太阳辐射是大气运动和植被生长的基本动力，不同的下垫面近地表辐射分量的变化差异也较大，可表现出不同的热力学与动力学特征^［1］。地表辐射平衡是关于地-气相互作用的主要研究内容，而辐射分量又是研究地表辐射平衡的基础。所以辐射平衡的表现在全球气候变化中受到学者的格外关注。 近40年来，国内学者对不同下垫面的辐射平衡做了大量研究，这些观测研究主要集中在中国北方干旱区。例如，塔克拉玛干沙漠北部^［2-3］、中部^［4-8］，青藏高原^［9-15］，古尔班通古特沙漠^［16］，河西走廊的荒漠与戈壁区域（主要有金塔绿洲^［17］、敦煌戈壁与湿地^［18-19］、巴丹吉林沙漠 ^［20-21］），毛乌素沙地^［22］，科尔沁沙地^［23］。但学者们对鄂尔多斯高原的库布齐沙漠辐射分量的关注还甚少，作为中国西北干旱区向东部湿润区过渡的关键区，目前对这一区域的地表辐射特征研究还是空白。自2000年以来，由于这一区域大面积的人工造林、种草，植被覆盖得到明显改观^［24］。下垫面的改变势必引起辐射分量的变化，使得地表能量交换过程发生变化^［25］。已有研究对同一地点不同下垫面^［26-27］、同一地点不同时段^［28］的辐射分量进行分析，结果表明各分量存在较大差异。因此，了解辐射平衡各分量在人工林地中的变化规律，特别是固沙造林后的辐射平衡变化，这可为改进陆面过程参数提供理论依据；也可为植被动态模拟提供数据支持，进而为植物生产潜力的估计、固沙植被造林效益的分析、现有人工林经营模式的改善提供分析工具。

为了解该区域地表辐射平衡的变化特征，利用库布齐沙漠东缘罕台川流域银肯沙林场10 m梯度塔的辐射观测资料，分析人工植被恢复后沙漠地区的各辐射分量不同时间尺度、不同天气条件下的变化特征，从而进一步理解该区域的地表能量过程及相关机理，以填补该区沙地小气候研究的空白，结果可为气候数值模拟结果提供参考。

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原北部边缘地带（39°30′—40°51′N，107°18′—111°30′E），是中国第七大沙漠，呈带状分布，东西长约400 km，南北宽15—40 km，总面积1.61万km²，是中国干旱半干旱区的过渡地带。因自然条件差异，库布齐沙漠又分为西、中、东3段：西段分布于杭锦旗毛布拉孔兑以西；中段位于达拉特旗的虎斯太沟以西；东段西起虎斯太沟，东抵黄河。沙漠西段降水量在280 mm以下，中段降水为310 mm，东段降水为350—400 mm，降水集中在7—9月。在整个鄂尔多斯高原，年平均气温5—7 ℃，年蒸发量2 000—2 700 mm，5—6月蒸发最强，年平均风速3.2 m·s^-1，最大风速25 m·s^-1，西风频次最多，主要发生在春季^［29］。土壤类型主要为栗钙土、风沙土、黄绵土3种类型。植被以人工植被为主，沙漠中东部覆盖较好，灌木种是优势植物生活型。观测站点位于库布齐沙漠中段罕台川流域银肯沙林场（图1）。

利用荷兰Hukseflux公司生产的NR01型四分量辐射仪，分别获取向下短波辐射、向下长波辐射、向上短波辐射、向上长波辐射，净辐射由观测的短波辐射的差与长波辐射的差的和计算得到。为了统一时间，观测的降雨、风速、辐射均为北京时间，观测日期为2014年6月至2016年6月。观测开始前，所有传感器安装后均经过对比标定，数据都经过了质量控制。从2014年6月1日到2016年6月21日选取了4种天气类型来代表这一区域的典型天气状况。尽管还有诸如暴雨、沙尘、浮尘等天气，但这几种类型的天气并不多见或者已经包含在所选的典型天气中。因此，只选取完整的晴天（2014年8月17日）、完整的雨天（2014年8月30日白天持续降水）、完整的风天（2015年6月10日白天的风速大于5 m·s^-1）和完整的阴天（2015年8月11日，前后两日都是雨天但当日无降水事件发生并且向下短波辐射很小）这4种类型的天气。数据采集选取澳大利亚生产的DT80型数据采集器，采样频率10 s一次，每10 min存储一次数据。再根据雨量筒和风速仪观测数据选取不同天气条件下的辐射四分量小时数据，最后对以上数据进行季节平均的日变化以及季节变化统计分析，数据均采用Matlab2014处理分析。

