全 文 ：中国生态农业学报 2009年 7月 第 17卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2009, 17(4): 760−764


* 国家自然科学基金项目(40571160)和山东省气象局开放科研基金[气业函〔2005〕167号]资助
** 通讯作者: 赵庚星(1964~), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事土地(土壤)资源信息技术研究。E-mail: zhaogx@sdau.edu.cn
朱西存(1970~), 男, 汉族, 博士生, 讲师, 研究方向为土壤生态和农业气象。E-mail: zxc@sdau.edu.cn
收稿日期: 2008-06-24 接受日期: 2008-11-01
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00760
局地不同下垫面对气象要素的影响及其气候效应*
朱西存 赵庚星**
(山东农业大学资源与环境学院 泰安 271018)
摘 要 本研究探讨了不同下垫面对气象要素的影响及其产生的气候效应, 以期为局地生态环境的改善提供
科学依据。采用同步观测的方法, 对林地、草地、裸地与耕地 4种下垫面进行气象观测, 并对获得的气象要素
数据进行了分析。结果表明, 春季不同下垫面对气象要素的日变化有显著或极显著影响, 影响程度为风速>地
表温度>空气温度>空气湿度。4种下垫面的气象要素在春季、夏季有显著或极显著差异, 而秋季、冬季差异不
显著。对不同下垫面蒸散量和热量平衡及其各分量对气象要素影响进行了分析, 结果表明, 林地、草地的降温、
增湿气候效应显著, 裸地具有干、热的气候特点, 耕地介于二者之间。
关键词 下垫面 气象要素 气候效应 热量平衡 蒸散量
中图分类号: F323.22 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)04-0760-05
Local influence of underlying surface on meteorological elements and
associated climatic effect
ZHU Xi-Cun, ZHAO Geng-Xing
(College of Resources and the Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)
Abstract To explore the influence of underlying surface on meteorological elements and associated climatic effects and to lay sci-
entific basis for local environmental improvement, field meteorological observations were conducted in 4 underlying surfaces (for-
estland, grassland, bare land and cultivated land) and collected climatic element data statistically analyzed. The results show that
different underlying surfaces significantly influence daily variations in meteorological elements in spring. The order of the degree of
influence is as follows: wind speed > ground temperature > air temperature > air humidity. Different underlying surfaces exert dif-
ferent degrees of influence on seasonal variations of meteorological elements, which is significant in spring and summer, but insig-
nificant in autumn and winter. Analysis of heat balance and its components, and evapotranspiration shows that forestland and grass-
land have obvious effects of cooling and humidification on climate, whereas bare land is identified with dry and hot climate. Climatic
conditions under cultivated lands are in between that of forestland, grassland and bare land.
Key words Underlying surface, Meteorological element, Climatic effect, Heat balance, Evapotranspiration
(Received June 24, 2008; accepted Nov. 1, 2008)
随着全球变暖的突显, 气象要素作为影响人类
生产、生活最密切的生态环境要素之一, 日益引起
人们的重视。不同类型下垫面影响地球表面热量和
水分分配, 从而影响局地和更大尺度的气候变化。
因此, 研究不同下垫面对气象要素的影响对全球变
化的研究具有积极的理论和现实意义。
在局地尺度上, 对农田、地形、城市绿化、温
室等单一下垫面的小气候效应研究较多 [1−5], 部分
学者虽然对不同下垫面的小气候特征和气象要素进
行了对比研究[6,7], 但人类活动对陆面植被状况改变
的研究并没有得到相应程度的关注, 对其气候影响
的研究也相对较少 [8], 特别是局域不同下垫面对气
象要素的影响, 并以此反映对区域乃至全球气候影
响的研究则尤为少见。
本研究通过对林地、草地、裸地与耕地 4 种下
垫面同步进行气象观测 , 获得大量气象要素数据 ,
采用数理统计方法, 对气象要素的差异性进行分析,
探索局地不同下垫面对气象要素及区域气候的影
第 4期 朱西存等: 局地不同下垫面对气象要素的影响及其气候效应 761


