其他测站。土壤发育微弱，石膏化过程和积盐过程突出，表层有极不稳定的孔状结皮，其下为棕红色紧实层及石膏层，其下的心土层为石膏结晶层，土壤发育为石膏棕色荒漠土。该戈壁为暖性干旱极干旱气候，年均气温6.1℃，极端气温最高可达40.6℃，最低可至-35.1℃，年降水量不超过50.9 mm[18]。下垫面以砾石、沙砾为主，地表植被覆盖稀疏，盖度不足10%。

本文观测数据来自中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2016年在新疆东部哈密地区黑戈壁区域建立的红柳河陆气相互作用观测站（简称红柳河站，41°32′N，94°43′E，海拔1 579 m，图1）。红柳河站位于新疆东部哈密地区黑戈壁区域，该站主要包括涡动相关系统、梯度探测系统和辐射观测系统。本文数据所用仪器有净辐射仪（荷兰Hukseflux公司，型号NR01，安装高度1.5 m），土壤温度传感器（美国Campbell Scientific公司，型号109，观测深度0、-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），土壤湿度传感器（美国Campbell Scientific公司，型号Hydra，观测深度-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），土壤热流板（美国Campbell Scientific公司，型号HFP01，观测深度-2、-5、-10、-20、-40、-80 cm），空气温湿传感器（美国Campbell Scientific公司，型号HMP155A，安装高度0、0.5、1、2、4、10、20、32 m）；这些仪器的采集频率均为1 Hz，并输出10 s、1 min、30 min、1 h数据。此外，本文所用涡动相关系统由一个三维超声波风速风向仪（英国Gill公司，型号Wind Master）和一个开路气体分析仪（美国LiCor公司，型号Li-7500A）组成，安装高度为10 m，采集频率为20 Hz。这些仪器的相关参数见表1。此外，本文采用时间为地方时，比北京时滞后1.5 h。

表1 仪器及参数

图1 红柳河站地理位置示意图及观测场照片

因红柳河站周边天气恶劣，人迹罕至，难以长期驻守维护仪器，造成冬季以及部分月份数据缺失较多。因此，选取观测数据较为完备、质量较好的2019年4、7、9月分别代表东疆黑戈壁春、夏、秋季的平均状况。能量平衡计算公式如下：

式中，H和LE分别为感热通量和潜热通量，Rnet为净辐射，G0为地表土壤热通量，单位均为W·m-2。其中，感热通量和潜热通量由涡动相关法分别获得：

式中，ρ为空气密度；Cp为定压比热；w′为垂直风速脉动值；λ为蒸发潜热；θ′、q′分别为位温和比湿的脉动量。利用涡动相关法获得湍流通量时需要对原始数据进行质量控制与插补，本文对湍流原始数据进行了野点剔除、二维坐标旋转、延迟时间校正、去势、超声虚温订正及WPL订正等处理得到质量较好的湍流数据[21]。

净辐射由净辐射传感器测得的辐射四分量计算得到[22]：

式中，Rnet为净辐射，SWnet为地表净吸收的太阳辐射，LWnet为地面有效辐射；SW↓、SW↑分别为太阳总辐射及反射短波辐射，LW↓、LW↑分别为大气长波辐射和地表长波辐射，单位均为W·m-2。此外，为获得较为准确的净辐射数据，剔除了太阳总辐射小于10 W·m-2的短波辐射数据后进行计算。

地表土壤热通量由土壤温湿度数据及土壤热通量计算得到[23]：

式中，G0为地表土壤热通量；G2为2 cm土壤热通量，由热通量板实测获得；S为土壤热储存项，可由平均时间间隔的土壤温度变化（ΔTs）、湿土壤热容（Cs）、土壤热通量板深度（d）及平均时间间隔（t）计算获得。其中ΔTs、d、t为已知量，Cs可由观测点的土壤容重及土壤含水量计算得到。

