引言

地球表面与大气之间相互作用的重要过程之一是地表与大气之间能量交换。太阳活动、地核能量释放、生态环境改变和人类活动等因素对气候变化的影响主要通过对地表热量和辐射的改变来实现，对气候变化的响应是通过地表热量和辐射过程来传递。因此，在不同下垫面开展辐射及其传输特征的观测研究，对于解释气候变化中的许多现象和变化机理有十分重要的作用^[1]。几十年来，中外学者对地-气交换过程开展了大量的实验研究和理论工作，并取得了一系列研究成果。例如，世界气候研究计划组织的一系列陆面过程野外观测试验^[2]:如在法国南部潮湿地区开展的HAPEX实验^[3]和在美国Kansas半干旱地区进行的FIFE实验^[4]等。国内，1979年第一次青藏高原气象科学实验 (QXPMEX) 和1998年开展的第二次青藏高原气象科学实验 (TIPEX)，在高原气候和辐射特征研究方面取得重要进展^[5~6]。随着全球荒漠化问题的日益突现，针对生态系统脆弱的干旱、半干旱地区，加强地气系统间物质、能量交换实验和研究显得尤为重要。我国对西部干旱、半干旱地区热量和辐射平衡过程的研究自20世纪中期逐渐展开^[7~8]，如20世纪90年代初，由中日两国科学家合作开展的黑河地区地气相互作用的观测实验研究 (HEIFE)，研究了西北干旱地区典型下垫面辐射能收支和辐射物理性质等，并且对干旱地区陆面过程提出了一些新认识^[9]。

本文利用2001年夏季在内蒙古科尔沁沙地地区进行的大气边界层实验资料，对比分析流动沙丘和临近流动沙丘的玉米地地区两种典型下垫面的辐射通量特征，研究不同下垫面状况对地面辐射平衡的影响，为研究农牧交错地区的辐射特征、能量输送和农田小气候特征提供基本事实。

1 资料获取与处理 1.1 实验场地和仪器概况

实验观测站位于内蒙古哲里木盟赫亦乌苏村附近的流动沙丘和玉米地地区。地理位置为42°58′N，120°43′E，平均海拔高度363 m, 全年降水量为200~300 mm左右，属于典型半干旱地区。其中，流动沙丘观测站所在的沙丘呈带状分布，基本代表科尔沁沙地流动沙丘的下垫面特征。玉米地观测站位于流动沙丘观测场西约5 km处的玉米地中央，植株平均高度约为1.5m。流动沙丘和玉米地两个实验站的观测平台、仪器、系统，观测方法和资料处理方法等完全相同。辐射观测仪器采用美国Eppley公司生产的短波辐射表和红外辐射表各4台，流动沙丘和玉米地的仪器架设高度分别为1.5m和2.3 m, 分辨率为1 %。

1.2 资料处理和质量控制

各辐射通量连续观测，采样间隔为10 min。在实际分析时，对资料进行30 min滑动平均。长波辐射观测采取了强制通风措施和罩温修正，以提高数据质量。本文选取了基本为晴朗少云天气的2001年8月9日至14日共6天的观测数据进行分析 (见图 1)。

所有观测仪器在野外观测现场进行了严格的水平比较，图 2给出了两个观测站使用的4台短波辐射表和4台长波辐射表在同一水平高度上的比较结果。同时，每个实验站涉及的2台短波辐射表和2台长波辐射表，分别在各自实验场地再次实施了相应的水平对比观测 (图略)。可以看出不同辐射表之间的相对误差小于2 %，基本符合仪器性能指标，各辐射表具有较好的互换性和一致性。

2 结果分析 2.1 总辐射

到达地球表面的太阳总辐射由直接辐射和散射辐射组成，与太阳高度角有直接关系，并受大气透明度状况和云量、云状的影响。在晴天少云的天气条件下，散射辐射很小，总辐射受直接辐射影响而有明显的日变化。

