全 文 ：第 25卷第 10期
2005年 10月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.10
Oct.,2005
夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动
张 强1,2,王 胜1
(1.中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州 730020;
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州 730000)
基金项目:国家科技部"西部开发科技行动"重大资助项目(2004BA901A16);国家自然科学基金资助项目(40233035);国家重点基础发展规划资
助项目(G1998040904-22)
收稿日期:2004-06-31;修订日期:2004-09-10
作者简介:张强(1965～),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事大气边界层、陆面过程研究。E-mail:zhangq@gsma.gov.cn
致谢:胡泽勇副研究员、卫国安研究员和侯平女士等参加了资料观测和整理,在此谨表谢意
Foundationitem:"theScientificActioninChineseWesternDevelopment"ofTheMinistryofScienceandTechnologyofChinaMajorProject
(No.2004BA901A16);NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40233035);theNationalKeyProgrammeforBasicSciences(No.
G1998040904-2)
Receiveddate:2004-06-31;Accepteddate:2004-09-10
Biography:ZHANGQiang,Professor,mainlyengagedinatmosphericboundarylayer,landsurfaceprocess,oasismeteorologyandatmospheric
environmentofcity.E-mail:zhangq@gsma.gov.cn
摘要:利用观测试验资料,对比分析了夏季典型晴天敦煌绿洲与周围荒漠戈壁背景地表过程的差异,揭示了绿洲生态系统对干
旱区荒漠背景地表过程的扰动特征。结果表明:绿洲地表净辐射日平均要高出周围荒漠戈壁背景 60W/m2以上,约占绿洲净辐
射的 1/4以上。对绿洲高出的净辐射贡献最大的是绿洲相对低的地表长波辐射,其次是较高的太阳总辐射。而绿洲相对较低的
大气长波辐射对高出的净辐射有较大的负贡献,特别是地表反射辐射也有很小的负贡献。绿洲高出的地表净辐射主要贡献于加
强潜热和地热流量,还有一部分被绿洲地表能量不平衡差额所占,它实际上可能由一般地表热量平衡所不考虑的垂直热量平流
来输送。而绿洲明显低于荒漠背景的感热通量则节省了一部分净辐射能量。
关键词:绿洲;荒漠戈壁背景;地表能量过程;辐射平衡;扰动
文章编号:1000-0933(2005)10-2459-08 中图分类号:Q148 文献标识码:A
Thecharacteristicsofspatialdisturbanceofsurfaceprocessesinoasisonthe
backgroundofdesert
ZHANGQiang1,2,WANGSheng1 (1.GansuProvinceKeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterInstituteof
AridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou,730020,China;2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineering
ResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China).ActaEcologicaSinica,2005,25(10):2459～2466.
Abstract:ItismaincharacterinaridareainnorthwestChinathatdesertandgobiareessentiallandscapeandtheoasesare
interspersed.DesertandGobieffectoases,atthesametimethedesertandgobialsoareeffectedbyoases.
Usingtheobservationaldatain"theFieldExperimentonLand-atmosphereInteractionoverAridRegionofNorthwest
China"carriedoutinDunhuangofGansuProvince,thedifferencesbetweenthesurfaceenergyprocessesinoasisandthosein
thenearGobiareanalyzed,andthecharacterofspatialdisturbanceofsurfaceenergyprocessesinOasiseco-systemontheGobi
Backgroundwerediscovered.Asaresult,itisshownthatthemeannetradiationfluxonoasisis60W/m2higherthanthatin
nearGobi,andthemarginvalueisone-fourthofmeannetradiationfluxonoasis.Thepeakvalueofeffectivelong-wave
radiationislower88W/m2anditsaveragevalueislower35W/m2onaday.Themostimportantcontributionofthemargin
valueislowersurfaceupwardlong-waveradiationfluxonoasis,is58.3%;thenextishigherglobalsolarradiationoveroasis,
is42.7%;lowerdownwardlong-waveradiationfluxonoasisisaoppositecontributiontothemarginvalue,anditis
unexpectedthatthesurfacereflectedradiationfluxonoasiscontributeabitoppositetothemarginvalue.
