西北干旱区绿洲系统温湿场特征

闫一丹

甘肃省气象设备公司，甘肃兰州 730030

绿洲又称为沃洲、沃野、水草田、沃地、泉地、泽园、绿岛等。沙漠、戈壁等干旱地带占据地球陆地面积近1/3。我国是世界上沙漠戈壁分布较广的国家之一。我国干旱半干旱地区的总面积约占国土面积的52.5%，其中25.5%是沙漠、戈壁和沙漠化的土地，即极端干旱的土地[1]。绿洲和戈壁地区相互依存是我国西部干旱、半干旱地区的一种比较特殊的生态景观。在我国西北地区95%以上为荒漠地，绿洲仅有4%～5%，绿洲面积很小，却养育了绝大多数的人口（95%以上）。

1.1 研究区域

金塔绿洲是西北地区典型的人工灌溉形成的三角形绿洲，位于98°39′E～99°08′E，39°56′N～40°17′N之间，面积约为2 152 km2，处于黑河中游，在甘肃酒泉地区东北部，河西走廊中段北侧。该地区地势平坦,海拔高度差仅84 m。土质优良，以灌淤土、潮土(草甸土)、风沙土等土壤类型为主，绿洲周边为典型的灰棕漠土。

1.2 数据处理方法

根据数据资料，应用绿洲范围内地面、800 hPa和500 hPa平均温度，重点分析绿洲站点和戈壁站点2008年6月10日—8月5日的数据资料，通过分析各自在不同高度的温度场特征，以及在同一高度的不同地区的温度场，得出结果。

2.1 绿洲温度场的平均分析

分 析2008年6月10日18:00—2008年8月5日18:00金 塔 绿 洲 在00:00、06:00、12:00、18:00（世界时）4个时间段地面2 m处平均温度可知，绿洲与戈壁地区温度变化情况基本一致，但在相同时段内变化幅度不同。世界时00:00（北京08:00）近地面2 m处温度，绿洲温度与戈壁地区温度差小，最高温度出现在绿洲北边且范围较大，大约为24℃，最低温度为21.3℃，绿洲中南部有此时的最低温度区域；
世界时06:00（北京14:00）近地面2 m处温度，此时绿洲里的温度与其周围绿洲的温度基本相同，最高温度约为31℃，最低温度为25.5℃，绿洲与其周围戈壁的温度差在2℃左右，绿洲南边的最低温度与戈壁地区的温差达到5℃及其以上，下垫面的不同，致使绿洲温度低于戈壁地区，绿洲冷岛效应不明显；
世界时12:00（北京20:00）近地面2 m处的温度，绿洲温度低于戈壁地区，绿洲温度与戈壁地区温度差达到5℃左右，但是在绿洲南边的温差却更大；
世界时18:00（北京02:00）近地面2 m处温度，绿洲和戈壁地区的整体温度下降，温差缩小，绿洲与其周围地区的温差大约为3℃。造成绿洲与其周围地区的温度差的原因可能是下垫面的不同，绿洲有绿色植被和充足的水资源，阳光直射面积比戈壁地区小，升温较慢。戈壁地区由于没有植被等阻挡，阳光可以直接照射，再加上戈壁地区的比绿洲升温快，致使戈壁地区温度升高速度快于绿洲。而且降温也比绿洲快，昼夜温差大，并且绿洲最低温度中心均在绿洲中心偏南位置，从地面2 m气温可以很明显地看出绿洲冷岛效应[2]。

分析2008年6月10日18:00—2008年8月5日18:00金 塔 绿 洲 在00:00、06:00、12:00、18:00（世 界 时）4个 时 间段800 hPa处的平均温度。世界时00:00（北京08:00）800 hPa高度处的温度，此时绿洲里的温度与其周围绿洲的温度基本相同，最高温度约为19.7℃，最低温度为19℃，可见绿洲温度低于戈壁地区，绿洲里的温度与戈壁地区最大温度差只有约0.7℃，温度出现明显的西低东高现象；
世界时06:00（北京14:00）800 hPa高度处的温度，绿洲温度明显比戈壁地区温度小，最高温度出现在绿洲西南边，大约在23.5℃，最低温度约为22.7℃，绿洲的中间部分有此时的最低温度区域；
世界时12:00（北京20:00）800 hPa高度处的温度，温度呈现西高东低的现象，温度差减小，约为0.5℃；
世界时18:00（北京时02:00）800 hPa高度处的温度，气温仍然呈现西低东高的现象，温度差基本不变，约为0.65℃。由于800 hPa的高度风速比地面2 m处的大，并且有冷空气从西面进入，使得绿洲的冷岛效应只有在06:00可以较明显，这个时刻的绿洲温度明显低于周围地区，绿洲上空形成了冷中心。文莉娟等[3]研究发现，在金塔绿洲上空形成冷中心的影响因素中绿洲的作用是不可或缺的, 冷中心的确是由绿洲与沙漠地表热力差异所激发的。

2.2 绿洲温度场的站点分析

为更好地说明绿洲的冷岛效应，通过对比戈壁站点和绿洲站点的地表温度(tsk）/℃。图1显示了绿洲站点和戈壁站点的地表温度。从图中可知，戈壁的地表温度远高于绿洲，戈壁地表最高温度在60℃左右，而绿洲地区的最高温度约为42℃。最低温度绿洲与隔壁相差不大，约为10℃。图1中戈壁的地表温度的变化很大，即昼夜温差大，下垫面的不同和绿洲的小气候可能是戈壁比绿洲昼夜温差大的原因。从图1中可以很明显地看出绿洲的冷岛效应。戈壁的温度高于绿洲，戈壁升温降温率也大，其可能原因有2种：一是绿洲里的高大植被的保温作用，可以有效保护绿洲的温度变化过快，使得其升温或降温的速率下降；
二是绿洲有河流等经过绿洲，水的比热大，使绿洲气温的变化小。

