全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2003) 04-0301-05
高寒草甸小气候考察研究
姚德良1,张 强1,沈振西2,谢正桐1
( 1.中国科学院力学研究所, 北京 100080; 2.中国科学院西北高原生物研究所 , 青海西宁 810001)
摘要 : 文章介绍了海北高寒草甸试验区的野外考察现场和考察情况, 并对青海海北高寒草甸矮嵩草草甸试验区的
小气候考察结果进行了讨论,结果表明: 高寒草甸地区具有明显高寒大陆性气候特征, 日较差大, 日照时间长,地表
强度具明显的周期变化,太阳辐射强烈, 全年总辐射量 5. 866~ 6. 704 @ 106KJ/ m2, 但较湿润,可为研究高寒草甸小
气候特点、局地生态环境和指导生产实践提供科学依据。
关键词: 草原学; 高寒草甸; 小气候; 野外考察; 试验
中图分类号: S812. 1 文献标识码: A
Study and Survey of the Microclimate of Alpine Meadows
YAO De-liang1, ZHANG Qiang1, SHEN Zhen-x i2, XIE Zheng- tong1
( 1. Institute of Mechanics, CAS, Beijing 100080, China;
2. Nort hw est Institute of Plateau Biology, CAS, X ining, Q inghai Pro vince 810001, China)
Abstract: The paper int roduces the investig at ion conducted in the experiment site of the northern Q inghai lake reg ion, and discusses
t he micro climate of the Kobr esia meadow experiment site there. T he alpine meadow region typifies the continental plateau climate-
w ide var iance of temperatur e between day and night, frequent sunshine days, noticeable variance of periodic land surface temperature,
strong solar radiation w ith a total of 5. 866 @ 106~ 6. 704@ 106 kJ/ m2 annually, and yet with damp soil and humid air . The char ac-
teristics of the micro climate and env ironment of the alpine meadow provide scientific basis to guide the agr icultur al and animal hus-
bandry production of regions of similar climate conditions.
Key words: Grassland science; Alpine meadow; M icroclimate; Field survey; Experiment
小气候学是研究不同下垫面上小气候的特点和
形成规律的一门学科[ 1] , 它是近几十年以来发展起
来的气候学的一个分支, 主要任务是研究局地气候
特点与自然地理环境、天气气候条件和人类以及生
物活动之间的相互影响和相互作用。小气候考察的
研究具有很大的实用价值, 因为人类的生产和生活
活动主要是在近地面大气层进行的, 农牧业、林业
和城市建设等部门都和小气候有着密切的关系, 而