从图2可以看出，除了向下长波辐射外，向下短波、向上短波、向上长波辐射分量的日变化明显，但振幅有一定的差异。这一区域辐射以向下短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射为主。晴天时，各辐射分量曲线较平滑，中间高，两头低。向下短波、向上长波、向上短波、向下长波辐射达到峰值的时间并不一致，向下短波辐射最先达到峰值，其次是向上短波和向上长波辐射，最后是向下长波辐射，短波辐射夜晚为零，长波辐射则相反。在所选的晴天，向下短波最大峰值为940.8 W·m^-2，向上长波最大峰值为865.8 W·m^-2，向上短波最大峰值为53.6 W·m^-2，向下长波最大峰值为403.4 W·m^-2。其他晴天各分量变化趋势基本一致，差异主要是振幅的大小。

雨天、风天、阴天辐射分量的日变化相比晴天更复杂，但有一定的日变化特征。特别是向下短波辐射，变化较大，辐射峰值明显减小且出现多个峰值。雨天时，向上长波辐射与向下长波辐射量差异较大，日平均分别为410.7 W·m^-2和382.5 W·m^-2，向下和向上短波辐射明显减小，日平均分别为39.9 W·m^-2和3.59 W·m^-2。但长波辐射远大于短波辐射。风天时，由于选取的时间是6月，与其他3种天气的月份不同，日平均的向下长波辐射要高于其他3种类型天气的向下长波辐射。风天向上长波辐射的日平均为476.8 W·m^-2，向下长波、向下短波、向上短波的日平均分别为387、149.1、4.6 W·m^-2。阴天时，各辐射分量的变化更复杂，不同分量都出现多个峰值，明显小于晴天。从不同天气来看各辐射分量的变化，只有向下长波辐射在4种天气条件下振幅变化不大，其余分量易受天气变化影响，特别是向下短波辐射。向下短波、向下长波、向上短波、向上长波辐射的日平均分别为203.7、291.7、7.7、450.4 W·m^-2。2015年向下短波、向下长波、向上短波、向上长波辐射的曝辐量分别为153 128.8、219 428.7、5 861.5、338 946.4 W·m^-2。

在研究辐射分量的变化特征时，一般把3—5月划分为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季^［11］。从图3可以看出，13:00辐射量达到最大，呈单峰形式，各分量曲线都较平滑。向下短波辐射的峰值分别为810.3、775.3、566.1、507.6 W·m^-2，春季最大，冬季最小。春夏向下短波辐射的日平均较为接近，秋冬的日平均较为接近，分别为264.7、263.1、157.7、129 W·m^-2。不同季节，向下短波辐射开始增加的时间不一致，春季、夏季是06:00，秋季是07:00，冬季是08:00。向下短波辐射减小到零的时间也不一致，春季是20:00，夏季是21:00，秋冬是19:00。向上短波辐射的各季峰值分别为42、41.7、19.3、14.5 W·m^-2，春季最大，冬季最小，到达峰值的时间都是14:00。各季的日平均分别为11.4、12.3、4.7、2.7 W·m^-2。 从图3还能看出，各季的向下长波辐射变化明显，日平均分别为295、361.7、296.5、212.2 W·m^-2。夏季最大，春秋季相近，冬季最小。向下长波辐射在各季节都是白天稍大于夜间，出现峰值的时间一般在中午12:00点以后。与向下长波辐射相比，向上长波辐射在全年保持较高的值，峰值明显，到达峰值的时间在13:00，与向下短波辐射一致，但峰值不同，秋冬季向上长波辐射峰值比向下短波辐射的峰值还要大，各季峰值分别为761.6、766.8、614.2、571.4 W·m^-2。各季向上长波辐射的日平均也比向下短波辐射的大，分别为497、536.2、424.2、350.8 W·m^-2。可以看出，各季向下短波辐射日平均为春季>夏季>秋季>冬季，向上长波辐射为夏季最大，春季次之，秋冬依次减小，与向下长波、向上短波辐射一致。

