塔克拉瑪干沙漠腹地土壤熱通量的陸面過程與衛(wèi)星遙感研究

張坤 劉永強 阿依尼格爾?亞力坤

摘要：利用Noah陸面模型對塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站土壤熱通量進行了模擬，采用SMAP衛(wèi)星地表土壤熱通量數(shù)據(jù)及風(fēng)云2號FY-2G衛(wèi)星陸表溫度數(shù)據(jù)對塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站地表土壤熱通量進行估算。結(jié)果說明：（1）Noah陸面模型在塔克拉瑪干沙漠腹地模擬土壤熱通量精度較高，決定系數(shù)R2為0.972，能夠反映塔中站土壤熱通量的變化情況;（2）SMAP衛(wèi)星地表土壤熱通量數(shù)據(jù)與塔中站的實測值變化相位基本相同，決定系數(shù)R2為0.855;（3）FY-2G衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的地表土壤熱通量和實測值相關(guān)性較高，決定系數(shù)R2為0.921。Noah陸面模型模擬塔中站土壤熱通量精度較高，具有一定適用性;SMAP、FY-2G衛(wèi)星估算塔中站地表土壤熱通量具有一定適用性。

關(guān)鍵詞：塔克拉瑪干沙漠腹地;土壤熱通量;Noah;SMAP;FY-2G

中圖分類號：S127?? 文獻標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0256-09

土壤熱通量是地表能量平衡中的重要組成部分，可表征土壤表層和深層的熱交換狀況[1]，對地氣能量和物質(zhì)相互作用、地氣間能量分配[2]都有著重要的影響。地表土壤熱通量作為土壤熱通量的重要組成部分，其變化規(guī)律影響著整個土壤熱通量的梯度變化，開展地表土壤熱通量的研究，能進一步加強對土壤熱通量的理解。目前，土壤熱通量的研究方法主要有觀測法、數(shù)值模擬法、遙感反演法3種[3]。其中，觀測法利用觀測儀器獲取所在區(qū)域土壤熱通量，或者通過觀測土壤溫度、濕度計算獲得土壤熱通量。張文斌等利用2009—2011年塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站測得的土壤熱通量，分析了塔克拉瑪干沙漠腹地土壤熱通量在不同天氣條件下的變化特征[4]。呂國紅等利用盤錦蘆葦濕地試驗站獲得的實測數(shù)據(jù)，分析了2015年3月至2016年2月不同土壤深度土壤熱通量的動態(tài)變化特征，表明不同土壤深度的土壤熱通量日、年變化基本呈“S”形[5]。徐自為等利用2010年館陶站的土壤溫濕度觀測數(shù)據(jù)，探討了測算土壤熱通量的多種方法對能量閉合率的影響[6]。數(shù)值模擬法可以利用陸面模型（Land Surface Model，簡稱LSM）模擬出土壤熱通量。李火青在塔克拉瑪干沙漠塔中站，優(yōu)化了模型CoLM 2014（Common Land Model 2014）的參數(shù)，從而提高了土壤熱通量的模擬精度，模擬值與實測值的決定系數(shù)R2從參數(shù)優(yōu)化前的0635提高到優(yōu)化后的0.742[7]。Chen等利用Noah陸面模型，結(jié)合不同熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案，模擬出4個不同站點的土壤熱通量，根據(jù)其結(jié)果判定了不同熱力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案的優(yōu)劣[8]。遙感反演土壤熱通量的優(yōu)勢在于研究范圍可由站點擴大到區(qū)域尺度。齊斐斐等利用SEBS（Surface Energy Balance System）模型，結(jié)合塔克拉瑪干沙漠及周邊地區(qū)的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectrometer）遙感數(shù)據(jù)，通過對模型參數(shù)修正，對該地區(qū)的地表能量通量進行反演估算，其中地表土壤熱通量約為 300 W/m2，與實測值高度吻合，說明利用遙感數(shù)據(jù)可以有效地實現(xiàn)地表土壤熱通量由點到面的轉(zhuǎn)換[9]。王煜東等利用南京地區(qū)地面氣象觀測資料，結(jié)合遙感影像和SEBAL（Surface Energy Balance Algorithm for Land）模型反演了該地區(qū)地表土壤熱通量，結(jié)果顯示該地區(qū)季節(jié)變化程度表現(xiàn)為春季最大，夏季次之，冬季最小[3]。

