定量评估黑河流域4种下垫面类型对地表温度的影响_李尔晨.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.04定量评估黑河流域4种下垫面类型对地表温度的影响李尔晨1，张羽1，苑广辉1,2（1.南京信息工程大学，中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京210044；2.南京信大安全应急管理研究院，江苏 南京210044）摘要：本文利用黑河流域4个不同土地覆盖类型站点（分别为沙漠、玉米地、果园和蔬菜地）的微气象观测数据，分析非沙漠下垫面相比沙漠的冷却作用，对直接分解温度理论（Direct Decomposed Temperature Metric，DTM）和内在生物物理理论（Intrinsic Biophysical Mechanism，IBPM）进行能量闭合订正，对比两种理论的定量结果并研究干旱地区4种下垫面类型对地表温度的生物物理效应。在进行能量闭合订正之后，DTM理论与IBPM理论的计算结果都更加符合观测结果，尤其是夜间。订正后的IBPM方法计算出的温度差和观测的温度差更接近。IBPM理论结果表明与能量再分配有关的非辐射效应在白天发挥了非常重要的作用，空气动力学粗糙度（平均-4.97 K）和波文比项（平均-2.43 K）均可产生冷却作用，甚至超过了辐射效应（平均+5.21 K），DTM也有类似的结果。夜间直接生物物理效应比白天要弱，间接影响（环境背景差异）甚至可以超过直接影响。关键词：下垫面类型；生物物理效应；定量评估方法；能量闭合订正土地利用/土地覆盖变化（Land Use Land CoverChange，LULCC）是全球变化的重要环节和主要原因之一1，目前很多研究证明 LULCC例如森林砍伐、农业化及城市化发展对区域气候（如地表温度）有重要影响2-9。受背景气候的影响，高纬度及中纬度森林砍伐通常会使地表降温，特别是在有雪的情况下10-11，但在低纬度地区森林砍伐通常有变暖效应2。农业化通常会产生降温效应，不同的农业覆盖类型产生不同的冷却信号，而农田的灌溉通常会使冷却效果放大12-16。城市因大量的人工放热及绿地减少等因素导致其地表温度明显高于自然下垫面，且通常也会受背景气候影响17-21。基于地表能量平衡方程量化不同下垫面对地表温度的生物物理效应有两种经典的理论。第一种方法是Lee等2开发的“内在生物物理机制”方法（Intrinsic Biophysical Mechanism，IBPM），该理论引入能量再分配因子，将地表温度的变化归因于辐射强迫、地表粗糙度和波文比3种生物物理效应22-23。Zhao 等24改进 IBPM，以量化地表温度对城市化的响应。Chen和Dirmeyer25在原始的IBPM中加入了背景大气的影响（间接影响），将辐射、地表粗糙度和波文比的生物物理效应作为直接影响。研究表明，直接生物物理反馈中地表粗糙度是主导因素，其他效应起次要作用，间接反馈（大气变化）甚至会超过这些直接影响的作用。第二种是Juang等3首次提出的直接分解温度（Direct Decomposed Temperature Metric，DTM）理论，在地表能量平衡的条件下分析由地表净辐射、土壤热通量、感热通量和潜热通量差异引起的地表温度变化。Chen和Dirmeyer25将DTM和IBPM理论应用于对比八对通量站点观测结果。发现用DTM理论计算的裸土和森林之间的地表温度差异与观测到的温度差异一致，在IBPM法中加入背景大气差异订正后，IBPM的结果也与观测结果相一致。Wang等23利用微气象观测资料量化了库布齐沙漠地区造林对地表温度的生物物理效应。对比DTM和IBPM理论得到的温度差异分解结果，均与观测结果基本一致。