荒漠草原区显热通量变化特征及源区分布

唐家琦，王成杰

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

作为气候系统的重要组成部分，地表和大气之间的相互作用表现为地气间不断进行着热量、动量和物质的交换[1]，这些交换过程是从局地到全球范围内影响气候变化的重要因素。地表水热通量(显热、潜热通量)是地气间热量交换过程中的主要内容，其中潜热通量可以利用地表能量平衡原理，在显热通量已知的情况下估算得到[2-3]。因此，对显热通量的观测及研究十分重要，一直是生态学、气象学、边界层气象学等研究的重点[4-8]。

相比于传统的通量测量方法如波文比-能量平衡法、涡动相关法等[9-10]，上世纪末兴起的大孔径闪烁仪(Large aperture scintillometer，LAS)时间分辨率高，空间代表性强，可以得到区域尺度非均匀下垫面的平均显热通量，并且在野外工作中便于操作管理[11-12]。基于这些优势LAS已被广泛用到各类生态区的通量观测[13-22]。然而虽然大孔径闪烁仪相对于涡度相关系统在研究尺度上实现了由“点”到“线”的扩展，但其观测结果仍是反映有限且特定下垫面上的湍流过程，所以在深入分析通量观测结果时必须要考虑数据的空间代表性[23]。足迹模型和源区则为解决这一问题提供了有效方法，足迹(Footprint)用来描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间的关系；源区(Source area)指对通量观测值有主要贡献的区域[24]。自从Pasquill[25]和Schmid等[26]先后引入这两个概念后，足迹理论和方法逐步应用到通量中并取得较大进展，Meijninger等[5]在2002年首次将足迹理论应用到LAS的观测结果中，结合LAS的空间权重函数得到了大孔径闪烁仪足迹解析函数，彭谷亮等[27]基于欧拉解析方法在国内首次建立了适用于LAS区域测量的足迹模型。李阳等[14]、黄天宇等[19]采用通量加权法计算了南方红壤地区、科尔沁沙地LAS的气候学足迹并界定了源区内的下垫面类型。Li等[6]、Sun等[13]、Zhao等[15]分别在非均匀农田、高寒草地、沼泽湿地上研究通量的空间代表性，用源区分布解释了不同方法观测通量的差异及尺度效应。Valayamkunnath等[17]指出在地面使用LAS观测通量及分析其足迹，可用于验证中尺度气象或陆面模式模拟结果。

目前应用大孔径闪烁仪测量通量的研究结果多涉及农田、森林、城市等下垫面，在草原区向荒漠区过渡的荒漠草原上鲜有报道。荒漠草原是亚洲中部一个特殊的地带性植被类型[28]，主要分布在内蒙古高原和鄂尔多斯高原，气候干旱严酷，草层低矮稀疏，同时独特的地域过渡性使其极易受到外界干扰作用。前人用涡动相关系统、路面模式模拟等方法对内蒙古荒漠草原的显热通量及其影响因子进行过一些研究[29-32]，但用大孔径闪烁仪在该区域分析通量时空特征的研究尚未见发表。为此，本文基于大孔径闪烁仪，观测内蒙古荒漠草原区2021年生长季和非生长季的显热通量，同时结合气象站数据，研究荒漠草原区显热通量动态变化，确定所测通量在不同时期的源区分布并解释其空间代表性，为加深认识荒漠草原下垫面与大气间的热量传递规律，进而模拟区域更大尺度水热通量提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古包头达尔罕茂明安联合旗希拉穆仁镇境内(41°47′N，111°53′E)，属于中温带荒漠草原，地形平坦开阔，气候类型属于中温带半干旱大陆性季风气候，春冬季干燥多风，降水集中在7—9月，年均降水量为280 mm左右，蒸发量为降雨量的8倍多，年均温2.5℃，日照充足，年均日照总时数约3 200 h，春、冬季寒冷皆以西北风为主要风向，土壤类型为栗钙土，植被以多年生旱生禾草和杂类草为主，研究区主要植物种有克氏针茅(Stipakrylovii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 仪器和观测