图 3给出流动沙丘和玉米地两种下垫面辐射通量的平均日变化。可见，流动沙丘和玉米地的太阳总辐射日峰值分别为870 W·m^-2和855 W·m^-2，因两观测站相距很近，可以忽略影响到达地面太阳辐射的纬度因子; 晴天条件下两观测站的整层大气中影响入射短波辐射的大气成分基本相同，从而到达地面的短波辐射也基本相同。虽然两观测站的太阳总辐射的日变化规律非常接近，但比较两下垫面总辐射的日总量值 (见表 1)，可以发现流动沙丘略高于玉米地，考虑到观测仪器精度限制，总辐射观测值存在差异尚未有充分理由解释。流动沙丘地区的总辐射日总量与HEIFE实验的沙漠站相当，而玉米地地区则略高于HEIFE实验的绿洲站 (见表 1)，其差异应与两地的大气透明度和水汽含量等因素有关。

2.2 地表反照率

地表反照率是控制地面吸收短波辐射和可能转化为感热和潜热通量的净能量的一个重要因子。图 4给出流动沙丘和玉米地两种下垫面地表反照率的平均日变化规律。可见，两种不同下垫面的反照率虽然在量值上相差较大，但有相似的日变化规律，均呈现U字型。在下垫面性质和植被条件变化不大的情况下，土壤湿度是决定反照率的关键因素，比较两种下垫面在晴天和阴天的反照率变化情况 (见表 2)，说明阴天土壤湿度增加，地表的吸收辐射增加，使反照率降低。流动沙丘的反照率日平均值为0.342，与1993年李胜功等人在类似下垫面的观测结果相符合^[11]，反映流动沙丘下垫面地表特图 4流动沙丘和玉米地地区地表反照率平均日变化曲线征的变化很小; 玉米地地区的反照率日平均值为0.200。流动沙丘的观测结果高于黑河地区沙漠的观测结果，反照率最小值为0.29比黑河沙漠区的0.26高约10 %，与季国良等人给出的8 %的差异相差不大^[12]，而玉米地的反照率明显低于流动沙丘，这将对科尔沁沙地地区两种典型下垫面的净辐射特征的差异有很大影响，反映了人类活动对沙地的影响。

2.3 长波辐射和有效辐射 2.3.1 长波辐射

地面长波辐射可表示为:

(1)

式 (1) 中，ε为地表比辐射率，仅与地表特征有关; σ=5.67 ×10^-8W·m^-2·K-4为Stefan-Boltzmann常数; T为地表温度。

流动沙丘和玉米地两种下垫面地面长波辐射的平均日变化规律与各自的地表温度日变化规律一致 (见图 3)。流动沙丘下垫面地面长波辐射的最小值为397 W·m^-2，出现在太阳升起的05:00;玉米地的最小值为382 W·m^-2，也出现在05:00，与地表温度最低出现时刻相一致。地面长波辐射最大值出现的时间也与地表温度最大值出现的时刻一致，流动沙丘的最大值为546 W·m^-2，出现在13:00;玉米地的最大值为483 W·m^-2，亦出现在13:00，且午后时段的数值大于午前时段。由于两观测站下垫面性质的巨大差异，地表温度日变化也存在很大不同。流动沙丘上的地表温度日变化较大，地面长波辐射的日变化幅度达149 W·m^-2; 玉米地地面长波辐射大部分时间内的变化均较为平缓，日较差仅为100 W·m^-2。与阴天比较结果 (见表 2)，可以明显地看出由于地表温度的降低，阴天两观测站的地面长波辐射值均小于晴天值。

在晴天条件下，流动沙丘与玉米地两站的大气逆辐射日峰值非常接近，最大值分别为364 W·m^-2和363 W·m^-2，最小值分别为334 W·m^-2和328 W·m^-2。两观测站大气逆辐射的日峰值均出现在午后，最小值出现在日出前，但峰值出现的时间较地面长波辐射滞后2~3h。由于影响大气逆辐射的主要因子是气温、水汽含量和云量，在水汽含量很小且日变化较小的情况下，大气逆辐射峰值滞后现象只能解释为云的影响，验证了大气逆辐射随云量 (特别是低云量) 增加而增加的这一结论。因此，午后多云的特点很大程度上影响了大气逆辐射，从而影响有效辐射。由于阴天云量增多，空气中水汽含量增大，流动沙丘和玉米地的大气逆辐射均大于各自在晴天状况下的数值 (见表 2)。

