塔克拉瑪干沙漠不同區域土壤熱通量比較

張文斌，買買提艾力·買買提依明，何　清*，楊興華，霍　文，楊　帆，塔伊爾·艾則孜

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆　烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆　烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆　塔中841000；4.霍城縣氣象局，新疆　霍城835200）

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塔克拉瑪干沙漠不同區域土壤熱通量比較

張文斌1，2，3，買買提艾力·買買提依明2，3，何清2，3*，楊興華2，3，霍文2，3，楊帆2，3，塔伊爾·艾則孜4

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆塔中841000；4.霍城縣氣象局，新疆霍城835200）

摘要：選取塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區和北緣過渡帶肖塘地區2個觀測站，2013年土壤熱通量觀測資料，初步分析了兩地區不同下墊面的土壤熱通量變化特征。結果表明：（1）在日變化尺度上，2個站都有明顯的日變化特征，1月塔中站土壤熱通量日平均變化幅度小于肖塘站，4月2個站的土壤熱通量變化幅度較為接近；7、10月塔中站土壤熱通量變化幅度明顯高于肖塘站。（2）不同天氣條件下，2個站的土壤熱通量變化都有很大差異。晴天，塔中站和肖塘站土壤熱通量變化都呈現出單峰型，變化幅度較一致，日較差分別為119.7 W·m-2和119.1 W·m-2；沙塵暴天氣，土壤熱通量受云層的影響，變化波動較大，塔中站變化幅度小于肖塘站，日較差分別為83.6 W·m-2和133.1 W·m-2；降水天氣，塔中站和肖塘站變化幅度都很劇烈，日較差分別為70.6 W·m-2和66.6 W·m-2。（3）年變化尺度上，塔中站和肖塘站土壤熱通量都在7月達到最大值，分別為7.7 W·m-2和4.2 W·m-2，在11月出現最小值分別為-5.3 W·m-2和-10.2 W·m-2。塔中站和肖塘站土壤熱通量年總量差異很大，塔中站為16.8 W·m-2，能量由大氣向土壤傳遞，土壤為熱匯，而肖塘站則為-34.9 W· m-2，能量由土壤向大氣傳播，土壤表現為熱源。

關鍵詞：塔克拉瑪干沙漠；土壤熱通量；塔中；肖塘

張文斌，買買提艾力·買買提依明，何清，等.塔克拉瑪干沙漠不同區域土壤熱通量比較[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：57-62.

土壤熱通量是單位時間、單位面積上的土壤熱交換量，是地表能量平衡的重要組成部分之一，在很大程度上影響著系統能量的閉合程度[1]。地表土壤熱通量反映了土壤表層與深層之間的熱交換狀況[2]，研究土壤熱通量變化特征對分析生態系統物質和能量交換過程，以及對全球的氣候變化具有重要意義[3]。盡管在數值上土壤熱通量較潛熱通量、顯熱通量小很多，但是在較小時間尺度上進行比較分析就必須準確估算出土壤熱通量的變化，才能正確的評價能量閉合程度[4]。因此，通過對塔克拉瑪干沙漠不同區域土壤熱通量變化研究比較，對掌握沙漠地區土壤熱交換以及能量平衡和閉合具有重要的作用。