在研究区内东北和西南处分别安装大孔径闪烁仪(LAS MKII,Kipp&Zonen,Holland)的发射器和接收器，其海拔分别为1 690 m和1 674 m，安装高度3 m，光径长度590 m，方向为东北—西南走向。在接收端同时安装空气温湿度传感器(HMP155,Vaisala,Finland)，LAS原始数据和温湿度数据同步用数据采集器(CR1000X,Campbell,USA)记录。

土壤墒情仪(智墒，东方智感(浙江)科技股份有限公司，中国)位于大孔径闪烁仪光程路径中点处，用于监测11层土壤温度及10层土壤含水量。自动气象站(PC-4型，锦州阳光气象科技有限公司，中国)架设于光程路径中点往东210 m处，记录仪每10 min自动记录1次气象数据，包括气温、湿度、降雨量、大气压、风速风向等。观测站点分布如图1所示(阴影区域每年6—8月会轮牧蒙古马)。

图1 观测站点示意图

1.3 研究方法

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(4)

(5)

1.3.2足迹模型分析原理 本研究使用FLEM(Flux footprint model for LAS and EC Measurement)模型进行通量源区分析，模型的可靠性已经众多学者试验验证[19,27,37-38]。该模型以适用于单点观测的全显式解析足迹模型为基础[39]，结合LAS沿光程路径方向的权重函数，构建LAS通量源区足迹模型[27]，其公式如下：

(6)

式中：fLAS为LAS的通量足迹函数；W(x)为LAS的空间权重函数；x1,x2分别为LAS发射端和接收端的位置；(x，y)为光径上各点坐标；(x′，y′)为光径上每个点的上风向各点坐标；zm为计算足迹高度。

FLEM足迹模型首先需要设定部分参数，包括观测高度、下垫面粗糙度、计算区域和分辨率大小、LAS发射端与接收端的位置及光径长度等，其次输入zm高度的风速、风向、摩擦速度、莫宁-奥布霍夫长度、侧风向湍流速度标准差等观测数据运行。本文选择1 000 m×1 000 m的区域来研究LAS观测显热通量的气候学足迹，网格分辨率设置为20 m，将计算出的各网格气候学足迹值从大到小排列，并依次逐个累加至所有网格总足迹值的A%，此时对应的足迹值定为A%源区等值线值，表示此范围是对通量观测值有A%贡献的区域。

1.4 数据处理

自动气象站的数据为10 min间隔计算平均后存储的值，由于有线传输过程及电源不足等会影响当时次的输出值，同样经过筛选、剔除、插补、平均后得到30 min步长的数据进行研究。用于计算显热通量的数据为每半小时一组，覆盖整个研究时期，仅有几小时由于仪器检修原因缺测，经过上述质量控制后共得到4 189组有效数据；其中取每小时整点(整点前半小时平均)的数据输入足迹模型用来分析通量源区，共有2 093组参数资料。

依据研究区当地实际植被生长状况，从研究时段中划分5，6，7，8，9月为生长季，10，11，12月为非生长季。数据整理与分析应用Excel进行处理，显热通量迭代计算通过LAS厂家自带的软件WINLAS实现，通量的变化特征和源区分布的制图分别在Origin和Surfer中实现。

2 结果与分析

2.1 荒漠草原区显热通量的变化特征

2.1.1显热通量的日变化特征 在荒漠草原生长盛季7月和8月分别选取三个典型天(晴天、多云和阴天)来研究显热通量的日变化情况，此阶段地表净辐射强度大，研究区植被生长旺盛，地—气间能量交换频繁，同时大气不稳定条件时间较长，可以充分揭示荒漠草原显热通量的日变化趋势，结果如图2所示。

图2 荒漠草原区3种典型天气下显热通量的日变化(a晴天，b多云，c阴天)

