全 文 ：第 ws卷 第 v期
u s s w年 x 月
林 业 科 学
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民勤绿洲荒漠过渡区辐射特征与热量平衡规律研究
王 兵 崔向慧
k中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 tsss|tl
包永红
k中国农业大学研究生院 北京 tsss|wl
摘 要 } 根据巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠交汇处的民勤绿洲荒漠过渡区的长期连续实测资料 o分析了该地区的
辐射特征 o研究了热量平衡各分量的变化特征及热量平衡规律 ∀在绿洲荒漠过渡区 o其太阳辐射 !净辐射和反射辐
射具有明显的日进程和季节变化规律 ~太阳辐射月总量最大值 ktu suv1v ®• # °pu l出现在 { 月份 o最小值
kx usy1x ®• #°pul出现在 tt月份 ~流动沙丘表面的反射率高于有植被覆盖的红柳和白刺灌丛沙丘表面的反射率 o
在植被生长季节更为明显 o反射率日最大值分别为流动沙丘kvz1x h l 白刺沙丘ku|1z h l 红柳沙丘kuz1| h l ~流
动沙丘表面接受的净辐射是植被覆盖区的 xs h ∗ zs h左右 ∀在绿洲荒漠过渡区生态系统的热量平衡中 o占比例最
大的是潜热通量 o其次为感热通量和土壤热通量 ∀随着荒漠化程度的加深 o生态系统反射率增加 o净辐射减少 o而
且热量平衡中感热通量和土壤热通量所占比例增加 o而潜热通量比例减小 ∀
关键词 } 民勤 o绿洲 o荒漠化 o辐射特征 o热量平衡
中图分类号 }≥tyt1un t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsv p ssuy p sz
收稿日期 }ussv p st p uu ∀
Χηαραχτεριστιχσ οφ Ραδιατιον ανδ Ηεατ Βαλανχειν Τρανσιτιοναλ Ρεγιον βετωεεν Οασισ ανδ ∆εσερτ
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kΙνστιτυτε οφ Φορεστ Εχολογψo Ενϖιρονµεντ ανδ Προτεχτιον o ΧΑΦ Βειϕινγtsss|tl
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k Γραδυατε Σχηοολοφ Χηινα Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγtsss|wl
Αβστραχτ} …¤¶¨§²± ·«¨ ²¯±ª2·¨µ° §¤·¤ ¤±§¬±©²µ°¤·¬²± ¦²¯¯¨ ¦·¨§©µ²° ·µ¤±¶¬·¬²±¤¯ µ¨ª¬²± ¥¨·º¨ ±¨ ²¤¶¬¶¤±§ §¨¶¨µ·¤··«¨
·µ¤±¶¬·¬²±¤¯ ¥¨ ·¯¥¨·º¨ ±¨ …¤§¤±­¬¯¬± §¨¶¨µ·¤±§× ±¨ªª¨ ¬¯§¨¶¨µ·oµ¨¶¨¤µ¦«²±·«¨ µ¤§¬¤·¬²±¦«¤±ª¨ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶¤±§«¨¤·¥¤¯¤±¦¨
¤¯º º¨ µ¨ ¦¤µµ¬¨§²∏·q „¯¯©¤¦·²µ¶²©µ¤§¬¤·¬²± ¥¤¯¤±¦¨ ¬±·«¨ ³¯²·«¤√¨ ²¥√¬²∏¶§¬∏µ±¤¯ ¤±§¶¨¤¶²±¤¯ ³¤·¨µ±q׫¨ °¤¬¬°∏° ²©
²√¨ µ¤¯¯µ¤§¬¤·¬²±¬¶tu suv1v ®• #°pu ¬± „∏ª∏¶·¤±§·«¨ °¬±¬°∏°¬¶x usy1x ®• #°pu ¬± ‘²√¨ °¥¨µq׫¨ ¤¯¥¨§²µ¤·¨ ²±·«¨
√¨ ª¨·¤·¬²±2¦²√¨ µ¨§¶∏µ©¤¦¨ k¶∏¦«¤¶Ταµαριξ ραµοσισσιµαoΝιτραριατανγυτορυµl¬¶¯ ²º¨ µ·«¤±·«¤·²±·«¨ ∏±¦²√¨ µ¨§¶«¬©·¬±ª¶¤±§