生物物理过程受区域气候条件影响23，有研究表收稿日期：2022-06-01；修订日期：2022-07-11基金项目：国家自然科学基金项目（42005061）；江苏省基础研究计划自然科学基金（BK20200818）作者简介：李尔晨（2001-），男，硕士研究生，主要从事陆气相互作用研究.E-mail:通讯作者：苑广辉.E-mail:3038页1期李尔晨等：定量评估黑河流域4种下垫面类型对地表温度的影响明，造林的辐射效应在高纬度地区占主导地位，故森林砍伐地区地表通常会降温，尤其在冬季10-11,26-27。非辐射效应在热带地区更重要，例如，地表粗糙度变化，在潮湿比在干燥的背景气候条件下更重要2,22,28-29，导致森林砍伐通常有变暖效应2。温带地区森林的生物物理效应还存在争议。有研究认为，在温带地区，辐射和非辐射效应趋于平衡，相互抵消30。Peng等31评估了中国造林对地表温度的影响。结果表明，与邻近的草原或农田相比，森林在白天有降温作用，在夜间有增温作用。然而，哪种生物物理因素对地表温度变化产生的贡献最大目前还不清楚23。中国大部分地区处于中纬度，有多种气候类型，其中干旱半干旱地区的生态环境非常脆弱。近年来，在全球气候变暖与人类活动的双重影响下，中国西北干旱区的生态环境问题日益突出32。中国干旱及半干旱地区的下垫面条件转换例如防治荒漠化、退耕还林等正在广泛发生，其对地表温度产生的生物物理效应仍存在很大的不确定性。卫星观测被广泛应用于研究LULCC对地表温度的生物物理效应7,22,33-34。Bright等28结合了卫星数据和观测数据，证明非辐射过程主导了区域气候对LULCC的响应。Schultz等35使用卫星和再分析数据来研究白天和夜间LULCC的生物物理效应，结果表明地表粗糙度的差异可以导致裸土相比森林白天增温（+2 K），而夜间降温（-0.5 K）。Ge等36利用20012012年的卫星观测，基于IBPM理论量化了中国造林的辐射和非辐射效应对地表温度变化的贡献，证明了森林通过辐射效应引起 0.23 K（0.21 K）的升温，而通过非辐射效应降温 0.74 K（0.50 K）。结合卫星数据应用以上基于能量平衡方程的估算方法时，由于缺少土壤热通量和感热通量的数据，只能根据能量平衡方程，在土壤热通量为零的假设条件下，计算得到感热通量，再进一步计算各贡献因子的大小，显然这样的定量估算存在较大误差。测量陆-气中能量、水分和碳交换的通量观测网的发展为量化LULCC的生物物理效应提供了一个良好的平台37。根据站点观测结果来检验IBPM和DTM理论的有效性是个非常好的选择。黑河流域生态水文过程综合研究（Heihe Watershed AlliedTelemetry Experimental Research，HiWATER）旨在构建国际水平的流域观测系统，多个站点的涡动相关系统和自动气象站提供了辐射、感热通量（SH）、潜热通量（LE）和微气象数据，为我们研究干旱地区不同下垫面类型对地表温度的生物物理效应提供了可靠的数据38。基于以上原因，选取黑河流域（Heihe River Basin，HRB）4个邻近的不同下垫面类型（沙漠、果园、蔬菜地、玉米地）的测站为研究对象，由于背景气候较为一致，其地表温度差异可归因于下垫面类型差异。考虑到地表能量不闭合，对DTM和IBPM的潜热和感热通量进行了能量不闭合订正以改进IBPM和DTM理论，进而量化不同下垫面对地表温度的生物物理效应，评估IBPM和DTM理论在量化LULCC对地表温度影响的适用性。1数据和方法1.1 数据来源本文所采用的数据来自于中国国家自然科学基金委员会（NSFC）于 2010年启动的 HiWATER 实验项目。HiWATER 实验于 2012 年 59 月开展了第一个专题实验，非均匀地表蒸散发多尺度观测实验（Multi-Scale Observation Experiment on Evapotranspiration，HiWATER-MUSOEXE）38。该实验由一个大实验区（30 km30 km）和一个核心试验区（5.5 km5.5 km）两个嵌套矩阵组成一个通量观测矩阵。核心试验区设立于甘肃省张掖市黑河流域中游地区的盈科灌区农田内。