典型晴天(7月29日和8月12日)的显热通量在白天不稳定条件下的变化曲线比较平滑几乎没有波动，呈单峰型，即从大气转为不稳定状况开始，显热通量随太阳高度角的增大而升高，在13:00—13:30到达峰值，后又随太阳高度角的减小而降低；典型多云(7月27日和8月21日)天气条件下，显热通量的日变化受云层移动、遮蔽等的影响，比晴天复杂，变化曲线出现大的波动，呈多峰型，但各个峰值基本停留在正午前后；典型阴天(7月23日和8月24日)显热通量的日变化复杂程度进一步加深，曲线波动剧烈，似锯齿状，最大值和最小值的出现没有规律。除此之外，不同典型天气下显热通量的峰值大小不同：晴天(240～250 W·m-2)>多云(180～210 W·m-2)>阴天(70～160 W·m-2)。白天的累积交换量也是晴天(5.58 MJ·m-2，6.23 MJ·m-2)>多云(5.43 MJ·m-2，5.03 MJ·m-2)>阴天(2.10 MJ·m-2，3.03 MJ·m-2)，晴天的日峰值是阴天的近2倍，每平米下垫面累积多传递1倍多的热量，多云的特征情况介于两者之间。由此得出，显热通量的日变化特征在不同天气条件下存在明显差异。

2.1.2显热通量的月变化特征 对研究时段每个月内每天对应时刻的显热通量取平均值，得到代表该月的月平均日变化情况，图3是2021年研究区5—12月显热通量的月变化。其中5，7，8月显热通量的月均日动态曲线较其他月份波动大，5月峰值最大(281.45 W·m-2)，11月峰值最小(97.48 W·m-2)。月均显热通量由高到底依次为5月>6月>9月>10月>8月>7月>12月>11月，5月显热通量最大，从6—8月草原进入生长旺盛季节，显热通量峰值明显减小(180～230 W·m-2)，9，10月生长季结束，峰值小幅回升保持在190 W·m-2上下，但11月骤降至最小，12月出现一定回升，但不足140 W·m-2。造成各月份平均显热通量差异的原因是月份之间净辐射、天气状况和植被生长状况不同。

图3 荒漠草原区5—12月显热通量的月变化

2.1.3显热通量的季节变化特征 图4为研究区5月15日—12月31日在白天(大气不稳定状态)显热通量累积交换值的季节动态变化。整个研究时段显热通量的日累积值变化趋势明显，在春季(5月)日积值最大，平均7.24 MJ·m-2，峰值11.90 MJ·m-2(5月25日)，夏季(6—8月，生长盛季)通量累积值减小且波动明显，特别是在雨季，最小降至1.84 MJ·m-2(7月16日)，在生长季末(9月初)出现小幅度回升后，秋冬季(10—12月)继续持续下降，平均2.74 MJ·m-2，最小值0.66 MJ·m-2(11月15日)。总体来看，整个研究时期显热通量在不稳定状态的累积交换呈下降趋势，可能是净辐射和草原植被状况共同作用所致。

图4 荒漠草原区显热通量的季节变化

2.2 荒漠草原区显热通量的源区分布

2.2.1通量源区日变化 荒漠草原非生长季时风速、风向特征强烈，地表裸露空气动力学粗糙度较小，在这一时期随机选择阴(12月8日)、晴(12月11日)两天，研究风速风向、大气稳定度、天气条件等对源区日变化及日尺度上分布特征的影响。图5和图6分别是12月8日和12月11日的风向变化图与当天4:00，10:00，15:00，22:00通量源区示意图。

由图5可以看出，12月8日全天以西南风为主；12月11日白天均为西北风，夜间出现少许西南风。分析风速数据得出12月8日4:00，10:00，15:00，22:00的风速分别为2.77 m·s-1，3.50 m·s-1，4.03 m·s-1，2.10 m·s-1；12月11日同时刻测得的风速分别为3.43 m·s-1，3.10 m·s-1，6.07 m·s-1，2.43 m·s-1。进一步分析图6发现各个时刻的通量源区位置朝向都与该时段的风向一致，即12月8日各时刻源区分布在LAS光径的西南面，12月11日源区分布在光径的西北面。源区日变化从大气层结稳定的4:00到大气不稳定垂直湍流剧烈的10:00时，源区范围减小，15:00后湍流扩散减弱大气又从不稳定逐步恢复稳定，源区范围增加。可以看出，不论是典型晴天还是典型阴天，大气稳定层结时段的通量源区范围都明显大于不稳定时段(以90%通量源区面积为研究对象)。相对而言，风速对源区特征的影响不太明显。此外，晴天主风向垂直于LAS光径，相比之下阴天的风向与光径夹角较小，所以同时刻典型晴天的源区面积均大于典型阴天。

