作者简介:郭燕红 (1986-), 男, 在读博士, 主要从事寒旱区地表水文过程研究。E-mail: guoyh@itpcas.ac.cn
青藏高原加热及地—气间物质能量交换对我国、东亚乃至全球的天气和气候系统都有着非常重要的作用,受客观条件限制,藏北羌塘高原腹地尚无系统的地—气相互作用过程观测。本文利用中国科学院羌塘双湖极端环境综合观测研究站2011年10月-2012年9月一年的自动气象站观测数据,分析了年内季节和日尺度下双湖地区地面加热场特征,探讨了地表能量平衡及水量平衡特征,结果表明:(1) 双湖地区年内地表热源强度基本为正,年平均热源强度为79.5 W/m2;然而地表热源强度呈现明显的季节和日变化规律,夏季热源强度大于冬季,白天热源强度大于夜间。夏季地表白天为强热源,夜间为弱热源,冬季地表白天为强热源,夜间为冷源。(2) 双湖地区地表能量分配季节变化明显,7、8月份地—气间主要以潜热交换为主,其他月份主要以感热方式进行热量交换,年平均上主要以感热交换为主,年均感热通量和潜热通量分别为55.4 W/m2和24.1 W/m2,波文比为2.3。(3) 双湖地区降水和蒸发皆主要集中在6-9月,年降雨量为332 mm,年蒸发量为312.9 mm,年水量差为19.1 mm,地表水量存在不平衡现象。(4) 双湖地区地表蒸发力很强,年潜在蒸发为1888.2 mm,年均湿润指数为0.17,属典型半干旱气候特征。
Heat and energy exchange between land and atmosphere over the Tibetan Plateau is of great importance for the climatic system in China, east Asia as well as the world. However, there is no systematic observation on atmosphere-land interaction in northern Tibetan Plateau due to rough environmental conditions. In this paper, surface heating and energy/water balance within various temporal scales are analyzed from October 2011 to September 2012 in Shuanghu region. The results show that: (1) the surface heating is positive in the whole year, with an average value of 79.5 W/m2. However, the intensity displays obviously seasonal and diurnal patterns in this region, where it is stronger in summer than that in winter, and also higher in daytime than at night; (2) Surface energy condition varies seasonally, and latent heat exchange is dominated in July and August; (3) surface moisture imbalance occurs in this region, where the annual rainfall and evaporation is 332 mm and 312.9 mm respectively, and the difference is 19.1 mm. (4) The evaporative potential is strong with a humid index of 0.17, belonging to a typically semi-arid climatic region.