响；同时, 作为局地尺度下垫面气候影响的具体案
例, 可为不同尺度气候变化的交互影响及其累积效
应和全球气候变化的研究提供借鉴。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
研究区设在山东省泰安市山东农业大学农业科
技示范园(36°12′N, 117°9′E)。该区年平均气温 12.9
℃；8 月份温度最高, 平均 26.4 ℃；1 月份温度最
低, 平均−2.6 ℃。全年平均日照数为 2 627.1 h, 年
际变化在 2 342.3~3 413.5 h间, 日照百分率 58%, 5、
6月份最多, 月均 268 h。年平均太阳辐射总量为 5.1
×105 J·m−2, 年际变化在 4.7×105~5.7×105 J·m−2
之间, 以 5月份最多, 12月份最少。土壤均为沙壤土,
地形比较平坦。研究区代表性下垫面有林地、草地、
裸地、耕地。林地为树龄 10年的银杏, 株、行距 2 m
×2 m, 平均树高 5.2 m, 郁闭度 0.58, 面积 1.5 hm2；
草地为草坪, 主要为结缕草, 平均高度为 0.075 m,
覆盖度为 97%, 面积 0.8 hm2；裸地为空闲光板地；
耕地冬、春季为冬小麦, 夏、秋季为夏玉米, 面积
2.4 hm2。
1.2 研究方法
气象要素的测定于 2004年 3月~2005年 1月晴
朗微风天气进行, 从 8：00~18：00同时在林地、草
地、裸地和耕地测定, 每隔 1 h记录 1次数据, 全部
观测项目在 20 min内完成。每月观测 2~3次。测定
项目为地表温度、5cm地温、空气温度、空气湿度、
风速、净辐射等。
测定仪器为 DHM2型通风干湿表、DEM6型轻
便三杯风向风速表、净辐射表、地温表、曲管地温
表, 观测按《地面观测规范》的要求进行。DHM2
型通风干湿表和 DEM6 型轻便三杯风向风速表的观
测高度分别为 100 cm和 150 cm；净辐射表的观测高
度为 150 cm；地温表测定深度 0 cm；曲管地温表测
定深度 5 cm。设 2个重复。
以观测的数据建立研究区不同下垫面的气象要
素数据库。在 SPSS软件支持下, 采用方差分析方法,
分析不同下垫面气象要素的日变化、季节变化的差
异性；同时, 对不同下垫面的热量平衡及各分量和
蒸散量进行研究, 分析不同下垫面的气候效应。
采用下垫面活动层热量平衡方程简化式[9]研究
不同下垫面的热量平衡：
sR P LE Q= + + (1)
式中, R为净辐射, P为湍流热通量, LE为蒸散耗热
量, Qs为土壤热通量。R为实测值, Qs采用 Л·B. 杜
勃洛文法[9]计算：
0 0s zQ z
θλ =∂= − ⋅ ∂ (2)
式中, λ0为地面导热率, 0zz
θ
=
∂
∂ 为地面温度梯度。
P、LE采用热量平衡法计算：
( ) 1s
P
L qP R Q
C T
⎛ ⎞Δ= − + ⋅⎜ ⎟Δ⎝ ⎠
(3)
( ) 1 Ps C TLE R Q L q
⎛ ⎞Δ= − + ⋅⎜ ⎟Δ⎝ ⎠ (4)
式中, ΔT=T1－T2, Δq=0.622×10−3(e1－e2), Cp=1.004 6
J·g－1·℃−1, L=2.5×103 J·g−1, T1、T2、e1、e2分别
为 100 cm、150 cm高度上的气温和水气压。
蒸散量按康斯坦丁诺夫法简化式计算[10]：
( ) ( )( )2 1 1 22 2 2
2
1
1.29 10 3 600
ln
q i
U U q q
E r R
z
z
ω α− − −= × ⋅ ⋅ ⋅ ×
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(5)
式中, z1=100 cm, z2=150 cm, U1、U2、q1、q2分别为
z1、z2高度上的风速和比湿, ω=0.38, 1( ) ,
1i i
r R
R
= −
Ri 为里查逊数, αq 为与里查逊数和粗糙度有关的系
数, E为蒸散量 (mm·h−1)。
2 结果分析
2.1 不同下垫面气象要素随时间变化的特征及气
候效应
2.1.1 不同下垫面气象要素的日变化特征
根据 4 种下垫面气象要素的日变化资料, 选择
观测条件类似的春季观测数据, 采用方差分析方法,
得到不同下垫面气象要素的日变化均值(表 1)。从表 1

