古尔班通古特沙漠地表辐射收支特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00100

摘要/Abstract

摘要：

古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠。利用2017年该沙漠克拉美丽站辐射资料，分析了古尔班通古特沙漠不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射变化特征。结果表明：（1）不同月份沙漠辐射收支各分量月平均日变化均呈单峰型，但极值大小及出现时间存在差异。各分量曝辐量季节变化明显：太阳总辐射表现为生长期（4—9月）>积雪期（1—3月）>凋零期（10—12月），反射短波辐射表现为积雪期>生长期>凋零期，长波辐射和净辐射均表现为生长期>凋零期>积雪期。（2）地表反照率4—11月的日变化均呈“U”型曲线，年均值为0.367，积雪期、生长期、凋零期的平均值分别为0.7、0.246和0.27，其中1月1日至3月15日的日均值均高于0.7，这是该期间古尔班通古特沙漠存在稳定积雪所致。（3）晴天各分量日变化均为倒“U”型曲线，多云和雨天则不如晴天平滑，雪天短波辐射和净辐射日变化呈倒“V”型，长波辐射无明显日变化。降雨前后地表反照率日均值表现为雨前晴天>雨后晴天>雨天，降雪前后表现为雪后晴天>雪天>雪前晴天。（4）融雪前后各分量变化明显，积雪快速融化时地表反照率和反射短波辐射逐日减小，净辐射则反之，积雪完全融化前地表长波辐射一直较弱，积雪完全融化后逐渐增强。

关键词: 古尔班通古特沙漠, 地表辐射收支, 地表反照率

Abstract:

As the largest fixed and semifixed desert in China， the Gurbantunggut Desert presents the obvious variety on local surface radiation budget and energy balance. In order to clarify the law of evolution of the surface radiation budget over the desert， the variation characteristics of the desert surface radiation under different time scales and different weather conditions were analyzed by using the radiation data of the Kelameili observation station in the hinterland of Gurbantunggut Desert in 2017. The results showed that：（1） The monthly mean diurnal variation curves of surface radiation components were all in unimodal type， but extreme values of which appeared at different times and were unequal. The monthly total variation of surface radiation components were obvious： mean monthly total of the downward long-wave radiation were ranked as growth phase （April-September） > snow cover phase （January-March） > withering phase （October-December）， and which of upward short-wave radiation ranked as snow cover phase>growth phase>withering phase， while which of long-wave radiation and net radiation were all ranked as growth phase>withering phase>snow cover phase. （2）The monthly mean diurnal variation of surface albedo were all in U-shaped curves from April to November. The annual mean value was 0.367. The average values of snow cover phase， growth phase， and withering phase were 0.7， 0.246， and 0.27， respectively. The daily mean values was greater than 0.7 from January 1 to March 15 because Gurbantunggut Desert has been covered within the snow covered continuously during this period. （3）On clear day， The diurnal variation of surface radiation components was smooth inverted U-shaped curves， while which on cloudy and rainy day became irregular. On snow day， the diurnal variation of short-wave radiation and net radiation were inverted V-shaped curve， while which of long-wave radiation was inconspicuous. During the rainfall and snowfall periods， the daily mean values of surface albedo were ranked as the day before rainfall>the day after rainfall>rainy day and as the day after snowfall>snow day>the day before snowfall， respectively. （4）During the snowmelt period， the variation of radiation components was obvious： the daily mean value of surface albedo and upward short-wave radiation decreased day by day when snow cover melted rapidly， while which of net radiation increased. Before snow cover had melted completely， the diurnal variation of long-wave radiation was inconspicuous， but which after snow cover melted completely increased.

Key words: Gurbantunggut Desert, surface radiation budget, surface albedo

中图分类号:

P422

高佳程, 王豫, 阿吉古丽·沙依提null, 买买提艾力·买买提依明null, 刘永强, 赵雪赏, 杨兴华, 霍文, 杨帆, 周成龙. 古尔班通古特沙漠地表辐射收支特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 47-58.

Jiacheng Gao, Yu Wang, Sayit Hajigul, Mamtimin Ali, Yongqiang Liu, Xueshang Zhao, Xinghua Yang, Wen Huo, Fan Yang, Chenglong Zhou. Characteristics of surface radiation budget in Gurbantunggut Desert[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(1): 47-58.