青藏高原以其独特的地形被称为“ 第三极” [1], 平均海拔高度达4000 m以上, 是世界上平均海拔最高的高原, 其强大的动力和热力作用显著地影响着东亚气候格局、亚洲季风进程和北半球大气环流[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。近几十年来, 青藏高原对大气环流的动力和热力影响的研究已然成为大气科学领域的热点, 为此相继开展了一系列的大型气象观测试验。例如, 1979年“ 第一次青藏高原气象试验” 、1982-1983年“ 青藏高原地面热源观测” 、1998年“ 第二次青藏高原气象试验 (TIPEX)” 、“ 全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究 (GAME/Tibet)” 及全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验 (CAMP/Tibet) 等。基于这些野外试验很多地— 气相互作用研究工作已在青藏高原那曲地区[10, 11, 12, 13, 14, 15]、阿里地区[16, 17, 18]及珠峰地区[19, 20, 21, 22]等诸多地区开展, 这些研究不仅有助于深入认识青藏高原地区复杂下垫面的水热循环特征及机制, 也为揭示青藏高原对我国、东亚乃至全球天气和气候的动力及热力之影响提供了基础数据[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]。然而, 由于青藏高原面积达250× 104 km2, 下垫面极为复杂, 其特殊的地理条件和恶劣的气候环境给野外观测造成极大的困难, 使得很多野外观测只能在城市附近和交通相对便利的地区展开, 而对于气候恶劣、交通不便的羌塘高原腹地尚无系统的地— 气相互作用过程观测。羌塘高原作为青藏高原主体部分, 平均海拔在4600 m以上, 气候干旱、寒冷, 且风大、辐射强, 是我国气候条件最为恶劣、生态环境极为脆弱的区域。同时, 羌塘高原腹地属典型青藏高原内流区, 其地表与大气间物质和能量交换不仅对局地气候格局产生影响, 甚至对我国乃至东亚气候产生影响。因此, 开展羌塘高原陆气相互作用观测对全面认识青藏高原内流区地— 气间物质和能量交换具有重要意义。
因此本文利用中国科学院羌塘双湖极端环境综合观测研究站2011年10月-2012年9月气象观测资料分析了藏北羌塘高原双湖地区地表加热强度及地表水热平衡特征, 旨在填补藏北羌塘腹地地— 气相互作用观测空白, 并为进一步认识、阐明和模拟青藏高原内流区及高原高寒荒漠草原典型下垫面地— 气相互作用过程提供参考。
本文观测场位于羌塘高原中部典型高寒草原地区 (88° 50′ E, 33° 13′ N, 海拔4939 m, 图1), 区内气候寒冷, 多年均温低于0 oC, 其中最低年均温为-9.6 oC, 而最暖月均温 (7月) 亦不高于14 ° C[32, 33]; 而且该区降水稀少, 蒸发力强, 系典型亚高寒半干旱季风气候[34]。因海拔较高, 地表植被以耐低温和耐干旱的高寒植物为主, 如紫花针茅和青藏苔草等, 且生长季较短; 区内土壤以高山亚高山草原土为主, 土层一般在40 cm左右[35]。本研究主要利用自动气象站定位观测的辐射通量观测资料和微气象梯度观测资料, 观测场地内地势开阔平坦, 满足近地层理论中水平均匀下垫面的要求。观测场内设有一座4 m高的微气象观测塔和一套辐射观测系统, 主要观测项目包括:四层 (0.7 m、1.5 m、2 m、4 m) 风速 (010C-1型, MetOne公司, 精度:± 1%)、空气温度和空气湿度 (HMP45C型, Vaisala公司, 精度:± 1%), 并在4 m高度设置风向观测 (020C-1型, MetOne公司, 精度:± 3° ); 1m高度处的四分量辐射仪 (CNR 4型, Kipp& Zonen公司, 精度:± 2.5%)和三层 (0.03 m、0.3 m、0.5 m) 土壤热通量板 (HFP01SC型, Hukseflux公司, 精度:± 2%); 同时安装了大气压 (PTB110型, Vaisala公司, ± 0.1 hpa) 和自动雨量计 (SM3-1型, 上海气象仪器厂, 精度:± 0.1 mm) 等。试验前对仪器进行了标定, 仪器精度符合要求。以上观测资料每10 min记录一次, 观测数据以北京时间为准。另外, 后期对观测资料进行了严格的数据质量控制, 数据质量满足计算要求。