近年來，有許多學者致力于農田、草地和森林土壤熱通量的研究，已經取得了很多重要的成果[5-10]。王春風等[5]研究分析了長武塬區地表反照率、土壤溫度梯度、土壤熱通量的變化特征，發現土壤熱通量季節變化趨勢與土壤溫度梯度變化趨勢正好相反。李祎君等[6]基于錦州農田生態系統野外觀測站觀測數據，分析了玉米農田水熱通量的日際、年際變化特征及其能量平衡狀況，得出玉米農田水熱通量日變化與年變化均呈單峰型二次曲線。陽伏林等[7]利用內蒙古蘇尼特左旗溫帶荒漠草原生態系統觀測站觀測資料，對生態系統能量平衡特征及其驅動因子分析，發現土壤熱通量在能量支出中所占比例較小，全年基本保持平衡，但是其在能量平衡中存在類似“能量緩存”的作用，不能被忽略。王潤元等[8]利用野外試驗資料，比較分析了夏季祁連山區草原和河西走廊張掖戈壁地表能量特征，得出在夏季典型晴天，山區草原的土壤熱通量小于戈壁。尹光彩等[9]利用2003年土壤熱狀況實測數據，探討了鼎湖山針闊混交林各層次土壤溫度、土壤熱通量及與凈輻射的關系，發現5 cm深處土壤熱通量振幅明顯小于表層,且日變化節律也延滯0.5～1.0 h。王美蓮等[13]利用內蒙古大興安嶺原始林區2007年的氣象觀測資料，分析了土壤熱通量和土溫的日、年變化以及它們的關系，得出土壤熱通量和土壤溫度的日、年變化均呈現“S”型，均有1個最大值和1個最小值，土壤溫度的變化幅度均小于土壤熱通量。王延慧等[10]分析了塔克拉瑪干沙漠北緣地表能量收支特征，指出肖塘地區地—氣能量交換主要以感熱和土壤熱通量為主，潛熱通量的變化不是很大。但是，對于沙漠地區土壤熱通量的研究則比較少?；诖?，本文利用塔克拉瑪干沙漠2013年土壤熱通量觀測資料，揭示塔克拉瑪干沙漠不同區域土壤熱通量變化特征。

1　研究區概況

試驗站點主要設在塔克拉瑪干沙漠北緣肖塘試驗站（以下簡稱肖塘）和塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站（以下簡稱塔中）（圖1）。肖塘（40°48＇N，84°18＇E，海拔912 m）深入于沙漠公路肖塘1號井1000 m的沙漠，地處古河床的南岸，北邊距離胡楊林約為2 km，是沙漠與荒漠的交匯處，為典型的沙漠腹地—荒漠—綠洲過渡帶，距塔里木河40 km[11]，下墊面主要為平坦沙地。該地區屬于內陸暖溫帶荒漠氣候，空氣干燥、蒸發量大，年降水量15.2 mm，年均氣溫12.4℃[12]。塔中（38°58＇N，83°39＇E，海拔1099 m）位于塔克拉瑪干沙漠腹地，是我國唯一一處深入沙漠腹地200 km的野外試驗站[13]。該地區氣候干燥，降水量極少，植被覆蓋稀少，沙源豐富，絕大部分地面裸露，被沙子所覆蓋，只在壟間地分布有零星的檉柳灌叢和蘆葦[14]；年平均氣溫為12.1℃，年降水量為25.9mm，而蒸發量可達3812.3 mm[15]。

圖1　研究區地理位置示意圖

2　資料與方法

本文數據選自塔中和肖塘2013年1月1日—12月31日土壤熱通量實時觀測數據以及氣象站地面報表數據。土壤熱通量數據采用0.5 h平均數據，數據采集為當地地方時，塔中與北京時相差2 h25 min24 s，肖塘與北京時相差為2 h23 min19 s。對于所采用原始數據進行質量控制，剔除了一些由于儀器發生故障以及其他原因造成的異常數據。土壤熱通量數據采集采用土壤熱通量板HFP01SC （Hukseflux），選取5 cm處的測量數據。

3　結果與分析

在分析土壤熱通量日平均變化中，對兩個站1、4、7、10月的土壤熱通量資料進行逐日相同時刻平均。典型天氣下塔中選取6月10日、12日、16日分別代表晴天、沙塵暴、降水，肖塘選取6月10日、2日、16日分別代表晴天、沙塵暴、降水。