2.3.2 有效辐射

有效辐射为地面长波辐射和大气逆辐射之差，与下垫面的性质和大气状况有密切关系。图 3中同时给出流动沙丘和玉米地两种下垫面的有效辐射平均日变化曲线。有效辐射的日变化规律与地面长波辐射相近，最小值和最大值分别出现在凌晨02:00~03:00和正午前后，流动沙丘和玉米地的最小值分别为63 W·m^-2和52 W·m^-2，最大值分别为184 W·m^-2和130 W·m^-2，玉米地的有效辐射全天小于流动沙丘。流动沙丘的有效辐射日变化较为剧烈，而玉米地要平缓很多，变化幅度分别为121 W·m^-2和77 W·m^-2。流动沙丘有效辐射平均日总量明显大于玉米地地区，远小于同期黑河沙漠站的观测值，而玉米地的值则远大于黑河绿洲站的观测值 (表 1)。另外，阴天有效辐射值较晴天有大幅的减小 (见表 2)，与前文关于大气逆辐射和地面长波辐射的分析相一致。

2.4 净辐射

由图 3可见，流动沙丘和玉米地两种不同下垫面的净辐射变化规律一致，只是数值存在差异。净辐射Rn可由下式计算得到:

(2)

式 (2) 中，S ↑为太阳总辐射，α为地表反照率，F为有效辐射。

由于地表反照率和地面有效辐射的显著差异，使得流动沙丘和玉米地不同下垫面的净辐射值存在明显差异。流动沙丘的净辐射值远小于玉米地，流动沙丘和玉米地的日总量分别为8.8 MJ·m^-2和13.2 MJ·m^-2(见表 1)。两观测站到达地面的总辐射和大气逆辐射基本相同，净辐射的差异主要是由两地地面反照率和地面长波辐射的差异造成的，即:流动沙丘和玉米地地区净辐射的差异是由地表状况和地表热力性质的差异造成的。由于地表反照率不同而导致短波净辐射差异的贡献约为60 %，地面热力性质不同而导致的地面长波辐射的差异其贡献约为40 %，前者大于后者。

3 结论

本文主要利用2001年夏季内蒙古科尔沁沙地地区的大气边界层实验的晴天资料，对比分析了人类活动区和无人类活动区下垫面各辐射平衡分量的特征，结论如下:

(1) 流动沙丘与玉米地两种下垫面的太阳总辐射相近，流动沙丘太阳总辐射观测值与中国西北戈壁沙漠地区相近，玉米地观测值则大于HEIFE实验的绿洲地区。

(2) 流动沙丘与玉米地的地表反照率存在明显差异，流动沙丘的反照率大于玉米地地区近1倍，高于HEIFE实验的沙漠地区。

(3) 流动沙丘与玉米地有效辐射的最大值出现在中午前后，而地面长波辐射出现在午后，流动沙丘的有效辐射大于玉米地地区，且均低于同季节的HEIFE实验沙漠地区; 并且流动沙丘与玉米地的阴天有效辐射值较晴天均有大幅的减小。

(4) 流动沙丘与玉米地地区的净辐射平均日总量存在较大差异，分别为8.8 MJ·m^-2和13.2 MJ·m^-2，其中反照率差异的贡献约占60 %，长波辐射差异的贡献约占40 %。

致谢 在本文完成过程中，曾得到中国科学院寒区旱区工程与环境研究所赵哈林研究员、张东会研究员，中国科学院奈曼生态网络实验站全体工作人员，以及北京大学毛节泰教授、张霭琛教授、康凌博士的大力支持和热情帮助，在此表示诚挚的感谢和敬意。