夏季不同土壤湿度和天气背景条件下绿洲土壤温湿特征的个例分析

 利用在甘肃省酒泉金塔地区开展的“绿洲沙漠能量和水分循环观测试验(JTEX)”获得的2005年5—7月的补充观测资料,分析了在不同土壤湿度和天气背景条件下的夏季绿洲农田土壤温、湿场特征。结果表明：一般来说,对于5—40 cm深度的土壤,随着深度的增加其湿度也随之增加。5 cm、10 cm的土壤湿度具有明显的日变化,且在中午时最为湿润;20 cm土壤湿度的日变化幅度小于上两层,变化趋势却与5 cm的相反;40 cm土壤湿度的日变化不明显。晴天浅层的土壤湿度日变化大于阴天。晴天个例中,土壤湿度较大时,5 cm土壤在白天比10 cm的湿润;当土壤较为干燥时,全天浅层土壤湿度都小于较深层的。各层土壤温度在一个中心值周围分布, 40 cm深度以上土壤温度均具有明显的日变化;土壤温度的极值出现时间滞后于地表温度,离地面的距离越大,峰值出现的时间比地表温度滞后的越长,且变化幅度越小。晴天的土壤湿度越小,浅层土壤湿度日变化幅度就越大,各层土壤温度也就越高。土壤深层基本不受天气情况的影响,但受灌溉的影响较大。     

荒漠灌丛微生境土壤温度的时空变异特征——灌丛与降水的影响

对干旱区优势固沙灌木柠条群落不同微生境（灌丛外和灌丛下）的土壤温度（0 cm、5 cm、10 cm和20 cm剖面深度）进行了连续测定,对比分析了晴天、降水日与灌丛对其微生境土壤温度时空变异的影响。结果表明:降水和植被灌丛对土壤温度均具有显著影响。在无雨日,受灌丛遮阴影响,灌丛外土壤温度明显高于灌丛下相同深度的土壤温度;在降水日,土壤温度主要受降水影响,降水使土壤温度明显降低,灌丛的影响作用减弱,灌丛下和灌丛外同一剖面深度的土壤温度差异较小。无雨日土壤温度日变化呈单峰型正弦曲线,随剖面深度增加,土壤温度振幅逐渐减小,峰值出现时间滞后,土壤温度垂直分布变化呈现4种典型变化曲线。夜间（日落至日出）柠条灌丛下地表温度（0 cm土壤温度）比灌丛外地表温度略高。降水日土壤温度日变化随降水过程的持续呈逐渐递减趋势,土壤温度垂直分布变化表现为随深度增加而递增的趋势。     

干旱区典型绿洲地表温度与植被覆盖度相关性研究

 绿洲空间热环境的研究是深入了解绿洲-沙漠间,以及绿洲内部物质能量流动机理的重要手段。利用TM/ETM+遥感影像反演了于田地区地表温度以及植被覆盖度,在统计地表温度-植被覆盖度二维散点图的基础上,研究不同结构区域下绿洲地表温度与植被覆盖度的相关关系。结果表明:①于田地区地表温度与植被覆盖度呈显著负相关关系,相关系数在-0.79158和-0.48816范围之间。②从1991年到2002年,于田绿洲内部区域地表温度与植被覆盖度散点图上各点分布由密集到分散,表明原有相对整体的植被覆盖地块被打散,成为多种土地类型交错的破碎化地块。③外部荒漠带及绿洲与荒漠交错带区域地表温度与植被覆盖度散点图上各点分布由分散到集中,表明绿洲外部荒漠化程度的逐年加剧,导致了绿洲外围植被覆盖有所降低,植被物种单一,植被多样性也呈现下降趋势。     

