西北干旱区绿洲系统小气候效应研究

摘要 西北干旱区绿洲具有特殊的小气候特征。以金塔绿洲为例，选用“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（2007—2010）”的“金塔高分辨率资料同化再分析产品数据资料”进行绿洲系统小气候分析，重点对绿洲与周边沙漠做平均日变化的比较，研究再现了中国西北干旱区绿洲小气候特征。结果表明：干旱区绿洲系统下垫面的非均匀性致使沙漠和绿洲受热增温幅度不同。沙漠气温日变化幅度较绿洲偏大。绿洲上空气温较周围沙漠低，湿度较沙漠大，绿洲表现出明显的冷岛、湿岛效应，这在模拟图上有很好的体现。此外，空气相对湿度的最低值出现在08：00，表现出夜间是水汽聚集过程，白天是水汽耗散过程。

关键词 干旱区；金塔绿洲；WRF模式；小气候效应

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）02–0102-03

戈壁沙漠等干旱区占据了全球近1/3的陆地面积。我国是世界上干旱较严重的国家，尤其西北地区地广人稀，资源丰富。面积不到干旱地区4%～5%的绿洲集中着该地区95%以上的人口，绿洲对我国西北干旱区人民生活和生产建设、维护社会和谐稳定、促进经济可持续发展具有重要战略意义。

我国科学工作者对绿洲的研究颇多，胡隐樵等[1]就在河西走廊地区对绿洲和沙漠边界层进行了多年的观测研究；张艳武等[2]对典型晴天下的绿洲小气候特征进行了细致的分析；苏从先等首先提出了绿洲的“冷岛效应”，同时有学者对绿洲小气候效應的数值模拟、观测与模拟比较等方面进行了研究[3]；文莉娟等[4]利用“金塔绿洲能量水分循环观测试验”的资料和中尺度数值模式，对绿洲小气候效应进行了17 d较长时间序列的研究，发现绿洲为高湿场，在绿洲边缘沙漠上存在逆湿和高水汽柱，既阻止沙漠上干热气流侵入绿洲，又防止绿洲上水汽的流失；高艳红等[5]使用非静力平衡中尺度模式MM5通过数值模拟研究了绿洲的冷岛效应和沙漠逆湿现象。

主要以金塔绿洲为例，使用中科院寒旱所“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（2007—2010）”中，金塔高分辨率资料同化再分析产品数据资料进行模式再现，对金塔绿洲内与周边沙漠进行物理量二维平面的平均日变化比较，从而分析绿洲系统的小气候效应，以期对绿洲地区人民的生活生产有所帮助，为合理保护和开发绿洲提供一定的科学依据。同时，为西部大开发、西北干旱区经济发展建设、维持经济生态可持续发展提供科学理论和实践指导。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域

金塔绿洲是西北黑河流域典型的灌溉农业区，位于98.39°E～99.08°E ，39.56°N～40.17°N之间，巴丹吉林沙漠西部，黑河中游沿岸，河西走廊中段北侧，面积约2 152 km2。

1.2 资料和方法

同化再分析数据是利用美国国家大气研究中心（NCAR）的中尺度天气预报模式WRF及其三维变分模块WRF-3DVar制作完成的。

在模拟时，同化了2008年夏季在金塔绿洲开展的“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4个自动气象站和2个气象梯度塔站的近地面2 m的气压、风速、风向、空气温度和空气相对湿度常规观测资料。

模拟时间段：2008年6月10日18：00至2008年8月5日18：00（世界时），间隔1 h一次结果输出，共1 345时次。

经纬度范围：经度98.488 4°E～99.188 2°E，纬度39.861 2°N～40.391 7°N；水平分辨率：空间水平网格分辨率1 km，模拟区域共为60 km×60 km。模拟区域为第三重嵌套网格区域。垂直分辨率：35层ETA层（NETCDF格式）：1.000，0.993，0.983，0.970，0.954，0.934，0.909，0.880，0.845，0.807，0.765，0.719，0.672，0.622，0.571，0.520，0.468，0.420，0.376，0.335，0.298，0.263，0.231，0.202，0.175，0.150，0.127，0.106，0.088，0.070，0.055，0.040，0.026，0.013，0.000。