1.2.1 一般而言, 在匀质下垫面、大气定常情况下, 地表能量平衡方程可表示为[36]:
式中, QN为地表净辐射 (W/m2), QG为土壤热通量 (W/m2), QH为感热通量 (W/m2), QE为潜热通量 (W/m2)。定义QN - QG为地面加热强度[11], 当QN - QG > 0时, 地面向大气输送热能, 地面相对大气是热源; 反之, 当QN - QG < 0时, 地面对大气而言为冷源。
式 (1) 中地表净辐射通量QN由辐射仪观测到的辐射四分量计算得到, QG取0.03 m处观测的土壤热通量结果, 感热通量QH、潜热通量QE可基于组合法[37, 38, 39]进行计算:
式中, QH0和QE0为未经层结订正的感热通量和潜热通量; F为层结影响函数, ρ 为空气密度 (0.7 kg/m³ ), Cp为空气等压比热 (1.01× 103 J/kg· K), k为Karman常数, 取k = 0.4, za为两层观测高度的zi (m) 和zi+1 (m) 的几何平均值, 本文分别取Zi和Zi+1为0.7 m和2 m, λ 为水的汽化潜热 (2.45 MJ/kg), T为气温 (oC), θ 为位温 (oC), q为比湿 (kg/kg), P为大气压 (kPa)。
由潜热潜热通量可计算得到地表实际蒸发:
式中, E为地表蒸发量 (mm)。
1.2.2 湿度度指数计算 湿润度指数用于表示某一区域的干旱程度, 其定义为[41]:
式中, Pr为自动雨量计观测校正后的降水量[40], Ep为潜在蒸发量。当WI > 1.0为湿润类型, 1.0 ≥ WI > 0.3为半湿润型, 当0.3 ≥ WI > 0.1为半干旱型, 当WI ≤ 0.1为干旱型[41]。
Ep计算公式为[42]:
Δ 为饱和水汽压— 温度曲线斜率, γ 为干湿常数, U为2 m高处风速, e0和ea分别为空气实际水汽压和饱和水汽压。
2.1.1 地面加热场季节变化 整体而言, 与高原北部和西部一致[18, 24, 26], 双湖地区年内地表热源强度基本皆为正。然而, 这种热源强度呈现出较为明显的季节差异 (图2), 夏季系强热源, 冬季则为弱热源; 具体而言, 7月地表热源强度可达126.3 W/m2, 12月则仅23.9 W/m2, 年均热源强度79.5 W/m2。需要指出, 冬季降雪事件会影响地表热源强度, 由图3(b)可知, 观测期内2012年1月10-13日和2012年2月8-14日反照率明显升高, 导致了地表热源强度的明显下降 (图3a)。表1给出了两次降雪事件前后地表热源强度大小, 对比降雪前后可以看出2012年1月10日和2月8日的两次降雪事件, 导致地表热源强度分别下降16.8 W/m2和25.6 W/m2, 降幅分别达40%和75%。分析其原因:一方面, 降雪引起地表反照率的升高, 使净辐射的明显下降, 导致地表热源强度的减弱。另一发面, 由图3(b) 可知双湖地区冬季降雪较少, 积雪持续时间较短且积雪较薄, 较冷的地表温度促进土壤热通量由土壤向大气输送, 导致地表热源强度增强, 然而其增强幅度小于地表净辐射的减弱幅度。因此, 反照率升高引起地表净辐射的下降是降雪事件后地表热源强度减弱的主要原因。
![]() | 表1 降雪前后地表热源强度对比 Tab. 1 Comparison of surface heat source intensity before and after snowfall in Shuanghu |
![]() | 图2 双湖地表热源强度季节变化 (月平均值)Fig. 2 Seasonal variation of surface heat intensity in Shuanghu (monthly means) |