黄土高原典型塬区土壤热状况研究

在陆-气相互作用中,土壤热状况（土壤温度、土壤导热率等）和土壤湿度等陆面状况对大气环流和气候变化都有着重要影响。黄土高原横跨干旱、半干旱及半湿润地区,为我国第二大高原,幅员辽阔。该复杂下垫面上的陆-气相互作用不仅直接影响到黄土高原地区的气候和环境变化,而且对东亚、乃至全球的气候和环境变化都可能产生重要影响。而对黄土高原区域的土壤热状况及土壤温度的研究是黄土高原陆-气相互作用研究的重要组成部分。分析了黄土高原典型塬区不同下垫面的土壤温度状况,分析了造成各种下垫面温度分布和变化不同的原因,得到如下结论：在近地层,随着土壤深度的增加,土壤温度振幅逐渐减小,40 cm土壤温度相对以上各层变化不明显。就季节变化而言,土壤温度在1 a中有两次稳定状态。第一次出现在4月上旬,其值约为6 ℃左右;第二次出现在11月中旬,温度值为14 ℃。相对于全年土壤温度而言,在12月到次年2月有一个低温中心,温度低于零度;7～8月间有一个暖中心。各层土壤温度在1月份是最低的,其后一路上升,4、5月份是土壤温度快速上升期,至8月上旬土壤温度达到最大值,为土壤升温期;其后温度开始下降。土壤温度梯度具有明显的日变化特征,夜间,土壤的热量是从深层传向地表的,而随着太阳高度角的加大,土壤温度梯度转为负值,深层土壤从地表获得能量,到了傍晚19时左右,温度梯度又转为正值;土壤温度梯度的变幅在有植被时要明显小于无植被时。各站的日平均土壤导热率,柴寺、塬下和中心站分别是1.43,1.24,1.17 W·m^-1·k^-1,土壤物理性质和土壤质地的不同是各站土壤温度分布和土壤热传导率存在差异的原因之一。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季积雪下垫面地表反照率及土壤温湿度变化特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站西站10 m梯度探测系统气象和辐射观测数据,分析了塔中积雪下垫面地表反照率、土壤温度、土壤湿度的变化特征及其相互关系。结果表明：塔中积雪覆盖期间地表反照率0.18~0.97,日均值为0.60;有积雪覆盖的地表反照率日变化更偏向反"J"型,呈现出上午大于傍晚的形态,平均早晚较差为0.13;积雪使0~40 cm深度土壤温度下降,积雪消融后土壤湿度增大使各层土壤温度趋于接近,并使0、10、20 cm深度的土壤温度日变幅呈减小趋势,减小幅度分别为41%、39%、39%;积雪地表反照率与地表温度表现出负相关关系,反照率越高地表温度越低,二者相关系数为-0.71;积雪地表反照率与5 cm深度土壤湿度负相关,高地表反照率对应低土壤湿度,低地表反照率对应高土壤湿度,二者相关系数为-0.74。     

金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。     

大气红外探测器(AIRS)资料在塔克拉玛干沙漠的适用性检验与评估

由于沙漠恶劣的环境,观测站点稀少,塔克拉玛干沙漠地区的温度、湿度时空分布很难仅仅依靠少量的常规观测资料分析得到,高分辨率的大气红外探测器（AIRS）资料可有效弥补这个空缺。地形和地表发射率是影响AIRS反演温湿度廓线产品进度的两大要素,在塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠地区使用AIRS温湿度产品必须首先对其质量进行检验。本研究主要对2016年7月1~15日晴空背景下AIRS反演的温度、位势高度、水汽数据在塔克拉玛干沙漠及周边绿洲地区在早晨和傍晚的可信度作了详细的对比分析。结果表明：（1） AIRS卫星资料集里的温度资料与探空数据有很好的吻合度。温度资料在沙漠腹地尚有较小偏差,在周边绿洲地区尤其是其中高层一致性较高。AIRS反演温度在沙漠腹地的塔中站在早晨各层的偏差明显大于傍晚,其余各站早晨和傍晚反演偏差不大。（2） AIRS卫星测得的位势高度资料几乎与探空资料的完全一致,是本对比研究中观测质量最好的要素,但AIRS探测层次能达到1 hPa,探测高度优于探空。（3）反演的湿度廓线与探空偏差较大。AIRS资料的混合比在300 hPa上的高层与探空吻合,在中层偏干,低层偏湿,低层水汽探测误差可能与盆地地形和沙漠下垫面有关。（4）早晨沙漠腹地的塔中站AIRS反演气温平均偏差在各层均比其余7个绿洲站明显偏大,在500 hPa以下的低层明显偏冷,在其上明显偏暖,偏暖幅度随高度的升高而增大。早晨绿洲AIRS反演温度在所有气压层上温度偏差绝对值均在1℃以内,均方根误差小于2℃,傍晚偏差绝对值在3℃以内,均方根误差在700 hPa以下的低层较高层大,700 hPa以上在3℃以内。绝对误差在早晨和傍晚均随高度的升高而减小,在100 hPa以上又有逆转,这种逆转在塔中站尤为明显。     