§∏±¨ o ¶¨³¨¦¬¤¯ ¼¯ ¤·ªµ²º·«¶¨¤¶²±~¬¶¶¨ ∏´¨±¦¨ ²© °¤¬¬°∏° ¬¶¶«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨ kvz1x h l  Νιτραρια τανγυτορυµ ¶¤±§§∏±¨
ku|1z h l  Ταµαριξ ραµοσισσιµαkuz1| h l q׫¨ ±¨ ·µ¤§¬¤·¬²± ²±·«¨ ¶«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨ ¶∏µ©¤¦¨ ¬¶xs h ∗ zs h ²©·«¤·²±·«¨
∏±¦²√¨ µ¨§¶«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨ q׫¨ ¥¬ªª¨¶·³µ²³²µ·¬²±¬±·«¨ «¨¤·¥¤¯¤±¦¨ ¬¶·«¨ ³²·¨±·¬¤¯ «¨¤·©¯∏¬o©²¯ ²¯º¨ §¥¼ ¶¨±¶¬¥¯¨«¨¤·©¯∏¬
¤±§¶²¬¯ «¨¤·©¯∏¬q •¬·«§¨¶¨µ·¬©¬¦¤·¬²± ¥¨¦²°¬±ª#°²µ¨ ¶¨µ¬²∏¶oº«¬¯¨ ·«¨ ¤¯¥¨§²µ¤·¨¬¶·²¬±¦µ¨¤¶¨ o±¨·µ¤§¬¤·¬²±¬¶·²§¨¦µ¨¤¶¨
¬± ¦¨²¶¼¶·¨°~ ²µ¨²√¨ µo·«¨ ³µ²³²µ·¬²± ²©¶²¬¯ «¨¤·©¯∏¬¬± «¨¤·¥¤¯¤±¦¨ ¬±¦µ¨¤¶¨¶o¥∏··«¤·²©³²·¨±·¬¤¯ «¨¤·©¯∏¬§¨¦µ¨¤¶¨¶q
Κεψ ωορδσ} ¬±´ ¬±o’¤¶¬¶o⁄¨ ¶¨µ·¬©¬¦¤·¬²±o•¤§¬¤·¬²±¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶o‹ ¤¨·¥¤¯¤±¦¨
生态学中 o能量因子的研究一直是非常重要的组成部分k蔡锡安等 ot||zl ∀近地面层辐射平衡和热量平
衡的分配结构表征了大气与地面之间的湍流交换强弱 o是决定小气候形成的基本因素 ∀无论裸地还是植被
冠层 o其表面的蒸发散 !显热交换及其它各种生命活动都离不开能量的转移和输送 o只有搞清不同地表条件
下近地面层辐射平衡和热量平衡的能量分配 o找出控制小气候形成的主导因子 o才能提出改善小气候的措
施 ∀近年来 o国内外气象学家 !生态学家和地理学家在湖泊 !草原 !农田 !森林及农田防护林网下垫面条件下
进行了大量的研究k李胜功等 ot||w ~邹基玲等 ot||w ~范兴海等 ot||x ~周国逸等 ot||| ~孙刚等 ousssl o对绿洲
区或荒漠区的热量平衡和辐射特征也开展过不少研究k≥°¬·«ot|{y ~沈志保等 ot||w ~贺文君等 ot||y ~‹ ±¨µªo
t||y ~魏文寿等 ot||z ~李玉灵等 ot||{l o但对绿洲荒漠过渡区有植被覆盖的灌丛沙包和裸露流动沙丘下垫面
条件的辐射与热量平衡问题的研究却并不多见k李彦等 ot||y ~刘树华等 ot||wl ∀本文研究了甘肃民勤绿洲
荒漠过渡区主要生态系统类型的辐射状况 !特征以及热量平衡规律 o目的在于揭示不同荒漠化阶段下垫面近
地面层热量平衡各项分配上的差异 o为确定该地区水热结构优化模式与改善区域小气候提供理论依据 ∀
t 研究地区概况
民勤县地处甘肃省西部河西走廊东段北侧的石羊河下游 o腾格里与巴丹吉林两大沙漠前缘交汇区 o属温
带大陆性极干旱气候 ∀干燥多风沙 o昼夜或季节性温差大 o蒸发强烈 o光照充足但降水较少 ∀多年平均降水
量ttv1u °°o主要集中在z ) |月k占全年的yy1s h l ~年均蒸发量u x{s1z °°o为降水量的uv1w倍 ~年{级以上大
风日为 uz1{ §o年沙尘暴日数为 vz §o风沙危害严重 ~多年平均气温 z1y ε ∀该地区的地带性土壤为灰棕漠土 o隐
域性土壤有盐土 !草甸土 !风沙土等 ∀天然植被主要是白刺k Νιτραρια τανγυτορυµl和红柳k Ταµαριξ ραµοσισσιµαl灌
丛沙包 ~另在一些沙丘 !丘间地上 o还生长有大量的红砂k Ρεαυµυρια σοονγιριχαl !霸王k Ζψγοπηψλλυµ ξαντηοξψλυµl !
