文摘

基于观测数据收集在2009年夏天从南部Badain Jaran沙漠,表面明智和潜热通量和浅层土壤蓄热器是通过修正和质量控制措施。土壤热特性和特征的地表能量收支降雨事件之前和之后进行了系统地分析。短期降水有更大的影响力比系统性降水在土壤温度(ST)和土壤体积含水量(VWC)。降雨后,VWC迅速增加,增长率下降趋势在所有层深度和时间;土壤温度变化速率(TCR)表现出相反的趋势。地表反照率是影响小的太阳仰角和短期降水波动在短期内从低到高降雨量。土壤热参数,包括容积热容量、导热系数和扩散系数,增加降雨量。日土壤热通量的变化每一层表现为quasisinusoids,和振幅随深度逐渐减少。能量平衡率(EBR)没有和土壤蓄热(年代)各种不同;合并后年代,EBR增加了约5 - 6%之后不管降雨但仍较低。在整个观测期间,最大的白天EBR出现之前或之后大约1 - 2天降雨和逐渐下降。这些发现对理解的影响基本云和降水干扰辐射预算和能源分布和改善表面辐射的参数化预算和能源平衡数值模型的半干旱地区。

1。介绍

全球变暖不仅导致空气温度的增加,而且也在改变数量,强度和频率的降水(1]。自20世纪以来,降雨量下降在北半球的矮秆、纬度增加了大约7 - 12%,但降水的空间分布不均匀,表现出高度的异质性,其结果既增加程度的不确定性对极端降水的发生和持续时间和干旱地区的扩张。后者现象加剧在陆地生态系统水文过程,尤其是在干旱和半干旱地区(2,3]。

分区的地表通量时,土壤对水文周期有更大的作用,因为他们都是紧密相连的,land-atmosphere能源和水交流(4,5]。之前的研究表明,土壤大气表层有深远的影响和土壤的分布和特征参数有一定的影响land-atmosphere能量交换、水交换,水文循环(6- - - - - -8]。的运输土壤热量和水从地表深层土壤结构参数密切相关,如土壤组成、大导热率,湿度和土壤热参数,包括土壤导热系数、热容量、热扩散率、比热(9]。因此,一些研究人员研究了土壤的热性能和热通量使用各种方法和产品(10- - - - - -15),包括诺亚地表模型(LSM)估算净辐射和潜在的,明智的,和地面热通量(GH)以及水平衡组件四地治疗16),水文模型模拟土壤水分跨多个深度(17]。

大多数中国西北干旱地区的沙漠和戈壁受强烈的太阳辐射;截然不同的结果,土壤参数的典型地区,和地表物理过程在其中表现出明显的区域特征(18]。自1980年代末以来,综合现场实验进行了陆地表面过程。黑河田间试验(HEIFE)和现场试验的空陆交互中国西北干旱区的(NWC-ALIEX)已经证实某些土壤参数在研究区域的土壤表面19- - - - - -22]。然而,相对而言,具体研究在干旱地区土壤参数仍然是有限的。

为主要水源在沙漠地区,降水有相当大的影响的流动沙丘和植被的分布23- - - - - -27]。由于自然环境所带来的局限性,只有少量的观测点空间分布不均是位于中国西北的干旱沙漠地区;因此,土壤物理参数的特点,特别是在人迹罕至的沙漠腹地,是知之甚少。然而,当地的气象学家进行了大量的研究在塔克拉玛干Gurbantunggut沙漠,和他们的工作导致了许多成就对降水的影响在沙漠及其周边地区28- - - - - -30.]。

的Badain Jaran沙漠举办各种波浪地形和砂山,后者是世界上最高的,而这些地形对降水产生深远的影响。张等人分析了这个地区的雨量分布基于气象站的数据位于沙漠(31日]。然而,很少有研究调查的影响,降雨在沙漠土壤的热性能。

摘要每小时降雨量数据获得强烈的观察期间(眼压,以下)Badain Jaran沙漠腹地综合。基本数据,包括表面显热通量、潜热通量,和浅层土壤热存储数据,得到,和地表反照率、土壤体积热容、导热系数、热扩散系数和能量平衡比率(EBR)计算了相关方程。不同类型的降水的影响在这些土壤特性和表面能量平衡进行了分析,结果显示潜在的能源和水资源分布在中国西北干旱地区的表层。