塔克拉瑪干沙漠作為我國面積最大的沙漠，其特殊的下墊面，對我國西北氣候環(huán)境有著重要的影響[10]。在該地區(qū)利用Noah陸面模型、SMAP（Soil Moisture Active and Passive Mission）衛(wèi)星、FY-2G衛(wèi)星對土壤熱通量的研究鮮有報道。因此，SMAP和FY-2G衛(wèi)星反演該地區(qū)地表土壤熱通量的精度如何，Noah陸面模型模擬該地區(qū)的土壤熱通量是否可行，以及沙漠地區(qū)的土壤熱通量變化規(guī)律，這些研究顯得格外重要。

本研究分析了塔克拉瑪干沙漠塔中站2017年近地層常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，并將上述3種方法結(jié)合起來探究土壤熱通量的變化規(guī)律，利用Noah陸面模型對塔中站土壤熱通量進行模擬，結(jié)合SMAP和FY-2G數(shù)據(jù)對塔中站地表土壤熱通量進行遙感反演估算，得出土壤熱通量的年、季、日變化規(guī)律，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，探究陸面模型和衛(wèi)星數(shù)據(jù)在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的精度。

1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠位于我國西北干旱區(qū)塔里木盆地中心，是我國面積最大的流動性沙漠[11]。屬于典型的大陸性氣候，年平均氣溫為12.1 ℃，年平均降水量25.9 mm，年潛在蒸發(fā)量達3 798.5 mm，氣候極端干旱[12]。沙漠地區(qū)氣候類型、覆蓋類型單一、地勢較為平坦[7]。沙粒主要以中值粒徑為0093 mm的細沙為主，流動性很強，沙丘類型主要為縱向沙丘，分布于克里雅河?xùn)|部到塔里木河下游間[13]。中國氣象局塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站（以下簡稱塔中站）位于塔里木盆地中部（38°58′N，83°39′E）（圖1），觀測站安裝渦動相關(guān)探測系統(tǒng)、地表能量探測系統(tǒng)、土壤熱通量探測儀等，為地表土壤能量通量各分量的研究提供了觀測數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 站點數(shù)據(jù)

本研究選取2017年塔中站點風(fēng)速、地表溫度、相對濕度、氣壓、太陽短波輻射、大氣長波輻射、降水?dāng)?shù)據(jù)作為Noah陸面模型的大氣強迫數(shù)據(jù)，具體觀測儀器及設(shè)備信息如表1所示。

2.2 陸面模型數(shù)據(jù)

模型植被分類方案采用USGS（U.S. Geological Survey）方案，土壤數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database Version）。Noah陸面模型被美國環(huán)境預(yù)報中心廣泛應(yīng)用于WRF（Weather Research and Forecasting）、RegCM（Regional Climate Model）等氣候模型，主要改進有：土壤分層改為4層（0.1、0.3、0.6、1.0 m），增加了冠層傳導(dǎo)方程[14]、裸地蒸散、植被物候?qū)W[15]、新的徑流模式[16]、熱力學(xué)粗糙度的參數(shù)化方案、地表層感熱交換系數(shù)[17]。Noah作為單點陸面模型，需要輸入的大氣強迫數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、長短波輻射、降雨量，主要輸出土壤溫度、土壤濕度、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量、凈輻射。其中，土壤熱通量在Noah陸面模型的計算公式[10]如下：

2.3 遙感數(shù)據(jù)

SMAP衛(wèi)星是美國國家航空航天局（NASA）于2015年1月31日發(fā)射的1顆遙感探測衛(wèi)星。SMAP衛(wèi)星原始L1級產(chǎn)品數(shù)據(jù)通過一定模型和算法反演得到了十多種更高級別數(shù)據(jù)[18]，其中通過反演得到的L4級產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含了凈輻射、潛熱通量、感熱通量、地表土壤熱通量、土壤濕度、地表溫度、地面氣溫等。本研究選用SMAP的地表土壤熱通量產(chǎn)品數(shù)據(jù)通過https：//nsidc.org/得到。其時間分辨率為 3 h，空間分辨率為9 km，數(shù)據(jù)質(zhì)量完全滿足本研究的需求。

FY-2G是我國自行研制的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星[19]，眾多學(xué)者對該衛(wèi)星圖像質(zhì)量[20]、云量[21]、地表發(fā)射率[22]進行了評價和驗證。本研究通過國家衛(wèi)星氣象中心（http：//satellite.nsmc.org.cn）下載了2017年6月12日覆蓋塔中區(qū)域的陸表溫度數(shù)據(jù)，其空間分辨率為5 km，時間分辨率為1 h。通過遙感反演得到地表土壤熱通量，反演方法如下：