本文使用最小二乘线性回归法及能量平衡比率（Energy Balance Ratio，简称EBR）评价该地能量闭合状况，EBR公式如下：

2 结果分析

2.1 地表辐射收支月平均日变化

东疆黑戈壁地表辐射收支各分量4、7、9月平均的日变化均为早晚低、正午高的单峰型曲线（图2）。太阳总辐射受太阳高度角影响，日变化表现为日出后逐渐增强，于正午达日峰值后逐渐降低的单峰曲线。太阳总辐射极大瞬时值出现在7月1日，为1 133.6 W·m-2。不同季节日峰值集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分别为833.2、882.7、768.8 W·m-2。东疆黑戈壁太阳总辐射季节变化表现为夏季>春季>秋季，与鼎新戈壁、巴丹吉林沙漠拐子湖、塔克拉玛干沙漠腹地塔中及北缘肖塘[12，24-26]基本一致，说明西北戈壁、沙漠下垫面太阳总辐射季节特性主要受太阳高度角影响；就日变化幅度而言，东疆黑戈壁除了夏季太阳总辐射日峰值比巴丹吉林沙漠拐子湖低以外，不同季节太阳总辐射日峰值均略高于鼎新戈壁、拐子湖、塔中及肖塘地区。推测造成东疆黑戈壁太阳总辐射较高的原因是红柳河站海拔相对较高，天气活动较少。

图2 不同季节地表辐射通量日变化

反射短波辐射受太阳总辐射影响，日变化与太阳总辐射高度一致，日峰值集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分别为222.1、214.5、193.9 W·m-2。反射短波辐射季节变化表现为春季>夏季>秋季，与太阳总辐射不一致，这是东疆黑戈壁春、夏季太阳总辐射相差不大及夏季地表反照率较低所致。

地表和大气长波辐射日变化亦呈单峰型，但峰值时间相对太阳总辐射滞后。地表长波辐射相对滞后0.5~1.5 h，4、7、9月日变化范围分别为331.8~501.6、391.6~558.1、365.6~526.5 W·m-2，日均值依次为397.5、461.2、427.3 W·m-2。大气长波辐射相对滞后1~2.5 h，4、7、9月日变化范围分别为271.3~312.8、329.4~374.9、296.1~337.2 W·m-2，日均值依次为291、352.8、315.5 W·m-2。地表和大气长波辐射季节变化亦相对太阳总辐射有所滞后，具体表现为夏季>秋季>春季。造成东疆黑戈壁长波辐射日、季变化相对滞后的原因是长波辐射强度与近地层温度成正比，而近地层最高温通常出现在午后，秋季温度高于春季。

2.2 地表能量收支及陆面过程参数

2.2.1地表能量平衡闭合状况

能量平衡闭合程度作为评价涡动相关数据可靠性的方法已经被广泛接受，并且通量观测中普遍存在10%~30%的不闭合[27-29]。对涡动相关法获得的湍流能量通量（H+LE）与辐射平衡观测系统获得的有效能（Rnet-G0）做线性回归分析，回归直线中斜率代表能量平衡程度。理想状态下，回归直线斜率为1且通过原点，但通常两者线性关系斜率并不为1且不经过原点。4、7、9月线性回归斜率分别为0.83、0.79、0.86，截距分别为2.3、4.07、1.41，R2分别为0.94、0.86、0.89（图3）。即各月能量闭合率分别为83%、79%、86%，能量不闭合率整体介于14%~21%，说明所用观测资料在不同季节的准确性均较高。结合能量平衡比率分析（图4），全天地表能量平衡比率亦表现为9月>4月>7月，EBR分别为0.89、0.86、0.83；就白昼而言，4和7月EBR均为0.83，9月为0.9；而夜间则表现为9月>7月>4月，EBR分别为0.63、0.95、1.12。说明白天能量平衡闭合率较高，夜间较低。对比其他地区，塔克拉玛干沙漠北缘肖塘站7—12月能量闭合率为25.4%~74.6%[30]；塔中春、夏、秋季能量闭合率分别为83.5%、89.3%、78.7%[31]；拐子湖站分别为91.3%、76.5%、82.1%[24]。可见，东疆黑戈壁能量闭合率与塔中、拐子湖均差异不大且相对较高，而塔克拉玛干沙漠北缘肖塘能量闭合率则明显低于其他三个地区。这是因为东疆黑戈壁、塔中及拐子湖下垫面类型较为均一，而肖塘站下垫面受附近稀疏沙漠植被影响表现出一定的非均匀性，进而造成涡动相关系统所测得的通量有一定的损失。目前，普遍认为导致能量不平衡的原因可能有以下几个方面[32]：①仪器的测量误差；②数据处理引入的误差；③观测高度和采样空间尺度的影响；④平流项对湍流通量的影响；⑤部分能量汇在观测中被忽略造成的能量损失；⑥低频或高频部分对湍流通量贡献的丢失。然而对于导致东疆黑戈壁地表能量不闭合原因的分析，还需在后续试验中进行长期观测和进一步研究。