实验场周围平坦开阔，是一个较理想的绿洲农田观测场。根据农作物、居民区、防护林的分布，在实验场设置 17个站点进行观测（详情见Xu等38和Li等39）。本文选取2012年69月4个邻近观测站点14号、神沙窝、17号、1号站点（图1）进行分析，分别对应玉米地、沙漠、果园、蔬菜土地覆盖类型。每个站点都具备自动气象站（AWS）来测量微气象要素以及涡动相关系统（EC）测量通量数据。平均通量数据每30 min输出一次，微气象要素数据间隔10 min。剔除下雨天的数据及缺测数据。1.2 方法介绍选取下垫面属性差异较大的地表温度进行对比，即将玉米地、果园、蔬菜地分别与沙漠对比，以便利用DTM和IBPM理论分析下垫面类型对地表温度的生物物理效应。3140卷干旱区研究1.2.1 DTM理论DTM理论由Juang等3提出，忽略了其他的热源/汇和下垫面储存热量的影响后，地表能量平衡方程可表达为SH+LE+G=Rn=S()1-+L-T4s-(1-)L（1）式中：SH为感热通量（Wm-2）；LE为潜热通量（Wm-2）；G为地表土壤热通量（Wm-2）；Rn为地表净辐射（Wm-2）；为地表反照率；S为入射短波辐射（Wm-2）；L为入射长波辐射（Wm-2）；为地表发射率；为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（Wm-2K-4）；Ts为地表温度（K）。将所对比下垫面的温度做差，忽略地表发射率的差异，省略了高阶项的泰勒展开式为：Ts=Ts-Ts14Ts3(T4s-Ts4)=0()()S()1-+()L-LE-SH-G（2）式 中：Ts与Ts为 不 同 下 垫 面 的 地 表 温 度。01/4Ts3。上式将不同下垫面类型对地表温度的影响归因于短波和长波辐射项、感热通量项、潜热通量项和地表土壤热通量项。1.2.2 IBPM理论IBPM理论同样由地表能量平衡方程（公式1）变化而来，由Lee等2提出并假设距离较近的不同下垫面背景气候一致，但实际情况并不满足，Chen 和 Dirmeyer25对原始 IBPM 理论做出修正，即加入了背景大气的差异（Ta）：Ts01+f()Rn-G-0()1+f2()Rn-G f1-0()1+f2()Rn-G f2+Ta（3）式 中：f=Cp4raTs3()1+1为 能 量 再 分 配 参 数；=SH/LE为波文比；为空气密度（kgm-3）；Cp为定压比热（Ws-1kg-1K-1）；Ts为空气温度（K）。f1与f2分别将能量再分配参数归因于空气动力学阻抗和波文比：f1=-Cp4Ts3()1+1rara2（4）f2=-Cp4raTs32（5）式中：ra=CPTs-TaSH为空气动力学阻抗。1.2.3 地表能量闭合能量平衡方程（公式1）可变化为：Rn-G=SH+LE（6）式中：左边为有效能量（Ea），右端为湍流热通量（Et）。通常选用能量平衡比率EBR来估算地表能量闭合程度，定义湍流热通量与有效能量之比即为能量 闭 合 率EBR=()SH+LE()Rn-G，能 量 平 衡 残 差Eres=Rn-G-SH-LE，定义半小时的能量闭合率EBRhr来 描 述 短 时 间 内 能 量 闭 合 特 征，即EBRhr=(SH+LE)/(Rn-G)。为了避免能量不闭合的影响，对IBPM与DTM理论进行订正，将能量平衡残差按照波文比的大小分配给感热和潜热通量25,40：SH=/(1+)Eres+SH（7）LE=1/(1+)Eres+LE（8）1.2.4 地表土壤热通量的订正土壤热通量可由热通量板测量，热通量板通常有一定埋深，其测量值不能代表地表的土壤热通量41。在HiWATER实验中，热通量板置于地下6 cm处，本文采用阳坤和王介民41的方法将观测的土壤热通量订正至地表。2结果与分析2.1 不同下垫面的地表温度差异如图2a所示4个测站地表温度达到峰值的时间图1 4个站点的位置和地形高度Fig.1 The location of the four sites and the terrain h