半干旱區(qū)不同下墊面類型陸-氣相互作用特征分析

1、半干旱區(qū)不同下墊面類型陸-氣相互作用特征分析本文利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站（SACOL站）和興隆山站2011年5月至2012年10月的觀測資料，分析對比了原生植被下墊面和農(nóng)田、森林下墊面陸氣相互作用的特征及差異。結(jié)果表明:SACOL站溫度和風(fēng)速的數(shù)值和變化都要較大，興隆山站的降水量和濕度均相對較大；SACOL站的凈輻射量要略大于興隆山站，感熱通量各個季節(jié)平均值都偏大，潛熱通量的變化二者較相似且和降水變化呈正相關(guān)，土壤熱通量的變化二者較為一致；興隆山站的CO2通量在夏季要明顯大于SACOL站，其他季節(jié)則相對較??；SACOL站接收到的太陽輻射以及地表發(fā)射的長波輻射都要較多，二者大氣逆輻射的

2、變化基本一致，11月-4月SACOL站的地表反射輻射要大一些其他月份的則較小，凈輻射SACOL站在夏季要略大，其他季節(jié)二者差異較小。關(guān)鍵字：SACOL站；興隆山站；下墊面；通量；輻射第一章 引言1.1半干旱區(qū)不同下墊面類型陸氣相互作用研究的目的及意義全球陸地面積約占地球表面積的30%,而干旱、半干旱區(qū)約占世界陸地面積的40%，由于干旱、半干旱區(qū)下墊面不均一性等特性的影響，使得它與其它下墊面相比，對氣候變化的響應(yīng)非常敏感1。陸地作為大氣的下邊界，它與大氣在不同的時間和空間尺度上相互作用、相互影響，在陸地與大氣的交界面上,由于大氣環(huán)流的驅(qū)動和太陽輻射的強(qiáng)迫,使得在它們交界面的上下兩側(cè)不斷發(fā)生著物質(zhì)

3、、能量和動量的交換，這就稱為陸地-大氣的相互作用，簡稱陸氣相互作用。陸氣相互作用主要表現(xiàn)為這三個方面：一是地表與大氣之間的輻射交換過程，二是表面粗糙元等對大氣運(yùn)動的摩擦拖曳作用，三是地表與大氣間感熱和潛熱的交換7。陸氣相互作用除了受到太陽輻射和大氣環(huán)流的影響之外，還在很大程度上受到地表特征的影響，由于地表粗糙度，反照率，地形，植被類型等因素直接影響了陸地和大氣間的物質(zhì)、能量和動量的交換與輸送過程，進(jìn)而也間接影響了大氣的運(yùn)動和氣候的變化。經(jīng)過研究證實干旱化表現(xiàn)最為劇烈的地區(qū)不是在干旱區(qū)的腹地，而是在半干旱區(qū)4，半干旱區(qū)作為氣候和生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，由于其下墊面類型復(fù)雜多樣，使得它對氣候變化和土地利

4、用的改變非常敏感，它的變化（干旱化加劇，冷季增溫13等）也就直接反應(yīng)了全球氣候的變化趨勢。因此研究陸表不同下墊面類型與大氣之間相互作用將會對氣候變化的模擬效果和對未來氣候變化預(yù)測的提高有十分重要的意義，同時對于研究全球變化也有非常深遠(yuǎn)的意義。1.2半干旱區(qū)陸氣相互作用研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展陸氣相互作用的研究從上個世紀(jì)六十年代開始（如Charney等人進(jìn)行的土壤濕度等的變化對氣候、水文影響的敏感性實驗9等），已經(jīng)有五十多年的歷史。自上個世紀(jì)八十年代開始由James Hansen提出全球變暖這個概念后，關(guān)于陸氣相互作用的研究和試驗開始在世界氣候研究計劃等機(jī)構(gòu)的組織和協(xié)調(diào)下大量的開展起來并且得到了人們的高

5、度重視。我國自1979年開始至今這30年間相繼在青藏高原、黑河地區(qū)、江淮暴雨區(qū)、內(nèi)蒙古草原、通榆、黃土高原等地區(qū)開展了許多陸面過程的綜合觀測試驗1-3，這期間取得了大量寶貴的觀測實驗資料和研究成果，如劉和平等發(fā)展了MSiB陸面模式較好解決了不同下墊面陸氣之間的水、熱交換的計算問題11；黑河實驗首次發(fā)現(xiàn)在干旱區(qū)存在逆溫（沙漠效應(yīng)）和逆濕(冷島效應(yīng))等現(xiàn)象6；內(nèi)蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用(IMGRASS)項目研究了典型的半干旱區(qū)草原下墊面陸氣交換和大氣邊界層結(jié)構(gòu)以及它與生態(tài)演化的關(guān)系12；中國西北干旱區(qū)陸氣相互作用觀測試驗 (NWC-ALIEX)在近幾年的研究中提出了一些關(guān)于敦煌干旱區(qū)