花花柴kΚαρελινια χασπιχαl等沙生灌木树种以及盐爪爪kΚαλιδιυµ φολιατυµl等草本植物 ∀
实验样地选在民勤县西北大约 u| ®°的刘家地村ktsvβtxχ∞ov{βv{χ‘l绿洲农业区外缘 ∀从东面绿洲边
缘到西面流动沙丘的交错带内呈现出大量白刺 !红柳等灌丛沙丘与丘间地相间分布的景观 ∀
图 t 试验样带分布示意图
ƒ¬ªqt ∞¬³¨µ¬° ±¨·¶¤°³¯¨¥¨ ·¯§¬¶·µ¬¥∏·¬²± ¶®¨·¦« °¤³
u 样地选择与研究方法
211 样地选择
usss年 z ) |月 o从农田绿洲边缘开
始 o依次选择红柳灌丛沙丘 !白刺灌丛沙
丘与流动沙丘 v种类型作为观测样点k图
tl ∀由于距绿洲的距离不同 o样地的植被
分布特点也有很大差异k表 tl ∀
表 1 不同样地类型植被分布特点
Ταβ . 1 Τηε διστριβυτιον χηαραχτεριστιχσ οφ ϖεγετατιον ιν διφφερεντ σιτε τψπεσ
样地类型
≥¬·¨·¼³¨
红柳灌丛沙丘
Τ q ραµοσισσιµα ¶¤±§§∏±¨
白刺灌丛沙丘
Νq τανγυτορυµ ¶¤±§§∏±¨
流动沙丘
≥«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨
沙丘植被类型 ∂ ª¨¨·¤·¬²±·¼³¨ ²± ¶¤±§§∏±¨ 红柳 Τ q ραµοσισσιµα 白刺 Νq τανγυτορυµ 无植被 …¤µ¨ ¤¯±§
丘间地植被类型 ∂ ª¨¨·¤·¬²±·¼³¨ ¤°²±ª¶¤±§§∏±¨ 红砂 n花花柴 Ρ q σοονγιριχα n Κq χασπιχα 盐爪爪 Κq φολιατυµ 无植被 …¤µ¨ ¤¯±§
距绿洲距离 ⁄¬¶·¤±¦¨ ©µ²° ²¤¶¬¶Π° s ∗ yss yss ∗ t sss ∴t sss
植被盖度 ∂ ª¨¨·¤·¬²± ¦²√¨ µ¤ª¨Πh ux1y tx1z  x
212 研究方法
u1u1t 观测项目与时间 usss年 z ) tt月 !usst年 y ) tt月在研究地区红柳灌丛沙丘 !白刺灌丛沙丘和流
动沙丘 v个试验样点上安置 v台自动微气象观测系统和水分测定系统进行连续定位观测 ∀观测项目有太阳
辐射 !净辐射 !反射辐射 !土壤热通量 !u个高度ks1x °和 u1s °l的风速风向 !空气温度和相对湿度 !气压 !w
个深度的土壤温湿度kx !ux !xs !{s ¦°l以及 {个层次的土壤水分 ∀自动观测系统自带数据采集仪自动记录
观测数据 o每 ts °¬± t次 o取观测数据 vs °¬±的平均值 ∀
u1u1u 热量平衡各分量的计算 热量平衡各因子的计算公式如下k王正非等 ot|{x ~陆鼎煌 ot||wl }
感热通量 }Ηk • #°pul € |uz1yΚt k Τs1x p Τu1sl Π½ΠΠ² o式中 }Τs1x和 Τu1s分别为 s1x °和 u1s °高度的气温
k ε l oΠ½和 Π²分别为海平面标准气压和测点处气压k«°¤l oΚt 为湍流交换系数 oΚt € s1tsw∃υkt n t1v{∃ΤΠ
∃υul o式中 }∃υ € υu1s p υs1xk风速差 oυu1s和 υs1x分别为 u1s °和 s1x °高度的风速l o∃Τ€ Τs1x p Τu1sk气温差l∀
潜热通量 }ΛΕk • #°pul € t wvy1zΚtkεs1x p εu1sl o式中 }εs1x和 εu1s分别为 s1x °和 u1s °处的水汽压 ∀
土壤热通量 Γk • #°pul可根据热量平衡方程求得 }Ρ± € Ηn Γ n ΛΕ o式中 }Ρ±是净辐射通量k • #°pul ∀
计算出来的土壤热通量值可与自动探头测出的数值进行对比 ∀
v 结果与分析
311 太阳总辐射变化特征分析
v1t1t 太阳总辐射季节变化与日进程 据样地不同月份晴天的小气候自动观测数据结果分析k图 ul o该地
zu 第 v期 王 兵等 }民勤绿洲荒漠过渡区辐射特征与热量平衡规律研究
图 u 绿洲荒漠区太阳总辐射日变化曲线
ƒ¬ªqu ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨ ¦∏µ√ ¶¨²©·«¨ ²√¨ µ¤¯¯µ¤§¬¤·¬²±