![]() | 图3 双湖地表热源强度 (日平均值) (a) 和地表反照率 (b) 季节变化Fig. 3 Seasonal variations of surface heat source intensity (daily means) (a) and surface albedo (b) in Shuanghu |
2.1.2 冬夏季地面加热场的日变化 双湖地区地表热源强度呈现明显的日变化特征 (图4)。以7月代表夏季, 日出后 (7时前后) 地表热源强度迅速增加, 并于14:00达日峰值, 为384.7 W/m2, 午后地表热源强度开始下降, 夜间地表热源强度除极少时间为负值外, 多维持在15 W/m2左右; 双湖地区夏季日间地表为强热源, 而夜间为弱热源。就冬季 (1月) 而言, 地表热源强度变化趋势与夏季有所差异, 日出后 (9时前后), 地表热源强度迅速增加, 并于14:40达日峰值, 为254.4 W/m2, 明显低于夏季; 午后地表热源强度亦迅速下降, 18时地表热源强度由正转负, 夜间地表热源强度整体维持于-40 W/m2左右:双湖地区冬季日间地表为强热源, 而夜间为冷源。
2.2.1 地表能量平衡季节变化 双湖地区地表能量平衡各分量呈现出很明显的季节变化 (图5), 地表净辐射 (QN) 变化呈现典型正弦曲线, 夏季大于冬季, 年内最大出现于7月, 为140.1 W/m2, 最小值出现于12月, 为16.7 W/m2, 年均地表净辐射为82.5 W/m2。土壤热通量 (QG) 与地表净辐射变化趋势相似, 土壤热通量最大值出现在6月, 最大值为16.8 W/m2, 最小值出现在1月, 最小值为-7.7 W/m2; 10月到次年2月土壤热通量为负值, 整体而言该期间地表向大气释放热量, 3月到9月土壤热通量为正值, 整体而言此期间地表从大气吸收热量, 年平均土壤热通量值为3.0 W/m2。感热通量 (QH) 在雨季来临前5月份达到最大, 最大值为98.6 W/m2, 最小值出现在12月, 最小值为22.4 W/m2, 年平均感热通量为55.4 W/m2。潜热通量 (QE) 变化主要取决于降水, 以7月最大 (68.4 W/m2), 而11月至次年5月因降水稀少, 故QE普遍较低, 一般小于10 W/m2, 年平均QE为24.1 W/m2。就年平均而言, 双湖地区地表与大气间热量交换以感热交换为主, QH占地表净辐射QN的67.2%, 而潜热通量QE仅占地表净辐射的29.2%, 年均波文比 (QH/QE) 为2.3, 符合半干旱区特征[36]。上述年尺度上的地表能量分配亦呈现出季节性差异, 基于波文比的季节变化可以较为直观的显示其能量分配特征, 图6可见, 双湖地区波文比最大值出现在3月, 为27.2, 4月以后波文比逐渐减小, 这与雨季的到来有关, 特别是7、8月, 波文比普遍小于1, 暗示QE在夏季占净辐射的主要部分。随着秋冬季降水的减少, 加之地表的冻结, 波文比又逐渐增大, 于12月达到年内另一峰值。然而, 年内1、2月波文比又略有下降, 究其原因可能系冬季降雪导致潜热通量增加。双湖地区地表能量分配特点与高原西部狮泉河、改则[18]及高原北部那曲[43]、五道梁[44]相似, 年平均上都是以感热交换为主, 然而双湖地区潜热所占比重大于高原西部的改则和狮泉河地区, 小于高原北部那曲地区; 且双湖地区潜热交换在夏季7、8月份所占比重会超过感热交换, 而高原西部和北部夏季仍以感热交换为主。
2.2.2 地表能量平衡日变化 由图7可见, 双湖地区地表能量平衡各分量1月份和7月份皆呈现明显日变化, 日出后地表净辐射、感热通量、潜热通量逐渐增加, 午后14时左右达到最大。1月份白天地表净辐射通量最大值为298.5 W/m2, 7月份白天地表净辐射最大值为531.3 W/m2。土壤热通量在1月份和7月份皆表现为白天吸收热量, 夜晚释放热量, 但7月份吸收和释放的热量在数值上大于1月份, 1月份土壤热通量最大值为50.9 W/m2, 7月份土壤热通量最大值为148.5 W/m2。感热通量在1月和7月皆表现为白天地表加热大气, 夜间大气加热地面, 然1月份夜间大气对地表加热强度大于7月份, 1月份感热通量最大值为237.7 W/m2, 7月份感热通量最大值为175.9 W/m2, 1月份感热通量最大值大于7月份。潜热通量在1月份日变化极小, 夜间多维持在0 W/m2左右, 白天略有增大, 最大值为15.9 W/m2; 潜热通量在7月份日变化较为明显, 夜间潜热通量仍为正值, 7月份夜间仍有蒸发现象发生, 日出后潜热通量逐渐增加, 最大值为204.1 W/m2。1月份白天, 地表净辐射主要以感热方式加热大气, 土壤热通量和潜热通量所占比例非常小; 而7月份白天, 感热通量、潜热通量、土壤热通量所占比例相当, 午前感热通量略大于潜热通量, 午后潜热通量略大于感热通量。