向下长波、向下短波、向上短波、向上长波辐射的变化趋势基本一致，但各分量在研究时段内达到极大值和极小值的时间并不一致（图4）。向下短波辐射月平均极小值时间为2014年12月、2015年11月，分别为114、83.2 W·m^-2；月平均极大值时间为2014年6月、2015年5月、2016年5月，分别为283.1、291.4、289 W·m^-2。向上短波辐射月平均极小值时间为2015年1月、2015年12月，分别为2.4、1.3 W·m^-2；极大值时间为2014年6月、2015年5月、2016年5月，分别为13.8、14.4、13.2 W·m^-2。向下长波辐射月平均极小值时间为2014年12月、2016年1月，分别为200.6、191.5 W·m^-2；极大值时间为2014年7月、2015年7月、2016年6月，分别为374.8、370.3、342.6 W·m^-2。向上长波辐射月平均极小值时间为2014年12月、2016年1月，分别为329.6、322.6 W·m^-2；极大值时间为2014年6月、2015年7月、2016年5月，分别为549.1、549.0、523 W·m^-2。净辐射月平均的极小值出现在2014年12月、2015年12月，分别为-17、-19 W·m^-2；极大值时间为2014年7月、2015年7月、2016年6月，分别为79、82.1、91 W·m^-2。净辐射在每年的11月初由正转负，次年2月初再由负转正，净辐射平均为37 W·m^-2，这说明该地是一个强热源区。从各分量的年际变化来看，4个辐射分量中，向下短波辐射的波动最大，其他3个分量夏季可达峰值，冬季可至谷值。辐射分量的极大值和极小值并不都是每年的同一个月出现。长波辐射的总量要大于短波辐射，向上长波辐射的月平均最大，向下长波、向下短波、向上短波辐射依此减小。向下短波辐射与向下长波辐射在2015年和2016年的3—5月较接近，其他时段两者相差较远；除6月外，向下长波辐射与向下短波辐射呈反向关系，其他时段都随向下短波辐射变化而变化。

