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半干旱区陆气相互作用的观测与研究

王国印  
【摘要】:中国北方半干旱区是中国半湿润区与干旱区的过度带和敏感带,受到气候变化和人类活动的影响,使得该区域干旱化趋势加剧、生态环境恶化、沙尘暴频发、土地沙化荒漠化日益严峻,严重的影响了该区域人们的生产生活。同时干旱、半干旱区生态环境的恶化,也已成为我国可持续发展战略中迫切需要解决的重点问题之一。因而,深入研究该区域下垫面与大气之间的物理、化学、生物过程,探讨干旱半干旱区陆气相互作用的机制与机理,对于改善该区域的气候模拟预测效果、防止水土流失、保护其脆弱的生态环境以及减少气候演变对该区域人类的生产生活所带来的负面影响,有着重要的意义。 本文利用中国北方干旱半干旱区的SACOL站、吉林通榆退化草地、农田站以及加强期观测资料,分析了中国北方干旱半干旱区长期连续的能量平衡状况、水分循环和物质交换的特征以及主要的陆面参数,同时对比研究了不同下垫面条件下的陆气相互作用特征,以及不同年份不同气候背景条件下降水过程对该区域陆气间能量和物质交换所产生的影响。主要研究结果如下: (1)通过与榆中气象台站53年的气候数据资料进行对比分析,SACOL站可以很好的代表黄土高原半干旱区的气候特征。榆中气象台站53年的年平均降水量为370.2mm,SACOL站6年的平均降水量为428.2mm,降水年际变化差异显著,且80%的降水发生在每年的5-10月;潜在蒸发和实际蒸散年总量分别在780~1020mm、280~490mm之间,降水年总量、单次降水强度和降水的时空分布都将会改变土壤湿度的变化特征,同时影响该区域内的能量分配和生态环境,但年降水总量的增加却不足以减轻干旱半干旱区的干旱状况。 (2)虽然受同一天气系统的影响,但由于地形和局地水汽条件的差异,使孤立绿洲兴隆山站和SACOL站的降水在时空分布上有着明显的区别。兴隆山站出现降水和强降水的概率明显高于SACOL站,且平均降水强度也高于SACOL站,降水总量约为SACOL站的125.9%。充足的水汽条件使兴隆山站的水汽压差明显低于SACOL站,空气较湿润。同时由于受到云的影响,兴隆山站在生长季节可用于加热大气、蒸发水汽和由地表向深层土壤传递能量的净辐射量也明显少于SACOL站。 (3)土壤湿度的改变直接受降水分布、降水强度和降水持续时间的影响。由于受到春季融雪和生长季节降水的影响,SACOL站土壤湿度的年变化基本呈现双峰特征。在有大量降水的情况下,浅层土壤湿度迅速增加,深层土壤湿度相对滞后;如长期无降水或仅有微弱降水,浅层土壤湿度将会迅速减小;0.80m以下深层土壤湿度受到降水的直接影响较小,只有在长期持续的强降水后一段时期内才有所增加。此外,SACOL站与孤立绿洲兴隆山站的土壤湿度垂直结构明显不同,SACOL站土壤湿度随着土壤深度而减小,兴隆山站则相反(0~0.50m)。在干旱半干旱区,土壤湿度不但可以直接改变地表反照率和土壤的热力特性,而且还能够间接影响植被的生长状况,进而改变地表粗糙度,影响大气的动量、热量总体输送系数以及感、潜热在净辐射中的分配方式等。 (4)半干早区能量不闭合现象普遍存在,不闭合率在30%左右,孤立绿洲兴隆山站的不闭合率最高达55%,土壤热储量对于能量闭合率的贡献约占8%,不容被忽略。由于受到植被冠层的影响,闭合率在秋季比春季和夏季偏小约3%,冬季则由于受到大气稳定性和表层土壤热通量不确定性闭合率全年最低。SACOL站能量闭合率的平均值约为0.68,虽然其夜间能量闭合率较差,但整体上只影响闭合率的2%。能量的高度不闭合在模式中是不能被接受的,虽然目前给出的原因很多,但地区性差异所造成的影响仍有待进一步的研究。 (5)无论是降水相对稀少的黄土高原半干旱区,还是中国东北半干旱区,在能量分配中,感热通量均在能量分配中占主导地位,约占净辐射量的35~40%,而潜热通量约占净辐射量的21~23%,地表热通量最小约占6~11%;但能量分配存在着季节变化,降水相对较多或土壤湿度相对偏高的的夏秋季节,感热通量在能量分配中比例迅速减小,潜热通量则相对增加,并超过感热通量站而占主导地位,此时Bowen比值接近于1.0或者小于1.0。半干旱区孤立绿洲能够长期维持,主要是因其特定地形形成的局地环流,造成相对较多的降水;其次良好的地表植被覆盖以及地下水补给,使该区域在生长季节有足够水分用于潜热蒸发,同时还能保障其下垫面植物生长所需要的水分。 (6)7-10月随着气温的升高、土壤湿度的增加,植物的生长达到峰值,碳吸收速率也相对高于上半年,但CO2通量快速增加开始的时间却依赖于降水的时空分布和强度、土壤湿度的大小;降水偏少且潜在蒸发比较大的年份,若土壤湿度不能提供大量水分用于蒸发,或降水上半年偏多,下半年降水偏少,都将不利于下垫面植物的生长。SACOL站CO2通量通常在生长季节且土壤湿度最大月份达到最大值,并与年际降水和月降水总量有很大的关系;而在兴隆山站则主要依赖于下垫面农作物的物候,C02通量的最大值并不是出现在土壤湿度的最大值时期。因而降水较多土壤层含水量较高的兴隆山站,作物的生长受到土壤湿度的制约并没有SACOL站那么敏感。 (7)通过土壤湿度在不同的半干旱区、不同的下垫面植被类型和半干旱区孤立绿洲中与各主要物理变量和参数间关系的分析,都足以说明土壤湿度是干旱、半干旱区中能量、水分循环和物质交换中最主要且最为敏感的因子,也是在该区域气候变化中陆气相互作用最为重要的表征因子之一。这不仅表现在土壤湿度的改变将直接影响土壤热力学参数的改变,同时也能够直接反应出该区域干湿、干旱状况的变化,而且在短时间尺度上浅层土壤湿度的改变将直接影响能量分配的情况;深层的土壤湿度则会在更长时间尺度内和更大区域尺度上影响能量和水分循环。在人为影响较小的干旱、半干早区,土壤湿度的改变则只依赖于该区域的降水强度及其时空分布。


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