¤·¨ ¦²2·²³¨ ¥¨·º¨¨ ± ²¤¶¬¶¤±§§¨¶¨µ·
) τ ) sz p tv ~ ) Ε¿) s{ p t{ ~ ) ϖ ) s| p uz ~
) ο ) ts p ux ~ ) σ ) tt p tv q
区太阳总辐射在一天内的变化呈现单峰型曲线 o最大
值出现在 tv }ss左右 ∀然而 o云对总辐射的影响很大 o
多云天气的总辐射强度的变化也比较复杂 o其日进程
可能呈现/双峰0或/多峰0曲线k图 vl ∀
从图 u还可以发现太阳总辐射的季节性变化 }在晴
天情况下 oz月份太阳辐射在日变化的各个时段都最强 o
tt月最低 ∀而且 o由于日落时间的差异 o太阳辐射在一
天中减少到最低值的时刻也不同 oz月份是在 us }vs ott
月份则在 tz }vs左右 ∀为便于年际间季节变化的比较 o
将其以半月总量形式计算统计k表 ul∀年际间太阳总辐
射同期半月总量相差最大的可达 vsv1{ ®• #°pu o出现在
z月下半月 o此差额为其平均值的 x1t h ∀
图 v 多云状况下太阳总辐射日变化曲线
ƒ¬ªqv ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨ ¦∏µ√¨ ¶²©·«¨ ²√ µ¨¤¯¯
µ¤§¬¤·¬²± ∏±§¨µ¦¯²∏§¼ º ¤¨·«¨µ
图 w 太阳总辐射季节变化
ƒ¬ªqw ׫¨ ¶¨¤¶²±¤¯ ¦«¤±ª¨ ²©²√ µ¨¤¯¯µ¤§¬¤·¬²±
太阳总辐射的时间动态与太阳高度角及云量的变化相关显著 o并且太阳高度角决定了总辐射日变化的
基本格局 o而云量的变化对总辐射的季节性及年际变化影响也是很大的 o当然 o由于各季节下垫面接受的日
照时数不同 o对季节辐射总量有明显影响 ∀从观测数据分析结果来看k图 wl o{ 月份辐射总量最大达
tu suv1v ®• #°pu ott月份最小为 x usy1x ®• #°pu ∀
表 2 太阳总辐射季节变化
Ταβ . 2 Σεµι2 µ οντηλψ χηανγειν οϖεραλλ ραδιατιον ιν διφφερεντ ψεαρσ k®• #°pul
月份 ²±·« usss年 usst年 平均值 „√ µ¨¤ª¨ 差额 ⁄¬©©¨µ¨±¦¨
y 下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·« y uw|1x y uw|1x Π
z 上半月 ƒ¬µ¶·¶¨°¬2°²±·«下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·«
x {x|1s
y tt{1z
y s{{1|
x {tw1|
x |zw1s ? ttw1|x
x |yy1{ ? txt1|
uu|1|
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{ 上半月 ƒ¬µ¶·¶¨°¬2°²±·«下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·«
x |vv1w
y sw|1{
x {z{1{
y t{w1x
x |sy1t ? uz1v
y ttz1u ? yz1vx
p xw1y
tvw1z
| 上半月 ƒ¬µ¶·¶¨°¬2°²±·«下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·«
w ytz1z
w tvt1z
w yyv1{
w u|t1u
w yws1{ ? uv1sx
w utt1x ? z|1zx
wy1t
tx|1x
ts 上半月 ƒ¬µ¶·¶¨°¬2°²±·«下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·«
v zwt1u
v yv|1z
v {vz1y
v zxw1|
v z{|1w ? w{1u
v y|z1v ? xz1y
|y1w
ttx1u
tt 上半月 ƒ¬µ¶·¶¨°¬2°²±·«下半月 ≥¨ ¦²±§¶¨ °¬2°²±·«
u zuy1|
u wz|1y
Π
Π