6、的重要路面過程參數(shù)14等。這些研究成果都表明我國在干旱半干旱區(qū)陸氣作用的研究中已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展和突破，但由于缺乏長時間連續(xù)的觀測資料以及干旱半干旱區(qū)下墊面類型復(fù)雜多樣等問題的影響，對于干旱半干旱區(qū)陸氣相互作用的進(jìn)一步了解還有待我們進(jìn)行更全面和深入的研究。第二章 觀測站點、項目、儀器及方法介紹2.1站點介紹2.1.1SACOL觀測站蘭州大學(xué)半干早氣候與環(huán)境觀測站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University, SACOL)，于2005年建成，它位于我國西北部甘肅省蘭州市東南方向，距離市區(qū)48的蘭州大學(xué)

7、榆中校區(qū)翠英山山頂(3557N ,10408E)，海拔高度1965.8 m，觀測場占地約120畝。其下墊面屬于典型的黃土高原地貌，塬面梁峁基本為原生植被，平均植被高度約為0.2m，地表覆蓋率小于80%，屬于溫帶半干旱氣候，受大陸季風(fēng)的影響。年平均氣溫6.7C，一月平均氣溫-8C，七月平均氣溫19C。年平均降雨量381.8mm，相對濕度63%。山頂盛行西北風(fēng)和東南風(fēng)，年平均風(fēng)速約為1.6m/s。全年日照時數(shù)為2607.2小時左右。由于該站所處的山頂?shù)匦纹教?、開闊，且受人類活動干擾小，山頂環(huán)境基本為自然狀態(tài)，因此該觀測點的氣候狀況可以較好的代表方圓幾百公里半干旱區(qū)的氣候狀況。SACOL站是國內(nèi)第一

8、個建立在高校的氣候觀測點，也是繼中國科學(xué)院吉林通榆站之后，第二個由我國自主建設(shè)的長期觀測站。SACOL站獲取的觀測資料可以用來驗證和改進(jìn)目前氣候和天氣預(yù)報模式中半干旱地區(qū)陸面過程、輻射過程的參數(shù)化方案，對于研究區(qū)域能量和水分循環(huán)、預(yù)測我國西北干旱化等自然災(zāi)害有著重要作用。同時，觀測資料也可用于研究土地利用、水資源利用、工業(yè)及城市污染對區(qū)域能量和水分循環(huán)的影響，為西北干旱化趨勢進(jìn)行預(yù)測、干旱化評估和對策研究提供第一手的科學(xué)觀測依據(jù)，也為人類活動與干旱區(qū)生態(tài)效應(yīng)的關(guān)聯(lián)提供評估(詳見/)。2.1.2興隆山觀測點興隆山觀測點（3546N，10403E）,

9、位于蘭州市東南方向60km的榆中縣境內(nèi)，距蘭州大學(xué)榆中校區(qū)SACOL站西南約25km，海拔2481km。興隆山目前是黃土高原上僅存的幾個森林綠島之一,按我國自然區(qū)劃氣候分類為東部季風(fēng)區(qū)，大陸性氣候顯著，屬高寒半濕潤性多雨氣候，表現(xiàn)為四季分明，水熱同季。春季干燥多風(fēng)；夏季晝熱夜涼，初夏干旱,盛夏多雨；初秋陰雨稍多，深秋涼爽少雨；冬季寒冷少雪。年平均氣溫3-7，其中7月最高為13-18，1月最低為零下8-9；年降水量450-622mm，降水頻率不均勻，主要集中在7、8、9月份，降水量約占全年降水量的55%。臺站為農(nóng)耕區(qū)，2011年種植大麥,2012年種植胡麻，其東面的山體為原始森林，北面山體為矮小

10、灌木、稀疏草甸，西南和南面山體由于靠近馬銜山（海拔3670km）為高寒草甸，測站附近仍有農(nóng)作物2。興隆山觀測站點自2008年開展實驗以來,陸續(xù)參加了后續(xù)每年的北方半干旱區(qū)協(xié)同觀測項目,積累了大量地表輻射、地表通量、土壤水熱以及常規(guī)氣象要素變量等氣象資料，為協(xié)同觀測項目以及蘭州大學(xué)進(jìn)一步研究該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的維持機(jī)制奠定了很好的基礎(chǔ)，同時對于保護(hù)半干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)有著深刻的意義2。2.2觀測項目及儀器介紹我們采用SACOL站和興隆山站2011年5月1日至2012年10月31日的觀測資料，其中包括風(fēng)速、溫度、水汽壓差、氣壓、降水、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、太陽短波輻射、地表反射輻射、地表長波輻