2。材料和方法

2.1。材料

的Badain Jaran沙漠位于内蒙古Alxa旗帜在大约39.5°-42°N和98.5°-104°E,是中国第二大沙漠面积约52000平方公里(32]。这个沙漠主要受西风带的影响,即印度和东亚季风,属于温带干旱和极端干旱气候区。平均年降水量从东南展览一个下降的趋势(约120毫米)西北(少于40毫米)(33];从7月份到8月份降水主要发生。西北干旱地区,受到大量蒸发,充足的阳光,对气候变化非常敏感,具有生态环境脆弱。因此,西北干旱地区被认为是一个理想的网站观察交流在沙漠底层表面水和热量。

从6月到2009年9月,研究人员进行了一系列野外观测实验的腹地Badain Jaran沙漠。观察点位于东南沙漠(39°28.122′N和102°22.365′E海拔1418米)。D1观测站点,包围着一个开放的、起伏的黄沙地形,沙漠地区是一个特征。稀疏的植被分布从观察站约500∼700,其中大部分是Alhagi sparsifolia,白刺tangutorum液也存在(如图1)。


图1
观测站点和表面条件Badain Jaran沙漠。

空气温度和湿度、风、降水、土壤温度(ST,以下)和土壤水分(体积含水量、VWC以下),地表辐射,观察和动荡。眼压持续了从6月21日到9月12日。摘要当地标准时间(LST,以下),这是提前7 h协调世界时(UTC),被选中的计算和分析。

数据从8月4日到9月20日选择进行分析,以反映降雨对土壤热特性的影响和能量平衡在沙漠腹地。在此期间,有两个大型降水事件:一个发生在8月18日29毫米的降水,另9月5-7th发生与总降水量的22.6毫米。这些事件是罕见的现象在这个极度干旱的沙漠地区。

2.2。方法

每小时降水分布的两个提到的天气过程如图所示2,这表明第一个天气事件(8月18日)与高强度降水持续时间短;最大降雨强度达到7.8毫米·h−1。相比之下,第二个天气事件持续时间更长,但只有2.8毫米的最大强度·h−1。这一结果表明,这两种降水过程明显不同;第一个天气事件是一个极其强烈的降雨事件,那种是典型的中国西北干旱地区的,而第二个天气事件是系统降雨的特征。

(一)
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(b)
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图2
每小时降水分布的两种天气事件:(一)8月18日;9月5-7th (b)。

表面湍流数据的采样频率是10赫兹,而辐射计和土壤热通量板生成的平均圣和VWC值,分别为每30分钟。基本的数据质量控制措施,如消除异常值、时间延迟修正,虚拟温度校正,和Webb-Pearman-Leuning (WPL)校正,应用。提高可比性,只有数据平均超过0.5 h间隔和质量控制进行分析。

表面显热通量(H)和潜热通量(LE)计算的涡度相关法(34]:

在公式(1)和(2),ρ是空气密度, 是一个恒压比热,λ蒸发潜热;后两个是常数。 和 是湍流的统计数量的风温度和湿度,分别。

含水土壤体积热容C年代无水的土壤体积热容Csd,热导率λ如果和热扩散率K如果根据以下公式计算(35]:

在公式(3),G1和G2是两个观察土壤热流值上(5厘米)和低(20厘米)层,分别 两个观察层之间的厚度, 代表圣平均变化率观测深度之间的两层土壤热通量。在公式(4),Vw土壤体积含水量和吗Cw水的比热,4.2∗10吗3J /(公斤·°C)。在公式(5),G我是理想的土壤热通量的深度和 代表了圣垂直梯度。

因为它很难直接测量表面热通量,本文浅土层中的蓄热器与热扩散方程和计算校正(TDEC)方法(36]。表面热通量是派生通过测量5厘米土层的热通量和土壤热存储5厘米以上层如下:

在公式(7), 和 代表5厘米的土壤热通量和热存储层,分别。在公式(8), 1.6土壤密度,∗103公斤·米−3(37]; 是土壤比热; 是参考深度,0.05 m;和 代表表面之间的温度变化速率和参考深度。