3.1塔中、肖塘土壤熱通量日變化

圖2是塔中、肖塘土壤熱通量日變化特征?？梢钥闯?，塔中和肖塘的土壤熱通量日變化具有相同的特點：變化趨勢都呈現出倒“U”型，在白天，隨著太陽的升起，土壤熱通量都為正值。但是兩地的土壤熱通量變化也具有不同的地方。1月，塔中和肖塘5 cm處土壤熱通量平均值分別為-3.3 W·m-2、-9.4 W·m-2，塔中日平均土壤熱通量于13:30（地方時，下同）達到最大值（39.1 W·m-2），而肖塘則早于塔中，于12:30達到最大值（43.2 W·m-2），且高于塔中；塔中最小值出現在0:30，為-19.8 W·m-2，日較差為58.9 W·m-2，肖塘出現在22:00，為-29.2 W·m-2，日較差為72.4 W·m-2。

4月，塔中和肖塘土壤熱通量平均值分別為4.8 W·m-2、-0.1 W·m-2，日平均土壤熱通量最大值分別為63.7 W·m-2（13:00）、67.2 W·m-2（12:30），最小值分別為-24.4 W·m-2（0:00）、-32.9 W·m-2（21:30），日較差分別為88.1 W·m-2、100.1 W·m-2。

7月，塔中和肖塘土壤熱通量平均值分別為7.7W·m-2、4.2 W·m-2，日平均土壤熱通量最大值分別為72.1 W·m-2（12:30）、35.7 W·m-2（14:00），最小值分別為-26.9 W·m-2（3:00）、-18.0 W·m-2（5:30），日較差分別為99.0 W·m-2、53.7 W·m-2。

10月，塔中和肖塘土壤熱通量平均值分別為-2.1 W·m-2、-4.7 W·m-2，日平均土壤熱通量最大值分別為68.5 W·m-2（12:00）、46.9 W·m-2（13:00），最小值分別為-31.8 W·m-2（21:00）、-26.4 W·m-2（3: 30），日較差分別為100.3 W·m-2、73.3 W·m-2。

可見，在1月肖塘土壤熱通量變化幅度高于塔中，4月兩個站點變化幅度比較接近，而7、10月塔中則高于肖塘。這與2個站點的下墊面以及周圍的環境有關，肖塘是典型的沙漠腹地—荒漠—綠洲過渡帶，其距離胡楊林僅有2 km；塔中周圍植被覆蓋少，下墊面主要為沙子；而且塔中地理位置較肖塘緯度低，太陽輻射量高于肖塘。此外，雖然在1月塔中5 cm土壤溫度大于肖塘（表1），但是通過查詢兩個站點的地面氣象報表得知肖塘在1月有2次降雪過程，土壤含水量的變化以及雪對太陽輻射的反射和對土壤的保溫作用也是影響土壤熱通量值變化的原因，而且肖塘平均相對濕度均大于塔中。而在7、10月，塔中由于處于沙漠腹地，氣溫高，沙子增溫快，且相對于肖塘出現沙塵暴等天氣的頻率小，導致其土壤熱通量日平均變化幅度明顯高于肖塘。

表1　塔中、肖塘5 cm土壤溫度/℃

3.2典型天氣條件下土壤熱通量變化

從圖3可以看出，在不同天氣下塔中和肖塘土壤熱通量都有明顯的日變化特征，晴天變化比較規則，而沙塵暴和降水天變化較不規則。晴天，塔中和肖塘土壤熱通量變化幅度基本一致，兩個站點都在12:00出現最大值，分別為85.4 W·m-2、79.5 W·m-2，最小值都出現在0:00，分別為-34.3 W·m-2、-39.6 W·m-2，日較差分別為119.7 W·m-2、119.1 W·m-2。

沙塵暴天氣，塔中土壤熱通量變化幅度明顯小于肖塘，這與沙塵暴的強度以及周圍下墊面環境有關。塔中在12:00出現最大值（54.1 W·m-2），0:00出現最小值（-29.5 W·m-2）；肖塘11:30出現最大值（95.2 W·m-2），2:30出現最小值（-37.9 W·m-2），日較差分別為83.6 W·m-2、133.1 W·m-2。