11、射、大氣逆輻射、凈輻射、CO2通量、潛熱通量、感熱通量等。觀測儀器見下表：站點儀器名稱儀器型號觀測項目觀測高度/深度制造商SACOL站和興隆山站風(fēng)速儀014AL風(fēng)速2米Met One美國風(fēng)向儀034B_L風(fēng)向Met One美國空氣溫度傳感器HMP45C-L空氣溫度2米Vaisalla芬蘭空氣濕度傳感器HMP45C-L空氣濕度2米Vaisalla芬蘭氣壓傳感器CS105氣壓8米Vaisalla芬蘭雨量筒TE525MM_L降水0.5米R.M You美國土壤溫度儀STP01-L50土壤溫度5、10、20、40、80、厘米Hukseflux荷蘭土壤濕度儀CS616-L土壤濕度5、10、20、40、80

12、、厘米Campbell美國土壤熱通量傳感器HFP01SC-L土壤熱通量5、10厘米Hukseflux荷蘭輻射強(qiáng)度計CM21短波輻射1.5米Kipp&Zonen荷蘭輻射強(qiáng)度計CG4長波輻射1.5米Kipp&Zonen荷蘭超聲風(fēng)速儀和CO2水汽分析儀CSAT3和LICOR7500CO2、感熱、潛熱通量2.88米Campbell美國觀測的時間間隔均為半小時。二測站采用的儀器生產(chǎn)廠家和型號都一致，只是興隆山站的觀測精度要略低于SACOL站。2.3方法介紹渦動相關(guān)法測量的基本原理及訂正:觀測資料中湍流通量(如感熱通量、潛熱通量、二氧化碳通量)均是采用渦動相關(guān)法測量得到的,其基本原理和方法是通過測量物理量

13、的湍流脈動和風(fēng)速脈動,然后計算其協(xié)方差進(jìn)而來求取該物理量F的湍流通量,表達(dá)式如下: (2.1)其中w為垂直風(fēng)速；s為物理量(動量、熱量、水汽、微量氣體等)的瞬時脈動；上橫線表示某時段內(nèi)的平均。給定時間間隔T,則上式可表示為: （2.2)由于實際測量中獲取的都是離散數(shù)據(jù),因此(2.2)式變形為： (2.3)其中N是平均周期內(nèi)的樣本數(shù),等于采樣頻率與平均周期的積。本試驗采樣頻率是10Hz,平均周期是30min,因此N= 18000。具體的感熱、潛熱通量的表達(dá)式為: (2.4) (2.5)其中,H為感熱通量(Wm-2) ； LE為潛熱通量(Wm-2) ;；P為空氣密度(kgm-3) ； Cp空氣的定

14、壓比熱(Jkg-1K-1)；是蒸發(fā)潛熱,即蒸發(fā)單位重量的水分所需要的能量(Jg-1) ；T和q分別為空氣溫度(K)和濕度(kg kg-1)。19第三章 陸-氣相互作用特征的對比分析3.1常規(guī)氣象要素的對比3.1.1風(fēng)速圖3.1-3.3是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月2米高風(fēng)速資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.1圖 3.2圖 3.3圖3.1為SACOL站和興隆山站2米高風(fēng)速日序列變化圖，圖中可看出SACOL站風(fēng)速的日序列變化較大，而興隆山站的較平緩。圖3.2為二測站2米高風(fēng)速的季節(jié)序列變化圖，在春季和秋季里二者的差異不大，在夏季SACOL站的風(fēng)速要明顯大于興隆山站，

15、而冬季SACOL站的則要小于興隆山站。圖3.3為二測站2米高風(fēng)速的平均日變化圖，二者變化趨勢相反，且SACOL站的較為平緩，SACOL站最小值出現(xiàn)在10:30為1.76 m/s，最大值出現(xiàn)在0點前后為2.88 m/s，興隆山站最小值出現(xiàn)在8:00為1.32 m/s，最大值出現(xiàn)在為13:00為3.57 m/s。3.1.2溫度圖3.4-3.6是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月2米高溫度資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.4圖 3.5圖 3.6圖3.4為SACOL站和興隆山站2米高溫度的日平均時間序列變化圖，圖中可看出二者變化趨勢基本一致，且都在1、2月份的溫度值較低，7、

16、8月份的溫度值較高。圖3.5為二測站2米高溫度的季節(jié)平均時間序列圖，在圖中看出它們只在冬季（12-2月）的溫度值在零度以下，其他季節(jié)的都在零度以上，并且興隆山站的溫度總是比SACOL站的低。圖3.6為二測站2米高溫度的平均日變化規(guī)律圖，圖中可以看到二者的變化趨勢都一樣，只是SACOL站的較興隆山站的有些延后，SACOL站的最小值出現(xiàn)在8:30為6.73 ，興隆山站的最小值出現(xiàn)在7:00為3.86 ；SACOL站的最大值出現(xiàn)在17:30為14.79 ，興隆山站的最大值出現(xiàn)在16:00為10.34 。3.1.3降水圖3.7-3.9是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月降水資料處