双湖地区年内降水分布呈单峰型(图8), 集中出现在6-9月份 (占全年总降水的92%), 尤以7月为甚, 可达122.6 mm, 其次为8月, 亦有108.5 mm。众所周知, 在干旱半干旱地区, 地表蒸发主要取决于降水, 图8可见, 蒸发亦集中于6-9月份, 年内最大蒸发出现于7月 (74.8 mm), 8月次之 (70.4 mm)。而冬季蒸发量普遍较小, 例如整个12月的蒸发量仅为1.5 mm。观测期内, 降雪主要出现在2月, 故其蒸发较冬季其他月份略有增加。就季节而言, 除7、8月降水大于蒸发外, 其他月皆是蒸发大于降水。就观测期内累积蒸发和累积降水曲线可见 (图9), 2011年10月-2012年5月, 降水稀少, 而10月蒸发较大系因2011年夏季降水存储于土壤之中, 在未冻结期间蒸发所致, 然而随着气温的降低, 表层土壤开始冻结, 加之冬季降水稀少, 蒸发显著减小, 然此期间蒸发并不能完全忽略。次年 (2012年) 6月以来, 雨季的到来使得累积降水迅速增大, 并导致蒸发的增大, 8月中旬左右累积降水量超过累积蒸发量。综合而言, 从2011年10月-2012年9月, 双湖地区年降水总量为332 mm, 蒸发总量为312.9 mm, 年水量差为19.1 mm, 观测时段内地表水量存在不平衡现象。
一个地区干湿状况是该地区水热平衡的产物, 又是表征当地气候状况的重要指标[45]。由图10 (a), 双湖地区蒸发力很大, 年潜在蒸发可达1888.2 mm。然其季节变化特征不明显, 其中以5月最大 (198.6 mm), 1月最小 (95.7 mm)。6-9月份潜在蒸发量为678.2 mm, 11月到次年4月潜在蒸发量为1210 mm, 干季潜在蒸发量大于雨季。基于前文的降水分析, 双湖地区年均湿润度指数 (WI) 为0.17, 属半干旱型气候, 这与前人结果一致[34, 46]; 10月到次年5月由于降水稀少, 湿润度指数 (WI) 全在0.1以下, 为干旱型气候; 而6-9月份降水多集中在此期间, 故WI比较大, 其中7、8月份WI分别为0.77和0.72, 为半湿润型气候, 而6、9月份WI分别为0.17和0.24, 属半干旱型气候。
本文基于藏北羌塘高原双湖2011年10月-2012年9月期间连续一年的定位观测资料, 分析了双湖地区地表热源和水热平衡分析得出如下结论:
(1) 双湖地区地表热源强度有明显的季节和日变化规律, 夏季热源强度大于冬季, 白天热源强度大于夜间。双湖地区地表一年四季皆为热源, 年平均热源强度为79.5 W/m2; 7月份双湖地区地表白天为强热源, 夜间为弱热源, 1月份双湖地区白天为强热源, 夜间为冷源。
(2) 双湖地表能量各分量季节变化明显, 7、8月份主要以潜热方式进行热量交换, 其他月份主要以感热方式进行热量交换; 年平均而言, 感热通量占地表净辐射通量的67.2%, 潜热通量占地表净辐射的29.2%, 年均波文比为2.3, 双湖地区地表与大气间热量交换以感热交换为主。
(3) 双湖地区降水主要集中在6-9月份, 年降水量为332 mm, 年蒸发量为312.9 mm, 水量差为19.1 mm。地表水量存在不平衡现象。
(4) 双湖地区地表蒸发力很强, 年潜在蒸发量为1888.2 mm, 年均湿润度指数 (WI) 为0.17, 属典型半干旱型气候特征。
The authors have declared that no competing interests exist.
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