三江平原沼泽湿地贴地气象要素日变化及其直减率特征

三江平原沼泽湿地贴地气象要素日变化及其直减率特征

湿地是介于土地和水之间的特殊生态系统，具有独特的基质。因此，其边界层明显不同于海洋、沙漠和城市边缘层。有学者已经在三江平原沼泽湿地、大兴安岭森林湿地、沙漠腹地、青藏高原和祁连山高寒湿地等下垫面上开展了近地层气象要素的观测研究。三江平原分布着大量的淡水沼泽湿地,是受全球气候变化和人类活动影响最显著的地区之一,对该区域的气候环境变化已进行了许多有意义的研究工作[10～13],但对于沼泽湿地贴地气层气象要素特征的研究并不系统,多数研究范围仅限于2m高度以下,且很少涉及气温和相对湿度的直减率研究。而本研究将贴地气层高度升高到15m,并设置6个观测高度,对这些高度的气温和相对湿度日变化及其他们的直减率特征进行了研究,从而为沼泽湿地微气象的深入研究提供基础数据,也为其他学科的研究提供参考。1观测时间和观测方式洪河国家级自然保护区(47°42′18″N～47°52′07″N,133°34′38″E～133°46′29″E)位于三江平原东北部的低平原上,总面积2.18×104hm2,地形平缓,海拔58～61m,地面坡降1/5000～1/10000,主要土壤类型为草甸沼泽土、腐殖沼泽土、潜育沼泽土和白浆土。在洪河国家级自然保护区缓冲区的气象、水文观测点(47°47′16.1″N,133°37′42.1″E)进行气象要素野外定点观测。观测点下垫面的植物主要有毛苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudocu-raica)和小叶章(Calamagrostisangustisfolia)。观测点夏季平均积水深度为5～20cm。观测点与最近的林地相距250m,符合小气候观测的要求。在2008年6月14～18日、7月29～31日和8月8～11日进行连续观测,观测期间有7天为晴天,分别为6月16日、17日和18日,7月30日和31日,8月8日和9日,对每月晴天的气温和相对湿度进行平均,以代表沼泽湿地当月晴天的气温和相对湿度,观测期间晴天的环境状况见表1。在距离地表0.5m、1.5m、3m、5m、8m和15m6个高度进行观测,利用大气温湿度传感器自动测定并记录气温和相对湿度。每个观测高度设置两个传感器作平行观测,取二者平均值作为此高度的观测值。在整点采集数据,每小时1次。本试验采用的大气温湿度传感器型号为JL-06,测量温度精度为±0.3℃,相对湿度精度为±3%。本文所有数据均运用Origin软件进行处理和分析。2结果与分析2.1沼泽湿地气层温度变化特征2.1.1气温和平均气温夏季晴天,沼泽湿地贴地气层6个观测高度的气温日变化基本一致(图1),气温日变化曲线为单峰型曲线。每日各个高度最高气温都出现在14∶00,且0.5m的值最大,其6月、7月和8月的晴天日平均最高气温分别为42.4℃、39.6℃和38.2℃。每日各个高度的最低气温都出现在03∶00,且0.5m的值最小,其6月、7月和8月的晴天日平均最低气温分别为15.9℃、16.9℃和13.5℃。夏季晴天,气温日较差随高度递减,6月、7月和8月晴天0.5m的气温日较差分别为26.6℃、22.6℃和24.7℃。日平均气温随高度递减,6月、7月和8月晴天0.5m的日平均气温分别为29.7℃、25.7℃和24.2℃。8月8～9日的平均气温在13∶00出现较低值(图1c),这主要是由于观测时有云的原因。2.1.2气温变化特征夏季晴天,6个高度气温廓线日变化规律基本一致(图2),呈现出较明显的夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型及傍晚过渡型4种气温廓线类型,与文献的结论相似。