以下计算公式用于地表净辐射Rn,反照率α,EBR:

在公式(9)和(10), 表示总太阳辐射、大气长波辐射表面反射辐射和地表长波辐射。在公式(11), 表面热通量和吗年代是林冠蓄热能力,在沙漠地区等于零。

3所示。结果

3.1。降雨在圣和VWC的影响

图3显示了圣的变化和降雨前后在两次降雨事件。图3(一个)显示VWC值几乎相等,5 - 20厘米的深度和增加VWC价值40厘米比以前大第一次降雨发作前的第二集。随着雨水的渗透,VWC迅速增长,由浅到深的VWC增加层表现出下降趋势,类似于内布拉斯加州的沙丘的结果研究[27]。基于VWC在每一层的变化随着时间的推移,VWC推迟了1.5 h深度约5 - 20厘米,4 h 20和40 cm的深度。每次降雨事件后,VWC往往减少,递减率深度约5 - 20厘米的深度大于40厘米,随时间减少。在第二次降雨事件,随着降雨强度相对较小,VWC的增长率明显比第一次降雨事件。VWC滞后时间的变化在每一层明显延长6 h延迟深度20至40厘米。


图3
圣的变化和降雨前后VWC: (a) VWC和(b)细胞。

图3(b)显示了土壤温度的变化改变率(TCR,以后)之前和之后的第一次降雨事件在不同的层。显然,之前的TCR震源深度5厘米降雨的范围−3到4°C具有明显的日变化周期,而其他层的变化随深度增加而降低。这一现象表明,土壤干燥,拥有一个合适的传热能力,很容易在浅层受太阳辐射的影响。降雨后,细胞明显增加,是负面的深度约5 - 10厘米,表明短期降水引起的快速减少圣虽然有小影响更深的土壤层。在第二次降雨事件,识别类似于第一次降雨事件,但其变化显然是小有更长的持续时间。然而,在更深层,TCR增加更大的价值比第一次降雨事件;这种差异与缓慢的、长期的渗透雨水。

比较的日变化趋势之间的识别土壤和空气,平均日空气识别和相应的土壤TCR计算整个段在雨季和晴朗的天,如图4。降雨量下降,空气TCR迅速改变,而土壤细胞逐渐减少,滞后约1 h先后深度从5厘米到20厘米;然而,TCR 40厘米的深度变化很少,约5 h落后,在20厘米(图的深度4(一))。图4 (b)显示了相同的日变化趋势,但空气中的变异细胞更明显的晴天。虽然有在空中快速变化识别,整个日趋势符合其土壤对应不管天气。

(一)
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(b)
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图4
昼夜TCR变异在空中,在每一层:(a)雨天和(b)明确的天。
3.2。降雨对地表反照率的影响

变化在土壤颜色、粗糙度长度,VWC,和太阳仰角可以改变表面反照率(38,39]。如图1,短期内强烈的降雨影响VWC大于长期系统的降雨,所以第一次降雨事件选择进行分析。

图5(一个)表明,降水前后表面反照率的变化不显著,但在降雨地表反照率表现出明显的减少。图3(a)也表明VWC震源深度5厘米下降最快的降雨之后,虽然表面反照率恢复到一个类似于降雨事件前的阳光灿烂的日子。此外,地表反照率的变化也表明,18日反照率降低,然后增加由于VWC增加后的表层降雨,导致地表反照率下降。随着太阳高度角和表面温度,蒸发增加,和VWC开始减少,而地表反照率增加。这些趋势中所观察到的类似退化草原的半干旱地区(40]。

(一)
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(b)
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图5
(a)地表反照率的变化前后降雨(dashed-dotted矩形代表短期降雨时期);(b)地表反照率的变化在不同太阳高度角。

图5 (b)显示了地表反照率的变化与太阳高度角在沙漠地区。根据计算,当太阳仰角大于25°,对地表反照率的影响是非常有限的,这是不同的结果的塔克拉玛干沙漠(41]。这种差异的主要原因是纬度差异在两个地点之间。计算显示,太阳仰角在7:00 LST的大约是8月20日至21日在研究区°。因此,太阳仰角几乎没有降雨前后表面反照率的影响;相反,反照率与光滑的表面,在沙漠地形起伏不明显。