u zuy1|
u wz|1y
Π
Π
v1t1u 不同冠层高度太阳总辐射比较 图 x是 usss年 {月 tz日在红柳沙丘样地 s1x °k冠层下方l与 u1s °
k冠层上方l两个高度上太阳辐射的观测 ∀可以看出 o各时段冠层上方接收的太阳总辐射都明显高于冠层下
{u 林 业 科 学 ws卷
图 x 太阳总辐射梯度日变化曲线
ƒ¬ªqx ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨ ¦∏µ√ ¶¨²©·«¨
²√ µ¨¤¯¯µ¤§¬¤·¬²± ªµ¤§¬¨±·
) ) ) u1s ° ~ ) Ε¿) s1x ° q
方 o最大差值为 uvt1u • # °pu ∀从日总量来看 o冠层下方为
vwz1y ®• #°pu o冠层上方为 wyx1| ®• # °pu o比值为 zw1y h ∀
这主要是因为红柳冠层对太阳直接辐射吸收和反射引起的 o
另外植被冠层的遮蔽作用 o使冠层下方的日照时数ky «l仅为
上方k{1x «l的 zs1y h o这种差异在植被生长季节将更加明显 ∀
由于植被覆盖的影响 o红柳灌丛沙丘近地面层接收的太阳总
辐射减少 o从而有利于保持林地土壤水分 o形成有利于植被生
长发育的湿润环境 ∀
312 净辐射变化规律
v1u1t 净辐射日变化 绿洲荒漠过渡区 z月份典型天气k晴
天l状况下的净辐射日变化见图 y ∀净辐射日变化趋势与太阳
总辐射变化相同 o呈正态单峰线 o峰值出现在 tv }ss左右 ∀各
图 y 不同下垫面所接受净辐射的日变化曲线
ƒ¬ªqy ≤²°³¤µ¬¶²± ²©§¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨ ²©·«¨ ±¨ ·µ¤§¬¤·¬²±
¤··«µ¨¨∏±§¨µ¯¼¬±ª2¶∏µ©¤¦¨ ·¼³¨¶
) ) ) 总辐射 ’√¨ µ¤¯¯µ¤§¬¤·¬²±~ ) π ) 白刺植被 Ν qτανγυτορυµ ~
) Ε¿) 红柳植被 Τ qραµοσισσιµα ~ ) ω ) 流动沙丘 ≥«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨ q
下垫面净辐射白天均为正值 o夜间为负值 o一天出现
u次零值 o分别在上午 z }ss和下午 { }ss左右 ∀从同
一时间红柳沙丘 !白刺沙丘与流动沙丘的净辐射日进
程来看 o前 u者接受净辐射的数量几乎没有差异 o最
大值分别为 wzt1v和 w{y1| • #°pu o变化趋势也基本
相同 o这主要是两种下垫面类型的植被盖度 !灌丛高
度及地表粗糙度等影响接受净辐射能力的各种因子
差别不大 ~而裸露流动沙丘因表面裸露 o下垫面太阳
辐射的反射率比较大 o所以接受的净辐射仅是植被覆
盖区的 vs h ∗ xs h左右 ∀可见绿洲荒漠过渡区灌丛
植被由于林冠表面起伏不平 o下垫面粗糙度增加而且
颜色变深 o附近水汽压也较高 o因此接受净辐射的能
力增强 o起到了调节热量平衡各项重新分配的作用 o有利于改善局地小气候 ∀
v1u1u 净辐射季节变化 绿洲荒漠过渡区不同下垫面净辐射月变化见表 v ∀尽管净辐射是与太阳和大气向
下发射的全辐射直接相关的 o但 z月份一般多具多云天气或阴雨天气 o所以该地区净辐射最大值出现在 {月
份 o其次是 z月份 o最小的是 tt月份 ∀在有植被覆盖的灌丛沙丘上 o净辐射的这种季节变化除了与太阳总辐
射季节变化有关外 o还与下垫面的季节性植被季相有关 o在 z !{月份植被的生长旺盛期 o有植被的灌丛沙丘
覆盖率增加 o减小了反射率 o从而有利于对净辐射的获取 ∀不同下垫面在获得净辐射能力方面有很大差异 }
在月总量最大的 {月份 o流动沙丘净辐射月总量仅是红柳沙丘的 yt1v h o是白刺沙丘的 y|1y h ∀可见在实验
地区所选样带上 o不同下垫面获得净辐射能力的不同能够表征绿洲荒漠过渡区生态系统荒漠化程度的不同 ∀
表 3 不同类型下垫面净辐射季节变化
Ταβ . 3 Τηε σεασοναλ χηανγε οφ νετ ραδιατιον k®• #°pul
月份
²±·«
