三江平原沼澤濕地貼地氣象要素日變化及其直減率特征

三江平原沼澤濕地貼地氣象要素日變化及其直減率特征

濕地是介于土地和水之間的特殊生態(tài)系統(tǒng)，具有獨(dú)特的基質(zhì)。因此，其邊界層明顯不同于海洋、沙漠和城市邊緣層。有學(xué)者已經(jīng)在三江平原沼澤濕地、大興安嶺森林濕地、沙漠腹地、青藏高原和祁連山高寒濕地等下墊面上開展了近地層氣象要素的觀測(cè)研究。三江平原分布著大量的淡水沼澤濕地,是受全球氣候變化和人類活動(dòng)影響最顯著的地區(qū)之一,對(duì)該區(qū)域的氣候環(huán)境變化已進(jìn)行了許多有意義的研究工作[10～13],但對(duì)于沼澤濕地貼地氣層氣象要素特征的研究并不系統(tǒng),多數(shù)研究范圍僅限于2m高度以下,且很少涉及氣溫和相對(duì)濕度的直減率研究。而本研究將貼地氣層高度升高到15m,并設(shè)置6個(gè)觀測(cè)高度,對(duì)這些高度的氣溫和相對(duì)濕度日變化及其他們的直減率特征進(jìn)行了研究,從而為沼澤濕地微氣象的深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為其他學(xué)科的研究提供參考。1觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)方式洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(47°42′18″N～47°52′07″N,133°34′38″E～133°46′29″E)位于三江平原東北部的低平原上,總面積2.18×104hm2,地形平緩,海拔58～61m,地面坡降1/5000～1/10000,主要土壤類型為草甸沼澤土、腐殖沼澤土、潛育沼澤土和白漿土。在洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)緩沖區(qū)的氣象、水文觀測(cè)點(diǎn)(47°47′16.1″N,133°37′42.1″E)進(jìn)行氣象要素野外定點(diǎn)觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)下墊面的植物主要有毛苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudocu-raica)和小葉章(Calamagrostisangustisfolia)。觀測(cè)點(diǎn)夏季平均積水深度為5～20cm。觀測(cè)點(diǎn)與最近的林地相距250m,符合小氣候觀測(cè)的要求。在2008年6月14～18日、7月29～31日和8月8～11日進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),觀測(cè)期間有7天為晴天,分別為6月16日、17日和18日,7月30日和31日,8月8日和9日,對(duì)每月晴天的氣溫和相對(duì)濕度進(jìn)行平均,以代表沼澤濕地當(dāng)月晴天的氣溫和相對(duì)濕度,觀測(cè)期間晴天的環(huán)境狀況見表1。在距離地表0.5m、1.5m、3m、5m、8m和15m6個(gè)高度進(jìn)行觀測(cè),利用大氣溫濕度傳感器自動(dòng)測(cè)定并記錄氣溫和相對(duì)濕度。每個(gè)觀測(cè)高度設(shè)置兩個(gè)傳感器作平行觀測(cè),取二者平均值作為此高度的觀測(cè)值。在整點(diǎn)采集數(shù)據(jù),每小時(shí)1次。本試驗(yàn)采用的大氣溫濕度傳感器型號(hào)為JL-06,測(cè)量溫度精度為±0.3℃,相對(duì)濕度精度為±3%。本文所有數(shù)據(jù)均運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行處理和分析。2結(jié)果與分析2.1沼澤濕地氣層溫度變化特征2.1.1氣溫和平均氣溫夏季晴天,沼澤濕地貼地氣層6個(gè)觀測(cè)高度的氣溫日變化基本一致(圖1),氣溫日變化曲線為單峰型曲線。每日各個(gè)高度最高氣溫都出現(xiàn)在14∶00,且0.5m的值最大,其6月、7月和8月的晴天日平均最高氣溫分別為42.4℃、39.6℃和38.2℃。每日各個(gè)高度的最低氣溫都出現(xiàn)在03∶00,且0.5m的值最小,其6月、7月和8月的晴天日平均最低氣溫分別為15.9℃、16.9℃和13.5℃。夏季晴天,氣溫日較差隨高度遞減,6月、7月和8月晴天0.5m的氣溫日較差分別為26.6℃、22.6℃和24.7℃。