图5 典型天气风向的日变化

图6 通量源区日变化

2.2.2月尺度通量源区分布 图7是研究区5—12月的风向玫瑰图，由图7并结合风速数据可知，整个研究期存在西北和西南两个主风向，其中5,11,12月主要为西北风，7月主要为西南风，其余月份这两个风向频率相近，西北风在6,10月略多，西南风则在8,9月更甚。5—12的平均风速依次为5.79 m·s-1，4.04 m·s-1，2.79 m·s-1，2.89 m·s-1，3.23 m·s-1，3.42 m·s-1，4.85 m·s-1，4.76 m·s-1。

图7 研究区5—12月风向玫瑰图

利用研究区每月大气不稳定时段的观测数据，分别计算和分析荒漠草原区月尺度显热通量气候学平均足迹和源区分布特征(图8，表1)。与日尺度源区分布特征类似，受当月气象条件的影响，各月通量贡献区的位置和大小存在差异。源区的分布走向和形状与当月的风玫瑰图几近吻合，盛行西北风时，源区主要分布在光径西北侧且朝上风向延伸较远；盛行西南风时，源区呈东北—西南分布，风向直接决定足迹影响区域的方位。由表1可知，各月通量90%源区面积由大到小排列为：11月、5月、12月、10月、6月、9月、8月、7月。可以看出，从5月到12月源区范围(东西距离、南北距离、面积)从大到小再到大。一方面，当月盛行风向与光径夹角接近垂直时，能充分发挥LAS测量范围大的优势，源区面积较大；而当主风向与光径夹角较小时，LAS只能观测到光程附近的通量情况，贡献观测值的区域受限。另一方面，这期间下垫面植被从返青到盛花结实再到枯黄，导致植物高度和盖度等群落特征变化明显，地表粗糙度和零平面位移增加时也会影响源区面积使其变小。此外平均风速大的月份对应的通量贡献区域偏大。

表1 月尺度通量源区分布特征

图8 5—12月通量源区分布

2.2.3季尺度通量源区分布 依据荒漠草原植被生长荣枯节律，将研究期划分为生长季和非生长季，研究季节尺度下LAS观测通量的气候学足迹特征。由图9可知，生长季拥有西南和西北两个主风向(风频分别为39.4%，33.2%)，非生长季主要是西北风(风频54.6%)，结合风速数据可知，生长季平均风速为3.54 m·s-1，非生长季为4.26 m·s-1。

图9 研究区生长季和非生长季的风向玫瑰图

与日、月尺度通量源区分布规律相似，因两季气象条件、下垫面状况不同，通量来源有一定差异(图10)。生长季和非生长季都存在不少的西北向风，源区朝西北面垂直光径的一侧延伸尤其是非生长季，生长季由于还有西南风为主风向，使得源区存在西南方向的延伸并将闪烁仪的接收端所在区域包含，但整体面积小于更盛行西北风的非生长季时期。通过定量比较两个时期通量源区的大小(表2)，发现它们之间通量的空间代表性差异相较上述两种尺度有所减少，如月尺度中面积最多可相差71 000 m2(11月和7月)，距离最远相差103 m(5月和8月)，相比之下，非生长季比生长季的通量贡献区面积大30 000 m2左右，南北和东西方向远大约40 m。相对长时间的风速风向、植物群落特征、大气稳定程度等因素不一致，导致了两季的气候学足迹存在一定差异。