17、理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.7圖 3.8圖 3.9圖3.7和圖3.8為SACOL站和興隆山站降水的日和月時間序列圖，圖中可看出二測站的變化較為一致且降水都主要集中在每年的5-9月，其他季節(jié)相對較少。圖3.9為二測站降水季節(jié)總量的時間序列變化圖，由圖知它們夏季的降水最大（要占到全年降水的一半左右），其次為春季和秋季，冬季最少（接近為零），并且夏季興隆山站的降水要略微大于SACOL站，在其他季節(jié)二者的差別不大。3.1.4水汽壓差水汽壓差是指在一定溫度下，飽和水汽壓與實際水汽壓之間的差值，即實際空氣距離水汽飽和狀態(tài)的程度，他的數(shù)值越大代表空氣越干燥。圖3.10-3.12是對SACOL站和興隆山站

18、2011年5月至2012年10月2米高水汽壓差資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.10圖 3.11圖 3.12圖3.10為SACOL站和興隆山站2米高水汽壓差的日平均時間序列變化圖，從圖中可看出它們的變化很相似，都在12-3月的數(shù)值較小且變化較為平緩，在其他月份的變化則較劇烈。圖3.11為二測站2米高水汽壓差的季節(jié)平均時間序列變化圖，圖中可看出它們的水汽壓差都在夏季最大，其次是春季，再而是秋季，冬季最小，且SACOL站的都要比興隆山站的大。圖3.12為二測站2米高水汽壓差的平均日變化規(guī)律，興隆山站的日變化相對較小，最大值出現(xiàn)在16:30為0.723 kPa，最小值出現(xiàn)在6:30為0.245

19、kPa，SACOL站的最大值出現(xiàn)在17:30為1.260 kPa，最小值出現(xiàn)在8:30為0.345 kPa。3.2土壤溫度和濕度的對比分析3.2.1土壤溫度圖3.13-3.18是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月（其中SACOL站2012年5月29日至2012年7月4日的資料缺失）的各層（5、10、20、40、80厘米）土壤溫度資料處理得到的相關(guān)時間變化圖（10、40厘米的圖變化類似這里省略）。圖 3.13圖 3.14圖 3.15圖 3.16圖 3.17圖 3.18圖3.13-3.15為SACOL站和興隆山站5厘米、20厘米、80厘米的土壤溫度日平均時間序列圖，可以看出它

20、們隨季節(jié)的變化明顯，在冷季二者的值都較低且很接近，而在暖季的值都較大且有一些差異，而且這種差異越深表現(xiàn)的越明顯。圖3.16-3.18為SACOL站和興隆山站5厘米、20厘米、80厘米的土壤溫度的平均日變化規(guī)律圖，5厘米圖里，SACOL站的最小值出現(xiàn)在8:30為9.95 ，最大值出現(xiàn)在17:00為17.07 ，興隆山站的最小值出現(xiàn)在8:00為5.23 ，最大主出現(xiàn)在17:00為12.34 ，二測站的變化趨勢一致，只是SACOL站的較大，其他深度它們各自的變化隨著深度的增加而趨于平穩(wěn)，到80厘米時基本為定值（SACOL站約為13 ，興隆山站約為7.8 ）。3.2.2土壤濕度圖3.19-3.24是對

21、SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月（其中SACOL站2012年5月29日至2012年7月4日的資料缺失）的各層（5、10、20、40、80厘米）土壤濕度資料處理得到的相關(guān)時間變化圖（10、40厘米的圖變化類似這里省略）。圖 3.19圖 3.20圖 3.21圖 3.22圖 3.23圖 3.24圖3.19-3.21為SACOL站和興隆山站5厘米、20厘米、80厘米的土壤濕度日平均時間序列圖，5厘米深度圖可看出二測站濕度的變化比較相似，在11月-3月的變化較為平緩，其他月份的變化比較劇烈；20厘米深度的變化相比5厘米的要較簡單，并且這時二測站的濕度開始出現(xiàn)了明顯的區(qū)別，興隆山站的