图3 不同季节能量闭合状况

图4 不同季节全天、白昼及夜间的能量平衡比率

2.2.2能量通量月平均日变化

东疆黑戈壁地表能量平衡各分量月平均日变化曲线均为单峰型（图5）。净辐射白天主要受太阳总辐射影响，表现为日出后逐渐增大，并于午后达日峰值后逐渐减小；夜间由于短波辐射为零，净辐射等于地表有效辐射，而此时地表能量支出高于吸收，净辐射为负值且变化较弱，平均在-67.2 W·m-2左右。净辐射日峰值均集中在12：30—13：00，4、7、9月日峰值分别为419、476.8、389 W·m-2，日均值依次为82.6、110.6、63.3 W·m-2。东疆黑戈壁净辐射季节变化表现为夏季>春季>秋季，与拐子湖、塔中、敦煌戈壁及鼎新戈壁[24-25，33-34]基本一致；就日峰值而言，东疆黑戈壁除了夏季净辐射日峰值略低于拐子湖外，不同季节净辐射日峰值均比其他地区高。这说明净辐射的日、季特征均主要受太阳总辐射控制。

图5 不同季节能量通量日变化

感热通量日变化亦呈单峰型，但4、7月日峰值相对净辐射滞后约1.5~2 h，4、7、9月日峰值大小分别为227.1、211.4、162 W·m-2，季节变化为春季>夏季>秋季。潜热通量日变化相对较弱，4、7、9月日峰值分别出现在12：30、14：00、10：30，大小依次为6.1、40.4、20.8 W·m-2。潜热通量季节变化不同于感热通量，具体表现为夏季>秋季>春季。这与东疆黑戈壁降水的季节分配有关，东疆黑戈壁2019年4、7、9月降水量分别为1.4、27.9、15.3 mm，可见东疆黑戈壁夏、秋季较多的降水造成潜热在该阶段较多，感热在该阶段较少，而降雨较少的春季则相反。与其他地区相比，鼎新戈壁、敦煌戈壁、塔中、肖塘及拐子湖潜热通量不同季节日峰值亦均不足50 W·m-2[11，24，25，30，34]，说明西北戈壁、沙漠下垫面均有降雨少、储水能力弱及蒸发较强的气候特点。

地表土壤热通量日变化亦呈单峰型，但日峰值相对净辐射提前0.5~1.5 h，4、7、9月日峰值分别出现在13：00、12：00、11：30，大小依次为149.9、199.9、218.4 W·m-2。地表土壤热通量季节变化与感热通量相反，表现为秋季>夏季>春季。这是因为东疆黑戈壁春、夏季湍流输送较强，秋季则相对较弱，进而造成地表土壤热通量最大日峰值反而出现在净辐射最低的秋季。

2.2.3能量分配特征

图6为东疆黑戈壁全天、白昼及黑夜地表能量分配变化特征。就全天而言，地表能量分配以感热为主，潜热及地表土壤热通量均十分微弱（图6a）。感热占净辐射表现为4月>9月>7月，H/Rnet分别为73%、60%、57%，均超过50%，说明东疆黑戈壁不同季节地表能量分配均以感热为主；潜热占净辐射表现为7月>9月>4月，LE/Rnet分别为16%、14%、1%，均不超过20%，这是因为红柳河戈壁降水稀少，地表储水能力差，从而导致地气间水汽输送较少；地表土壤热通量占净辐射表现为7月>9月>4月，G0/Rnet分别为12%、11%、10%。