利用SMAP衛(wèi)星地表土壤熱通量數(shù)據(jù)、FY-2G衛(wèi)星反演的地表土壤熱通量與實測值對比，分析這2種衛(wèi)星在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的精度。

2.4 驗證數(shù)據(jù)

5 cm深度土壤熱通量實測值通過塔中站點土壤熱通量探測儀探測得到，地表土壤熱通量實測值通過塔中站點實測數(shù)據(jù)計算得到。

式中：G0為校正到地表的土壤熱通量（W/m2）;Cv為土壤體積熱容量[J/（cm3·℃）];G5為熱通量板觀測到5 cm深度土壤熱通量（W/m2）;T為不同深度處的土壤溫度（℃）;t為時間（s）;Δt表示時間間隔（s）;z表示深度（m）;i表示變化趨勢;Δz表示不同深度的變化。

2.5 誤差評估指標(biāo)

為了評估Noah模型模擬結(jié)果和SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用3種評估指標(biāo)對方程的模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進行對比分析，分別為：決定性系數(shù)（R2，用于表征模擬值和實測值之間的相關(guān)性）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、偏差（Bias），常用來衡量模擬值和實測值間的誤差。其計算公式如下：

式中：Ts為模擬值，To為實測值，Ts、To分別為模擬值、實測值的平均值，Ts，i、To，i分別為每個時次的模擬值、實測值。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣強迫數(shù)據(jù)特征

塔克拉瑪干沙漠腹地風(fēng)速呈現(xiàn)季節(jié)性變化，冬季風(fēng)速振幅較小，夏季振幅較大。風(fēng)速最大值出現(xiàn)在第142天，為6.96 m/s，最小值出現(xiàn)在第309天，為0.584 m/s（圖2-a）。塔中站太陽直射強烈，沙粒易吸收熱量，導(dǎo)致夏季地表溫度急劇升高（圖2-b），地表溫度呈現(xiàn)出單峰型分布規(guī)律，其變化范圍為-15.04～40.82 ℃。相對濕度采用0.5 m高度的平均值，其變化特點為冬季高于其他季節(jié)，最大值出現(xiàn)在第343天，為84.21%，最小值出現(xiàn)在第148天，為6.18%。在1年內(nèi)第174、175天，出現(xiàn)了降雨天氣，降雨量分別達到0.26、0.39 mm，導(dǎo)致相對濕度急劇升高至80.75%、79.59%（圖2-c）。氣壓呈現(xiàn)出冬季高、夏季低的變化特點，變化范圍為874.85～913.82 hPa（圖2-d）。長短波輻射變化呈現(xiàn)出夏季高，冬季低的特點，太陽短波輻射變化范圍在43.05～353.02 W/m2之間，大氣長波輻射變化范圍在192.03～466.93 W/m2之間（圖2-e、2-f）。塔中站降水量全年稀少，2017全年有347 d無降水（圖2-g）。

3.2 土壤熱通量變化特征

3.2.1 1年變化 Noah陸面模型能夠較好地模擬出土壤熱通量的變化特征（圖3-a），模擬值變化范圍是-25.22～29.67 W/m2，實測值變化范圍是 -39.11～19.11 W/m2。根據(jù)塔中天氣記錄日志，在214 d出現(xiàn)了短暫的降水天氣，當(dāng)日的模擬結(jié)果嚴重高估，是由于降水后的土壤濕度增大且維持的時間較短，表層水分快速蒸發(fā)，因此土壤熱傳導(dǎo)率回到干燥時的范圍，實際傳導(dǎo)入土壤的熱量偏低。模型對土壤熱通量的計算并沒有考慮到這個情況，根據(jù)公式（1）進行模型模擬，會導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)嚴重偏高現(xiàn)象。在第300～365天，模型模擬出現(xiàn)了較為嚴重的低估現(xiàn)象，是由于2017年冬季塔中站出現(xiàn)了短暫降雪天氣，下墊面地面有結(jié)冰現(xiàn)象，土壤濕度增加導(dǎo)致土壤熱傳導(dǎo)率較大，傳導(dǎo)入土壤的熱量偏高，模型同樣沒有考慮到這個情況，導(dǎo)致模型模擬結(jié)果出現(xiàn)較為嚴重的低估現(xiàn)象。

SMAP衛(wèi)星產(chǎn)品值和地表土壤熱通量吻合度較高（圖3-b），地表土壤熱通量衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)波動范圍在-36.44～29.89 W/m2之間，站點實測值波動范圍在-47.79～21.25 W/m2之間。在第281天，衛(wèi)星產(chǎn)品值和站點實測值都出現(xiàn)了最低值，在0～24、281～365 d，衛(wèi)星產(chǎn)品值出現(xiàn)了低估現(xiàn)象。