圖2　土壤熱通量日變化

降水天，塔中和肖塘土壤熱通量變化都很不規則，波動較大，呈現出鋸齒狀。塔中土壤熱通量在8:00之后逐漸變為正值并持續劇烈上升，這時候降雨逐漸減小停止，土壤熱通量在9:30出現最大值（44.6 W·m-2），之后則逐漸下降，在11:30左右時，降雨又開始增大，土壤熱通量出現低值（-13.7 W· m-2），然后波動下降，在0:00出現最小值（-26.0 W· m-2），日較差為70.6 W·m-2。肖塘土壤熱通量在10: 30出現最大值（16.3 W·m-2），之后由于受降水的影響，又持續下降出現一個低值（-20.5 W·m-2），降水結束后則又開始上升，并且出現兩個高值（13.3 W· m-2、13.5 W·m-2），然后繼續下降在19:30出現最小值（-50.3 W·m-2），日較差為66.6 W·m-2。

圖3　典型天氣下土壤熱通量變化

3.3肖塘、塔中土壤熱通量年變化

從圖4可以看出，肖塘、塔中土壤熱通量都有明顯的年變化特征。塔中土壤熱通量3—9月為正值，其他月份為負值。肖塘則比較滯后，5月開始為正值，在6月又突然轉變為負值，然后在7、8月則又為正值，其他月份都為負值。兩個站點土壤熱通量年變化幅度差異比較大，在進入3月后，天氣逐漸暖和，太陽輻射增加，塔中土壤熱通量逐漸變為正值，并持續上升，并在7月達到最大值（7.7 W·m-2），之后逐漸下降，在11月出現最小值（-5.3 W·m-2）。而肖塘在3、4月則開始出現頻繁的沙塵暴天氣，土壤熱通量仍為負值，5月逐漸變為正值。在進入6月后又變為負值，這是由于本月沙塵暴天氣和降水天氣同時出現，本月共有14次降水（表2），14次沙塵暴，月總降水量為34.3 mm，這些因素導致6月土壤熱通量值的降低。進入7月后土壤熱通量出現最大值（4.2 W·m-2），之后便逐漸下降，并在11月出現最小值（-10.2 W·m-2）。

此外，從全年的變化特征來看，塔中土壤熱通量高于肖塘，塔中土壤熱通量年總量為16.8 W·m-2，說明能量由大氣向土壤傳遞，土壤為熱匯，而肖塘則為-34.9 W·m-2，能量由土壤向大氣傳播，土壤表現為熱源。

圖4　土壤熱通量年變化

表2　降水及沙塵暴出現次數

4　結論與討論

（1）塔中和肖塘土壤熱通量都有明顯的日變化特點。兩者都呈現出倒“U”型。1月肖塘土壤熱通量日平均變化幅度均高于塔中，4月變化幅度差異較小，而7、10月塔中則高于肖塘。1月塔中和肖塘土壤熱通量日較差分別為58.9 W·m-2和72.4 W·m-2，4月分別為88.1 W·m-2、100.1 W·m-2，7月分別為99.0 W·m-2、53.7 W·m-2，10月分別為100.3 W·m-2、73.3W·m-2。

（2）土壤熱通量隨著天氣條件的不同有很大的差異。晴天較為規律，沙塵暴、降水天較不規律，波動范圍很大。晴天，塔中和肖塘土壤熱通量變化幅度比較一致，都在12:00和0:00出現極值。在沙塵暴天氣，塔中變化幅度小于肖塘，出現極值的時間也不一致，兩個站點土壤熱通量日較差分別為83.6 W·m-2、133.1 W·m-2；這主要是由于在沙塵暴天氣受天氣情況的影響，能見度降低，大氣中的懸浮顆粒對太陽輻射進行折射和散射作用，以及到達地表的凈輻射減小，導致土壤熱通量值較晴天低。在降水天，2個站點土壤熱通量變化都呈現出明顯的鋸齒狀，塔中變化幅度大于肖塘，土壤熱通量值明顯低于晴天，日較差分別為70.6 W·m-2、66.6 W·m-2，這是由于降水天除了太陽輻射減少外，降水還滲入地表導致土壤濕度增加，地溫降低，從而導致土壤熱通量變化劇烈。

