西北干旱區(qū)綠洲系統(tǒng)小氣候效應(yīng)研究

摘要 西北干旱區(qū)綠洲具有特殊的小氣候特征。以金塔綠洲為例，選用“綠洲系統(tǒng)非均勻下墊面能量水分交換和邊界層過程觀測與理論研究（2007—2010）”的“金塔高分辨率資料同化再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料”進行綠洲系統(tǒng)小氣候分析，重點對綠洲與周邊沙漠做平均日變化的比較，研究再現(xiàn)了中國西北干旱區(qū)綠洲小氣候特征。結(jié)果表明：干旱區(qū)綠洲系統(tǒng)下墊面的非均勻性致使沙漠和綠洲受熱增溫幅度不同。沙漠氣溫日變化幅度較綠洲偏大。綠洲上空氣溫較周圍沙漠低，濕度較沙漠大，綠洲表現(xiàn)出明顯的冷島、濕島效應(yīng)，這在模擬圖上有很好的體現(xiàn)。此外，空氣相對濕度的最低值出現(xiàn)在08：00，表現(xiàn)出夜間是水汽聚集過程，白天是水汽耗散過程。

關(guān)鍵詞 干旱區(qū)；金塔綠洲；WRF模式；小氣候效應(yīng)

中圖分類號：P458 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）02–0102-03

戈壁沙漠等干旱區(qū)占據(jù)了全球近1/3的陸地面積。我國是世界上干旱較嚴重的國家，尤其西北地區(qū)地廣人稀，資源豐富。面積不到干旱地區(qū)4%～5%的綠洲集中著該地區(qū)95%以上的人口，綠洲對我國西北干旱區(qū)人民生活和生產(chǎn)建設(shè)、維護社會和諧穩(wěn)定、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

我國科學工作者對綠洲的研究頗多，胡隱樵等[1]就在河西走廊地區(qū)對綠洲和沙漠邊界層進行了多年的觀測研究；張艷武等[2]對典型晴天下的綠洲小氣候特征進行了細致的分析；蘇從先等首先提出了綠洲的“冷島效應(yīng)”，同時有學者對綠洲小氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬、觀測與模擬比較等方面進行了研究[3]；文莉娟等[4]利用“金塔綠洲能量水分循環(huán)觀測試驗”的資料和中尺度數(shù)值模式，對綠洲小氣候效應(yīng)進行了17 d較長時間序列的研究，發(fā)現(xiàn)綠洲為高濕場，在綠洲邊緣沙漠上存在逆濕和高水汽柱，既阻止沙漠上干熱氣流侵入綠洲，又防止綠洲上水汽的流失；高艷紅等[5]使用非靜力平衡中尺度模式MM5通過數(shù)值模擬研究了綠洲的冷島效應(yīng)和沙漠逆濕現(xiàn)象。

主要以金塔綠洲為例，使用中科院寒旱所“綠洲系統(tǒng)非均勻下墊面能量水分交換和邊界層過程觀測與理論研究（2007—2010）”中，金塔高分辨率資料同化再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料進行模式再現(xiàn)，對金塔綠洲內(nèi)與周邊沙漠進行物理量二維平面的平均日變化比較，從而分析綠洲系統(tǒng)的小氣候效應(yīng)，以期對綠洲地區(qū)人民的生活生產(chǎn)有所幫助，為合理保護和開發(fā)綠洲提供一定的科學依據(jù)。同時，為西部大開發(fā)、西北干旱區(qū)經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)、維持經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學理論和實踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域

金塔綠洲是西北黑河流域典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，位于98.39°E～99.08°E ，39.56°N～40.17°N之間，巴丹吉林沙漠西部，黑河中游沿岸，河西走廊中段北側(cè)，面積約2 152 km2。

1.2 資料和方法

同化再分析數(shù)據(jù)是利用美國國家大氣研究中心（NCAR）的中尺度天氣預(yù)報模式WRF及其三維變分模塊WRF-3DVar制作完成的。

在模擬時，同化了2008年夏季在金塔綠洲開展的“綠洲系統(tǒng)非均勻下墊面能量水分交換和邊界層過程觀測與理論研究”野外試驗4個自動氣象站和2個氣象梯度塔站的近地面2 m的氣壓、風速、風向、空氣溫度和空氣相對濕度常規(guī)觀測資料。

模擬時間段：2008年6月10日18：00至2008年8月5日18：00（世界時），間隔1 h一次結(jié)果輸出，共1 345時次。

經(jīng)緯度范圍：經(jīng)度98.488 4°E～99.188 2°E，緯度39.861 2°N～40.391 7°N；水平分辨率：空間水平網(wǎng)格分辨率1 km，模擬區(qū)域共為60 km×60 km。模擬區(qū)域為第三重嵌套網(wǎng)格區(qū)域。垂直分辨率：35層ETA層（NETCDF格式）：1.000，0.993，0.983，0.970，0.954，0.934，0.909，0.880，0.845，0.807，0.765，0.719，0.672，0.622，0.571，0.520，0.468，0.420，0.376，0.335，0.298，0.263，0.231，0.202，0.175，0.150，0.127，0.106，0.088，0.070，0.055，0.040，0.026，0.013，0.000。