3.2.2 季節(jié)變化 為了探究土壤熱通量實測值、Noah模型模擬值、SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的季節(jié)變化，采用4、7、10、1月土壤熱通量數(shù)據(jù)代表春、夏、秋、冬四季。由于SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)是由3 h數(shù)據(jù)合成的，因此，地表土壤熱通量站點實測值由原來的0.5 h數(shù)據(jù)進行3 h平均處理，實現(xiàn)時間尺度上的匹配。由圖4可知，Noah模型模擬值、SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別可以反映出土壤熱通量、地表土壤熱通量的季節(jié)變化，變化相位基本呈現(xiàn)連續(xù)的單峰型變化趨勢。

在春季（圖4-a、圖4-e），Noah模型模擬值和土壤熱通量實測值變化振幅基本相同，模擬值和實測值吻合度較高，土壤熱通量實測值變化范圍為 -72.61～203.94 W/m2，模擬值變化范圍為 -7155～167.29 W/m2。SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表土壤熱通量實測值變化振幅相差較小，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表土壤熱通量和站點實測值吻合度較高，地表土壤熱通量實測值變化范圍為-91.64～213.27 W/m2，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化范圍為 -87.71～210.70 W/m2。

在夏季（圖4-b、圖4-f），Noah模型模擬值和土壤熱通量實測值變化趨勢基本相同，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表土壤熱通量實測值變化振幅相差較小。土壤熱通量實測值變化范圍為-85.37～194.75 W/m2，Noah模型模擬值變化范圍為 -77.03～182.87 W/m2。地表土壤熱通量實測值變化范圍為-121.13～201.16 W/m2，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化范圍為-97.20～192.06 W/m2。

在秋季（圖4-c、圖4-g），土壤熱通量實測值變化范圍為-78.60～217.70 W/m2，Noah模型模擬值變化范圍為-87.20～218.69 W/m2。在10月10—15日，模型模擬在正午時刻出現(xiàn)了低估現(xiàn)象。SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表土壤熱通量實測值吻合程度較高，地表土壤熱通量實測值變化范圍為 -99.93～265.11 W/m2，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化范圍為-77.78～158.03 W/m2，在10月8日這天，地表土壤熱通量站點實測值較低，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢。

在冬季（圖5-d），Noah模型模擬值和土壤熱通量實測值吻合程度較高，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表土壤熱通量實測值吻合程度較低，衛(wèi)星數(shù)據(jù)波動較大。土壤熱通量實測值變化范圍為-47.27～13745 W/m2，Noah模型模擬值變化范圍為 -40.04～102.54 W/m2，地表土壤熱通量實測值變化范圍為-66.78～149.61 W/m2，SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化范圍為-83.3～179.30 W/m2。

利用1、4、7、10月土壤熱通量實測值、地表土壤熱通量實測值、Noah模型模擬值、SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的日均值數(shù)據(jù)，剔除異常值后，得出實測值和模擬值間的關(guān)系（圖5），其中Noah模型模擬值和土壤熱通量實測值具有較好的相關(guān)性，決定性系數(shù)為0972，實測值和模擬值間的誤差也比較小，均方根誤差（RMSE）為4.000，偏差（Bias）為0.830，這說明Noah陸面模型在塔中站有一定精度。SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地表土壤熱通量實測值相關(guān)性較高，決定性系數(shù)為0.885，均方根誤差（RMSE）為2.687，偏差（Bias）為0.149，SMAP衛(wèi)星地表土壤熱通量數(shù)據(jù)能夠很好地反映塔中站地表土壤熱通量的變化情況。

3.2.3 日變化 為了展示地表土壤熱通量1 d的變化情況，利用2017年6月12日FY-2G陸表溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（2），對地表土壤熱通量進行遙感估算。FY靜止衛(wèi)星采用格林威治時間，與塔中站相差5 h 25 min，其數(shù)據(jù)時間間隔為1 h。