3.3。降雨对土壤热参数的影响

图3表明,圣和VWC前后变化很大降雨事件8月18日。因此,前后一周时间的降雨事件(12-24th 8月)被选为分析,12-17th 8月和8月19-24th被选为降雨事件前后,分别。

图6(一)表明降雨前土壤热容量事件是1.09×106J·m−3·K−1,这是接近1.12×10的测量值6J·m−3·K−1(42在敦煌,略低于1.56×10的结果6J·m−3·K−1在塔克拉玛干沙漠(41]。降雨后(图6 (b)),土壤热容量增加到1.54×106J·m−3·K−1由于VWC的增加和砂颗粒之间的空气含量较低,导致土壤热容量的增加。如数据所示6 (c)和6 (d),无水的土壤热容量增加尤其是降雨前后,分别。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图6
变化前后土壤热容量降雨量:(a)降雨前土壤含水;(b)降雨后土壤含水;(c)无水的降雨前土壤;(d)无水的降雨后土壤。

为了更好地理解VWC在土壤热容的影响,土壤热容量变化与VWC降雨后的含水和无水的土壤进行分析,如图7。两种土壤表现出类似的趋势:土壤热容量土壤VWC慢慢的增加而增加。

(一)
(一)
(b)
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图7
变化在土壤热容量VWC: (a)含水土壤和(b)无水的土壤。

图8表明土壤导热系数的深度5厘米(浅层)前降雨量只有0.23 W·m−1·K−1,这是接近测量值在塔克拉玛干沙漠腹地;降雨后,价值逾一倍至0.66 W·m−1·K−1。土壤导热系数的深度20厘米降雨后在降雨之前约5倍。从垂直深度的角度来看,中间层的土壤热导率仅略高于前的浅层降雨,但两次降雨后,在浅层。这一现象的主要原因是太阳辐射的中间层前降雨量较小是因为VWC更高。上述条件导致小中产和浅水层热导率差异由于干燥黄沙表面覆盖沙漠(图3(a))。降雨后,类似于管理原则的增加土壤热容量、中间VWC值和浅水层表现出下降趋势由于蒸发。一个土壤水分反演的现象出现在8月22日,但后来逐渐消失了。20厘米的VWC在深度大于那些在其他的深度。因此,有一个大的土壤导热系数的变化在降雨后的中间层。这个发现最终表明,降雨对土壤的影响很大高于20厘米的深度,而对土壤的影响低于20厘米相对较小。

(一)
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(b)
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(c)
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图8
土壤热导率的差异之前和之后的降雨量:(一)前5厘米深度降水;降雨后(b) 5厘米深度;(c) 20厘米深度之前降雨;降雨后(d) 20厘米深。

土壤热扩散率代表圣的瞬时变化与给定的边界条件。根据本文中的公式,降雨前后土壤热扩散率值计算为2.1×10−7米2·年代−1和4.3×10−7米2·年代−1分别在5厘米的深度和2.8×10−7米2·年代−1和9.4×10−7米2·年代−1分别在20厘米的深度。

基于上述分析,降雨事件有相当大的影响在沙漠地区土壤热参数,表明土壤体积热容、热导率和热扩散率在降雨与降雨前相比显著增加。此外,土壤热导率和热扩散率的增长速度在中间层明显高于浅层。此外,对敦煌戈壁和塔克拉玛干沙漠腹地,土壤热导率和热扩散率Badain Jaran沙漠略高。

3.4。降雨对地表能量平衡的影响

土壤热通量是不可或缺的一部分表面能量平衡和在表面能的分布起着重要的作用。正确评估土壤热通量可以显著提高表面能量不平衡,尤其是在裸露或植被稀疏地(43]。

图9(一个)显示全球太阳辐射变化之前和之后第一次降雨事件。天气晴朗干燥的空气和一个合适的大气透明度之前降雨;因此,全球太阳能辐射的日变化曲线比较平滑,和每日极端都接近1000 W·m−2。后者观测表明,太阳辐射在沙漠中是强烈的。此外,由于降雨通常发生在夜间,它对太阳辐射的影响不明显。降雨事件之后,天气逐渐消失了,但云层容易形成由于大量的水汽蒸发和大气垂直运动,造成太阳辐射减少。因此,每日全球太阳能辐射峰值略有下降后降雨对降雨之前。