19層氣壓層（GRADS格式）：1 000，950，900，850，800，750，700，650，600，550， 500， 450， 400， 350， 300， 250，200，150，100 hPa。

4層土壤：0～10、10～40、40～100和100～200 cm。輸出氣象要素信息：全部要素為112個，都是常用的氣象要素。

選取綠洲點（40.025°N，98.9°E）和沙漠點（40°N，99°E）兩點作為分析物理量平均日變化的綠洲和沙漠代表點。通過使用此同化再分析數(shù)據(jù)，對一天中00：00，06：00，12：00，18：00（北京時）每個時次做該點該物理量的2008年6月10日18：00至2008年8月5日18：00（世界時）的平均值，從而對該模擬區(qū)域內(nèi)的物理量作二維平均態(tài)分析。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場

根據(jù)2008年6月10日18：00：00至2008年8月5日18：00：00（世界時）地表溫度分布的平均日變化資料可以看出，綠洲和周圍沙漠地區(qū)的地表溫度有明顯差異，始終顯現(xiàn)出金塔綠洲的輪廓。同時，沙漠的日平均地表溫度值在一天中始終高于綠洲（圖1）。沙漠的地表溫度日變化較綠洲大，此溫差沙漠達到35.12 ℃，而綠洲為17.04 ℃。綠洲與沙漠地面2 m處氣溫日變化的對比，綠洲顯現(xiàn)出一個明顯的冷島（圖2）。

根據(jù)模擬的地面2 m高處氣溫分布的平均日變化資料可知，白天，由于下墊面的熱力非均勻性，綠洲近地面升溫較慢，沙漠升溫較快，導(dǎo)致綠洲與沙漠之間形成明顯的溫差。近地層大氣溫度變化要緩慢得多，遠不如荒漠劇烈，說明綠洲上空大氣湍流混合不強，熱交換較慢。夜晚，地面向大氣放熱，沙漠溫度降低較快，直至低于綠洲，從而使得綠洲成為一個暖中心，同時由模擬的850 hPa氣壓層空氣溫度可以看出，白天綠洲是一個冷中心，夜晚綠洲是一個暖中心。土壤溫度的最低值出現(xiàn)在08：00，而后溫度不斷上升，至14：00達到最大值，這是由于日間綠洲林地吸收太陽輻射、林冠的散射反射，此時沙漠土壤溫度與綠洲相差最大，達15 ℃以上。

2.2 濕度場

圖3表示模擬的2008年6月10日18：00：00至2008年8月5日18：00：00（世界時）土壤溫度分布的平均日變化。可以看出綠洲的土壤濕度要比周圍沙漠地區(qū)濕度明顯偏大。且一日之內(nèi)沙漠和綠洲的土壤濕度都幾乎未變。沙漠土壤濕度平均為0.05，綠洲土壤相對濕度平均為0.26。圖4可以看出下墊面的土壤類型的不同，土壤濕度差異明顯。隨著白天植被持續(xù)蒸發(fā)，綠洲內(nèi)水汽不斷向上輸送，近地面水汽不斷增加，土壤水汽減少。

圖5表示模擬的近地面空氣相對濕度，可以看出，水汽的峰值和溫度的峰值不一致，近地面水汽的最大值出現(xiàn)在08：00，說明夜晚是水汽的聚集過程，而白天是水汽耗散過程。整體來看，綠洲上空相對濕度始終比沙漠大，從850 hPa

形勢場上來看，14：00綠洲上空出現(xiàn)一個濕中心。根據(jù)模擬的綠洲與沙漠地面2 m處空氣相對濕度資料可知，在08：00差值達到最大，說明夜晚綠洲的水汽聚集在08：00達到最大。