红柳沙丘 Τ q ραµοσισσιµα¶¤±§§∏±¨ 白刺沙丘 Ν q τανγυτορυµ ¶¤±§§∏±¨ 流动沙丘 ≥«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨
总量 Šµ²¶¶ 平均 „√¨ µ¤ª¨ 总量 Šµ²¶¶ 平均 „√¨ µ¤ª¨ 总量 Šµ²¶¶ 平均 „√¨ µ¤ª¨
z x wxy1| tzy1s w |s|1| tx{1w v uzx1v tsx1z
{ x yyu1| t{u1z w |{t1w tys1z v wy{1z ttt1|
| v {ts1s tuz1s v u|{1w ts|1| u ux|1t zx1v
ts v sv|1t |{1s u wxv1s z|1t t yu|1w xu1y
tt u usw1z zv1x t zzw1y x|1u t u|y1u wv1u
v1u1v 与太阳总辐射的相关性 根据实测和计算进行回归分析 o得到净辐射与太阳总辐射的线性回归模
型 ∀红柳沙丘 }Ρ± € s1xyx Θp uv1sx| oΡu € s1|vs oν € uss ~白刺沙丘 }Ρ± € s1xv| Θ p ux1{zy oΡu € s1|w{ oν €
uss ~流动沙丘 }Ρ± € s1vvu Θ p vy1yzy oΡu € s1|ws oν € xs ∀式中 oΡ± }净辐射k • #°pul oΘ}太阳总辐射k • #
°pul ∀经过 Φ检验 o相关系数均在 s1|以上 o可用总辐射来推算净辐射因子 ∀
|u 第 v期 王 兵等 }民勤绿洲荒漠过渡区辐射特征与热量平衡规律研究
313 反射率
图 | 红柳灌丛沙丘k¤l !白刺灌丛沙丘k¥l及
流动沙丘k¦l近地层热量平衡各项平均日进程
ƒ¬ªq| ׫¨ §¬∏µ±¤¯ ¦«¤±ª¨¶²©√¤µ¬²∏¶©¤¦·²µ¶²©«¨¤·¥¤¯¤±¦¨
¤·Τ q ραµοσισσιµα o Ν q τανγυτορυµ ¤±§¶«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨
) ) ) Ρ± ~ p p p Η~ ( ( ΛΕ ~ ) Ε¿) Γ q
图 z给出了 v个不同下垫面植被生长季kusst年 z月 t|日l的反射率日变化曲线 ∀可以看出 o在一天的
各个时段 o流动沙丘均比其它 u个灌丛沙丘的反射率高 o最大值为 vz1x h o日平均值是 u{1v h ~通过不同季节
流动沙丘的反射率对比k图 {l来看 o在 tt月份 o其反射率更高 o最大值达 wu1y h ∀而红柳沙丘与白刺沙丘反
图 z 不同下垫面反射率的日变化曲线
ƒ¬ªqz ׫¨ §¤¬¯¼ ¦«¤±ª¨ ²©¤¯¥¨§²µ¤·¨
¤··«µ¨¨∏±§¨µ¯¼¬±ª2¶∏µ©¤¦¨ ·¼³¨¶
) ) ) 流动沙丘 ≥«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨ ~ ) τ ) 白刺 Ν qτανγυτορυµ ~
) Ε¿) 红柳 Τ qραµοσισσιµαq
图 { 流动沙丘不同月份晴天反射率日变化
ƒ¬ªq{ ׫¨ §¤¬¯¼ √¤µ¬¤·¬²±¶²©¤¯¥¨ §²µ¤·¨
¤·¶«¬©·¬±ª¶¤±§§∏±¨
) ) ) tt p sx ~ ( ( s| p sz ~ ) Ε¿) sz p tv q
射率相对较低 o日最大值分别为 uz1| h和 u|1z h ∀反射率的日变化与季节变化受太阳高度的影响 o一般来
说 o反射率随太阳高度的降低而增大 ∀红柳沙丘与
白刺沙丘有植被覆盖 o特别是在生长季 o灌丛植被的
高度 !盖度 !叶子伸展程度都有利于增加冠层表面的
粗糙度 o而且颜色也比流动沙丘深 o从而有利于降低
表面的反射率 ∀
314 热量平衡各分量的变化特征
v1w1t 净辐射的变化特征 净辐射能的变化规律
在 v1u节已有叙述 o总起来看 o植被区下垫面接受的
净辐射能量要大于流动沙丘区 o这也是两者之间热
量平衡存在差异的主要原因之一 ∀
v1w1u 感热通量的变化特征 不同下垫面的近地
层感热通量日变化曲线k图 |l表明 o由于观测期间
kusss年 z月 ty ) z月 us日l风速相对较小k红柳沙
丘 !白刺沙丘 !流动沙丘的日平均风速分别为 t1tv !