且人类又最容易通过改变下垫面的局部特性来影响
和改造小气候, 这对提高生产力、发展国民经济有
很大的意义和实用价值。本文介绍了海北高寒草甸
试验区的野外考察现场和考察情况。并对青海海北
高寒草甸矮嵩草草甸试验区的小气候考察结果进行
了讨论, 研究结果表明高寒草甸地区具有明显高寒
大陆性气候特征, 但较湿润,可为研究高寒草甸小气
候特点、局地生态环境和指导农牧业生产实践提供
科学依据。
1 草甸小气候考察试验
中国自 20世纪 50年代以来曾先后组织多次规
模较大的野外小气候考察, 如: 1956 年的黄土高原
小气候考察, 1958-1959年的长江三峡小气候考察,
1975-1976年的青藏铁路沿线气象考察和 1979 年
青藏高原气象科学实验热源考察等。同时, 从 20
世纪 60年代以来, 中国科学院在全国各地建立了
收稿日期: 2003-06-20;修回日期: 2003- 10-08
基金项目:国家自然科学基金( 40071007) ,中国科学院知识创新重大项目( KJCX2-SW-L1) ,国家自然科学重点基金( 1033050)
作者简介:姚德良( 1943- ) ,男,汉族,浙江慈溪人,研究员,主要从事环境流体力学研究, E-mail: Yaodel@ 2911. net ,电话: ( 010) 62554125
第 11 卷 第 4 期
Vol. 11 No. 4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SIN ICA
2003 年 12 月
Dec. 2003
50多个不同类型的定位考察站, 对不同下垫面的
小气候气象数据进行系统的测量, 还为 20世纪 90
年代建立生态系统考察站网络奠定了基础。我们从
20世纪 90年代初期开始, 在我国西北干旱区[ 1]的
腾格里沙漠宁夏沙坡头无灌溉的植物固沙区[ 2, 3]、
青藏高原青海海北高寒草甸试验区[ 4, 5]、塔里木盆
地新疆阿克苏灌溉的绿洲农田; 半干旱半湿润的华
北平原山东禹城综合农田试验区[ 7, 8] ; 湿润的丘陵
地区江西鹰潭红壤试验区[ 9] , 多次进行了小气候考
察。下面专门介绍青海海北高寒草甸地区的自然概
况以及高寒草甸小气候考察试验情况。
1. 1 草甸小气候考察场地
1995年 8 月、2001年 5 月至 7 月和 2002年 6
月至 7月对中科院海北高寒草甸生态站矮嵩草草甸
区进行了小气候考察。中国科学院海北高寒草甸
站[ 10]位于东经 101b19c, 北纬 37b37c,地处青藏高原
东北部祁连山山系北支冷龙岭东段的南麓, 平均海
拔高度 3200 m, 定位站的气候具有明显的高原大
陆性气候特点, 无四季之分, 仅有冷暖二季之别,
冷季漫长而寒冷, 暖季短暂而气温稍高。年平均温
度0. 5 e , 气温日较差大( 14. 4 e ) , 年较差小( 24.
2 e )。温度条件对牧草植物生长影响很大, 直接决
定了牧草植物的生长发育, 5月上旬气温稳定通过
5. 0 e 时, 牧草开始返青生长, 气温稳定下降到 5.
0 e 以下时, 牧草开始停止生长, 终期在 9月底, 牧
草生长期 130~ 140 d, 当暖季气温升高和降水较多
时, 牧草生长旺盛, 是较理想的放牧区。日照时间
长, 全年日照 2672. 6 h, 太阳辐射强烈, 全年总辐
射量 5. 866 @ 106~ 6. 704 @ 106 kJ/ m2。年平均降雨
量 498 mm, 季节分配不均匀, 88% 的降水量集中
于暖半年。全年多风, 年平均风速 2. 6 m/ s。土壤
以高山草甸土、高山灌丛草甸土和沼泽土为主, 其
中以高山草甸土分布最广。植被是高寒草甸和高寒
灌丛, 由适应高寒气候的耐寒多年生草本植物和灌
木组成。
但近年来随着畜牧业的发展, 牲畜头数增多,
草场布局不合理, 部分冬春草场载畜量过大, 草地
覆盖度降低, 牧草种类组成发生变化, 优良牧草减
少, 杂毒草滋生蔓延, 草地生产力下降。由于草地