（3）從全年變化來看，塔中土壤熱通量值要高于肖塘，塔中土壤熱通量年總量為16.8 W·m-2，肖塘為-34.9 W·m-2，塔中表現為熱匯，肖塘為熱源。塔中年變化幅度比較規則，而肖塘由于受地理環境以及較多降水和沙塵暴天氣的影響變化較不規則。

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Comparison ofthe SoilHeatFlux Variationsin DifferentAreasover the Taklimakan Desert

ZHANG W enbin1，2，3，AliMamtimin2，3，HE Qing2，3，YANG Xinghua2，3，HUO W en2，3，YANG Fan2，3，TayirAziz4
（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism,Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.DesertAtmosphereand EnvironmentObservation ExperimentStation ofTaklimakan，Tazhong841000，China；4.Huocheng MeteorologicalBureau，Huocheng835200，China）

AbstractThe observed soilheatflux data of the Tazhong and Xiaotang station in 2013 were analyzed and compared.The Tazhong station islocated atthe hinterland ofTaklimakan desert,and the Xiaotang station atthenorthern margin which isan ecotone ofthe Taklimakan desertand oasis, they standard fortwo differentunderlying surfaces.Theirdifferentcharacteristics ofthe soilheat flux variation areasfollows:（1）On thescaleofday,the soilheatfluxattwostationshasobvious diurnalvariation.The averaged diurnalvariation atthe Tazhong station is below than thatatthe Xiaotang station in January,buttheir variations are similar to each other in April,however,the amplitude ofvariation atthe Tazhong station islargerthan thatatthe Xiaotang station in July and October.（2）The soilheatflux attwo stationshassignificantdifferencesunderdifferentweather conditions.In sunny days,the diurnalvariations have single peak,and the variation ranges are consistencyattwo stations.The differencesofthe maximum and minimum values（DMMV）ofthe averaged soilheatfluxesatthe Tazhong and Xiaotang station are 119.7 W·m-2and 119.1 W·m-2, respectively.In dust-sand storm days,the soilheatfluxesare affected by cloud which shadowsthe solarincidentradiation,thus,itenhances the range.The variation atthe Tazhong station isbelow than thatatthe Xiaotang station,the DMMV are 83.6 W·m-2and 133.1 W·m-2,respectively.In rainy days,the soilheatflux variation isdramatic attwo stations,the DMMV are 70.6 W·m-2and 66.6 W·m-2,respectively.（3）On thescaleofyear,the averaged soilheatfluxesreach the highest in July at the Tazhong and Xiaotang stations, their values are 7.7 W·m-2and 4.2 W·m-2, respectively,and reach the lowestin November,theirvalues are -5.3 W·m-2and -10.2 W·m-2, respectively.Moreover,the average annualsoilheatfluxes are also significantattwo stations,at Tazhongstation,thevalue is16.8 W·m-2,which meanstheenergytransfersfrom the airto the soil, i.e.the soilisaheatsink,on thecontrary,atthe Xiaotangstation,the valueis-34.9 W·m-2,which meanstheenergytransfersfrom thesoiltotheair,i.e.thesoilisaheatsource.

Key wordsTaklimakan desert;soilheatflux;Tazhongstation;Xiaotangstation

中圖分類號：P461.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0799（2016）02-0057-06

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.009

收稿日期：2016-01-20；修回日期：2016-02-15

基金項目：公益性行業專項（GYHY201306066）；國家自然科學基金（41175140）聯合資助。

作者簡介：張文斌（1991-），男，碩士研究生，主要從事干旱區環境演變與災害防治研究。E-mail：zhangwenbin2015@126.com

通訊作者：何清（1965-），男，研究員，主要從事沙漠氣象研究。E-mail：qinghe@idm.cn