u1sx !v1yz °#¶ptl o因此感热通量 !感热通量的日变
幅都比较小 o但日变化规律明显 o白天大部分时间为
正值 o最高值分别为 }红柳沙丘 ||1s • #°pu o白刺沙
丘ts|1x • #°pu o均出现在 tw }ss ~流动沙丘 tsz1u
• #°pu o出现在 tv }ss ∀其原因是白天地面得到的太
阳辐射量多于自身辐射消耗 o加之午后湍流运动较
强 o地面温度也达到一天中的最高值 o向大气层传送
的热量也随之达到最大 ∀感热通量早晚皆为负值或
为零 o这是由于早晚大气层结稳定 o甚至出现逆温 o
使地面向大气热量传输很小或反向传递 ∀另外 o由
于感热通量的传导是通过湍流运动来实现的 o而湍
流运动具有阵性特点 o使感热通量也出现了小幅振
sv 林 业 科 学 ws卷
动且无规律性k如白刺沙丘l ∀感热通量的这种不确定性也是热平衡研究中的难点 o还需进一步研究 ∀
v1w1v 潜热通量变化特征 从图 |可以看出 o各下垫面近地层潜热通量日间大于零 o水分蒸发吸收热量 ~夜
间小于零 o水汽凝结释放热量 ∀红柳沙丘 !白刺沙丘以及流动沙丘的潜热通量最大值分别为 uwz1s • #°pu !
usx1v • #°pu和 tvs1y • #°pu o占净辐射的 ys1u h !xu1y h和 ww1w h o显著大于感热通量 ∀这表明 o在研究地
区 o有植被覆盖的近地层 o潜热消耗大于感热消耗 o即蒸散耗热大于湍流热交换 ∀这是因为白天气温和土温
较高 oz月又是植物生长的季节 o蒸腾强烈 o加之地面蒸发 o使总蒸散耗热较多 ∀直到 t{ }ss以后气温 !地温
降低 o蒸发散速率变小 o潜热通量随之降低 ∀使潜热通量较大的另一原因是在 z月份有一定数量的降雨 o使
得地面的蒸发速率和蒸腾速率有不同程度的增加 o因此增加了蒸发散的耗热量 ∀
v1w1w 土壤热通量的变化特征 从图 |可知 }晴天条件下红柳沙丘及白刺沙丘在 tw }ss以前 o地面吸收太
阳辐射大于自身的长波辐射 o使地面增温 o热量积累 o土壤热通量为正值 o热量是由地面向下传递 ∀t天内最
大值均出现在 tw }ss左右 o最小值出现在 uv }ss o且红柳沙丘出现的时间比白刺沙丘滞后 o但两者都滞后于流
动沙丘 o而且土壤热通量在净辐射中所占比例都较流动沙丘小 ∀
土壤热通量的日变幅红柳沙丘和白刺沙丘也比流动沙丘小得多 o主要是由于红柳与白刺日间阻挡太阳
辐射 o使地表在一天内吸收的太阳辐射减小 o地表温度变化小 o对太阳辐射反应缓慢 ~夜间由于植被阻挡地面
辐射 o减少空气乱流 o使地表失热减小 ∀这表明 o有植被覆盖下垫面的热量向下传导较小 ∀由图 |中看出 o流
动沙丘土壤热通量日进程曲线上下变幅大 o吸热 !散热都较快 o这也是沙区土层热流量变化的一个特征 ∀
315 绿洲荒漠过渡区热量平衡特点
在研究地区不同下垫面的热量平衡中k表 wl o红柳灌丛沙丘上净辐射较强 o可达 wts • #°pu以上 o而净辐
射的 ys h左右用于地表的蒸散 o感热散失和土壤贮存能量分别占 uv1y h和 ty1t h o说明蒸散耗热所占比重
很大 o但在日进程中 o不同时段各分量所占比例也有变化 ∀白刺灌丛沙丘上 o平均蒸散耗热占净辐射能的
xu1s h o相应的湍流热交换和土壤热交换有所提高 o分别占 uz1{ h和 us1u h ∀裸露流动沙丘由于反射率大而
净辐射通量小于植被区 o最大值为 u|w1x • #°pu o用于地表蒸发的热量大约为 wy1w h o湍流热交换量占
u|1x h o土壤热通量占 uw1t h ∀可见 o在流动沙丘上 o由于大气湍流交换 o白天地温和近地层气温都会相对较
高 o而夜间则低 o从而使得昼夜气温差和地温差很大 ∀
所以在绿洲荒漠过渡区生态系统的热量平衡中 o白天占比例大的仍然是潜热通量 o其次为感热通量和土
壤热通量 ∀但随着荒漠化程度的加深 o生态系统反射率增加 o净辐射减少 o而且热量平衡中土壤热通量所占
比例增加 o潜热通量比例减小 ∀
表 4 绿洲荒漠过渡区不同下垫面的热量平衡
Ταβ . 4 Τηε ηεατ βαλανχε ατ τηρεε υνδερλψινγ2συρφαχε τψπεσ