日平均氣溫隨高度遞減,6月、7月和8月晴天0.5m的日平均氣溫分別為29.7℃、25.7℃和24.2℃。8月8～9日的平均氣溫在13∶00出現(xiàn)較低值(圖1c),這主要是由于觀測(cè)時(shí)有云的原因。2.1.2氣溫變化特征夏季晴天,6個(gè)高度氣溫廓線日變化規(guī)律基本一致(圖2),呈現(xiàn)出較明顯的夜間輻射型、早上過(guò)渡型、白天日射型及傍晚過(guò)渡型4種氣溫廓線類型,與文獻(xiàn)的結(jié)論相似。19∶00～04∶00為夜間輻射型氣溫廓線,由于輻射冷卻的結(jié)果,熱量由貼地氣層輸向地面,氣溫隨高度遞增呈逆溫特征。夜間氣溫廓線近似平行,氣溫隨時(shí)間不斷降低,但降溫幅度逐漸減小。不同高度最低氣溫都出現(xiàn)在03∶00,最低值出現(xiàn)在0.5m。05∶00～06∶00為早上過(guò)渡型氣溫廓線,氣溫由隨高度遞增轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞減。清晨日出后,地表開始迅速增溫并破壞貼地氣層的逆溫分布,這個(gè)破壞過(guò)程逐漸由下層到上層,下層氣溫廓線已緩慢進(jìn)入白天日射型,而上層仍處于夜間輻射型,但其強(qiáng)度已很微弱,至07∶00氣溫廓線已完全進(jìn)入日間日射型。這段時(shí)間貼地氣層內(nèi)氣溫的升高速率也是一天中最大的,以0.5m氣溫變化為例,05∶00～06∶00升溫速率分別為為5.7℃/h、2.9℃/h和6.5℃/h,06∶00～07∶00升溫速率分別為3.7℃/h、3.3℃/h和4.9℃/h。07∶00～16∶00為白天日射型氣溫廓線,氣溫隨高度遞減。不同高度的最高氣溫都出現(xiàn)在14∶00,最大值出現(xiàn)在0.5m。8月8～9日14∶00～16∶00的平均氣溫廓線在3～5m出現(xiàn)逆溫,但僅持續(xù)了約兩小時(shí)。這是由于午后高層空氣溫度上升較快,在局部形成小型逆溫狀態(tài),但隨太陽(yáng)高度角減小,太陽(yáng)輻射對(duì)高層空氣的增溫作用減弱,逆溫逐漸消失。17∶00～18∶00為傍晚過(guò)渡型氣溫廓線,氣溫由隨高度遞減轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞增。傍晚,隨著太陽(yáng)高度不斷變小,下墊面迅速冷卻,貼地層氣溫也隨之下降。此時(shí)氣溫廓線下層已進(jìn)入夜間輻射型,而上層仍保持為日射型,到19∶00氣溫廓線已完全進(jìn)入夜間輻射型。這一時(shí)段降溫速率為全天最大,以0.5m氣溫變化為例,17∶00～18∶00降溫速率分別為6.03℃/h、5.65℃/h和4.25℃/h,18∶00～19∶00降溫速率分別為6.27℃/h、7.1℃/h和6.75℃/h。2.1.3最大的支護(hù)密度夏季晴天,日平均氣溫直減率隨高度減小(表2)。最大日平均氣溫直減率都出現(xiàn)在0.5～1.5m,8月8～9日的平均值最大,為1.65℃/m;最小日平均氣溫直減率出現(xiàn)在5～15m,最小值為7月30～31日的平均值,為-0.13℃/m。8月8～9日在3～5m出現(xiàn)局部逆溫,但日平均氣溫直減率整體變化趨勢(shì)為遞減。0.5～15m的日平均氣溫直減率(7天平均)為0.10℃/m,0.5～15m的最大日平均氣溫直減率為8月8～9日的平均值,為0.14℃/m。2.2沼澤濕地氣層的相對(duì)濕度變化特征2.2.1其平均最大相對(duì)濕度的測(cè)定夏季晴天,沼澤濕地貼地氣層6個(gè)觀測(cè)高度的相對(duì)濕度日變化基本一致(圖3),相對(duì)濕度日變化曲線為U型,并與氣溫日變化曲線有較好的對(duì)應(yīng)性。每日各個(gè)高度的相對(duì)濕度最大值都出現(xiàn)在03∶00,6月、7月和8月的晴天日平均最大相對(duì)濕度出現(xiàn)在0.5～1.5m,其值分別為97.8%、99.8%和99.6%。每日各個(gè)高度的相對(duì)濕度最小值都出現(xiàn)在14∶00,且0.5m的值最小;6月、7月和8月的晴天日平均最小相對(duì)濕度分別為15.5%、31.8%和36%。夏季晴天,相對(duì)濕度日較差隨高度遞減,6月、7月和8月晴天0.5m的相對(duì)濕度日較差分別為77.9%、66.55%和63.6%。日平均相對(duì)濕度隨高度變化不明顯,3個(gè)月0.5～15m的晴天日平均相對(duì)濕度分別為56.6%、75.9%和75.8%,7月和8月晴天的日平均相對(duì)濕度大于6月,這與研究區(qū)的降水規(guī)律相符。