ThelatentfluxonoasisistentimesandthesoilheatfluxisthreetimesashighasthoseonGobi.
===================================================================
Butthesensibleheat
fluxisaboutlower50% thanthatinthenearGobi.Inthesurfaceheatbudgetonoasis,themarginvalueonoasismainly
distributestoenhancingthelatentheatfluxandgroundheatfluxinoasis,anditssurplus,whichincludeswhatlowersensible
heatfluxoveroasisthanthatonthenearGobicontributes,isoccupiedbythesurfaceheatenergybalanceonoasis.The
balancemaybecausedbytheverticalheatadvectionflux,whichisalmostabsentonitssurroundingsofGobiandthecommon
region.
Now,weknowthatlowalbedo,lowsensibleheatandhigherlatentheatischaracteronoasisbycontrastwiththaton
Gobibackground.Thesecharacteristicsareimportanttomaintaintheoasiseco-system.Butsuchhighlatentheatmeanstoo
highevapotranspirationontheDunhuangoasisanditisshowfrom othersidethattheeco-system ontheoasisisweak.It
remindusweshouldprotectoureco-systemandenvironment.
Keywords:oasis;backgroundofGobi;surfaceenergyprocesse;radiationbudget;spatialdisturbanc
在我国,干旱区和半干旱区占国土 40%左右的面积,其中西北干旱区是范围最广、干旱最严重的干旱区之一。我国西北干
旱区最大的景观特点是山地-绿洲-荒漠构成以水连接的自然环境有机链条,其地理特点为周围高山,山下平原地区是广泛分
布的荒漠或戈壁,并有片片绿洲点缀其中。粗略估计,该地区绿洲面积总和不到干旱区总面积的 1/10。所以,西北干旱区的背景
下垫面即下垫面基质是植被极其稀少的荒漠戈壁,绿洲只是小尺度斑点即下垫面异质。它们构成了以荒漠为景观基质、以绿洲
为景观镶嵌的基本地表面格局[1]。
由于干旱地区特殊的植被分布和土壤性质,其地表反照率和表面能量的分配过程都有别于其它地区,这使得表面辐射通
量、热量通量和物质通量(主要是水分)也会与其它地区很不相同,由此,形成了该地区特有的地-气交换过程。
一般认为荒漠戈壁基本代表了西北干旱区主要的地表类型,所以以往对荒漠戈壁表面能量和物质输送已做了比较多的研
究,并且已经对荒漠戈壁下垫面地气交换过程取得了最基本的认识[2～6]。不过,不仅从本地区生态环境和农业生产角度讲明显
有异于荒漠戈壁背景的绿洲地表能量和物质输送不应该被忽视,而且绿洲特殊的地表物质和能量输送过程可能还会影响西北
干旱区地表对大气的总体作用效果。过去,对绿洲的研究主要集中在其小气候特征方面[7,8],虽然也曾做过一些少量的绿洲地表
能量输送研究[9～11],但还很不够完整,尤其是以往很少有与荒漠戈壁背景的研究结果同步对应的系统性工作。所以,目前对绿
洲与周围荒漠戈壁背景之间地表能量和物质输送的差异以及绿洲地-气输送在荒漠戈壁背景上的空间扰动特征均还缺乏比较
全面而客观地认识。
相对而言,晴天天气条件下,绿洲与荒漠戈壁背景地表能量和水分输送的差异最能体现绿洲异质引起的表面过程空间扰动
的本质特征。它既去除了天气过程和降水引起的迭加波动,也体现了该地区多晴少云的气候特征。