植被的变化, 生态环境也发生了相应的变化, 土壤
温度增加, 土壤含水量降低, 生态环境趋向于干
旱。草场经过牲畜反复践踏以后, 草皮受到破坏,
土壤紧实度降低, 以至心土裸露, 最后土壤结构破
坏, 成为没有放牧价值的/黑土滩0 。同时, 对于畜
牧业发展受到影响的还有低温以及风蚀的危害。所
以通过对海北高寒草甸地区的小气候考察研究, 可
以预测人类活动对于局地小气候和生态环境的变
化, 以及对促进当地农牧业经济发展都有重要
意义。
1. 2 小气候考察试验方法
小气候考察试验地点选在矮嵩草草甸区微气象
观测站一带。考察试验项目有: 不同高度的大气温
度、湿度、风速、风向及降雨量; 地表温度、不同深度
的土壤温度、土壤含水量; 总辐射、光合有效辐射、
近红外辐射、反射辐射、净辐射、土壤热通量等气象
要素。
测试方法采用 MAOS-I 小气候自动观测系统,
它主要由各种气象辐射传感器、采集器主机箱、电源
单元机箱、笔记本电脑、传感器支架等几个部分组
成。大气温湿度梯度测量是采用 HTF-2 型通风干
湿表传感器来完成,观测高度分别为 0. 5、1、2、4 m。
应用了起动风速很小的磁轴承微风传感器 VF-1,
它能够测到 0. 2 m/ s的小风, 系统中配置了 4 个此
种传感器分别测量 4个不同高度上的风速, 观测高
度和大气温度相同。采用 EC9-1b型高动态性能风
向传感器, 以减小由于普通测风向传感器动态性能
较差而造成的动态误差, 风向传感器安装在系统的
顶部。降雨量的测量采用 SL-3型双翻斗式雨量传
感器, 它在不同降雨量强度时具有比较均匀的分辨
率。
考虑到地温测量的代表性较差, 在本系统中配
置了3支HBW-2A型地表温度传感器, 把它安装在
3个不同的点上, 它们测得的温度的平均值取作地
表温度, 以此来改善地表温度的测量精度。采用
HBW-2B铂电阻土壤温度传感器, 测量 7层不同深
度上的土壤温度, 测量深度分别为5、10、15、20、40、
60、70 cm。另外, 土壤含水量采用取土烘干称重法
测量,观测深度分别为 10、20、30、40、50、60、70 cm,
每次测量 3个点, 再取它们的平均值。
总辐射, 光合有效辐射, 近红外辐射, 是有三
种截止波长分别为 300 mm, 400 mm, 700 mm 的
TBQ-4-1型分光辐射传感器测出。同时, 还配备了
反射辐射传感器 ( TBQ-1)和净辐射传感器( TBB-
1) , 分别测量反射辐射和净辐射。土壤热通量采用
302 草 地 学 报 第 11卷
HF-1型土壤热通量传感器测量。
2 结果与分析
2. 1 土壤温度日变化规律
2001年 7月 1 日至 7 月 7日的地表温度以及
深 10cm 和 70cm 处的土壤温度的日变化观测值(图
1)。看到土壤表面温度的日周期性的变化最强, 这
主要由于到达地表面的太阳辐射和地面有效辐射的
日变化引起的, 特别在高寒草甸地区属于高原大陆
性气候, 太阳辐射强烈, 地表温度白天和夜里温差
很大。白天, 土壤表面增热最强烈, 随着深度加大
逐渐减小, 夜晚, 土壤表面冷却最激烈, 随着深度
加大冷却强度也慢慢减小。
图 1 土壤温度日变化规律
Fig. 1 Diurnal variation of soil temperature
一般说来, 土壤温度日变化振幅大致在 100 cm
深处上下开始消失, 在这个深度以下, 土壤温度在
一日内将维持恒定, 而随季节变化。从图 1中看到
70 cm 深度处的土壤温度变化微小。
2001年 7月 3 日不同时间的土壤温度变化曲
线从图 2中看到土壤表面温度变化剧烈, 土壤表面
处在 2B00PM 时温度最高, 可达 47. 1 e , 依次 10B
00AM 时 25. 7 e , 8B00PM 时 17. 6 e , 6B00AM 时
温度最低, 只有 3. 3 e 。和我们曾经考察过的华北
平原禹城试验站地区相比, 高寒草甸地区的土壤地
表温度日变化振幅很大。