沙漠地区人工固沙植被对土壤温度与土壤导温率的影响

通过分析人工固沙植被区与流动沙丘区不同部位 (沙丘迎风坡、丘间低地、沙丘背风坡 )各层土壤温度梯度分布 ,及其月平均值变化与日变化特点 ,计算不同地表覆盖 (人工植被与裸沙区 )条件下的沙土导温率。结果表明 ,沙坡头地区 7～ 10月平均地温变化的振幅 ,在地面约为 16 2℃ ,振幅变化随深度的递增而迅速减小。在 0 0 5m深度处 ,地温年振幅为地面振幅的一半。 7～ 10月中地温最高最低出现的月份 ,随深度增加都呈滞后现象 ,但滞后的情况两者并不相同。另外 ,在 2 0cm以下深度内 ,7～ 10月月平均温度都高于 0℃。当观测深度按算术级数增加时 ,地温日振幅则以几何级数减小。尽管地温振幅日变化因天气情况不同大有差别 ,在相同的气象条件 (连续四日晴天 )下的研究发现 ,下垫面的影响作用不容忽视 ,尤其是由于植被覆盖度的差异而引起的地温日振幅与地温剖面分布变化。根据 1992年 8月观测记录 ,流沙区丘间地温日振幅最高达 2 6 2℃ (表层 ) ,最小值只有 1 8℃ (1m深 )。固沙植被区丘间低地最高日振幅为 2 5 9℃ (表层 ) ,最低值 4 3℃ (1m深 )。植被区地表层温度变幅小于流沙区 ,而深层温度波动显著。在 5cm深度处 ,植被区地温降至最低值的时间滞后于流沙区 2h以上 ,2 0cm处植被区地温达到最大值的时间比     

利用ASTER资料估算黑河中游沙漠和绿洲地区夏季地表温度

利用美国宇航局地球观测系统EOS-Terra卫星所搭载高级空基热发射反射辐射计(ASTER)5个热红外通道遥感资料,并结合三种地表温度反演算法和可见近红外信息,估算2003年夏季黑河中游地区沙漠和绿洲景观下地表温度空间分布。分析发现三种方法估算的地表温度比较接近,且反演值与地面观测值较为一致,能够作为陆面过程研究输入数据。其中,估算的水体温度主要介于19.0~21.0℃,绿洲内农田温度分布于27.0~29.0℃,荒漠戈壁地表温度分布于40.0~60.0℃;在绿洲内,由植被覆盖度参数化比辐射率方法（Pv方法）所估算地表温度值最低,Alpha导出比辐射率方法(ADE方法)估算值最高,由温度比辐射率分离方法(TES方法)估算值介于二者之间;荒漠戈壁区域Pv方法地表温度估算值最高,ADE方法估算值最低,TES方法估算值仍然介于前两者之间;绿洲和荒漠戈壁均具有较大地表温度空间变率。利用有关比辐射率光谱库地物观测数据拟合出一个经验公式以获取地物宽通道比辐射率。分析计算表明,地物目标在较大地表环境温度变化范围内,利用地物宽通道比辐射率计算地表长波辐射最大绝对误差不超过8.0 W·m-2。     

基于多源遥感与再分析数据估算塔克拉玛干沙漠地表净辐射日变化

作为世界第二大流动性沙漠,塔克拉玛干沙漠独特的陆表水热交换过程直接影响中国乃至全球的大气环流运动。将静止气象卫星FY-2F地表温度产品、极地轨道卫星MODIS陆表产品与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）结合,反演得到时间分辨率为3 h、空间辨率为0.1°的2017年塔克拉玛干沙漠地表净辐射,利用塔中气象站观测值验证反演结果,并分析地表净辐射的时空变化特征。结果表明：（1）利用卫星遥感与再分析资料获取的地表特征参数与实测值误差较小,决定系数R²均在0.8以上。（2）地表净辐射模拟值与地面实测值具有较好的一致性,决定系数R²为0.967,均方根误差RMSE为29.193 W·m^-2。（3）地表净辐射日变化呈现明显的单峰型特征：早晚值较低,正午值最高,并且夜间值基本为负且变化幅度不大。（4）地表净辐射夏季>春季>秋季>冬季。（5）沙漠边缘散布的绿洲和农田地区净辐射值最高,沙漠腹地次之,沙漠南缘的昆仑山和阿尔金山冰川覆盖地区净辐射值最低。     

中国西北地区荒漠绿洲大气内边界层的数值模拟

本文用二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模拟了黑河地区绿洲和周围荒漠袒上垫面物理特征差异引起的内边界层结构。得到了绿洲上游荒漠至绿洲和从绿洲至其下游荒漠两重下垫在突变过程大气运动所产生的风速内边界层，温度内边界层和湿度内边界层的空间和时间特征及其这两种情况边界层的结构差异。     

黑河中游绿洲及绿洲-荒漠生态脆弱带 土壤含水量空间分异研究

以黑河中游平川绿洲和六坝绿洲为例,对绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带土壤含水量空间分异进行了分析研究。结果表明:在无灌溉条件下绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带的土壤含水量水平分异明显,绿洲土壤含水量高于绿洲-荒漠生态过渡带和荒漠地区土壤含水量,并出现从绿洲到绿洲-荒漠过渡带和荒漠依次递减的趋势,主要受土壤性状、土壤水分水平运动和绿洲-荒漠局地大气环流影响;绿洲活动层土壤含水量垂直分异上表现为从表层向下逐渐增加,而过渡带和荒漠区活动层土壤含水量垂直分异则是表层和底层比20~30cm处低,可能与荒漠土壤凝结水的形成与运动有关。受绿洲地下水过度开采和绿洲边缘人类活动影响,在绿洲-荒漠过渡带形成了生态裂谷,对绿洲生态系统的安全构成威胁。     