2.2.2濕度變化特征夏季晴天,沼澤濕地貼地氣層6個(gè)高度的相對(duì)濕度廓線日變化規(guī)律基本一致(圖4),可分為夜間和日間2種濕度廓線類型,夜間相對(duì)濕度隨高度遞減,日間相對(duì)濕度隨高度遞增。17∶00～04∶00為夜間型濕度廓線,相對(duì)濕度隨高度遞減。夜間相對(duì)濕度廓線近似平行,相對(duì)濕度隨時(shí)間變化幅度較小。不同高度最大相對(duì)濕度都出現(xiàn)在03∶00,最大值出現(xiàn)在0.5～1.5m。17∶00～18∶00濕度升高速率最大,6月、7月和8月晴天夜間,0.5m的相對(duì)濕度增大速率分別為18.52%/h、28.35%/h和20%/h。05∶00～16∶00為日間型濕度廓線,相對(duì)濕度隨高度遞增,8m以下逆濕明顯,最強(qiáng)逆濕出現(xiàn)在11∶00～13∶00,8～15m相對(duì)濕度整體隨高度遞減。日間相對(duì)濕度廓線近似平行,相對(duì)濕度隨時(shí)間變化的幅度大于夜間。不同高度最小相對(duì)濕度都出現(xiàn)在14∶00,最小值出現(xiàn)在0.5m。06∶00～07∶00相對(duì)濕度降低最快,6月、7月和8月晴天日間,0.5m相對(duì)濕度減小的速率分別為-27.25%/h、-8.8%/h和-12.7%/h。沼澤濕地貼地氣層的日間逆濕現(xiàn)象,與沼澤濕地植物蒸騰作用關(guān)系密切。白天,沼澤地表水蒸發(fā)劇烈,同時(shí)濕地植物通過(guò)的蒸騰作用向上層空氣輸送水分,大量水汽上升到高空,而低層空氣濕度相對(duì)較小,形成逆濕。但這種逆濕只能上升到8m,8m以上相對(duì)濕度則隨高度遞減。夜間,植物葉片氣孔關(guān)閉,蒸騰作用消失,地表積水成為唯一的水汽來(lái)源,相對(duì)濕度隨高度遞減。2.2.3空氣中濕度的變化夏季晴天,日平均相對(duì)濕度直減率在0.5～1.5m為負(fù)值(表3),最強(qiáng)逆濕為6月16～18日的-3.10%/m。沼澤濕地植物夏季平均高度為50cm,白天植物蒸騰作用強(qiáng)烈,水汽上升到高層空氣,因而形成0.5～1.5m的逆濕。1.5～15m的日平均相對(duì)濕度直減率隨高度迅速減小,最大日平均相對(duì)濕度直減率出現(xiàn)在1.5～3m,6月16～18日的平均值最大,為3.89%/m;最小日平均相對(duì)濕度直減率出現(xiàn)在5～15m,7月30～31日的平均值最小,為-0.75%/m。8月8～9日在5m以下為逆濕,逆濕強(qiáng)度隨高度迅速減小,至5m以上相對(duì)濕度已轉(zhuǎn)為隨高度遞減,其日平均相對(duì)濕度直減率整體變化趨勢(shì)為遞減。0.5～15m的晴天日平均相對(duì)濕度直減率為0.16%/m,0.5～15m的最大日平均相對(duì)濕度直減率為,0.45%/m,出現(xiàn)在7月30～31日。3溫度和濕度變化夏季晴天,沼澤濕地貼地氣層氣溫日變化曲線為單峰型曲線。晴天各高度的最高氣溫都出現(xiàn)在14∶00,且0.5m的值最大,6月、7月和8月的晴天日平均最高氣溫分別為42.4℃、39.6℃和38.2℃;各個(gè)高度的最低氣溫都出現(xiàn)在03∶00,且0.5m的值最小,3個(gè)月的日平均最低氣溫分別為15.9℃、16.9℃和13.5℃。日平均氣溫和氣溫日較差都隨高度遞減。氣溫廓線有夜間輻射型、早上過(guò)渡型、白天日射型及傍晚過(guò)渡型4種分布類型。夏季晴天0.5～15m的日平均氣溫直減率為0.10℃/m,日平均氣溫直減率隨高度增加迅速減小,5個(gè)梯度的日平均氣溫直減率分別為1.03℃/m(0.5～1.5m)、0.41℃/m(1.5～3m)、0.03℃/m(3～5m)、-0.01℃/m(5～8m)和-0.03℃/m(8～15m)。夏季晴天,沼澤濕地貼地氣層相對(duì)濕度日變化曲線為U型。晴天各個(gè)高度的最大相對(duì)濕度都出現(xiàn)在03∶00,6月、7月和8月的晴天日平均最大相對(duì)濕度出現(xiàn)在0.5～1.5m,其值分別為97.8%、99.8%和99.6%;各個(gè)高度的最小相對(duì)濕度都出現(xiàn)在14∶00,且0.5m的值最小,3個(gè)月的晴天日平均最小相對(duì)濕度分別為15.5%、31.8%和36%。相對(duì)濕度日較差隨高度遞減,日平均相對(duì)濕度隨高度變化不明顯,6月、7月和8月晴天0.5～15m的日平