22、濕度要相對大一些；80厘米深時SACOL站的濕度變化已經(jīng)很小了且值較興隆山站的要小得多，而興隆山站的變化仍較為明顯，說明了興隆山站四季分明且較為濕潤。圖3.22-3.24為SACOL站和興隆山站5厘米、20厘米、80厘米的土壤濕度的平均日變化規(guī)律圖，圖3.22中可看出興隆山站的土壤濕度變化較為明顯且數(shù)值較大，最小值出現(xiàn)在7:30為0.1278 m/m，最大值出現(xiàn)在15:30為0.1414 m/m，SACOL站的土壤濕度變化則相對較為平緩；圖3.23和圖3.24中二測站的土壤濕度變化都很小，但二者間有很大的差別，20厘米深處，SACOL站的土壤濕度約為0.11 m/m，興隆山站的約為0.28 m

23、/m，80厘米深處，SACOL站的約為0.06 m/m，興隆山站的約為0.17 m/m。3.3通量的對比分析3.3.1土壤熱通量土壤熱通量是指單位時間和面積上土壤所交換的熱量。圖3.25-3.30是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月（其中SACOL站5厘米的土壤熱通量資料在2012年5月29日-7月4日的缺失）的5厘米和10厘米土壤熱通量資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 13.25圖 3.26圖 3.27圖 3.28圖3.29圖3.30圖3.31圖3.25和圖3.26為二測站5厘米和10厘米土壤熱通量的月序列變化圖，二者變化趨勢都較為一致，最小值出現(xiàn)在12月（-5至-10

24、 之間），最大值出現(xiàn)在6月（5至10 之間），且它們變化趨勢非常明顯。圖3.27和圖3.28為它們的季變化圖，土壤熱通量都在秋季和冬季為負(fù)值，春季和夏季為正值，這表明秋冬季土壤總體上為熱源，即熱量從土壤向大氣傳遞，春夏季為植物生長季，且熱量從大氣傳遞給土壤，即為熱匯，并且大部分時間里興隆山站各層、各季節(jié)土壤熱通量的絕對值要比SACOL站的大，這很可能和興隆山站的土壤較濕潤（圖3.31）有關(guān)。圖3.29為它們5厘米深的平均日變化圖，SACOL站的最大值出現(xiàn)在15:00為47.5 W/，最小值出現(xiàn)在7:00為-22.6 W/，興隆山站的最大值出現(xiàn)在15:00為27.9 W/，最小值出現(xiàn)在6:30為

25、-13.4 W/，它們極值出現(xiàn)的時間相差不多，只是SACOL站的變化范圍較大達(dá)70 W/，而興隆山站的只有41 W/，這是由于SACOL站的土壤濕度（圖3.31）較小所導(dǎo)致的。圖3.30為它們10厘米深的平均日變化圖，SACOL站的最大值出現(xiàn)在18:00為24.9 W/，最小值出現(xiàn)在10:00為-13.8 W/，興隆山站的最大值出現(xiàn)在16:00為18.0 W/，最小值出現(xiàn)在7:30為-9.8 W/，它們的變化和圖3.29中的類似，不同的是它們的變化都較圖3.29中的有所延后且數(shù)值都變小，延后是因為深度的加大致使能量傳遞有所延遲，而SACOL站的表現(xiàn)更為明顯，是由于它的土壤較干燥，傳遞能量的速度

26、反而較快，而二者的數(shù)值都變小是由于深度變深能量在傳遞過程中的消耗所導(dǎo)致的。3.3.2感熱通量感熱是指物體在受熱溫度升高或者受冷溫度降低的過程中，在不改變其原有形態(tài)的情況下所吸收或放出的熱量。圖3.32-3.35是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月（其中SACOL站2011年10月23日-3月17日，興隆山站2011年6月24日-7月21日、2012年1月18日2月20日、3月4日4月7日的大部分資料缺失）的感熱通量資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.32圖 3.33圖 3.34圖 3.35圖 3.36圖3.32-3.34分別為二測站感熱通量的日平均、月平均、季平均時間序

27、列變化圖， 它們的月變化與水汽壓差（圖3.36）的月變化較為相似，這說明了感熱與空氣的干濕程度有這很大的關(guān)系；從季變化圖可看出興隆山站的感熱變化要較SACOL站的小一些，在春季和夏季二者的值都較大，同時它們的差異也較大，這一部分原因是由于溫度的關(guān)系，另外還和雨季興隆山站的降水較多有很大關(guān)系。圖3.35為二測站感熱通量的平均日變化規(guī)律圖，興隆山站的變化要較SACOL站的小，它們的最大值都出現(xiàn)在中午，興隆山站的為86 W/，SACOL站的為176 W/，而在日落后至日出現(xiàn)前它們的值都為負(fù)，且興隆山站的要大于SACOL站，原因是在日出后太陽輻射逐漸變強(qiáng)，地表吸收能量溫度升高且大部分能量傳遞給大氣，由