图10 生长季和非生长季的通量源区分布

表2 季节尺度通量源区分布特征

3 讨论

3.1 荒漠草原区显热通量的变化特征

对内蒙古荒漠草原区显热通量的变化特征分析对于理解该区域水热交换规律及进一步认识地气之间相互作用具有重要意义。本研究结果显示，晴好天气下研究区显热通量变化曲线呈显著单峰型日变化，这是因为日出后太阳高度角逐渐增大，伴随着到达地面的太阳辐射强度增大，在正午时达到最大后逐渐减小直到日落，白天太阳辐射强度决定了地面净辐射强度，作为地面水热通量的驱动因子[30]，显热通量的变化趋势和净辐射一致且峰值出现时间要滞后。多云天和阴天由于受到不同程度的云层遮蔽，变化无规律，且到达地面的太阳辐射减小，使得通量的整体数值小于晴天。整体而言，本研究显热通量在白天不稳定状态的变化特征和前人在内蒙古苏尼特左旗荒漠草原[29-32]及其他下垫面[6-8,11,14-15,19-22]的研究结果一致。

在月尺度上，显热通量的月均日动态差异明显，曲线在5，7，8月存在波动，这是因为5月只用了17天的数据得到月平均，代表该月时会存在误差，7，8月则由于降雨增多，频繁的阴雨天气提前或推迟了峰值出现时间，其他月份恢复正常则平均情况均呈明显的单峰状。5月的月平均显热通量是整个研究期最高的，因为在春季净辐射明显增加尤其是5月末逼近峰值[29,42]，此时研究区地表绿色植物刚开始返青，净辐射用于潜热交换的能量很小，大部分用于显热通量。6—8月草原进入生长旺季，尽管净辐射达到了全年的峰值，但下垫面植被生长旺盛，同时伴随一定降雨使得土壤水分含量升高，植物蒸腾和土壤表面水分蒸发消耗大量能量导致净辐射可分配的显热通量变小，这种情况前人在农田[43]、园地[44]和沙丘，草甸-下垫面[45]的研究也有发生，但本研究通量在7月就降到最小，8月已出现回升，因为在生长季虽然有降雨，但环境依然干旱，每年部分植物在立秋后就停止生长开始枯黄，使得植被的蒸腾作用相比于7月有所减小，显热通量占净辐射的比例增加。9，10月生长季结束显热通量的峰值继续小幅回升，此时潜热通量由土壤表面水分蒸发实现，到达地面的净辐射能量主要用于显热交换，不过净辐射此阶段也在迅速减小，所以此时的显热通量不能和5月相比。值得一提的是，在11月显热通量出现了骤降现象，这可能是因为11月6号研究区发生较大程度的降雪，新雪覆盖的地表反照率大幅提高[46]，使得处于下降趋势的净辐射变得更小，降雪之后的数天中积雪升华和融化会吸收地表热量，也是导致这个月显热通量异常小的缘故。12月以上两种情况有所缓解，平均通量又有回升。

整个研究期显热通量的季节变化和每月的情况密切相关。春季通量日累积值最大，夏季伴随集中降水和草原植物生长通量明显减小，生长季季末出现小幅回升后秋冬季继续持续减小，整体变化趋势和前人在同期的研究结果一致[19,29-30,47-48]。降雨和植被状况会影响显热通量的季节变化，但主导因子还是到达地面的净辐射，显热通量在季节尺度的动态和净辐射基本吻合[29-30,42]。