图 2 不同时间土壤温度变化规律
Fig. 2 Distr ibut ion of soil temperature at different time
2. 2 近地层大气温度的日变化特征
2001年 7月 1日至 7月 7 日高寒草甸区不同
高度( 0. 5m、2m 和 4m) 的大气温度分布的观测值
(图 3)。可见大气温度与土壤表面温度相似,具有
图 3 大气温度日变化规律
Fig. 3 Diurnal variation of are temperature
日周期性的变化。大气温度的日变化最根本的原因
是太阳辐射的日变化, 除了空气中的湍流输送影响
日变化外, 土壤的性质对大气温度日变化也有很大
的影响, 消耗于下垫面上水分蒸发的热量同样也将
影响大气温度的日变化。由于各层之间的高度相差
较小, 所以各层之间的温度比较接近, 但是日变化
振幅较大。高寒草甸地区 7月平均气温较高,对于
牧草植物的生长发育比较有利。和华北平原的禹城
303第 4期 姚德良等:高寒草甸小气候考察研究
试验站地区相比,高寒草甸地区的大气温度日差较
悬殊。
2. 3 土壤水分
2001年 5月 9日, 5月 14日, 5月 19 日矮嵩
草草甸区土壤体积含水量的测量值(图 4) , 看出这
里的土壤含水量一般随着深度的增加而减少, 因为
由于 60cm 深度以下是石头, 所以得不到地下水的
补充, 而表层土壤含水量与降雨、露水和蒸散有密
切关系, 5月 13日夜里下了雨, 蒸散量较小, 所以
土壤表层含水量较大。由于降水集中于夏半年( 5~
10月) , 所以, 5月份的土壤比较湿润,有利于牧草的
生长。和华北平原的禹城试验站地区相比, 平原地
区由于能够得到地下水的补充, 所以土壤含水量随
深度的增加而增加。
图 4 不同时间土壤含水量的变化规律
F ig. 4 Distribution of moisture content
in soil at different time
2. 4 高原地区辐射量变化特点
2002年 7月 1 日至 7 月 7日矮嵩草草甸区的
总辐射( E g)观测值和净辐射( R n )模拟值的日变化
规律(图 5)可见净辐射的模拟值利用陆气相互作用
耦合模式, 经过数值计算以后得到。从图 5中可以
看出总辐射量和净辐射量都很大, 这和海拔高度较
高有关。海北高寒草甸地处青藏高原东北部, 平均
海拔高度在 3200 m 以上, 由于所处的海拔高度高,
其上面的大气层变薄, 空气密度变小, 空气中的水
汽含量、尘埃等杂质也减少, 使大气透明度增加,
所以, 获得的太阳辐射量极其丰富。和华北平原的
禹城试验站地区相比, 高原草甸地区的辐射量要强
好多。
图 5 总辐射 Eg, 净辐射 Rn 日变化规律
F ig. 5 Diurnal v ar iation of global and net radiat ion
2002年 7月 1日至 7月 7 日矮嵩草草甸区的
总辐射( Eg ) ,反射辐射( Er)和光合有效辐射( PAR)
等项观测值的日变化规律(图6) 可见高原地区与平
原地区相比, 太阳辐射收支量发生了变化: 在收入
方面, 散射辐射是随着海拔高度的增加而减少, 但
直接辐射和总辐射则随着海拔高度的增加而增加。
在支出方面, 由于青藏高原冰雪较多, 所以反射辐
射大于平原地区, 并且有效辐射随高度增加而增
大。
图 6 总辐射( Eg) ,反射辐射( E r ) , 光合有效
辐射( PAR)的日变化规律
Fig. 6 Diurnal var iat ion of global, r eflex
and effective radiation
304 草 地 学 报 第 11卷
高寒草甸地区太阳辐射强, 日照时间长, 太阳
光中的短波光所占比例大, 有利于植物体内蛋白质
的合成,牧草营养成分丰富。
2. 5 大气风速
图 7 2 m 高度处的大气风速的日变化规律
F ig. 7 Diurnal var iat ion of w ind speed at height of 2 m