圖6顯示了2017年6月12日FY-2G陸表溫度數(shù)據(jù)對地表土壤熱通量的估算值和實測數(shù)據(jù)的 1 d 變化情況。從圖6-a中可以看出1 d內(nèi)呈現(xiàn)單峰型變化趨勢，估算值和實測值變化趨勢大致相同，估算值和實測值最高值都出現(xiàn)在08：00（格林威治時間，下同），分別為147.58、158.85 W/m2，隨后地表土壤熱通量呈現(xiàn)下降趨勢，估算值在22：00達到最低值，為 -77.48 W/m2，實測值在16：00達到最低值，為 -52.99 W/m2。在01：00—7：00、11：00—13：00、18：00—24：00時，估算值出現(xiàn)低估現(xiàn)象，在14：00—17：00時，估算值出現(xiàn)了高估現(xiàn)象，由圖6-b可知，估算值和實測值有較強的相關(guān)性，決定性系數(shù)為0.944，F(xiàn)Y-2G陸表溫度數(shù)據(jù)在塔克拉瑪干沙漠腹地具有較好的精度，能夠準(zhǔn)確的反映出地表土壤熱通量1 d的變化情況。

4 討論

本研究利用Noah陸面模型模擬了塔克拉瑪干沙漠塔中站土壤熱通量，并能準(zhǔn)確地反映其變化情況，并結(jié)合地表土壤熱通量實測值驗證了SMAP和FY-2G衛(wèi)星在塔中站具有一定精度。

在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，基于觀測試驗基礎(chǔ)上的土壤熱通量的研究已經(jīng)展開，探究沙漠地區(qū)不同梯度、不同天氣下土壤熱通量的特征變化[4，12，24]，并且開展研究土壤熱通量及其他能量通量對能量閉合率的影響[25-26]。利用陸面模型可以模擬連續(xù)多年土壤熱通量的變化情況，李火青等利用Noah-MP陸面模型模擬塔克拉瑪干沙漠塔中站土壤熱通量及其他能量通量，得出Noah-MP陸面模型在塔中站適用性較高的結(jié)論[27]。金莉莉等在塔克拉瑪干沙漠肖塘站通過對CoLM模型參數(shù)修正，利用不同參數(shù)化方案對肖塘地區(qū)地表土壤熱通量進行模擬，得出適用于CoLM陸面模型模擬該地區(qū)地表土

壤熱通量最優(yōu)參數(shù)化方案[28]。本研究利用Noah陸面模型，結(jié)合站點實測數(shù)據(jù)，驗證了Noah陸面模型在塔克拉瑪干沙漠塔中站具有一定的精度，這一結(jié)論可以為以后塔中站陸面過程的研究提供陸面模型參考。在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，基于地表土壤熱通量的遙感反演研究正處于發(fā)展階段，齊斐斐等利用SEBS模型，并結(jié)合該地區(qū)的MODIS數(shù)據(jù)，通過遙感反演得到地表土壤熱通量的空間變化[9]。本研究驗證了SMAP和FY-2G衛(wèi)星在塔中站具有一定精度，為以后塔克拉瑪干沙漠地區(qū)遙感反演研究提供了衛(wèi)星來源。

本研究所涉及的陸面模型屬于單點模型，所以盡管運用到了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，但并沒有體現(xiàn)出土壤熱通量的區(qū)域變化特征，在今后的研究中，要考慮區(qū)域模型的研究，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，來探究整個塔克拉瑪干沙漠區(qū)域土壤熱通量的空間變化特征。

5 結(jié)論

本研究利用2017年塔中站點實測數(shù)據(jù)，分析了Noah陸面模型所需要的大氣強迫數(shù)據(jù)特征，結(jié)合Noah陸面模型對塔中站土壤熱通量進行陸面過程模擬對比驗證。計算出地表土壤熱通量站點實測值，并與SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及利用FY-2G陸表溫度數(shù)據(jù)反演得到的地表土壤熱通量進行了對比驗證分析，主要結(jié)論如下：

（1）Noah陸面模型在塔克拉瑪干沙漠腹地具有較好的模擬精度，能夠較好地反映出塔克拉瑪干沙漠腹地土壤熱通量的變化情況，模擬值和實測值的相關(guān)性較高，在一定程度上代表了塔克拉瑪干沙漠腹地土壤熱通量的變化規(guī)律。

（2）SMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地表土壤熱通量實測值相關(guān)性較高，具有一定的精度，能夠較好地反映出塔克拉瑪干沙漠腹地地表土壤熱通量的變化情況。

（3）利用FY-2G陸表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)通過遙感反演得到的地表土壤熱通量估算值，能夠較好地反映出塔克拉瑪干沙漠腹地地表土壤熱通量日變化特征，估算值和實測值相關(guān)性較高。FY作為靜止衛(wèi)星，為探究塔克拉瑪干沙漠腹地乃至整個沙漠地區(qū)連續(xù)的地表土壤熱通量變化提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

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