2.3 風場

根據(jù)10 m高處水平風速資料可以看出，綠洲對其上空的風速明顯形成一個減弱區(qū)。圖6為40°N的w垂直剖面圖，02：00，綠洲上空近地面為大面積正值區(qū)（圖6a），為上升氣流，出現(xiàn)了一個0.18 m/s的最大值，中層500 hPa氣壓層出現(xiàn)了較小的正值，表示上升氣流很弱，綠洲兩側(cè)為負值區(qū)，下沉氣流。圖6b顯示08：00在綠洲西側(cè)的沙漠上空出現(xiàn)了一個w大值中心，綠洲上空近地面上空氣流減弱，并且其上空500 hPa左右中層開始出現(xiàn)負值區(qū)，表明此時太陽加熱地表、由于沙漠地區(qū)溫度上升較快，與綠洲的溫差越來越大，所以開始形成沙漠—綠洲之間的沙漠風。14：00明顯看出，沙漠上空為正值區(qū)，上升氣流，綠洲上空為負值區(qū)，下沉氣流，在500 hPa左右氣壓層為平直輸出（圖6c）。至20：00，沙漠輻射降溫較快，又使綠洲成為熱島，綠洲上空逐漸形成上升氣流，周圍沙漠上空為下沉氣流，即夜晚的綠洲風（圖6d）。結(jié)合500 hPa氣壓層散度和850 hPa氣壓層散度資料可知，02：00低層850 hPa氣壓層綠洲上為散度負值區(qū)，有輻合，500 hPa氣壓層綠洲上為正值區(qū)，有輻散。與此同時，在沙漠地區(qū)，低層輻散、高層輻合易形成局地環(huán)流，即綠洲吹向沙漠的綠洲風。14：00與之相反為沙漠吹向綠洲的沙漠風。

3 結(jié)論

使用金塔觀測資料同化WRF三維變分模式而得的再分析產(chǎn)品，通過對數(shù)據(jù)平均到日，和在沙漠和綠洲內(nèi)各選取一點作為比較的代表，對金塔綠洲小氣候特征進行了分析。結(jié)果表明：

（1）氣溫、相對濕度的平均日變化圖上可以看出綠洲較周圍沙漠是一個冷濕中心，綠洲上空氣溫較周圍沙漠低，濕度較沙漠大，綠洲的冷島、濕島效應(yīng)得到很好的體現(xiàn)。隨太陽輻射增強，地表溫度和土壤溫度增大，但模擬區(qū)域的下墊面非均勻性，沙漠較綠洲溫度升高得快，致使沙漠與綠洲的地表溫度，土壤溫度差增大，使綠洲相對沙漠成為一個冷島。

（2）水汽的峰值和溫度的峰值不一致，近地面水汽的最大值出現(xiàn)在08：00，說明夜晚是水汽的聚集的過程，而白天是水汽耗散的過程。整體來看，綠洲上空的相對濕度比沙漠大。這又使綠洲形成一個濕島。

（3）白天綠洲是一個冷島，沙漠上空上升氣流強盛，經(jīng)高空輸送，到綠洲上空變?yōu)橄鲁翚饬?，綠洲的上升水汽遇阻在高空形成逆濕，夜間則相反，由此造成了綠洲與周邊沙漠地區(qū)熱量和水汽的局地環(huán)流。

參考文獻

[1] 胡隱樵，王介民.干旱地區(qū)邊界層物理和我所邊界層物理研究的回顧[J].高原氣象，1989（2）：133-138.

[2] 張艷武，馮起，呂世華，等.額濟納綠洲夏末典型晴天小氣候特征分析[J].高原氣象，2005（4）：516-521.

[3] 蘇從先，胡隱樵，張永豐，等.河西地區(qū)綠洲的小氣候特征和“冷島效應(yīng)”[J].大氣科學，1987（4）：390-396.

[4] 文莉娟，呂世華，孟憲紅，等.夏季綠洲氣候效應(yīng)的觀測和數(shù)值模擬[J].氣候與環(huán)境研究，2008（3）：300-308.

[5] 高艷紅，呂世華.不同綠洲分布對局地氣候影響的數(shù)值模擬[J].中國沙漠，2001（2）：108-115.

責任編輯：黃艷飛

Study on Microclimate Effect of Oasis System in Northwest Arid Area

Xu Hai-fang （Gansu Meteorological Equipment Company， Lanzhou， Gansu 730030）

Abstract Oasis in northwest arid area has special microclimate characteristics. Took Jinta Oasis as an example， the “Jinta High Resolution Data Assimilation Reanalysis Product Data” of “Observation and Theoretical Research on Energy and Water Exchange and Boundary Layer Process of Heterogeneous Underlying Surface of Oasis System （2007—2010）” was selected to analyze the microclimate of the oasis system， focused on the comparison of the average daily change between the oasis and surrounding desert， and the study reproduced the characteristics of the oasis microclimate in the arid region of northwest China. The results showed that the inhomogeneity of the underlying surface of the oasis system in the arid area results in the difference in the extent of heat increase between the desert and oasis. The daily variation range of desert temperature was larger than that of oasis. The air temperature on the oasis was lower than that of the surrounding desert， and the humidity was higher than that of the desert. The oasis shows obvious cold island and wet island effects， which were well reflected in the simulation diagram. It was also found that the lowest value of air relative humidity appears at 08：00， which shows that at night it is a process of water vapor accumulation and at daytime it was a process of water vapor dissipation.

Key words Arid area; Jinta Oasis; WRF mode; Microclimate effect

作者簡介 許海芳（1992—），女，甘肅民勤人，助理工程師，主要從事氣象預(yù)報、氣候預(yù)測、氣象信息化研究。

收稿日期 2022-12-09