以往,在干旱区进行了一些观测试验[12],但要找出真正在绿洲和周围荒漠背景上观测项目同时都齐全的、保证精度的、时
间连续的、远离降水的晴天资料却不并容易。2000年 5月 25日～6月 17日在甘肃敦煌开展的"西北干旱区陆-气相互作用野外
观测试验"的加强观测(IOP)(简称"敦煌试验")[10]为这一目标做了一些技术上的努力。
所以,本文试图用该试验在远离降水过程的典型晴天观测资料,比较分析绿洲系统地表过程在干旱荒漠背景上的空间变化
特征,以研究绿洲分布对整个西北干旱区地表过程的影响。
1 观测试验介绍
"敦煌试验"在敦煌绿洲附近的戈壁滩上设置了一个微气象综合观测站,在敦煌绿洲设置了一个 PAM(Portable
AtmosphericMosonet)站、在绿洲和戈壁之间的过渡带设置了一个自动气象站(AMS),这 3个站的分布概况如图 1所示。本文
分析的资料是设在绿洲的 PAM站和双墩子戈壁微气象中心站的观测资料。这两个站均有比较完整的地表过程观测。
绿洲 PAM 站位于 40º9N、94º41E,地表海拔高度为 1140m,地处敦煌绿洲东部的敦煌市气象局内,仪器架设在该局常规
观测场内。观测场地十几米以内为平坦稀疏短草地,以外为大片农田(以棉花地为主),再远处各个方向不同距离处(大约在几百
米)为居民区和城市建筑。双墩子戈壁微气象站位于 40º10N和 94º31E,地表海拔高度为 1150m,处在敦煌绿洲西侧的双墩子
戈壁滩上,其距敦煌绿洲边缘的最近距离大约为 7km,观测场地为平坦的沙石戈壁(表面有较多石子,下面主要以细沙为主)。敦
煌地区地表年平均大气压为 873mb,年平均降水大约为 39mm,年蒸发潜力高达 3400mm。农业和生活用水基本靠上游山区径流
和机井抽取的地下水。该观测站以东风为主,一般占到 50%以上。
PAM站是目前国际上最新型的微气象综合观测系统,该站不仅在 9.8m高处有一层三向风速观测,而且在 7.8m和 2.3m
分别有两层温度和湿度平均量观测。并且,在 5.6m高处有风、温、湿度脉动观测。由此,可以得到风、温、湿度平均量的梯度和各
种脉动量的统计量(包括各种湍流通量)。另外,还有地表各辐射分量观测,地表温度和 5cm深处的地热流量观测,以及 6层土
壤(5、10、20、40、80、180cm深)温度和湿度观测。观测系统记录的是 10min平均的统计资料。
0642 生 态 学 报 25卷
图 1 敦煌绿洲及观测站的地理位置
Fig.1 ThedistributionmapofobservationalstationsinDunhuang
oasis
戈壁微气象站主要有铁塔的风、温、湿梯度观测,地表辐射分量观测,地表和土壤温度观测,土壤热流量观测,风、温、湿脉动
超声观测。铁塔的风、温、湿梯度共有 4层,分别在 18、8、4、2m高,并在 10m高处有风向观测;辐射分量有直接辐射、总辐射、反
射辐射、大气向下长波辐射、地表向上长波辐射,它们安装在约 1.5m高的架子上;地表有 3个温度感应头,互为 120º角;土壤温
度共 6层,其深度分别为 5、10、20、40、80、180cm;土壤气湿感应头在 20、40、80cm3个深度;土壤热流板在 2.5和 7.5cm两个深
度;超声仪器的感应头在距地 2.9m高处,该站给出的是每小时统计平均资料。
辐射分量的观测精度在 5%以内,其它仪器的观测精度与文献[13,14]介绍的相当。本文的时间是敦煌地方时,比北京时晚 1h
42min。
2 资料处理
在观测后对"敦煌试验"的观测资料整理和分析发现,只有 2000年 5月 29日的观测资料比较符合本文研究所要求的绿洲
和周围荒漠背景上观测项目同时都齐全、保证精度、时间连续、远离降水的条件。在实际分析时把 PAM站 10min平均的资料平
均成每小时平均资料。
地表短波反照率 α表示为:
α= Rr/Rt (1)
式中,Rr是短波反射辐射,Rt是太阳总辐射。地表湍流垂直动量通量 τ、感热通量 Z、潜热通量 [\可以用涡旋相关法来计
算[15]:
τ= ]^2_ = ]((‘a^a)2b ‘aca)2)1/2 (2)
d= ]ef‘aga (3)
[\d= ][‘aga (4)
式中,]是空气密度,ef是定压比热,[蒸发潜热,它们都是常数;‘a^a、‘aca、‘aga、‘aha均是风、温、湿脉动量的统计量,由观
测系统直接处理输出。地表长波有效辐射 Rij的计算公式为:
Rij= Rkl^tm Rnop (5)
式中,Rkl^t和 Rkpt分别是地表向上长波辐射和大气向下长波辐射。地表能量平衡差额 Rq的计算公式为:
Rq= Rpm d m [\m dr (6)
式中,Rp是净辐射,dr是地热流量,均由观测得到。
s 结果分析
由于绿洲与其周围荒漠戈壁背景的植被分布和土壤性质差
异,其地表反照率必然不同于荒漠背景。图 2是敦煌绿洲与邻近
荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表反照率日变化的比较。
图 2a表明,绿洲和荒漠戈壁的地表反照率均早、晚大,中午小,
这反映了太阳高度角对反照率的影响。但它们之间的日变化差
别很明显的。绿洲和荒漠戈壁的反照率在中午很接近,但是在其
它时候却差别很大,最大能相差 0.017,平均相差 0t01。如果认
为荒漠戈壁的反照率表现的是裸露干沙土的特征,绿洲反照率
与其差别则反映了绿洲土壤湿度和植被分布对反照率的影响。
很显然,中午蒸发强烈,绿洲表面土壤湿度与荒漠戈壁差别比较
小,而其它时候相差较大。
图 3是敦煌绿洲与临近荒漠戈壁地表夏季典型晴天(5月
29日)太阳总辐射(a)和大气向下长波辐射(b)日变化的比较。很
显然,绿洲和荒漠戈壁的太阳总辐射都比较大,白天峰值都在
1000u/m2左右,这是在同纬度其它地方很少见到的,这说明该
地区太阳辐射的背景值本身就很大,这与该地区的晴朗少云有
关。并且,大多数时候绿洲的总辐射还要超过荒漠戈壁背景的
值,这是由于绿洲上空大气浑浊度比荒漠地区小[16],从而对太阳
辐射的削减较少的原因。大气长波辐射则正好相反,由于绿洲比
荒漠戈壁的地表温度低和大气输送能力弱[17],绿洲低层大气温
度比荒漠戈壁的低,因此绿洲地表向下的大气长波辐射总是要
164210期 张 强等:夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动
图 2 敦煌绿洲与临近荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表反照
率日变化的比较
Fig.2 Diuralvariationofalbedoinoasisandneargobiunderthe
cleardayinsummer
比荒漠戈壁的值稍小一些。
通过对荒漠戈壁背景与绿洲太阳总辐射和大气长波辐射的
绝对差和比值(差值:绿洲的-戈壁的;比值:绿洲的/戈壁的。下
同)的分析表明,绿洲的太阳总辐射最大超过荒漠戈壁背景值
130W/m2,白天平均超过 63W/m2即 10%左右。向下大气长波
最大低于荒漠戈壁背景值 54W/m2,全天平均低于 21W/m2即
6%左右。绿洲地表接收的入射辐射与荒漠戈壁背景相比总体明
显要高,全天平均值而言,绿洲比荒漠戈壁背景地表平均多接收
了约 8W/m2的入射辐射通量。
图 4是敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表
反射辐射(a)和地表向上长波辐射(b)日变化的比较。虽然绿洲
地表反照率小于戈壁的,但由于绿洲入射太阳总辐射比荒漠戈
壁背景的大,所以很多时间绿洲地表反射辐射还是要稍大于荒
漠戈壁背景的,这是预先所没有想到的。但绿洲地表向上长波辐
射却比荒漠戈壁背景小得多,而且全天都如此。因此,绿洲地表
总体的出射辐射还是要明显比周围荒漠背景少。
图 3 敦煌绿洲与临近荒漠戈壁地表夏季典型晴天(5月 29日)太阳总辐射(a)和大气向下长波辐射(b)日变化的比较
Fig.3 Comparisonofdiurnalvariationofglobalradiation(a)anddownwardlong-waveradiationundercleardayinDunhuangoasisandthat
innearGobi
绿洲与荒漠戈壁背景地表反射辐射的最大差值为 32W/m2,白天平均差值为 8W/m2。绿洲与荒漠戈壁背景地表长波辐射
的最大差值为-90W/m2,全天平均差值为-56W/m2。绿洲地表反射辐射最大高出荒漠背景 14%,白天平均高出 2%;而地表
长波辐射最大低于荒漠背景 17%,全天平均要低 12%。绿洲出射辐射与荒漠戈壁背景值相比总体是失大于得。平均值而言,绿
洲比荒漠戈壁背景少释放了 52W/m2的出射辐射通量。