表 1 春季不同下垫面气象要素均值的日变化
Tab.1 Diurnal change of meteorological elements of different underlying surfaces in spring
气象要素 Meteorological element 林地 Forestland 草地 Grassland 裸地 Bare land 耕地 Cultivated land F
地表温度 Ground temperature (℃) 20.3b 24.0a 25.5a 24.5a 5.70*
气温 Air temperature (℃) 20.7a 19.2a 22.8b 20.5a 2.30*
空气湿度 Air humidity (%) 49a 50a 43a 49a 0.98
风速 Wind speed (m·s−1) 0.6cb 0.8b 1.2a 0.5c 14.50**
多重比较采用 LSD法, 每行相同字母表示差异不显著, **为极显著, *为显著。下同。Multiple comparison was conducted by LSD method.
Same letters in one line mean not significant difference. ** significantly different at 0.01 level, * significantly different at 0.05 level. The same below.
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看出, 不同下垫面对各气象要素的日变化影响程度
为：风速>地表温度>空气温度>空气湿度。
地表温度日均值大小顺序是：裸地＞耕地＞草
地＞林地。林地与草地、裸地、耕地差异显著(表 1)。
其原因是裸地在白天直接受太阳照射, 土壤吸收的
太阳辐射较多；对于林地, 太阳辐射投向林木冠层
后, 一部分被林冠表面反射, 大部分被林冠的叶层
所吸收, 剩下的一小部分才到达地表；草地在草覆
盖下, 地表温度相对较低；耕地(麦田)中太阳辐射能
部分到达地面, 地表温度比裸地低, 而比草地和林地
高。从图 1a看出, 8:00~14:00, 4种下垫面地表温度上
升, 而裸地上升的幅度远高于林地、草地和耕地, 尤
其是在中午 12:00~14:00, 裸地的地表温度升高较快。
4种下垫面的气温差别较大, 其大小顺序是：裸
地＞林地＞耕地＞草地(表 1、图 1b)。林地因树冠对
太阳辐射的遮挡作用, 林内气温相对较低且变化较
平缓；草地虽个体矮小, 但盖度较高, 也具有一定的
调节气温的能力；裸地因直接接收太阳辐射, 气温
较高, 同时由于地表面平整, 吸热和放热均比较迅
速, 气温变化相对激烈, 最低值为 17.2 ℃, 最高值
为 24.2 ℃, 气温日较差为 7.0℃；耕地(麦田)气温变
化介于草地和裸地之间。林地、草地、裸地和耕地
气温的日较差分别为 5.3℃、5.7℃、7.0℃、6.4℃, 表
现为裸地＞耕地＞草地＞林地。因此林、草地降温
效果显著。
4种下垫面的空气湿度差异不明显(表 1、图 1c)。
从表 1和图 1c可以看出, 林地、草地、裸地和耕地
的空气湿度最低值均出现在 14：00。草地空气湿度
最大 , 平均为 50%, 变化幅度为 21%；林地次之 ,
平均为 49%, 变化幅度为 31%；裸地空气湿度最
小, 平均为 43%, 其变化幅度 28%；耕地的变化幅
度介于林地与草地之间。所以林、草地的增湿效果
明显。
林地、草地、裸地和耕地的风速差异极显著, 其
风速日变化的均值大小顺序是：裸地＞草地＞林地
＞耕地(表 1)。4 种下垫面风速的日变化曲线基本一
致, 具有阵性的特点(图 1d)。林地的风速变化较平缓,
主要因为树干和树叶的阻拦、摩擦、碰撞、摇摆等
作用, 迫使进入林地的风的气流分散, 动能消耗而
风速减弱；草地地面粗糙度较裸地大, 乱流交换变
弱, 风速变化介于林地和裸地之间；耕地(麦田)风速
日变化均值最小。林地的风速随时间变化幅度较小
(图 1d), 防风效果较好。
2.1.2 不同下垫面气象要素的季节变化特征及其气
候效应
植被季节变化是下垫面变化的重要原因, 与其
相应的气象要素也呈现季节变化特点。
从表 2 可以看出, 不同下垫面, 春季和夏季气
象要素有较大的差异, 其影响程度春季为：风速>地
表温度>空气温度>空气湿度, 夏季为：地表温度>风
速>空气温度>空气湿度。除风速外, 秋季不同下垫
面间各气象要素差异不显著, 冬季各气象要素差异
均不明显。原因是春季随植物的生长, 植被覆被度
逐渐增加, 下垫面反射率逐渐减小, 遮光逐渐增强,