3.2 荒漠草原区显热通量的源区分布特征

为了深入分析荒漠草原上LAS观测的通量结果及其所代表的下垫面信息，使用FLEM模式计算研究区通量的实际气候学足迹分布情况。已有的众多研究表明，风速风向、大气稳定度、动力学粗糙度、仪器架设高度等影响观测值的足迹分布[27,37-38,43,49-53]，这是因为仪器观测到的通量来自于上风区域，除了观测仪器本身外，上风向大气条件，下垫面状况都会对所测值的源区造成影响。本文大孔径闪烁仪在观测高度3.2 m的位置固定，故主要结合气象条件等来讨论源区分布特征。首先从通量源区的日变化中可以看出，源区范围与当天大气条件和湍流强弱趋势变化一致，大气稳定度对源区范围起决定性作用，大气层结稳定时源区面积远大于不稳定情况，这是因为大气不稳定时，湍流运动强烈，物质垂直扩散快，造成光闪烁的湍流来自于LAS附近，所以通量源区面积小；大气稳定时，垂直湍流变弱，扩散缓慢，LAS测得的通量可以代表上风向更远区域，源区延伸扩大。风向则不仅决定通量源区的方位朝向，同时也控制着面积大小，在不同时间尺度上均能体现，足迹的位置朝向及延伸程度与风向及其频率保持高度一致，源区延伸较远的方向上的风频也较高，同时当主风向与光径垂直时可以充分利用整个光程去观测通量从而获得最大源区。风向和稳定度对足迹分布的影响较为关键，这同众多前人的观点一致[37,43,51]。蔡旭晖等[37]、朱明佳等[43]认为风速对通量源区的影响较小，本文在日、月尺度下通量源区对风速的响应不太确定，但平均风速更大的非生长季其气候学足迹分布更广。根据彭谷亮等[27]的研究，水平风速的加强能够提高水平输送能力从而使上风向更远处的通量被观测到。宫丽娟等[23]认为LAS的足迹对地面粗糙度很敏感，本文按照经验公式用植被高度对进行估算时存在较大误差，加之下垫面草层低矮稀疏，得到的影响结果可信度较低。不过风速和地面粗糙度通过影响大气层结来间接影响通量源区的分布，影响相对较小但不能忽略。分析不同时间尺度的通量源区分布，发现三种时间尺度下，通量源区按照东北—西南走向朝迎风向延伸的规律分布，而对观测值贡献50%的区域都集中在光程附近，源区范围朝上风向延伸的同时气候学足迹值在逐步减小。此外日尺度源区差异最明显，月尺度次之，季节尺度差异较小，这与前人的研究结果一致[14,19,43,53]，但本研究中源区差异整体偏小，和珠海城郊草地的实验结果相似[52]，可能也是草原下垫面平坦均一的的缘故。荣星星等[38]、周梅等[52]的研究表明大气不稳定条件下生长季的源区面积小于非生长季，本研究生长季西南风偏多、平均风速小以及下垫面植被生长等原因同样使得源区范围较非生长季小，但是与纪小芳等[49]的结论相反，可能是CO2通量在生长季贡献源较多的缘故。另外本文分析典型晴天和阴天的源区差异时认为主要原因是这两天的风向和光径夹角不同，王美媛等[54]就不同天气对源区如何影响做过分析，得出了晴天净辐射更强通量源区更大的结论，后续应该扩大典型数量去确定天气条件对通量源区分布的影响。

荒漠草原是草原生态系统中最旱生的类型，水资源匮乏，稳定性较差，开展水分和能量的观测研究很有必要，我们利用野外管理方便，空间代表性强的LAS来研究内蒙古荒漠草原与大气间的能量交换过程及所代表范围，有助于加深对该区域水热分配规律、传输特征的认识。再者，研究荒漠草原生态系统的地气间相互作用，尤其是荒漠草原下垫面对大气的反馈作用，对了解其在全球变化中的影响至关重要。本文仅使用大气不稳定状态下的数据对通量时空特征分析，提升了可靠性但代表性显然不足，利用更长的时间尺度研究全天显热交换过程是下一步的目标。

4 结论

荒漠草原区地-气间显热通量在晴天的交换强于多云和阴天，日变化曲线呈单峰型，在13:30左右达最大值，阴天的通量曲线复杂无规律。显热通量各月均变化曲线中5月的峰值最高，11月最低，6—8月曲线峰值明显下降，9月峰值小幅回升后继续持续下降。显热通量日积值季节变化明显，夏季波动较大，整个研究期呈下降趋势。LAS观测的通量源区按照东北—西南走向朝迎风向延伸分布，50%源区分布在光径附近，离光径越远单位区域贡献越小。通量源区日变化和大气稳定度变化趋势一致，大气稳定时源区范围明显更大，生长季期间源区面积小于非生长季，季节尺度源区差异较日、月尺度有所减小。影响通量源区分布的重要因素为大气稳定程度和风向，源区的位置朝向由对应风向和风向频率决定，面积大小受风向与光程的夹角控制，风速和粗糙度的影响较小但不能忽略。