图1 戈壁站点、绿洲站点的地表温度

图2表示的是戈壁和绿洲站点从世界 时2008年6月10日18:00—2008年8月5日18:00近地面2 m处气温的整体变化趋势。从图2可知，近地面2 m处戈壁与绿洲的气温的变化趋势基本相同。其最高温度与最低温度差可以达到20℃。如果绿洲站点某一天的温度变化小，则戈壁站点温度变化也不大。

图2 戈壁和绿洲站点近地面2 m处气温

表1表明了在同一时次，自动气象站4的温度最高。世界时00:00（北京08:00），由于地理纬度和下垫面等原因，自动气象站4的温度稍高，其余3个站点的温度差在1℃左右。世界时06:00（北京14:00），可能由于植被等原因，绿洲温度高于戈壁地区。世界时12:00（北京20:00），这时戈壁与自动气象站2温度与06:00的相差不大，但是绿洲站点和自动气象站4的温度与06:00相差较大，在3℃以上，此时绿洲站点的温度明显低于戈壁地区，其可能原因是太阳照射角发生改变而使温度下降。世界时18:00（北京02:00），戈壁降温快，约为6.7℃，而绿洲地区约为5℃。从整体来看，戈壁站点离绿洲站点的地理纬度近，可以作对比。

表1 近地面2 m处的平均气温 ℃

近地面2 m处的平均气温的比较结果说明在此高度上绿洲温度较低，是冷岛。但是，绿洲和其周围的戈壁等地组成了一个较大的生态系统，绿洲与戈壁地区有热量和能量的传递、输送。表2中的数据是绿洲站点、戈壁站点、自动气象站2和自动气象站4这4个站点在不同高度处的平均温度。

图3描绘了戈壁站点和绿洲站点近地面2 m处一天的平均气温变化，比较发现，沙漠和绿洲的气温变化趋势是基本一致的，最低值基本出现在06:00，最大值出现在17:00前后，绿洲与沙漠的最大温差出现在04:00～06:00以及20:00左右。从图中看出，绿洲一天除11:00～18:00之间的气温比沙漠戈壁高以外，其他时间气温都低于沙漠戈壁地区。绿洲和戈壁地区的温差是夜晚大于白天，11:00～12:00绿洲和戈壁温差最小，约为0.15℃。在02:00～03:00，绿洲的降温速度明显大于戈壁地区，在其后降温速度则基本保持一致。06:00以后，温度开始升高，此时戈壁地区温度升高速度明显快于绿洲。19:00以后，气温迅速下降，但戈壁气温高于绿洲，到06:00达到最低值，此时戈壁的温度约为19.9℃，而绿洲为18.8℃。绿洲的这种白天和夜晚的温度差正好符合植被生长。

图3 戈壁站点和绿洲站点近地面2 m处日平均温度

由表2数据可知，在地表和地面2 m高度上戈壁的平均温度最高，并且地表温度高于地面2 m处的气温，与绿洲站点相比，戈壁站点地表温度高于绿洲站点约为7℃，近地面2 m处温差相对很小，约为0.3℃。850 hPa高空上戈壁温度低于绿洲约2℃。绿洲和戈壁

表2 戈壁站点、绿洲站点、自动气象站1、3不同高度上的平均气温 ℃

在700 hPa高度上平均温度相差很小，约为0.2℃，500 hPa高度上温度差为0.3℃左右。由于空气流动速度快和没有强冷空气南下可能是在这2个高度上温差很小的原因。自动气象站2、4的在近地面的温度不同的可能原因有2个：一是站点的位不置同，自动气象站2在绿洲的西南，而自动气象站4则在可能会形成局地环流，绿洲的冷岛通过湍流交换或局地环流等方式与周围环境进行能量和物质交换，这种相互作用一方面向周围戈壁地区扩散凉湿空气，从而改善周围环境小气候，另一方面形成冷岛内特有的一系列行星边界层结构特征[4]。绿洲的西北；
二是下垫面的不同，自动气象站2的下垫面是棉花，而自动气象站4则是玉米[5]。

通过分析说明，在地表和近地面，绿洲的气温低于沙漠戈壁地区。在800 hPa及以上高度，由于空气流动速度快等原因，绿洲气温与沙漠戈壁地区的差异表现不明显，但是在世界时06:00 表现得很明显，绿洲温度低，相对于周围沙漠戈壁地区是一个冷源，即绿洲有冷岛效应。绿洲的冷岛通过湍流交换或局地环流的形式与周围环境进行能量和物质交换，绿洲的这种冷岛效应可以向周围的戈壁等地区扩散温度较低的空气，也可以形成绿洲内独特的绿洲景观。

绿洲的这种较凉爽的环境在很大程度上有助于植物生长，因为可以减弱植被蒸腾作用和地面水分蒸发作用，保证植被生长的所需水分。这也就证实了在戈壁和沙漠地区种植少量的树木和草不易成活的原因，有助于人们在戈壁地区种草种树和进行农业开发利用。