图 1 不同下垫面的地表温度(a)、气温(b)、空气湿度(c)和风速(d)日变化
Fig. 1 Daily changes of ground temperature (a), air temperature (b), air humidity (c) and wind speed (d) of different underlying surfaces
第 4期 朱西存等: 局地不同下垫面对气象要素的影响及其气候效应 763


表 2 不同下垫面的气象要素季节变化均值比较
Tab. 2 Comparison of seasonal change of meteorological elements of different underlying surfaces
季节
Season
气象要素
Meteorological element
林地
Forestland
草地
Grassland
裸地
Bare land
耕地
Cultivated land
F
地温 Ground temperature (℃) 18.4b 21.5a 24.2a 22.7a 6.6**
气温 Air temperature (℃) 15.2b 17.7ab 19.3a 16.7ab 3.2*
空气湿度 Air humidity (%) 43a 39ab 33b 39ab 2.3
春季
Spring
风速 Wind speed (m·s−1) 0.6b 1.0a 1.1a 0.7b 13.0**
地温 Ground temperature (℃) 25.2c 31.4b 38.2a 27.8bc 19.2**
气温 Air temperature (℃) 25.6b 28.5ab 31.3a 27.2b 4.7**
空气湿度 Air humidity (%) 49ab 53ab 44b 58a 3.5*
夏季
Summer
风速 Wind speed (m·s−1) 0.9b 1.3a 1.3a 1.0ab 5.0**
地温 Ground temperature (℃) 16.6b 18.3ab 20.6a 19.4ab 2.0
气温 Air temperature (℃) 16.2a 17.3a 18.7a 17.7a 1.4
空气湿度 Air humidity (%) 46a 48a 43a 45a 1.0
秋季
Autumn
风速 Wind speed (m·s−1) 1.2b 1.1a 1.0a 0.7a 6.0**
地温 Ground temperature (℃) 6.8a 6.6a 8.2a 8.0a 0.2
气温 Air temperature (℃) 6.0a 6.7a 6.6a 5.9a 0.1
空气湿度 Air humidity (%) 38a 39a 33a 35a 0.6
冬季
Winter
风速 Wind speed (m·s−1) 0.9a 1.1a 1.2a 1.1a 0.7

不同下垫面获得的太阳辐射差异逐渐变大, 气象要
素的差异性显著；夏季, 植被的覆被度达到最大, 4
种下垫面获得的太阳辐射差异也最大, 气象要素的
差异性达到显著和极显著水平；秋季, 随着植物的
枯萎, 植被覆被度逐渐减小, 4种下垫面的太阳辐射
差异性变小, 气象要素的差异性不显著；冬季各下
垫面覆盖度均降低, 太阳辐射的差异最小, 气象要
素的差异性不明显。从 4 种下垫面气象要素季节变
化的均值可以看出, 夏季 4 种类型的气象要素差异
最大, 春季次之, 秋季较小, 冬季最小。表明不同下
垫面的气候效应具有明显的季节差异性。
2.2 不同下垫面的热量平衡及各分量对气象要素
的影响
热量平衡是小气候形成的物理基础, 而热量平
衡各分量的差异对小气候特征的形成具有重要意
义。对春季 4 种下垫面的热量平衡及各分量的计算
见表 3(以裸地作为对照)。
由表 3 可知, 不同下垫面的热量平衡及各分量
值不同。各种下垫面的净辐射相对变化率为 1.2%~
54.0%。湍流热通量(P)为 P 裸地>P 耕地>P 草地 > P 林地, 其
相对变化率为 24%~70%, 这是由于裸地温度变化剧
烈, 林地气温变化较缓和的原因。蒸散耗热(LE)为