28、于SACOL站較干燥，所以大部分能量儲存在感熱通量中，這就使SACOL站中午的值要較大，在日落后，地表溫度迅速降低，因而大氣向外發(fā)射的能量要比接收到地表發(fā)射的能量大，且SACOL站較干燥，能量大部分又通過感熱減少，所以日落后二者都為負(fù)值且SACOL站的值要更小。3.3.3潛熱通量潛熱是指物體在等溫等壓的情況下，從一個相變化到另外一個相所吸收或者放出的熱量。圖3.37-3.40對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月（其中SACOL站2011年10月23日-3月17日，興隆山站2011年6月24日-7月21日、2012年1月18日2月20日、3月4日4月7日的大部分資料缺失）的潛

29、熱通量資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.37圖 3.38圖 3.39圖 3.40圖 3.41圖 3.42圖3.37-3.39為二測站潛熱通量的日平均、月平均、季平均的時間序列變化圖，從圖中可看出二者的變化趨勢較為一致，在暖季的值都相對較大，而在冬季值為最小，它們的變化受地表溫度（以5厘米土壤溫度代表地表溫度 圖3.41）的影響且變化與之一致，而2012年夏季的值都較其他季節(jié)的更大很可能是由于這一年較多的降水（圖3.42），因為降水較多直接導(dǎo)致了土壤濕度變大，這樣地表的蒸發(fā)就變強(qiáng)，那么就有更多的能量儲存在了潛熱中。圖3.40為二測站潛熱通量的平均日變化圖，二者都在中午達(dá)到了最大值，SACOL

30、站的為111 W/，興隆山站的為92 W/，且SACOL站的一直都大于興隆山站，原因是由于SACOL站的地表溫度（圖3.41）較高所導(dǎo)致的，尤其在9:00-17:00這段時間里的差異更大，這可能是由這段是時間的太陽輻射較強(qiáng)，SACOL站下墊面為原生植被，地表相對裸露，地表升溫較快所導(dǎo)致的。3.3.4 CO2通量圖3.43-3.46是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月的CO2通量資料（其中SACOL站2011年10月24日至2012年3月16日的資料缺失）處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.43圖 3.44圖 3.45圖 3.46圖 3.47圖 3.48圖3.43可以看出SA

31、COL站和興隆山站的CO2通量從早上7點至下午18點30為負(fù)值，說明在這段時間（7:00-18:30）內(nèi)地表植被進(jìn)行光合作用致使大氣中的CO2減少（即碳匯），而SACOL站CO2通量的最小值（-0.1219/s）出現(xiàn)在10:00，興隆山站CO2通量的最小值（-0.1424/s）出現(xiàn)在12:00，且興隆山站CO2通量最小值的絕對值要大于SACOL站，這主要是因為二者下墊面類型的不同所導(dǎo)致的，SACOL站下墊面為原生植被（矮草冠層），而興隆山站下墊面為森林和農(nóng)田，森林和農(nóng)田對太陽輻射的吸收作用要大于原生植被，二者太陽短波輻射（圖3.47）的最大值都出現(xiàn)在下午13:00，這就說明從10點開始原生植被

32、的光合作用受到太陽輻射的抑制，對CO2的吸收開始減少，而過了13點后，由于SACOL站下墊面相對裸露，地表較快增溫以及其他因素的抑制作用并沒有使CO2通量再有減小的趨勢，而是表現(xiàn)為相對緩慢的增長；對于森林和農(nóng)田而言，它們吸收太陽輻射的能力較強(qiáng)，CO2通量的變化趨勢基本為太陽輻射的逆變化。17點開始CO2通量值迅速增大至19點變?yōu)檎?，這時植被的光合作用停止，以土壤和植被排放CO2為主。圖3.44-3.46可以看出SACOL站和興隆山站CO2通量的年變化規(guī)律，SACOL站CO2通量年變化較為平緩，地表被原生植被覆蓋，受人類活動影響小，一年中秋季的絕對值最大，原因是秋季植被已經(jīng)成熟，此時的光合作用

33、最強(qiáng)，對CO2吸收也最多；興隆山站CO2通量年變化相對大一些，由于該地區(qū)下墊面大部分為農(nóng)田所覆蓋，受人類活動影響大，春季（3-5月）播種期農(nóng)作物幼苗以呼吸作用為主，夏季（6-8月）農(nóng)作物生長使光合作用大于呼吸作用，秋季（9-11月）農(nóng)作物成熟被收割使地表基本被裸土覆蓋,冬季（12-2月）依舊為裸土覆蓋，因此興隆山站夏季CO2通量絕對值最大。而2012年夏季SACOL站和興隆山站的CO2通量絕對值都相對其他季節(jié)偏大的原因與這一年相對豐沛的降水（圖3.48）有很大的關(guān)系。3.4輻射的對比分析3.4.1太陽短波輻射太陽輻射是指太陽發(fā)射的輻射經(jīng)過大氣吸收等的削弱后到達(dá)地表的太陽輻射，它的波長主要在0.