19∶00～04∶00为夜间辐射型气温廓线,由于辐射冷却的结果,热量由贴地气层输向地面,气温随高度递增呈逆温特征。夜间气温廓线近似平行,气温随时间不断降低,但降温幅度逐渐减小。不同高度最低气温都出现在03∶00,最低值出现在0.5m。05∶00～06∶00为早上过渡型气温廓线,气温由随高度递增转变为随高度递减。清晨日出后,地表开始迅速增温并破坏贴地气层的逆温分布,这个破坏过程逐渐由下层到上层,下层气温廓线已缓慢进入白天日射型,而上层仍处于夜间辐射型,但其强度已很微弱,至07∶00气温廓线已完全进入日间日射型。这段时间贴地气层内气温的升高速率也是一天中最大的,以0.5m气温变化为例,05∶00～06∶00升温速率分别为为5.7℃/h、2.9℃/h和6.5℃/h,06∶00～07∶00升温速率分别为3.7℃/h、3.3℃/h和4.9℃/h。07∶00～16∶00为白天日射型气温廓线,气温随高度递减。不同高度的最高气温都出现在14∶00,最大值出现在0.5m。8月8～9日14∶00～16∶00的平均气温廓线在3～5m出现逆温,但仅持续了约两小时。这是由于午后高层空气温度上升较快,在局部形成小型逆温状态,但随太阳高度角减小,太阳辐射对高层空气的增温作用减弱,逆温逐渐消失。17∶00～18∶00为傍晚过渡型气温廓线,气温由随高度递减转变为随高度递增。傍晚,随着太阳高度不断变小,下垫面迅速冷却,贴地层气温也随之下降。此时气温廓线下层已进入夜间辐射型,而上层仍保持为日射型,到19∶00气温廓线已完全进入夜间辐射型。这一时段降温速率为全天最大,以0.5m气温变化为例,17∶00～18∶00降温速率分别为6.03℃/h、5.65℃/h和4.25℃/h,18∶00～19∶00降温速率分别为6.27℃/h、7.1℃/h和6.75℃/h。2.1.3最大的支护密度夏季晴天,日平均气温直减率随高度减小(表2)。最大日平均气温直减率都出现在0.5～1.5m,8月8～9日的平均值最大,为1.65℃/m;最小日平均气温直减率出现在5～15m,最小值为7月30～31日的平均值,为-0.13℃/m。8月8～9日在3～5m出现局部逆温,但日平均气温直减率整体变化趋势为递减。0.5～15m的日平均气温直减率(7天平均)为0.10℃/m,0.5～15m的最大日平均气温直减率为8月8～9日的平均值,为0.14℃/m。2.2沼泽湿地气层的相对湿度变化特征2.2.1其平均最大相对湿度的测定夏季晴天,沼泽湿地贴地气层6个观测高度的相对湿度日变化基本一致(图3),相对湿度日变化曲线为U型,并与气温日变化曲线有较好的对应性。每日各个高度的相对湿度最大值都出现在03∶00,6月、7月和8月的晴天日平均最大相对湿度出现在0.5～1.5m,其值分别为97.8%、99.8%和99.6%。每日各个高度的相对湿度最小值都出现在14∶00,且0.5m的值最小;6月、7月和8月的晴天日平均最小相对湿度分别为15.5%、31.8%和36%。夏季晴天,相对湿度日较差随高度递减,6月、7月和8月晴天0.5m的相对湿度日较差分别为77.9%、66.55%和63.6%。日平均相对湿度随高度变化不明显,3个月0.5～15m的晴天日平均相对湿度分别为56.6%、75.9%和75.8%,7月和8月晴天的日平均相对湿度大于6月,这与研究区的降水规律相符。2.2.2湿度变化特征夏季晴天,沼泽湿地贴地气层6个高度的相对湿度廓线日变化规律基本一致(图4),可分为夜间和日间2种湿度廓线类型,夜间相对湿度随高度递减,日间相对湿度随高度递增。