图/表 11

图1 克拉美丽站地理位置示意图及观测场照片

Fig.1 Location and general view of Kelameili observation station

表1 仪器及参数

Table 1 The instruments and parameters

仪器	观测项目	测量范围	测量精度
NR01净辐射传感器	短波辐射	285—3000 nm	<1.8%
NR01净辐射传感器	长波辐射	4500—40000 nm	<7%
CS616土壤湿度探测仪	土壤湿度	—	<0.1%（土壤体积含水量）
SR50A-L雪深传感器	雪深	0.5—10 m	±1.0 cm或±0.4%

图2 地表辐射收支的月平均日变化

Fig.2 The monthly mean diurnal variation of surface radiation budget

图3 地表辐射收支的月曝辐量变化

Fig.3 The variation of monthly total surface radiation budget

图4 地表反照率月平均日变化

Fig.4 The monthly mean diurnal variation of land surface albedo

表2 不同沙漠地区月平均地表反照率

Table 2 Monthly mean surface albedo in different deserts

月份	古尔班通古特沙漠腹地克拉美丽（2017年）	塔克拉玛干沙漠北缘肖塘（2009年）^[25]	塔克拉玛干沙漠塔中（2013年）^[21]	巴丹吉林沙漠拐子湖（2013年）^[44]	黑河流域沙漠（1991年）^[31]
1	0.766	0.31	0.32	—	0.34
2	0.746	0.28	0.30	0.35	0.31
3	0.574	0.27	0.30	0.32	0.29
4	0.233	0.27	0.28	0.32	0.27
5	0.249	0.26	0.26	0.3	0.27
6	0.247	0.25	0.26	0.27	0.26
7	0.251	0.26	0.25	0.27	0.26
8	0.251	0.26	0.26	0.29	0.26
9	0.261	0.26	0.27	0.31	0.28
10	0.259	0.27	0.29	0.32	0.30
11	0.248	0.27	0.31	0.35	0.33
12	0.317	0.29	0.32	0.37	0.37
平均值	0.367	0.27	0.28	0.32	0.30

表3 四季代表性天气状况

Table 3 Weather conditions at different times of the year

季节	日期	晴空指数	天气状况	季节	日期	晴空指数	天气状况
冬季	02-18	0.70	多云	夏季	08-10	0.76	晴天
	02-19	0.45	降雪		08-11	0.64	多云
	02-20	0.74	晴天		08-12	0.13	降雨
	02-21	0.87	晴天		08-13	0.69	多云
春季	04-11	0.77	晴天	秋季	10-02	0.78	晴天
	04-12	0.65	多云		10-03	0.60	多云
	04-13	0.68	多云		10-04	0.58	降雨
	04-14	0.18	降雨		10-05	0.23	降雨

图5 不同季节典型天气下地表辐射收支的日变化

Fig.5 The diurnal variation of surface radiation budget in typical weather in different seasons

图6 降雨（8月9—15日）和降雪（12月26—28日）前后地表反照率的日变化

Fig.6 The diurnal variation of surface albedo around rainfall and snowfall periods

图7 融雪前后地表辐射收支的日变化

Fig.7 The diurnal variation of surface radiation budget around snowmelt period

图8 融雪前后地表反照率与雪深的日均值变化

Fig.8 The variations of daily mean surface albedo and snow depth around snowmelt period