34、14-4.0微米之間相比地面和大氣的輻射波長（3-120微米）要小得多，因此它也稱為太陽短波輻射。圖3.49-3.51是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月太陽短波輻射資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.49圖 3.50圖 3.51圖 3.52圖3.49反映了二測站太陽短波輻射的月變化規(guī)律，圖3.50的為季變化規(guī)律，從圖3.49上可以看出它們的變化規(guī)律基本相同，且SACOL站的接收到的太陽輻射要大于興隆山站的，原因是因為興隆山站下墊面主要為農(nóng)田和森林，且受人類活動影響較大，氣候相對較濕潤，云和氣溶膠也就較SACOL站多，他們對太陽輻射有明顯的削弱作用，這就使得SACOL站

35、測得的太陽輻射要大于興隆山站。SACOL站的在12月份達(dá)到最小值為116.18 W/，興隆山站的在11月份達(dá)到最小值為115.12W/，6月份均達(dá)到最大值（SACOL站為292.88W/、興隆山站為228.91W/），從圖3.50以及上面的數(shù)據(jù)中可以看出它們在冬季接收到的太陽輻射相差不大，而夏季的相差則較大，這主要說明太陽輻射在北半球的差異主要體現(xiàn)在夏季；圖3.49中在2011年9月、2012年5月和7月二測站的變化均較為異常，這是由于這些時間段內(nèi)較多的降水（圖3.52）以及太陽高度角的變化綜合影響造成的。圖3.51為SACOL站和興隆山站太陽短波輻射的平均日變化規(guī)律圖，從圖上可以看出它們的值

36、都是從上午6點開始增大到下午13點為最大，到20點時不再減小，二測站不同的是SACOL站太陽輻射最大值（693 W/）要大于興隆山站的（570 W/）,這是由于興隆山站下墊面主要為農(nóng)田和森林，且受人類活動影響較大，氣候相對較濕潤，云和氣溶膠也就較SACOL站多，它們對太陽輻射有明顯的削弱作用，進(jìn)而使得興隆山站測得的太陽輻射要小于SACOL站。3.4.2地表反射輻射地表反射輻射是指太陽輻射穿過大氣到達(dá)地表后又經(jīng)過地表反射回去的短波輻射。 圖3.53和圖3.54是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月地表反射輻射資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.53圖 3.54圖3.53為二

37、測站地表反射輻射的月變化序列圖，從圖中可以看出2011年10至2012年 2月SACOL站的地表反射輻射是小于興隆山站的，而其他時間段則相反，主要原因是SACOL站下墊面為原生植被，受人類活動影響小，而興隆山站下墊面為森林和農(nóng)田，人類活動較為頻繁，氣候相對濕潤，在每年的11月至次年3月，興隆山站的下墊面由于農(nóng)作物收割地表基本變?yōu)槁阃粮采w，這樣就和SACOL站的下墊面基本類似，又由于森林的影響興隆山站氣候相比SACOL站較為濕潤，降水也就相對較多，且這段時間（2011年11月-2012年3月）內(nèi)的降水多表現(xiàn)為為降雪，所以興隆山站的地表反射輻射相對SACOL站的要大；而在其他時間段（2011年5月

38、-10月、2012年4月-10月）內(nèi)，興隆山站下墊面主要為農(nóng)作物和森林覆蓋，而SACOL站仍為原生植被，地表相對裸露，所以SACOL站的地表反射輻射要大于興隆山站。圖3.54為SACOL站 和興隆山站地表反射輻射的平均日變化圖，它們的變化規(guī)律與太陽輻射的變化規(guī)律一致，而且由于二測站相距較近（約25公里），它們的平均日變化規(guī)律也基本吻合。3.4.3地表長波輻射地面輻射是指地球表面吸收了太陽的輻射以后又將其中大部分的能量通過輻射的方式傳遞給大氣的過程，它的波長主要集中在1-30微米間，比太陽輻射的波長（0.14-4.0微米）要長得多，所以也稱為地表長波輻射。圖3.55-3.58是對SACOL站和興

39、隆山站2011年5月至2012年10月地表長波輻射資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.55圖 3.56圖 3.57圖 3.58圖 3.59圖3.55-3.57為SACOL站和興隆山站的地表長波輻射日、月、季的時間序列圖，圖中可看出二者的變化趨勢基本一致，而在冷季的值較小，暖季的較大，且二者在暖季的相差要比冷季的大，這是由于它們地表溫度的差異所造成的，用5厘米土壤溫度（圖3.59）代表地表溫度，可以看出興隆山站的地表溫度較SACOL站的要小，而地表長波輻射主要與地表溫度有關(guān)，冷季二者下墊面類似且地表溫度低，所以地表長波輻射都小且差別不大，而夏季興隆山站下墊面主要為農(nóng)作物和森林，SACOL站仍為