图9
全球太阳辐射的变化(a)和(b)土壤热通量前后降雨。

图9(b)显示了深度的土壤热通量的变化前后5和20厘米降雨。很明显,土壤热通量表现出明显的昼夜变化类似quasisinusoids所有层。此外,这些波动逐渐随深度增加而降低。在浅层,土壤热通量的变化前后的中间层降雨滞后约4小时。此外,太阳辐射较弱降雨事件期间,比之前或之后。与大气相比,陆地表面变成了冷源。土壤的热量被释放从深层到表层,因此,表层表现出大的负值(虚线框,如图所示9(b))。即使在这种情况下涉及到一个小的总辐射的变化,土壤热通量的变化在所有层降雨前相比,降雨量增加。增强波动的原因是由于降雨后地表反照率的减少,相对增加的热量进入土壤,和显著增加土壤热参数,包括土壤体积热容,相比之前降雨。因此,土壤吸收白天的热量更大,夜间释放更大的热量。

数据10 ()和10 (c)描述EBR没有变化年代在5厘米(热存储层)降雨前后,分别在白天(08年:00-17:00 LST)。这些数字证明EBR, 0.62之前降雨,降雨事件后下降至0.50。两个原因可以解释这一现象。一方面,在这沙漠地区,植被稀疏,潜热在一个阳光明媚的一天是小,表面能是运输主要由显热(44]。因此,表面显热通量达到最大值400 W·m−2每天,而潜热通量极端仅达到大约45 W·m−2。虽然VWC后增加降雨,导致显著增加,潜热通量最大超过150 W·m−2潜热通量下降迅速,VWC逐渐下降。然而,显热通量减少降雨后土壤热力性质的变化和天气的影响。因此,湍流能量(计算的h + LE)明显降低。另一方面,虽然土壤热通量的深度5厘米降雨后略有增加(图9(b)),净辐射略减少由于全球太阳辐射减少。因此,有效的能源(计算Rn−G)略有下降。

(一)
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(b)
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图10
变化前后EBR降雨量:(a)年代在降雨之前;(b)与年代在降雨之前;(c)没有年代降雨后;(d)与年代在降雨。

EBR值和年代之前和之后的降雨数据所示10 (b)和10 (d),分别。显然,EBR年代之前和之后的降雨量增加约5 - 6%,表明年代在表层有重要的贡献在这沙漠地区地表能量平衡。从这些数字,EBR年代降雨后仍低于之前降雨。这一现象的主要原因是土壤热容量和密度增加而增加VWC降雨后的浅层。作为一个结果,年代变得更大了,强化表面能量不平衡。

图11显示的总体变化趋势EBR白天降雨前后两集。显然,EBR增加缓慢,因为合适的天气条件下降雨和前达到最大值,表面性质和天气状况的影响。降雨后,EBR逐渐减少了。此外,EBR降雨后略低于之前降雨。图10 (b)显示平均EBR年代是0.61,表示相比,增加了6%,如果没有年代。

(一)
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(b)
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图11
EBR变化趋势在整个观测期间:(a)年代和(b)年代。

以上分析说明EBR仍在短期内和低系统的降雨事件的结果在沙漠地区深厚的能量不平衡。许多原因负责这一现象,这需要进一步的研究。

4所示。讨论

每年的年降水量和雨天在沙滩上的山脉Badain Jaran沙漠略高于山周围的领域(45];因此,土壤的反应特性在不同降雨沙漠地形也不同。因此,本文的结果只适用于相对平坦的沙漠地区。此外,不同强度降雨事件有不同影响VWC和热参数,如图所示,在黄土高原实地测试46),这是符合本文的结果。然而,没有明显的湿层研究沙漠地区。

人们普遍承认,土壤颜色和粗糙度长度不经历重要的动态变化;因此,地表反照率取决于太阳仰角和VWC。反照率的变化在短期降雨事件表明,降雨集中在沙漠地区地表反照率几乎没有影响,因为晴天太阳辐射强烈,蒸发潜力是非常大的。后者现象导致VWC迅速蒸发层最接近的表面。