从图2可以看出，不同天气条件下沙地人工林辐射分量的特征差异明显。为了便于对比，本文只选取了典型晴天与其他研究结果进行比较分析。又因各研究区下垫面不同，只选取了向下短波和向下长波两个分量进行对比分析。将本站点的各分量的日峰值与塔克拉玛干沙漠北部^［2］、塔克拉玛干沙漠腹地^［5］、敦煌湿地^［19］、敦煌戈壁^［20］、金塔绿洲^［26］、巴丹吉林沙漠^［30］这6个纬度相近地区的数据进行对比（表1）。金塔绿洲为6月25、27、28日晴天的平均；塔克拉玛干沙漠腹地为2007年8月19日、2008年8月9日、2009年8月1日、2010年8月5日、2011年8月4日晴天的平均，其他站点均是单日观测数据。可以看出，典型晴天不同站点向下短波、向下长波辐射存在一定差异。按下垫面分类，库布齐、塔克拉玛干沙漠北部绿洲的两个分量较接近；巴丹吉林沙漠、金塔绿洲、敦煌戈壁、塔克拉玛干沙漠腹地裸地的向下短波辐射较接近；敦煌湿地两个分量比其他地区大。与研究站点纬度最为接近、时间最为接近且都在典型晴天为敦煌湿地，两地的辐射分量差异较明显。如果在纬度、时间、大气洁净度相同的情况下，引起这种差异的原因最有可能是两地的海拔差异。影响向下短波辐射主要是大气洁净度和太阳高度角；影响向下长波辐射主要是气温、水汽、云量、二氧化碳、气溶胶等^［10］，而下垫面又会影响大气环流^［1］，这会影响大气的洁净度。太阳高度角与纬度有关，纬度越高，向下短波越小。同一纬度，海拔越高，向下短波越大^［10］。因此，在典型晴天，两站向下短波辐射的差异主要是海拔不同引起太阳高度角不同造成的。大气对向上长波辐射的吸收率为75%—95%^［31］，向上长波辐射决定向下长波辐射。而向上长波辐射是由地表温度和地表比辐射率决定，这两者又与下垫面有关。在敦煌戈壁和湿地两个站点中，下垫面不同，向下长波辐射差异也较大，分别为400、550—600 W·m^-2。下垫面为绿洲的库布齐沙漠，向下长波辐射的最大峰值为403 W·m^-2，而下垫面为沙漠的巴丹吉林和金塔，向下长波辐射的最大峰值分别为328、360—370 W·m^-2。从7个点观测的结果可以看出，长波辐射与下垫面有关，湿地>绿洲>戈壁/沙漠。这说明库布齐沙漠进行人工植被恢复后，长波辐射发生了较大的变化。

有学者对金塔绿洲、戈壁、沙漠、绿洲边缘进行分析，发现这一地区不同站点的日较差约为70 W·m^-2，认为在同一地区向下长波辐射的差异可能是天气条件不同造成的^［26］。本文研究站点属于干旱半干旱过渡区，根据研究站点附近的达拉特旗气象站的统计数据，多年平均降水量为302 mm。敦煌湿地站点属于干旱区，多年平均降水量仅有51 mm^［32］，这会引起大气洁净度的差异。研究区向下短波辐射和向下长波辐射3—5月较为接近的主要原因，可能是这段时期研究区降雨少，大风天形成的沙尘天气较多，大气环境受到影响。6月两者呈反向关系，7月以后又呈正向关系，两者相离较远。这可能是因为6月是这一地区降雨最集中的时期。因此，除了天气因素外，同一纬度，影响向下短波辐射和向下长波辐射的是海拔和下垫面。同样，从各分量的年际变化来看，向上短波辐射较小，而向上长波辐射较其他3个分量大，这可能与沙地下垫面有关。大部分的短波辐射被地表吸收，造成地表温度升高，进而导致向上长波辐射变大。

在典型晴天条件下，库布齐沙漠向下短波、向下长波、向上短波、向上长波辐射日峰值分别为940.8、403.4、53.6、865.8 W·m^-2，呈单峰曲线。不同天气条件下，除向下长波辐射外，其他辐射分量具有明显的日变化规律，但明显不如晴天平滑；除向下长波辐射外，其他各分量在晴天时比雨天、大风天、阴天都大。天气对短波辐射的影响较大，对长波辐射的影响较小。特别是向下长波辐射，在4种天气条件下变化都不大。向下短波、向下长波、向上短波、向上长波辐射的日平均分别为203.7、291.7、7.7、450.4 W·m^-2。

不同季节向下短波辐射、向上长波辐射的季节日平均在13:00达到峰值，而向上短波辐射在14:00达到峰值，向下长波辐射全天变化都不大，没有明显的峰值。向下短波辐射的季节平均的日总量依次为春季>夏季>秋季>冬季，其他3个分量的日总量分别为夏季>春季>秋季>冬季。

各分量与净辐射年内变化近似开口向下的“抛物线”型，它们之间达到峰值的时间不完全一致。4个辐射分量中，向下短波辐射的波动最大，其他3个分量夏季可达峰值，冬季可至谷值。全年净辐射收入大于支出，11月初净辐射由正转负，次年2月初再由负转正，研究时段内净辐射月平均为37 W·m^-2，该地是一个强热源区。