绿洲农田土壤水分平衡及变化特征

本文利用位于塔里木盆地西北部平原上的阿克苏水平衡站近几年的有关试验和监测资料，对绿洲农田和裸地的土壤水分动态变化规律进行了初步分析，并用水量平衡法计算和对比农田和裸地的蒸发量，最后分析了田间灌溉水的有效利用率及提高措施。     

古尔班通古特沙漠与石河子绿洲膜下滴灌棉田能量输送特征的研究

不同生态环境下垫面条件下的能量输送特征有着很大差异,是陆地-大气间相互作用过程研究的重要组成部分。为了探寻近地面层湍流运动规律,定量分析沙漠和绿洲膜下滴灌棉田下垫面物质与能量输送,利用常规气象梯度法观测的数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,运用空气动力学方法和能量平衡法,对古尔班通古特沙漠南部流动沙区及其以南100 km的石河子绿洲膜下滴灌棉田的能量输送模式及其日变化进程进行了分析研究。结果表明:在沙漠生态条件下,大部分净辐射用于感热通量的散失,另一部分用于向地下传输,少部分则用于潜热输送;在膜下滴灌棉田生态条件下的绿洲能量输送的基本模式为:农田蒸散的潜热能量占绝大部分,少部分用于感热通量和土壤热通量的消耗,同时存在一定的地表能量平衡差额。这些结论为合理配置自然资源、分析和评估绿洲生产潜力提供科学依据。     

荒漠─绿洲交界处辐射差异对比分析

辐射过程的研究是水热平衡的基础与出发点．本文通过实验观测，对辐射平衡方程及Rn=Q（1-A）-F0的各项分别进行了荒漠──绿洲间及绿洲不同农田作物间的对比分析．     

干旱区绿洲荒漠带土壤水盐异质性及生态环境效应研究——以黑河中游张掖绿洲为例

对黑河中游地区典型绿洲的土壤含水量与含盐量分析表明,在无灌溉情况下,绿洲及绿洲边缘过渡带表层土壤含水量水平分异明显,由绿洲区的20%左右递减到绿洲荒漠生态过渡带的2.9%。绿洲荒漠带土壤水分变化反映了人类利用绿洲水资源的程度,在绿洲地下水资源开发过度和绿洲边缘人类活动剧烈的区域均存在着生态裂谷,对绿洲生态系统的稳定极为不利。绿洲荒漠带土壤可溶性盐分含量的水平分异表现为绿洲土壤可溶性盐分含量比绿洲荒漠生态过渡带和荒漠区低;绿洲界外区不同荒漠类型土壤含盐量变化不同,在绿洲外围沙质荒漠区,土壤含盐量较低,在绿洲外围砾质荒漠（戈壁）区,土壤含盐量明显高于绿洲区;荒漠区土壤含盐量的垂直变化表明,含盐量最高的聚集层一般不在表层,而在40～60 cm的亚表层。受土壤水盐分异的影响,绿洲外围荒漠植被类型出现分异,从高位绿洲到中位绿洲,外围区荒漠植被的耐旱性和耐盐性均增加。     

藏北高原D110点不同季节土壤温度的日变化特征

利用１９９８年ＧＡＭＥ－Ｔｉｂｅｔ加强观测期间取得的一个年周期的土壤温度资料,对藏北高原Ｄ１１０点土壤温度日变化特征的月际变化进行了分析。结果表明,在夏半年（５－９）月土壤温度存在明显的日变化,且基本上按正弦曲线变化,但相位随深度的增加而滞后;冬半年土壤温度尽管也存在日变化,但变幅较小。     

灌溉方式对现代绿洲影响的数值模拟

灌溉是农业发展的根本,没有灌溉就没有荒漠区农业。利用美国NCAR中尺度模式MM5V3模拟了喷灌与不同水量地灌以及没有灌溉对绿洲土壤湿度、地下径流以及感热、潜热通量的不同影响。结果表明:①地灌后地表蒸发与植被层的蒸腾更旺盛,散失的水分更多;而喷灌可以抑制地表蒸发与植被层的蒸腾,对土壤水的保持更有利。②喷灌试验要在土壤湿度达饱和以后才会形成地下径流量,而地灌试验则是土壤湿度与地下径流量同时增长。总之,喷灌方式是一种高效节水的灌溉方式,它比其它灌溉方法更有利于绿洲农业生态系统的温度整体降低,不论土壤湿度还是大气湿度都会相应增大,抑制地表土壤水分的蒸发,有利于绿洲农业维持。     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。