表 3 不同下垫面的热量平衡及各分量比较(日平均)
Tab. 3 Comparison of heat balance and its components of different underlying surfaces (daily average)
项目
Item
裸地
Bare land(CK)
林地
Forestland
草地
Grassland
耕地(麦田)
Cultivated land (wheat)
净辐射(R) Net radiation (W·m−2) 556 258 581 549
净辐射变化率
Change rate of net radiation (%)
0 −54.0 4.5 −1.2
湍流热通量(P) Turbulent heat flux (W·m−2) 194.6 59.3 110.4 148.2
湍流热通量相对变化率
Change rate of turbulent heat flux (%)
0 −70 −43 −24
P/R (%) 35 23 19 27
蒸散耗热量(LE)
Evapotranspiration heat (W·m−2) 233.5 162.5 418.3 329.4
蒸散耗热量相对变化率
Change rate of evapotranspiration heat (%)
0 −30 79 41
LE/R (%) 42 63 72 60
土壤热通量(Qs) Soil heat flux (W·m−2) 127.9 36.2 52.3 71.4
土壤热通量相对变化率
Change rate of soil heat flux (%)
0 −72 −59 −44
Qs/R (%) 23 14 9 13
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LE 草地>LE 耕地>LE 裸地>LE 林地, 这与草地蒸散耗热多,
温度变化较其他下垫面小且空气湿度较大有关。土
壤热通量(Qs)为 Qs 裸地>Qs 耕地>Qs 草地>Qs 林地, 相对变化
率为 44%~72%。这主要是由林地内接受太阳辐射较
少, 土壤温度梯度小引起的。从热量平衡各分量占
净辐射比例来看 , 各种下垫面均为蒸散耗热(LE/R)
占比例最大 , 为 42%~72%, 且林地、草地和耕地
LE/R 均大于裸地, 这是造成裸地温度高而空气湿度
小的原因；湍流热通量所占比例(P/R)各下垫面差别
不大, 为 19%~35%；而土壤热通量所占比例(Qs/R),
草地值最小。由以上分析可知, 林、草地降温的气
候效应显著；裸地具有干、热的气候特点；耕地介
于二者之间。
2.3 不同下垫面的蒸散量
利用公式(5), 计算了春季不同下垫面的蒸散量
(表 4)。由表 4可以看出, 林地、草地和耕地的蒸散
量均大于裸地, 相对变化率为 13%~20%。林地、草
地的蒸散量较大, 增湿效果明显；裸地的蒸散量最
小, 增湿效应较差, 表现为干化特点；耕地的蒸散量
介于二者之间。

表 4 春季 8：00~18：00不同下垫面的日蒸散总量
Tab. 4 Daily evapotranspiration of different underlying surfaces from 8:00 to18：00 in spring
蒸散量 Evapotranspiration (mm) 观测日期(月-日)
Observation date(month-day) 裸地 Bareland (CK) 林地 Forestland 草地 Grassland 耕地 Cultivated land (wheat)
05-11 2.0 2.3 2.8 2.4
05-19 4.3 4.9 4.7 4.8
05-28 2.7 3.2 3.3 3.1
平均值 Mean value 3.0 3.5 3.6 3.4
相对变化率 Relative change rate (%) 0 17 20 13

3 结论与讨论
本文分析了 4 种不同下垫面春季气象要素的日
变化、热量平衡及各分量、蒸散量, 并分析了各气
象要素的季节变化。研究结果表明, 不同下垫面对
气象要素的日变化有显著影响, 其影响程度为风速
>地表温度>空气温度>空气湿度。林内气温变化平缓,
高温期持续时间较短, 其调节气温、减弱风速、增
加空气湿度的作用明显；草地有降温、增湿作用, 但
远没有林地显著；耕地在春、夏、秋、冬不同季节,
随农作物生长状态而表现出不同的气候效应。因此,
林地有降温、增湿和防风的气候效应；草地有降温、
增湿的气候效应；裸地具有干、热的气候特点；耕
地介于裸地与草地之间。不同季节变化也差异显著,
夏季 4 种下垫面的差异最为显著, 其次是春季, 而
秋季和冬季的差异不显著。
不同下垫面对局地气象要素的影响显著, 对区
域气候及其变化具有重要作用。不同尺度的气候是
一个相互作用和影响的整体, 因此局地和区域气候
的变化必将对全球气候产生影响。应对当前的全球
暖化趋势, 基于不同下垫面的气候效应, 制定科学
的区域土地利用规划, 优化不同土地覆被/利用类型
的结构, 加大林、草地的覆盖面积, 可促进局地、区
域的气候改善, 创造优良的生态环境。
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