2002年 7 月 1日至 7月 7日在 2 m 高度处大
气风速的测量值(图 7)可见看出风速是随时间和空
间变化的, 它总是在不同程度上脉动地变化着, 风
速的脉动特性这是由于气流的湍流性引起的, 在近
地层, 风速随高度的变化接近对数的关系。同时,
图中看到在近地层风速的日变化较明显, 这与近地
层湍流运动的日变化有关。在高寒草甸地区, 年平
均风速为 1. 7 m/ s, 每年 2~ 4月午后至傍晚多大
风, 最大风速可达 17 m/ s。4~ 5月刮大风时, 常将
播后的牧草种籽从土中刮走, 当地风蚀相当严重,
给农牧业生产带来一定损失。
3 结论
3. 1 论述了小气候考察研究在人类生存环境与发
展区域经济中的重要意义, 以及小气候考察的任务
和内容。同时, 对青海海北高寒草甸矮嵩草草甸试
验区的小气候考察结果进行了讨论, 研究结果可为
研究草甸小气候特点、局地生态环境、指导生产实践
提供科学依据。
3. 2 高寒草甸地处青藏高原东部, 平均海拔高度
在 3200 m 以上, 由于所处的海拔高度高, 空气稀
薄, 能见度大, 晴天多, 日照时间长。所以, 获得
的太阳辐射量极其丰富, 总辐射量和净辐射量都很
大, 同时, 反射辐射和有效辐射大于平原地区。
3. 3 高寒草甸地区具有明显的高原大陆性气候特
点, 气温日较差大, 日照时间长, 地表强度具有明
显的日周期变化, 太阳辐射强烈, 全年总辐射量 5.
866@ 106~ 6. 704 @ 106 kJ/ m2, 土壤湿度较大, 特
别土壤表层湿度更大, 有利于草甸植被的生长, 有
利于畜牧业的发展。
3. 4 高寒草甸地区在发展畜牧业的同时, 需要保
护达当地的生态环境和局地小气候的变化, 牲畜头
数和草场布局的合理, 增强抵抗低温以及风蚀等危
害的能力。
参考文献
[ 1] 姚德良, 李家春, 李新荣, 等. 干旱区陆面过程野外观测研究
[ J] . 中国沙漠, 2001, 21( 3) : 254~ 259.
[ 2] Li Jiachun, Yao Deliang, S hen Weim ing, et al . A Coupling
Model for Terrestrial Processes in Arid Areas and It s applicat ion
[ J] . Applied Mathemat ice and Mechanics, 1999, 20( 1) : 1~ 11.
[ 3] 姚德良, 杜岳, 李家春, 等. 沙坡头人工植被区陆气耦合模式
及生物结皮与植被演变的机理研究[ J] . 生态学报, 2002, 22
( 4) : 452~ 460.
[ 4] 姚德良, 沈卫明, 谢正桐, 等. 高寒草甸地区牧草生长量模拟
模式研究[ J] . 草地学报, 1996, 4( 4) : 274~ 280.
[ 5] 季国良. 青藏高原能量收支观测实验的新进展 [ J] . 高原气象,
1999, 18( 3) : 333~ 340.
[ 6] 姚德良, 沈卫明, 张强, 等. 高寒草甸生态系统陆地生物圈模
式研究及应用[ J] . 高原气象, 2002, 21( 4) : 389~ 394.
[ 7] 谢正桐, 李家春, 姚德良. 考虑植被影响的陆气耦合模式[ J ] .
力学学报, 1998, 30( 3) : 267~ 276.
[ 8] 姚德良, 谢正桐, 李家春. 禹城地区陆气相互作用耦合模式和
观测研究[ J] . 生态学报, 2000, 20( 6) : 1076~ 1082.
[ 9] 姚德良, 张强, 杜岳, 等. 红壤地区陆气耦合模式研究及其应
用[ J] . 中央民族大学学报(自然科学版) , 2003, 12( 2) : 101~
110.
[ 10] 夏武平. 高寒草甸生态系统 [ M ] . 兰州: 甘肃人民出版社,
1981, 1~ 33.
305第 4期 姚德良等:高寒草甸小气候考察研究