就白昼而言，地表能量分配以感热为主、地表土壤热通量次之，潜热非常微弱（图6b）。感热占净辐射表现为4月>7月>9月，H/Rnet分别为58%、49%、44%；潜热占净辐射表现为7月>9月>4月，LE/Rnet分别为11%、7%、1%；地表土壤热通量占净辐射表现为9月>7月>4月，G0/Rnet分别为41%、29%、27%。

就夜间而言，地表能量分配以地表土壤热通量为主，感热和潜热均较微弱（图6c）。感热占净辐射表现为4月>9月>7月，H/Rnet分别为19%、16%、15%；潜热占净辐射均较小，其中7、9月潜热通量在夜间出现正值，可能与该二月存在降雨并与夜间蒸发有关；地表土壤热通量占净辐射表现为7月>9月>4月，G0/Rnet分别为96%、92%、71%。

图6 地表能量分配季节变化特征

2.2.4地表反照率

东疆黑戈壁不同月份地表反照率日变化均表现为早晚高、中午低的“U”型曲线（图7）。4、7、9月均值分别为0.29、0.26、0.27，季节变化表现为春季>秋季>夏季。这是因为地表反照率不仅受太阳高度角的影响，而且还与下垫面状况有关，东疆黑戈壁4、7、9月降水量分别为1.4、27.9、15.3 mm，降水较多的月份其土壤湿度亦较大，进而造成地表反照率越低。相比其他地区（表2），季节平均地表反照率表现为巴丹吉林沙漠拐子湖>东疆黑戈壁>塔克拉玛干沙漠塔中>古尔班通古特沙漠克拉美丽>鼎新戈壁，造成黑戈壁地表反照率相对较高的原因是新疆黑戈壁降水天气较少。

图7 地表反照率月平均日变化

表2 不同地区月平均地表反照率

3 结论

利用红柳河陆气相互作用观测站陆面资料，分析东疆黑戈壁地表辐射和能量平衡日、季变化特征，得到以下几点结论：

（1）东疆黑戈壁地表辐射各分量日变化均为单峰型曲线，但不同分量峰值大小和出现时间表现出季节波动性。净辐射、反射短波辐射与太阳总辐射较为同步，峰值集中在12：30—13：00，而地表和大气长波辐射则相对滞后约0.5~2.5 h。就不同季节而言，太阳总辐射和净辐射表现为夏季>春季>秋季，反射短波辐射为春季>夏季>秋季，地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。

（2）东疆黑戈壁各季节能量闭合性均较好，能量不闭合率整体介于14%~21%，EBR介于0.83~0.89。与大多干旱区陆面过程观测结果相比，红柳河通量观测资料准确性相对较高。东疆黑戈壁能量各分量，除潜热通量日变化极其微弱外，其他分量日变化亦为单峰型。其中，感热通量相对净辐射滞后约1.5~2 h，地表土壤热通量则相对提前约0.5~1.5 h。能量各分量季节变化不尽相同：感热通量表现为春季>夏季>秋季，潜热通量为夏季>秋季>春季，地表土壤热通量为秋季>夏季>春季。

（3）东疆黑戈壁不同季节能量分配在白昼和夜间有所不同。白昼能量分配以感热为主，地表土壤热通量次之，潜热通量非常微弱。地表反照率月平均日变化曲线均为“U”型，不同季节平均地表反照率表现为春季>秋季>夏季，依次为0.29、0.27、0.26。东疆黑戈壁降水较少是造成该区域地表反照率相对较高的重要原因。

本文利用单月数据代表东疆黑戈壁的季节平均状态，样本量相对较少，后期将通过进一步观测试验对该戈壁较长时间序列的地表辐射与能量收支进行分析。此外，本文并未涉及该地特殊天气过程地表辐射与能量收支变化特征，后期将通过强化观测试验对该地特殊天气前后地表辐射与能量收支进行分析。