图 5是敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表净辐射(a)和长波有效辐射(b)日变化的比较。戈壁与绿洲的净
辐射都比较高,白天峰值都在 500W/m2左右,绿洲最大超过了 500W/m2。虽然夜间戈壁与绿洲的净辐射相当,但白天绿洲的净
辐射要比荒漠戈壁大得多,在背景空间上净辐射在绿洲明显凸出。绿洲地表长波有效辐射无论白天还是夜间都明显小于荒漠戈
壁背景值,它是绿洲地表出现高净辐射的最主要贡献者。
图 6表明,绿洲地表净辐射最大高出荒漠戈壁背景 150W/m2以上,白天平均高出 110W/m2左右,全天平均高出 60W/m2
左右,日积分值高出 5.23MJ/d,占净辐射本身的 1/4。地表长波有效辐射最大低于荒漠戈壁背景 88W/m2左右,全天平均低
35W/m2左右。可见绿洲净辐射超额的 58.3%是低长波有效辐射的贡献,剩余 41.7%左右是短波辐射的贡献。绿洲与荒漠戈壁
背景地表净辐射和长波有效辐射的平均比值约为 1.2和 0.77,比值的极值分别为 1.52和 0.56。可见,绿洲的净辐射很强,这说
明绿洲生态系统具有保障植物光合作用的辐射资源,有很好的农业生态潜力。所以只要有一定的水资源保障,绿洲生态系统的
生产力一般比较大。这在一定程度上解释了绿洲农田高产的原因。
2642 生 态 学 报 25卷
图 4 敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表反射辐射(a)和地表长波辐射(b)日变化的比较
Fig.4 Comparisonofdiurnalvariationoftheoutgoingradiation(a)andlong-waveradiationundercleardayinDunhuangoasisandthatin
thenearGobi
图 5 敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表净射辐射(a)和长波有效辐射(b)日变化的比较
Fig.5 Comparisonofdiurnalvariationofnetradiation(a)andeffectivelong-waveradiationundercleardayinDunhuangoasisandthosein
thenearGobi
图 6 敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)地表净射辐射和长波有效辐射的差值 (a)和比值(b)日变化的比较
Fig.6 Comparisonofthediurnalvariationofthedifference(a)andtheratio(b)ofthenetradiationandeffectivelong-waveradiationin
DunhuangoasisandthoseinthenearGobiunderclearday
364210期 张 强等:夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动
图 7 敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)感热通量(a)、潜热通量(b)和地热流量(c)日变化的比较
Fig.7 ComparisonofdiurnalvariationofsensibleheatfluxlatentheatfluxandsoilheatfluxundercleardayinDunhuangoasisandthose
inthenearGobi
图 8 敦煌绿洲与荒漠戈壁夏季典型晴天(5月 29日)感热、潜热和
地热流量差值(a)日变化的比较
Fig.8 Comparisonofthedifferenceofdiurnalsensibleheatflux
(a),latentheatflux(b)andsoilheatflux(c)undercleardayin
DunhuangoasisandthoseinthenearGobi
图 7是敦煌与荒漠戈壁绿洲夏季典型晴天(5月 29日)感热
(a)、潜热(b)和地热流量(c)日变化比较。显而易见,绿洲与荒漠
戈壁背景的热通量差别很大,其中潜热通量差别最明显,感热通