19层气压层（GRADS格式）：1 000，950，900，850，800，750，700，650，600，550， 500， 450， 400， 350， 300， 250，200，150，100 hPa。

4层土壤：0～10、10～40、40～100和100～200 cm。输出气象要素信息：全部要素为112个，都是常用的气象要素。

选取绿洲点（40.025°N，98.9°E）和沙漠点（40°N，99°E）两点作为分析物理量平均日变化的绿洲和沙漠代表点。通过使用此同化再分析数据，对一天中00：00，06：00，12：00，18：00（北京时）每个时次做该点该物理量的2008年6月10日18：00至2008年8月5日18：00（世界时）的平均值，从而对该模拟区域内的物理量作二维平均态分析。

2 模拟结果与分析

2.1 温度场

根据2008年6月10日18：00：00至2008年8月5日18：00：00（世界时）地表温度分布的平均日变化资料可以看出，绿洲和周围沙漠地区的地表温度有明显差异，始终显现出金塔绿洲的轮廓。同时，沙漠的日平均地表温度值在一天中始终高于绿洲（图1）。沙漠的地表温度日变化较绿洲大，此温差沙漠达到35.12 ℃，而绿洲为17.04 ℃。绿洲与沙漠地面2 m处气温日变化的对比，绿洲显现出一个明显的冷岛（图2）。

根据模拟的地面2 m高处气温分布的平均日变化资料可知，白天，由于下垫面的热力非均匀性，绿洲近地面升温较慢，沙漠升温较快，导致绿洲与沙漠之间形成明显的温差。近地层大气温度变化要缓慢得多，远不如荒漠剧烈，说明绿洲上空大气湍流混合不强，热交换较慢。夜晚，地面向大气放热，沙漠温度降低较快，直至低于绿洲，从而使得绿洲成为一个暖中心，同时由模拟的850 hPa气压层空气温度可以看出，白天绿洲是一个冷中心，夜晚绿洲是一个暖中心。土壤温度的最低值出现在08：00，而后温度不断上升，至14：00达到最大值，这是由于日间绿洲林地吸收太阳辐射、林冠的散射反射，此时沙漠土壤温度与绿洲相差最大，达15 ℃以上。

2.2 湿度场

图3表示模拟的2008年6月10日18：00：00至2008年8月5日18：00：00（世界时）土壤温度分布的平均日变化。可以看出绿洲的土壤湿度要比周围沙漠地区湿度明显偏大。且一日之内沙漠和绿洲的土壤湿度都几乎未变。沙漠土壤湿度平均为0.05，绿洲土壤相对湿度平均为0.26。图4可以看出下垫面的土壤类型的不同，土壤湿度差异明显。随着白天植被持续蒸发，绿洲内水汽不断向上输送，近地面水汽不断增加，土壤水汽减少。

图5表示模拟的近地面空气相对湿度，可以看出，水汽的峰值和温度的峰值不一致，近地面水汽的最大值出现在08：00，说明夜晚是水汽的聚集过程，而白天是水汽耗散过程。整体来看，绿洲上空相对湿度始终比沙漠大，从850 hPa

形势场上来看，14：00绿洲上空出现一个湿中心。根据模拟的绿洲与沙漠地面2 m处空气相对湿度资料可知，在08：00差值达到最大，说明夜晚绿洲的水汽聚集在08：00达到最大。

2.3 风场

根据10 m高处水平风速资料可以看出，绿洲对其上空的风速明显形成一个减弱区。图6为40°N的w垂直剖面图，02：00，绿洲上空近地面为大面积正值区（图6a），为上升气流，出现了一个0.18 m/s的最大值，中层500 hPa气压层出现了较小的正值，表示上升气流很弱，绿洲两侧为负值区，下沉气流。图6b显示08：00在绿洲西侧的沙漠上空出现了一个w大值中心，绿洲上空近地面上空气流减弱，并且其上空500 hPa左右中层开始出现负值区，表明此时太阳加热地表、由于沙漠地区温度上升较快，与绿洲的温差越来越大，所以开始形成沙漠—绿洲之间的沙漠风。14：00明显看出，沙漠上空为正值区，上升气流，绿洲上空为负值区，下沉气流，在500 hPa左右气压层为平直输出（图6c）。至20：00，沙漠辐射降温较快，又使绿洲成为热岛，绿洲上空逐渐形成上升氣流，周围沙漠上空为下沉气流，即夜晚的绿洲风（图6d）。结合500 hPa气压层散度和850 hPa气压层散度资料可知，02：00低层850 hPa气压层绿洲上为散度负值区，有辐合，500 hPa气压层绿洲上为正值区，有辐散。与此同时，在沙漠地区，低层辐散、高层辐合易形成局地环流，即绿洲吹向沙漠的绿洲风。14：00与之相反为沙漠吹向绿洲的沙漠风。