参考文献 45

1	张强，王胜.干旱荒漠区土壤水热特征和地表辐射收支年变化规律研究［J］.自然科学进展，2007（2）：211-216.
2	张强，孙昭萱，王胜.黄土高原定西地区陆面物理量变化规律研究［J］.地球物理学报，2011，54（7）：1727-1737.
3	岳平，张强，赵文，等.云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响［J］.物理学报，2013，62（20）：1-14.
4	Zhang X，Gu S，Zhao X Q，et al.Radiation partitioning and its relation to environmental factors above a meadow ecosystem on the Qinghai-Tibetan Plateau［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2010，115（D10）：985-993.
5	Shi Q，Liang S.Characterizing the surface radiation budget over the Tibetan Plateau with ground-measured，reanalysis，and remote sensing data sets：2.Spatiotemporal analysis［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2013，118（17）：9642-9657.
6	Wang S Y，Zhang Y，Lyu S H，et al.Radiation balance and the response of albedo to environmental factors above two alpine ecosystems in the eastern Tibetan Plateau［J］.Sciences in Cold and Arid Regions，2017，9（2）：142-150.
7	张强，王蓉，岳平，等.复杂条件陆-气相互作用研究领域有关科学问题探讨［J］.气象学报，2017，75（1）：39-56.
8	殷代英，屈建军，余晔，等.敦煌湖泊湿地生态系统地表辐射收支特征［J］.中国沙漠，2018，38（1）：172-181.
9	Yang F，Huang J P，Zhou C L，et al.Taklimakan desert carbon-sink decreases under climate change［J］.Science Bulletin，2020，65（6）：431-433.
10	王超，韦志刚，高晓清，等.夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究［J］.高原气象，2012，31（3）：622-628.
11	杨帆，邵全琴，李愈哲，等.北方典型农牧交错带草地开垦对地表辐射收支与水热平衡的影响［J］.生态学报，2016，36（17）：5440-5451.
12	顾润源，武荣盛，吴菊秀，等.内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射特征［J］.干旱区地理，2013，36（5）：854-864.
13	岳平，张强，邓振镛，等.草原生长期地表辐射和能量通量月平均日变化特征［J］.冰川冻土，2010，32（5）：941-947.
14	陈星，余晔，陈晋北，等.黄土高原半干旱区雨养农田地表辐射和能量通量的季节变化［J］.高原气象，2016，35（2）：351-362.
15	王兴，张强，王胜.中国黄土高原半湿润地区陆面温、湿特性及辐射收支特征研究［J］.高原气象，2013，32（5）：1272-1279.
16	孙昭萱，张强.黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析［J］.中国沙漠，2011，31（5）：1302-1308.
17	次仁尼玛，单增罗布，宣越健，等.青藏高原羊八井地区地表辐射的季节变化特征［J］.高原气象，2013，32（5）：1253-1260.
18	谷星月，马耀明，马伟强，等.青藏高原地表辐射通量的气候特征分析［J］.高原气象，2018，37（6）：1458-1469.
19	李宏毅，肖子牛，朱玉祥.藏东南地区草地下垫面湍流通量和辐射收支各分量的变化特征［J］.高原气象，2018，37（4）：923-935.
20	Yang T，Wang X Y，Zhao C Y，et al.Changes of climate extremes in a typical arid zone：Observations and multimodel ensemble projections［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2011，116（D19）：106-124.
21	杨帆，王顺胜，何清，等.塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射与能量平衡［J］.中国沙漠，2016，36（5）：1408-1418.
22	赵佳伟，何清，金莉莉，等.塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征［J］.中国沙漠，2019，39（4）：159-167.
23	金莉莉，何清，买买提艾力·买买提依明，等.塔克拉玛干沙漠腹地辐射收支和反照率变化特征［J］.中国沙漠，2014，34（1）：215-224.
24	李帅，胡列群，何清，等.塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射收支特征研究［J］.中国沙漠，2012，32（4）：1035-1044.
25	王延慧，史玉光，买买提艾力·买买提依明，等.塔克拉玛干沙漠北缘辐射分量特征［J］.中国沙漠，2013，33（6）：1824-1831.
26	马宁，王乃昂，黄银洲，等.巴丹吉林沙漠腹地夏季不同天气条件下陆-湖面辐射收支与能量分配特征对比［J］.自然资源学报，2015，30（5）：796-809.
27	马迪，吕世华，奥银焕，等.巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析［J］.高原气象，2012，31（3）：615-621.
28	李建刚，奥银焕，吕世华，等.巴丹吉林沙漠与小尺度湖泊夏季地表特征对比分析［J］.高原气象，2014，33（3）：647-657.
29	杨帆，买买提艾力·买买提依明，何清，等.巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射与能量平衡特征［J］.中国沙漠，2015，35（6）：1636-1643.
30	李建刚，奥银焕，李照国.夏季不同天气条件下沙漠辐射和能量平衡的对比分析［J］.地理科学进展，2012，31（11）：1443-1451.
31	季国良，邹基玲.干旱地区绿洲和沙漠辐射收支的季节变化［J］.高原气象，1994，12（3）：100-106.
32	王凯，张宏升，刘辉志，等.科尔沁沙地流动沙丘与玉米地辐射特性比较分析［J］.应用气象学报，2005，3（2）：174-180.
33	刘辉志，洪钟祥，张宏升，等.内蒙古奈曼流动沙丘下垫面湍流输送特征初步研究［J］.大气科学，200，1（3）：389-398.
34	魏文寿，董光荣.古尔班通古特沙漠的辐射热量交换分析［J］.中国沙漠，1997，17（4）：3-9.
35	塔依尔，吕新，杨利勇.石河子垦区沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换特征［J］.中国沙漠，2007，3（3）：478-482.
36	刘冉，王勤学，唐立松，等.盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化及驱动因素［J］.生态学报，2009，29（1）：67-75.
37	张立运，陈昌笃.论古尔班通古特沙漠植物多样性的一般特点［J］.生态学报，2002，11（11）：1923-1932.
38	王雪芹，蒋进，王远超，等.古尔班通古特沙漠南部短命植物生长对水热条件变化的响应［J］.科学通报，2006，51（）：88-93.
39	石亚飞，张志山，黄磊，等.古尔班通古特沙漠半固定沙丘植物群落物种组成和种群结构［J］.应用生态学报，2016，27（4）：1024-1030.
40	Ali M，Wang Y，Hajigul S，et al.Seasonal variations of the near-surface atmospheric boundary layer structure in China’s Gurbantünggüt Desert［J］.Advances in Meteorology，2020（4）：1-13.
41	段呈，吴玲，王绍明，等.近30年古尔班通古特沙漠短命植物的时空格局［J］.生态学报，2017，37（8）：2642-2652.
42	Norman G L，Wang H L，Richard P A，et al.New generation of climate models track recent unprecedented changes in earth's radiation budget observed by CERES［J］.Geophysical Research Letters，2020，47（5）：1134-1150.
43	买买提艾力·买买提依明，金莉莉，李振杰，等.2007—2011年塔克拉玛干沙漠腹地太阳辐射观测研究［J］.气候变化研究进展，2014，10（2）：87-94.
44	杨阳，杨帆，买买提艾力·买买提依明，等.塔克拉玛干沙漠塔中与巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射特征对比［J］.中国沙漠，2018，38（5）：1068-1077.
45	肖登攀，陶福禄，Moiwo J P.全球变化下地表反照率研究进展［J］.地球科学进展，2011，26（11）：1217-1224.