量次之。绿洲潜热最大约为 137W/m2,而荒漠戈壁背景最大只
有 17W/m2,相差一个量级;绿洲地热流量也比荒漠戈壁背景的
大 得 多,绿 洲 峰 值 约 为 175W/m2,而 荒 漠 戈 壁 背 景 仅 为
66W/m2;绿洲感热却比荒漠戈壁背景的小得多,绿洲峰值最大
约为 226W/m2,而荒漠戈壁背景的高达 400W/m2。
图 9 敦煌绿洲夏季典型晴天地表辐射分量对绿洲地表净辐射高出部分的贡献(a)和绿洲地表净辐射高出部分给绿洲地表热量通量分量的
分配(b)
Fig.9 Thecontributionofsurfaceradiationfluxestomarginvalueofsurfacenetradiationonoasis(a)andthedistributionofthemargin
valueofnetradiation(b)
图 8给出戈壁与绿洲地表热通量的差值,可以看出,绿洲感
热通量最大低于荒漠戈壁背景值 212W/m2,全天平均低
42.0W/m2;潜热通量和地热流量则最大分别高于荒漠戈壁背景
值 125和 110W/m2,全天平均值分别高出 49和 14W/m2。绿洲
的潜热一般是荒漠戈壁背景的 10倍,地热流量一般是荒漠戈壁
背景的三倍,而感热是荒漠戈壁背景的一半左右。总体而言,绿
洲比荒漠戈壁背景全天平均多利用了 22W/m2的辐射能用于加
热大气或土壤,这种热量输送特征保证了绿洲有较充足的热量
资源,为农业生产特别含糖量较高的瓜果内作物提供了很好的
4642 生 态 学 报 25卷
生产条件。
图 9是敦煌绿洲夏季一个典型晴天地表辐射分量对绿洲地表净辐射高出部分的贡献(图 9a)和绿洲高出的地表净辐射给
绿洲地表热量通量分量的分配(图 9b)。很清楚,绿洲太阳总辐射和地表长波辐射对高出的净辐射为正贡献,日积分值贡献分别
为 2.51和 4.81MJ/d,贡献率分别为 48%和 92%;绿洲反射辐射和大气长波辐射对高出的净辐射为负贡献,日积分值贡献强度
分别为-0.37和-1.73MJ/d,贡献率分别为-7%和-33%。绿洲高出的净辐射主要用于加强潜热通量和地热流量,分别占了
净辐射高出部分的 82%和 24%,绿洲低的感热通量反而节省出了相当于净辐射高出部分的 70%的热量。这样,似乎还有 64%
的超额净辐射没有被利用。这表明在绿洲或戈壁可能存在通常所说的地表能量不平衡。
图 10 敦煌绿洲和戈壁夏季典型晴天各地表能量不平衡差额的日
变化比较
Fig.10 Comparisonofthediurnalvariationofresidualsurface
energyundercleardayinDunhuangoasisandthatinthenearGobi
图 10给出了戈壁与绿洲地表能量不平衡差额。可见,绿洲
总是有比较多的剩余净辐射能,存在明显的地表能量不平衡差
额,最高达 132W/m2,日平均值为 46W/m2。而荒漠戈壁背景波
动性的地表能量不平衡差额总是在 0上下波动,其日平均值仅
为 8W/m2。
如果认为荒漠戈壁背景波动性的少量地表能量不平衡差额
是由于观测误差引起,但出现在绿洲的具有与热通量同量级的
系统性地表能量不平衡差额就不能接受同样解释了。很可能还
有除大气垂直湍流扩散和土壤热传导等其它输送方式在近地面
层能量分配过程中起作用。可以想到的因素有中尺度引起的垂
直平流输送,这在一般地表能量平衡过程中不考虑。
4 结论和讨论
敦煌干旱区太阳总辐射的背景值比较大,其峰值在 1000
W/m2附近,这明显高于同纬度其它地区的。
绿洲与其周围荒漠戈壁背景相比,绿洲入射太阳总辐射要
高出荒漠戈壁背景一些,而且反照率也较小,所以地表吸收的太阳辐射要明显比周围荒漠戈壁多;虽然大气向下长波与地表向
上长波辐射都明显比荒漠戈壁背景值低一些,但在地表向上长波辐射主导下,长波有效辐射要比荒漠戈壁背景值低即绿洲地表
长波辐射过程中损失的能量要比周围荒漠少。这两个缘故造成绿洲地表净辐射明显高出荒漠戈壁背景值,全天平均高出
60W/m2,是净辐射本身的 1/4左右。
绿洲地表超额净辐射的 58.3%是由绿洲较低长波有效辐射贡献,42.7%是由绿洲较高太阳总辐射和低反照率的贡献。从
另一个角度看,绿洲地表比荒漠戈壁背景全天平均多接受了约 8W/m2的入射辐射通量,占绿洲地表净辐射高出部分的
