塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地与自然沙地局地气候差异研究

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塔克拉玛干沙漠,气候极端干旱。随着石油基地的建成,在研究区的自然沙陇剖面上形成了面积达2 km2的人工绿地。由于下垫面性质的改变,引起气象特征参数连锁反应,导致近地层能量分配格局改变,局地性气候与沙漠气候形成了强烈反差,我们亟需解析在气候差异下,各项气象参数的变化区间;了解人工绿地与自然沙地通量参数的差异;评估陆面参数化方案对人工绿地局地性气候的响应程度。正是以此为目标,通过高精度观测仪器和先进试验手段,在生长季,获取人工绿地和自然沙地同步观测数据,同时针对绿地边缘效应,同步开展强化观测试验,利用理论研究、试验数据分析、数值模拟等方法,定量地解析不同下垫面局地性气候的差异性;揭示感热、潜热时间分布位相差异的原因机理;利用陆面过程模拟与观测事实进行参数对比分析,评估参数化方案对局地性气候的响应程度,为沙漠-绿洲地气之间相互作用及影响机制提供科学试验数据支撑和研究基础。并得到以下主要结论:1)从日出到正午,自然沙地升温速率大于人工绿地;正午到日落则相反。人工绿地增温至极值比自然沙地滞后2 h。夜间人工绿地边界温度一般高于自然沙地与人工绿地中心区域。在下垫面状况差异、局地环流作用、小地形共同影响下,人工绿地(中)日较差>自然沙地(西)>人工绿地(东)>人工绿地(西)。四季夜间均存在逆温,冬季1月逆温强度最大,最大逆温差为12.8℃,秋季次之,春季第三,夏季最小,最大逆温差6.4℃。2)平均风速季节变化:春季最大、夏季次之、秋季第三、冬季最小。日间大于夜间,自然沙地风速变幅大于人工绿地。春季,自然沙地日平均风速差3.0 m/s,人工绿地中心1.8 m/s,人工绿地东西边界分别为2.0 m/s与2.2 m/s。将自然沙地的平均风速量化为1.0 m/s,春季绿地边界风速递减率为35%;绿地中心风速递减率为68%。夏季绿地边界风速递减率为30%;绿地中心风速递减率达到71%。沙地与绿地夏季比湿最大、秋季次之、春季第三,冬季最小。3)FAO56-PM蒸散模型适用于干旱背景下的人工绿地,计算值与观测值呈线性相关,相关系数分别为:人工绿地(中)0.933,人工绿地(东)0.943,人工绿地(西)0.942。饱和水汽压与实际水汽压之差、2m平均温度、2m平均风速、饱和水汽压斜率是影响蒸散发计算的主要因素。4)沙地与绿地(地面长波辐射)差值区间为-30-20 W/m2。土壤水分变化是造成人工绿地与自然沙地地表反照率差异的主要原因之一,塔克拉玛干沙漠人工绿地的滴灌增加了土壤含水量,传递到表层具有滞后效应,影响了地表反照率的月变化。净辐射的主要耗能形式以H和G0为主,其中H最大,LE最小。夜间以G0为主。日间以H为主。在塔克拉玛干沙漠大环境影响下,人工绿地的能量分配格局与自然沙地基本一致,而在植被的生长期与茂盛期,LE的通量消耗份额会增加,能耗比增加1.5%左右。5)冬季自然沙地与人工绿地的不闭合率均在50%以上,且人工绿地的拟合系数很低。在其他季节,人工绿地的不闭合率优于自然沙地,这也是地表能量残差D值较小的反映。由地形起伏与下垫面共同影响,不同下垫面能量闭合存在差异。6)CLM3.0模式对自然沙地辐射模拟精度高于人工绿地。人工绿地向下的长波辐射在春季和夏季被低估,自然沙地模拟偏差则在±0.02以内。模拟的高反照率值与观测值相比有所延迟,反照率被高估。太阳反射辐射高估了6-19 W/m2。在峰值区模式低估了向上长波辐射,低估值在2-25 W/m2之间。自然沙地向上长波辐射模拟精度高于人工绿地。此外,净辐射的模拟值和观测值之间也存在差异,RMSE区间为35-70 W/m2。7)在沙漠地区,H的模拟能力高于LE,自然沙地通量模拟精度优于人工绿地,这说明模式对沙漠干旱地区水汽传输模拟机制有待改善。模式高估了人工绿地H,低估了自然沙地H,人工绿地RMSE为45.6 W/m2,自然沙地RMSE为25.1 W/m2。模式对土壤温度模拟相关系数较高,均在0.97以上,在温度高值区存在低估,中上层土壤温度模拟精度自然沙地高于人工绿地,深层土壤温度模拟精度人工绿地优于自然沙地。土壤湿度模拟效果差,自然沙地相关系数高于人工绿地,最高可达0.83。土壤湿度模拟偏差均为正偏差,模拟值偏移值较大,特别是深层土壤湿度,其中自然沙地偏移值大于人工绿地,因灌溉,人工绿地模拟精度含有“虚高”。
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