40、原生植被，所以它們二者相差較冷季大，且這時地表溫度較高，因此地表長波輻射也就較強(qiáng)。圖3.58為SACOL站和興隆山站地表長波輻射平均日變化圖，圖中可看出二測站的最小值都出現(xiàn)在早上的6:30（SACOL站為339.60 W/、興隆山站為323.94 W/），最大值SACOL站出現(xiàn)在14點為466.38 W/，興隆山站出現(xiàn)在14:30為400.84 W/，它們的變化趨勢一致，只是興隆山站的較小，這是由于它們地表溫度的差異所造成的，用5厘米土壤溫度（圖3.59）代表地表溫度，可以看出興隆山站的地表溫度較SACOL站的要小，所以地表發(fā)射的長波輻射也就較小，而SACOL站的最大地表長波輻射值要比興隆山站

41、的大得多，這也說明SACLO站的原生植被下墊面受太陽輻射的影響比森林農(nóng)田下墊面的要大。3.4.4大氣逆輻射大氣逆輻射是指大氣吸收了地面的長波輻射之后，會向四周以輻射的方式發(fā)射能量，這些能量一部分到了宇宙空間，一部分向地面發(fā)射，朝向地面的這部分就稱為大氣逆輻射。圖3.60-3.62是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月大氣逆輻射資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.60圖 3.61圖 3.62圖 3.63圖 3.64圖3.60和圖3.62為SACOL站和興隆山站大氣逆輻射日序列和季序列的時間變化圖，圖中可以看出二測站的日變化以及不同季節(jié)的變化基本一致，且它們的整體變化趨勢和地

42、表長波輻射（圖3.63）的變化趨勢也基本一致。圖3.62為SACOL站和興隆山站大氣逆輻射的平均日變化圖，圖中可以看出SACOL站大氣逆輻射的變化沒有興隆山站的大，且極大值較興隆山站延后，SACOL站的最小值為291.88 W/，最大值出現(xiàn)在17:00為309.7 W/，興隆山站的最小值為285.45 W/，最大值出現(xiàn)在14:30為313.3 W/，原因是大氣逆輻射主要受空中云量、空氣濕度和氣溫的影響，興隆山站相比SACOL站較濕潤，降水也相對較多，白天云多空氣濕度大也就使得興隆山站的大氣逆輻射較強(qiáng)，夜晚興隆山站的云比較少，所以大氣逆輻射也就較弱，而SACOL站大氣逆輻射極大值較興隆山站延后的

43、原因可能與它們的氣溫日變化（圖3.64）趨勢有關(guān)。3.4.5凈輻射凈輻射是指太陽短波輻射、地表反射輻射、地表長波輻射、大氣逆輻射之間的矢量差。圖3.65-3.67是對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月凈輻射資料處理得到的相關(guān)時間變化圖。圖 3.65圖 3.66圖 3.67圖3.65和圖3.66為SACOL站和興隆山站的凈輻射月平均和季平均時間序列變化圖，從圖中可看出它們在秋冬季的變化基本一致，而春夏季的變化有一些區(qū)別且夏季差異最大，產(chǎn)生差異的原因是由于興隆山站相比SACOL站較濕潤且這時興隆山站下墊面為農(nóng)作物所覆蓋，而春夏季溫度高蒸發(fā)強(qiáng)尤其是夏季，這樣興隆山站的成云量就較多

44、，云多使大氣逆輻射較強(qiáng)，進(jìn)而凈輻射減小。圖3.67為二測站凈輻射的平均日變化規(guī)律圖，圖中可看出它們一天變化趨勢基本一致，只是在中午時興隆山站的凈輻射要小于SACOL站，這很大一部分也是由于中午蒸發(fā)較強(qiáng)，興隆山站的水汽變多使大氣逆輻射增強(qiáng)所導(dǎo)致的。第四章 總結(jié)與展望4.1本文主要結(jié)論本文通過對SACOL站和興隆山站2011年5月至2012年10月的各氣象要素資料的對比分析來了解不同下墊面類型（原生植被和森林、農(nóng)田）陸氣相互作用的特征。進(jìn)而得到了以下結(jié)論：（1）從常規(guī)氣象要素資料的對比中可以看出SACOL站的日平均風(fēng)速最大可達(dá)7.5 m/s，而興隆山站的只有4.7 m/s，并且SACOL站風(fēng)速的日序列變化以及日變化都比較大；溫度方面二者隨季節(jié)的改變明顯且變化較一致，只是興隆山站四季的溫度總是