13.3%;并且少发射了 52W/m2的出射辐射通量,占绿洲地表净辐射高出部分的 86.7%。总体以出射辐射的贡献为主。
与荒漠戈壁背景相比,绿洲潜热通量高出 10倍,地热流量高出 3倍,而感热通量则低 1倍。绿洲的净辐射高出部分在热量
分配中,主要用于增加潜热和地热流量,分别占了超额净辐射的 82%和 24%;较低感热通量反而节省出了相当于净辐射 70%
的能量。
有一多半的超额净辐射似乎并没有被地表热量通量利用,这是由绿洲地表能量不平衡所造成的。造成绿洲较大地表能量不
平衡的原因很可能是绿洲近地层大气可观的垂直速度对热量输送所作的贡献,而这正是一般地表能量平衡过程所忽视的。
绿洲很强的净辐射和较大的地热通量保证了绿洲有较充足的光合作用所需要的辐射资源和糖分积累所需要的热量资源,
这为农业生产特别含糖量较高的瓜果内作物提供了很好的生产条件。
另外,绿洲与其荒漠戈壁背景相比表现出低反照率、低感热和较高潜热的特点,这对绿洲系统的稳定维持起着非常重要的
贡献。但敦煌绿洲过高的潜热意味着较大的蒸散,这从另一方面说明敦煌绿洲的生态系统的比较脆弱[18,19],这也是应该警惕
的。
本文分析的资料样本受到了客观限制。希望在以后的类似观测中能针对这一问题获取更丰富的资料样本。
References:
[1] ChengGD,XiaoDN,WangGX.OnTheCharacteristicsAndBuildingOfLandscapeEcologyInAridArea,AdvanceinEarthSciences,
1999,14(1):11～15.
[2] HuYQ,YangXL,ZhangQ.ThecharactersofenergybudgetontheGobianddesertsurfaceinHexiregion,ActaMeteorologica.
Sinica,1992,26(1):82～91.
564210期 张 强等:夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动
[3] WangJM,MitsutaY.TurbulencestructureandtransfercharacteristicsinthesurfacelayeroftheHEIFEGobiarea,Journalofthe
Meteor.Soci.ofJapan,1991,69(5):587～593.
[4] ZhangQ,WeiGA,HuangRH.ThebulktransfercoefficientsoftheatmosphericmomentumandsensibleheatoverdesertandGobiin
aridclimateregionofNorthwestChina,ScienceinChina(SeriesD),2001,31(9):783～792.
[5] ZhangQ,CaoXY,WeiGA,etal.ObservationandstudyofsomekeyparametersoflandsurfaceprocessofGobiinaridregion,
AdvanceinAtmosphericSciences,2002,19(1):1～14.
[6] ZhangQ,WeiGA,HuangRH,etal.ImpactofoasisontheatmospherehydrologicalcycleoverdesertorGobinearit--astudyby
Dunhuangexperiment.ProgressinNaturalScience,2002,12(2):195～200.
[7] SuCX,HUYQ,ZhangYF,etal.The"coldislandeffect"ofoasisandlake.ChineseSciencesBulletin,1987,10(3):756～758.
[8] HuYQ.Thenumericalexperimentresultofastrong"coldisland".PlateauMeteorology,1987,6(3):1～8.
[9] ZhangQ,HUYQ.ThecharactersofmicrometeorologyonfarmlandinoasisinHeiheregion.PlateauMeteorology,1992,11(4):391～
370.