3 结论

使用金塔观测资料同化WRF三维变分模式而得的再分析产品，通过对数据平均到日，和在沙漠和绿洲内各选取一点作为比较的代表，对金塔绿洲小气候特征进行了分析。结果表明：

（1）气温、相对湿度的平均日变化图上可以看出绿洲较周围沙漠是一个冷湿中心，绿洲上空气温较周围沙漠低，湿度较沙漠大，绿洲的冷岛、湿岛效应得到很好的体现。随太阳辐射增强，地表温度和土壤温度增大，但模拟区域的下垫面非均匀性，沙漠较绿洲温度升高得快，致使沙漠与绿洲的地表温度，土壤温度差增大，使绿洲相对沙漠成为一个冷岛。

（2）水汽的峰值和温度的峰值不一致，近地面水汽的最大值出现在08：00，说明夜晚是水汽的聚集的过程，而白天是水汽耗散的过程。整体来看，绿洲上空的相对湿度比沙漠大。这又使绿洲形成一个湿岛。

（3）白天绿洲是一个冷岛，沙漠上空上升气流强盛，经高空输送，到绿洲上空变为下沉气流，绿洲的上升水汽遇阻在高空形成逆湿，夜间则相反，由此造成了绿洲与周边沙漠地区热量和水汽的局地环流。

参考文献

[1] 胡隐樵，王介民.干旱地区边界层物理和我所边界层物理研究的回顾[J].高原气象，1989（2）：133-138.

[2] 张艳武，冯起，吕世华，等.额济纳绿洲夏末典型晴天小气候特征分析[J].高原气象，2005（4）：516-521.

[3] 苏从先，胡隐樵，张永丰，等.河西地区绿洲的小气候特征和“冷岛效应”[J].大气科学，1987（4）：390-396.

[4] 文莉娟，吕世华，孟宪红，等.夏季绿洲气候效应的观测和数值模拟[J].气候与环境研究，2008（3）：300-308.

[5] 高艳红，吕世华.不同绿洲分布对局地气候影响的数值模拟[J].中国沙漠，2001（2）：108-115.

责任编辑：黄艳飞

Study on Microclimate Effect of Oasis System in Northwest Arid Area

Xu Hai-fang （Gansu Meteorological Equipment Company， Lanzhou， Gansu 730030）

Abstract Oasis in northwest arid area has special microclimate characteristics. Took Jinta Oasis as an example， the “Jinta High Resolution Data Assimilation Reanalysis Product Data” of “Observation and Theoretical Research on Energy and Water Exchange and Boundary Layer Process of Heterogeneous Underlying Surface of Oasis System （2007—2010）” was selected to analyze the microclimate of the oasis system， focused on the comparison of the average daily change between the oasis and surrounding desert， and the study reproduced the characteristics of the oasis microclimate in the arid region of northwest China. The results showed that the inhomogeneity of the underlying surface of the oasis system in the arid area results in the difference in the extent of heat increase between the desert and oasis. The daily variation range of desert temperature was larger than that of oasis. The air temperature on the oasis was lower than that of the surrounding desert， and the humidity was higher than that of the desert. The oasis shows obvious cold island and wet island effects， which were well reflected in the simulation diagram. It was also found that the lowest value of air relative humidity appears at 08：00， which shows that at night it is a process of water vapor accumulation and at daytime it was a process of water vapor dissipation.

Key words Arid area; Jinta Oasis; WRF mode; Microclimate effect

作者简介 许海芳（1992—），女，甘肃民勤人，助理工程师，主要从事气象预报、气候预测、气象信息化研究。

收稿日期 2022-12-09