[1]	李功麟, 张定海, 张志山, 胡宜刚, 黄磊, 路丽宁. 古尔班通古特沙漠沙丘主要灌木的种群数量动态[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 129-137.
[2]	朱春鸣, 董治宝, 刘铮瑶, 肖南, 杨军怀, 冯淼彦. 古尔班通古特沙漠树枝状沙丘沉积物粒度和微形态特征的空间分异[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 9-18.
[3]	张瑞, 周晓兵, 张元明. 生物土壤结皮对温带荒漠植物凋落物分解的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 151-158.
[4]	傅思华, 胡顺军, 李浩, 王泽锋. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落优势植物水分来源[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 1024-1032.
[5]	杨阳, 杨帆, 买买提艾力·买买提依明, 杨兴华, 霍文, 周成龙, 何清, 陈帅. 塔克拉玛干沙漠塔中与巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射特征对比[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 1068-1077.
[6]	廖小荷, 何清, 金莉莉, 杨兴华, 买买提艾力·买买提依明, 霍文, 杨帆. 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[J]. 中国沙漠, 2018, 38(2): 393-400.
[7]	王银亚, 李晨华, 马健. 开垦对荒漠土壤微生物群落结构特征的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(3): 514-522.
[8]	陶冶, 吴甘霖, 刘耀斌, 张元明. 古尔班通古特沙漠典型灌木群落土壤化学计量特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 305-314.
[9]	朱秉坚, 尹本丰, 张元明. 不同微生境下齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)非结构性碳水化合物含量的季节动态[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 268-275.
[10]	李军, 王新军, 贾宏涛, 赵成义. 古尔班通古特沙漠南缘干季土壤水分含量空间异质性[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1628-1636.
[11]	杨帆, 王顺胜, 何清, 霍文, 杨兴华, 郑新倩, 王毅, 蔡文军, 买买提艾力·买买提依明. 塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射与能量平衡[J]. 中国沙漠, 2016, 36(5): 1408-1418.
[12]	韩彩霞, 张丙昌, 张元明, 邰凤姣, 张弛, 邵华. 古尔班通古特沙漠南缘苔藓结皮中可培养真菌的多样性[J]. 中国沙漠, 2016, 36(4): 1050-1055.
[13]	陈永宝, 胡顺军, 朱海, 罗根. 古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落土壤蒸发特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(1): 190-198.
[14]	李国栋, 张元明. 生物土壤结皮与种子附属物对4种荒漠植物种子萌发的交互影响[J]. 中国沙漠, 2014, 34(3): 725-731.
[15]	金莉莉, 何清, 买买提艾力·买买提依明, 李振杰. 塔克拉玛干沙漠腹地辐射平衡和反照率变化特征[J]. 中国沙漠, 2014, 34(1): 215-224.