[10] ZhangQ,CaoXY.TheinfluenceofsynopticconditionsontheaveragedsurfaceheatandradiationbudgetenergyoverdesertorGobi,
ChineseJournalofAtmosphericSciences,2003,27(2):245～254.
[11] ZhengHL,WangJM ,ToshihikoM.SomecharacteristicsofenergyexchangeattheunderlyingsurfaceofdesertandoasisinHexi
Corridor,ActaEcologicaSinica,2000,20(1):88～92.
[12] GaoYX.HEIFEReport(No.1):Preface.PlateauMeteology,1990,9(2).
[13] ZhangQ,HuYQ.TheinstrumentalaccuracyandobservationalerroraboutmicrometeorologicalmastofChinesesidein"HEIFE",
PlateauMeteorology,1992,11(4):460～469.
[14] WangJM,CuiTM,YasushiMitsuta.Areal-time,lowcostturbulencedataacquisitionandprocessingsystem.PlateauMeteorology,
1992,11(4):451～459.
[15] HaugenDA.translatedbyLiXS,etal,Micrometeorology,Beijin:ChineseScinetificPress,1984.6～15.
[16] WenJ,JiGL,LuLZ.Preliminaryanalysisoftheatmosphericturbidityin"HEIFE"area,PlateauMeteorology,1994,13(3):339～345.
[17] ZhangQ,ZhaoM.Fieldexperimentandnumericalsimulationofinversehumidityofatmosphereoverdesertandnearoasis,Acta
MeteorologicaSinica,1999,57(6):729～740.
[18] LiuK,OUYANGZY,WangXK,etal.Eco-environmentalsensitivityanditsspatialdistributioninGansuProvince,ActaEcologica
Sinica,2003,23(12):2711～2718.
[19] CiLJ,YangXH.Progressinfeedbackmechanismbetweendesertificationandclimatechange,ActaEcologicaSinica,2004,24(4):755
～760.
参考文献:
[1] 程国栋,肖笃宁,王根绪.论干旱区景观生态特征与景观生态建设.地球科学进展,1999,14(1):11～15.
[4] 张强,卫国安,黄荣辉.西北干旱区荒漠戈壁动量和感热总体输送系数.中国科学,D辑,2001,31(9):783～792.
[6] 张强,卫国安,黄荣辉.绿洲对其临近荒漠大气水分循环的影响--敦煌试验数据分析.自然科学进展,2002,12(2):195～200.
[7] 苏从先,胡隐樵.绿洲和湖泊的冷岛效应.科学通报,1987,10(3):756～758.
[8] 胡隐樵.一个强"冷岛"的数值试验结果.高原气象,1987,6(3):1～8.
[9] 张强,胡隐樵.黑河地区绿洲内农田微气象特征.高原气象,1992,11(4):391～370.
[10] 张强,曹晓彦.敦煌地区荒漠戈壁地区地表热量和辐射平衡特征的研究.大气科学,2003,27(2):245～254.
[11] 郑海雷,王介民,米谷俊颜,等.河西走廊沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换若干特征.生态学报,2000,20(1):88～92.
[12] 高由禧."HEIFE"专刊(1)前言.高原气象,1992,9(2).
[13] 张强,胡隐樵."HEIFE"中"中方"微气象塔的仪器精度观测误差.高原气象,1992,11(4):460～469.
[14] 王介民,崔铁民,玉川一郎.一种湍流数据采集与实时处理系统.高原气象,1992,11(4):451～490.
[15] HaugenDA.,李兴生,等译.微气象学.北京:科学出版社,1984.6～15.
[16] 文军,季国良,吕兰芝.黑河实验地区大气浑浊度的初步分析.高原气象,1994,13(3):339～345.
[17] 张强,赵鸣,绿洲附近荒漠大气逆湿的外场观测和数值模拟.气象学报,1999,57(6):729～740.
[18] 刘康,欧阳志云,王效科,等.甘肃省生态环境敏感性评价及其空间分布.生态学报,2003,23(12):2711～2718.
[19] 慈龙骏,杨晓晖.荒漠化与气候变化间反馈机制研究进展.生态学报,2004,24(4):755～760.
6642 生 态 学 报 25卷