时间
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下垫面类型
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白刺灌丛沙丘 Ν q τανγυτορυµ ¶¤±§§∏±¨
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tv 第 v期 王 兵等 }民勤绿洲荒漠过渡区辐射特征与热量平衡规律研究
w 结论与讨论
本文通过观测发现 o流动沙丘与有植被覆盖的灌丛沙丘的辐射特征存在明显差异 o流动沙丘下垫面反射
率高 o接受净辐射能力差 o土壤温度变化剧烈 o从而影响到能量的分配和传输 ∀据 ≤«¤µ±¨ ¼kt|{xl研究认为 o
沙漠地面反射率远大于植被覆盖区的反射率 o因此以感热和潜热形式输送给大气的总能量小于有植被地区 o
植被覆盖区由于干旱或过渡放牧等变为沙漠 o就会使局地对流降水减少 ∀可见 o对研究地区有植被区加以更
好地保护 o在流动沙丘进行封沙育林育草 o改善局地小气候环境 o对综合防治荒漠化具有重要意义 ∀
红柳沙丘和白刺沙丘下垫面净辐射接收能力明显高于裸露的流动沙丘 o这是因为绿洲荒漠过渡区的灌
丛植被使下垫面粗糙度增加 o颜色变深 o附近水汽压也较高 o因此接受净辐射的能力增强 o起到了调节热量平
衡的作用 o有利于改善局地小气候 ∀
在绿洲荒漠过渡区生态系统热量平衡中 o有植被覆盖的下垫面白天所接受的净辐射能 o主要用于蒸发耗
热和显热交换 o部分用于土壤热交换 o而植被光合作用消耗的辐射能所占比例是非常微小的 ~裸露流动沙丘
上 o蒸发耗热所占比例相对较低 o感热耗热和土壤热通量相应增加 ∀
参 考 文 献
蔡锡安 o任 海 o彭少麟等 q鹤山南亚热带草坡生态系统的热量平衡 q热带亚热带植物学报 ot||z oxktl }uz p vu
范兴海 o黄寿波 o傅懋毅等 q杉 ) 茶间作热量平衡的研究 q林业科学研究 ot||x o|kul }tzs p tzx
贺文君 o松田昭美 o神近牧男 q毛乌素沙地辐射平衡的年变化特点 q内蒙古林业科技 ot||y okv !wl }wv p wy
季国良 o邹基玲 q干旱地区绿洲和沙漠辐射收支的季节变化 q高原气象 ot||w otvkvl }vuv p vu|
李胜功 o何宗颖 o申建友等 q内蒙古奈曼草地热量平衡的研究 q应用生态学报 ot||w oxkul }utw p uty
李 彦 o黄妙芬 q荒漠化地区的植被和绿洲生态系统地表热量平衡研究 q干旱区地理 ot||y ot|kwl }y{ p zu
李玉灵 o王林和 o张国盛等 q毛乌素沙地樟子松人工林热量平衡的研究 q内蒙古林学院学报k自然科学版l ot||{ ouskwl }vt p vx
刘树华 o辛国君 o陈荷生等 q沙坡头人工植被区和流动沙丘上热量平衡观测研究 q气象 ot||w ousktl }| p tu
陆鼎煌 q气象学与林业气象学 q北京 }中国林业出版社 ot||w }tux p tu{
沈志保 o邹基玲 q西北干旱地区沙漠和绿洲的地面辐射能收支 q高原气象 ot||w otvkvl }vtw p vuu
孙 刚 o胜连喜 o冯 江等 q长春南胡生态系统能量收支的研究 q生态学杂志 ousss ot|kul }{ p tu
王正非 o朱廷曜 o朱劲伟等 q森林气象学 q北京 }中国林业出版社 ot|{x }|x p ts{
魏文寿 o董光荣 q古尔班通古特沙漠的辐射热量交换分析 q中国沙漠 ot||z otzkwl }vvx p vwt
周国逸 o余作岳 o彭少麟 q小良试验站三种生态系统能量平衡的研究 q热带亚热带植物学报 ot||| ozkul }|v p tst
邹基玲 o季国良 o侯旭宏 q张掖地区春小麦生长期的辐射平衡观测 q高原气象 ot||w otvkvl }vxv p vx{
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uv 林 业 科 学 ws卷