17∶00～04∶00为夜间型湿度廓线,相对湿度随高度递减。夜间相对湿度廓线近似平行,相对湿度随时间变化幅度较小。不同高度最大相对湿度都出现在03∶00,最大值出现在0.5～1.5m。17∶00～18∶00湿度升高速率最大,6月、7月和8月晴天夜间,0.5m的相对湿度增大速率分别为18.52%/h、28.35%/h和20%/h。05∶00～16∶00为日间型湿度廓线,相对湿度随高度递增,8m以下逆湿明显,最强逆湿出现在11∶00～13∶00,8～15m相对湿度整体随高度递减。日间相对湿度廓线近似平行,相对湿度随时间变化的幅度大于夜间。不同高度最小相对湿度都出现在14∶00,最小值出现在0.5m。06∶00～07∶00相对湿度降低最快,6月、7月和8月晴天日间,0.5m相对湿度减小的速率分别为-27.25%/h、-8.8%/h和-12.7%/h。沼泽湿地贴地气层的日间逆湿现象,与沼泽湿地植物蒸腾作用关系密切。白天,沼泽地表水蒸发剧烈,同时湿地植物通过的蒸腾作用向上层空气输送水分,大量水汽上升到高空,而低层空气湿度相对较小,形成逆湿。但这种逆湿只能上升到8m,8m以上相对湿度则随高度递减。夜间,植物叶片气孔关闭,蒸腾作用消失,地表积水成为唯一的水汽来源,相对湿度随高度递减。2.2.3空气中湿度的变化夏季晴天,日平均相对湿度直减率在0.5～1.5m为负值(表3),最强逆湿为6月16～18日的-3.10%/m。沼泽湿地植物夏季平均高度为50cm,白天植物蒸腾作用强烈,水汽上升到高层空气,因而形成0.5～1.5m的逆湿。1.5～15m的日平均相对湿度直减率随高度迅速减小,最大日平均相对湿度直减率出现在1.5～3m,6月16～18日的平均值最大,为3.89%/m;最小日平均相对湿度直减率出现在5～15m,7月30～31日的平均值最小,为-0.75%/m。8月8～9日在5m以下为逆湿,逆湿强度随高度迅速减小,至5m以上相对湿度已转为随高度递减,其日平均相对湿度直减率整体变化趋势为递减。0.5～15m的晴天日平均相对湿度直减率为0.16%/m,0.5～15m的最大日平均相对湿度直减率为,0.45%/m,出现在7月30～31日。3温度和湿度变化夏季晴天,沼泽湿地贴地气层气温日变化曲线为单峰型曲线。晴天各高度的最高气温都出现在14∶00,且0.5m的值最大,6月、7月和8月的晴天日平均最高气温分别为42.4℃、39.6℃和38.2℃;各个高度的最低气温都出现在03∶00,且0.5m的值最小,3个月的日平均最低气温分别为15.9℃、16.9℃和13.5℃。日平均气温和气温日较差都随高度递减。气温廓线有夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型及傍晚过渡型4种分布类型。夏季晴天0.5～15m的日平均气温直减率为0.10℃/m,日平均气温直减率随高度增加迅速减小,5个梯度的日平均气温直减率分别为1.03℃/m(0.5～1.5m)、0.41℃/m(1.5～3m)、0.03℃/m(3～5m)、-0.01℃/m(5～8m)和-0.03℃/m(8～15m)。夏季晴天,沼泽湿地贴地气层相对湿度日变化曲线为U型。晴天各个高度的最大相对湿度都出现在03∶00,6月、7月和8月的晴天日平均最大相对湿度出现在0.5～1.5m,其值分别为97.8%、99.8%和99.6%;各个高度的最小相对湿度都出现在14∶00,且0.5m的值最小,3个月的晴天日平均最小相对湿度分别为15.5%、31.8%和36%。相对湿度日较差随高度递减,日平均相对湿度随高度变化不明显,6月、7月和8月晴天0.5～15m的日平