快速增长的一个可能的原因后VWC降雨和降低增长率从浅层到深层层降雨后前面提到的是雨水的渗透。虽然VWC浅层逐渐减少与增加太阳辐射后天空消失了,沙质土壤表面容易形成硬化层,导致浅层土壤孔隙度减少。这种孔隙度减少引起底土的液态水蒸发缓慢。土壤热容量是圣的变化程度的指标,并与不同土壤组件热能力有很大的差异;因此,土壤的热能力有显著差异,不同的成分。热容量越大,圣变化越慢;这种现象通常被称为冷土壤和发生在粘性土壤,而土壤和发生在相反的现象称为热光沙质土壤。土壤热通量的计算在观察5 - 20厘米的深度主要基于浅层土壤。类似地,土壤热容被认为是平等0-20 cm的深度,而的价值年代计算了。是很常见的取代热容量5厘米以上的层与层5 - 20厘米的深度。在沙漠地区,浅层的土壤干燥,而土壤水分的变化是更深刻的。因此,该方法需要进一步改进和研究在研究沙漠地区。

土壤导热系数代表了土壤传热性能和构成的基本物理参数研究耦合热液运动在陆地上的表面。土壤热导率主要取决于VWC,紧密,孔隙度。一般来说,轻质土比粘性土壤的导热系数。VWC的增加,热导率提高;因此,降雨后土壤热导率明显增加。在沙漠土壤颗粒小,导致强烈的吸水率和土壤的透水性差。因此,在短期暴雨和系统的持续性降水,圣的反应和浅层VWC比在更深层更快速。然而,影响持续时间很短,导致的结果与其他国内学者进行的调查结果一致。然而,由于不同土壤性质、降雨量的影响在不同深度的土壤、地形、圣和VWC值和土壤热参数是不一样的。在这个实验中,用砂土密度降雨前后因为没有确切的土壤密度测量,可能有一定影响EBR计算。 In addition, the vegetation type and coverage also affected the aforementioned parameters. Therefore, there are still several remaining issues worthy of exploration.

5。结论

摘要降雨事件表面反照率的影响,土壤热参数和EBR Badain Jaran沙漠进行了分析;这项调查的结果是改善的关键参数化表面辐射收支和能量平衡的数值模型在半干旱地区。总之,拍摄了几部特征观察如下:(1)短期降雨对圣有一个巨大的影响力和VWC而系统性降水。降雨后VWC迅速增加,增长率下降从浅层到深层层。浅层的细胞明显减少降雨和增加后深层。地表反照率显著降低,短期降雨事件期间,表现出降雨前后变化不大。太阳仰角几乎没有降雨前后表面反照率的影响;相反,地表反照率与底层沙漠表面光滑。(2)降雨后土壤热导率明显增加。无水的土壤导热系数遵循了同样的趋势,与孔隙度的减少引起的硬化层,这很容易在沙质土壤表面形成降雨后,和底土的液体水的蒸发较慢,相对于水表面。越来越VWC,土壤热容量、热扩散系数和热导率降雨后缓慢增加。从垂直深度的角度来看,中间层的土壤热导率增长率大于降雨前后,在浅层;类似的趋势观察热扩散率。(3)全球太阳辐射的日变化曲线相对平稳在降雨之前,和每日极端达到近1000 W·m−2。土壤热通量在每一层类似quasisinusoids表现出明显的昼夜变化。土壤热通量的波动逐渐随深度增加而降低,增加降雨后每一层。土壤热通量的变化在中间层滞后大约4 h相比,在浅层。(4)EBR没有年代0.62之前降雨但下降到0.50之后降雨。不管发生的降雨,EBR年代增加了约5 - 6%;然而,降雨后EBR仍较低。在整个观测期间,白天EBR达到最大值之前或之后大约1 - 2天降雨和逐渐拒绝在其他时间。

数据可用性

观测数据用于支持本研究的发现是由中国国家自然科学基金(41505008和41505008)许可证,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该Zhaoguo李((电子邮件保护))。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(41875023,41875023,41875023,41575008)和中国气象研究专项基金的公共利益(GYHY201506001-04和GYHY201306066)。