霍文，金莉莉，王囝囝，慕文玲，楊帆，楊興華，劉永強，艾力·買買提明，劉新春，何清*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆塔中 841000；3.大連市氣象局，遼寧大連 116001）

沙漠陸面過程與沙漠小氣候研究進展

霍文1，2，金莉莉1，2，王囝囝3，慕文玲1，2，楊帆1，2，楊興華1，2，劉永強1，2，艾力·買買提明1，2，劉新春1，2，何清1，2*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆塔中 841000；3.大連市氣象局，遼寧大連 116001）

陸面過程是影響大氣環(huán)流和氣候變化的基本物理、生化過程之一。沙漠陸面過程及相應的小氣候效應已經(jīng)成為當前沙漠氣象研究的熱門問題。近年來，在沙漠陸面過程野外觀測、陸面過程特征及參數(shù)化、陸面過程模擬、小氣候及陸面過程對小氣候影響等方面已取得重大進展。本文對于沙漠小氣候、沙漠陸面過程及沙漠陸面過程參數(shù)化進行了簡要概述，重點總結(jié)了國內(nèi)外在沙漠地區(qū)氣候考察、沙漠邊界層高度、沙漠熱力環(huán)流、綠洲效應、塔克拉瑪干沙漠氣候特征、沙漠陸面過程野外觀測試驗及結(jié)果、沙漠陸面過程對氣候的影響、沙漠陸面過程參數(shù)化方案方面的成果，回顧了近年來利用地面觀測設備和數(shù)值模式等對氣候效應和陸面過程直接觀測和數(shù)值模擬所獲得的觀測事實和模擬試驗，并討論了其陸面過程參數(shù)化對模擬的影響，在總結(jié)前人研究成果的基礎上對未來的研究方向進行了討論。

塔克拉瑪干沙漠；沙漠陸面過程；小氣候效應

人為活動對地—氣能量平衡的影響而引起地表和大氣組分的變化，必然對區(qū)域性氣候產(chǎn)生影響，且已經(jīng)被大量野外試驗所證實[1]，并被眾多數(shù)學模型所模擬。研究人類活動對干旱沙漠地區(qū)局地性氣候的影響問題，是沙漠氣象學研究的有力切入點。將有助于更深刻地了解人類有意識改變下墊面的狀況下，沙漠與綠地之間局地氣候變化的互饋機制。亦可直觀、精確、有效的評估人類活動對小氣候、環(huán)境的影響，闡述小氣候變化對人為活動的響應。同時，可為國民經(jīng)濟和政府決策部門提供科學數(shù)據(jù)支撐，從而制定行之有效的環(huán)境保護對策，對改善人類生活環(huán)境都具有積極的科學意義。研究應從地球系統(tǒng)科學的角度出發(fā)，著眼于人類活動在沙漠地區(qū)引起的局地性氣候變化問題，以模擬研究與實地觀測并重，才能更全面地闡明和詮釋其中的細節(jié)性科學問題，這是一項實踐意義重大、科學生態(tài)意義深遠的工作。

隨著塔克拉瑪干沙漠公路沿線生態(tài)防護屏障及塔克拉瑪干沙漠腹地石油基地人工綠地建成后，區(qū)域性下墊面性質(zhì)有所改變，帶來了地表溫度、近地層溫濕度、風速、地表粗糙度、反照率以及土壤微環(huán)境等特征參數(shù)的變化，使得近地層能量分配格局發(fā)生改變，區(qū)域性氣候因子重新排列組合，形成有別于沙漠極端氣候的局地綠地小氣候。

1 研究進展

1.1 沙漠小氣候研究進展

沙漠是干旱區(qū)特殊的自然景觀。對于干旱地區(qū)，量化氣候的重要參數(shù)包括：年降水日數(shù)，年平均降水量，降水量的平均季節(jié)分配，月平均日最高溫度和月平均日最低溫度，年平均極端溫度，近地面平均風速，沙塵暴的天數(shù)。任何一個參數(shù)的變化，都會影響地表的干燥度和植被覆蓋度[2]?？偟膩碚f，有很多方法可以用于研究沙漠地區(qū)歷史上的氣候變化和干旱。根據(jù)Smith[3]的總結(jié)，列舉了一些用于干旱區(qū)氣候變化研究的方法。這些方法可能比常用的方法更為復雜。包括歷史記錄、考古資料、樹木年輪、孤立的動植物群落殘遺、動植物化石、古湖岸線、沙灘、鹽沉積、干涸的河道、沙丘的穩(wěn)定或活化、土壤剖面、洪水等。例如：當氣候發(fā)生變化時，有時古氣候環(huán)境下動植物殘遺就在小生境中生存下來。Betancourt等[4]利用嚙齒動物的糞便化石研究22 000年前的阿塔卡馬沙漠的季風性降水。在尼雅、樓蘭時期出土文書和木簡就有關于塔克拉瑪干沙漠及氣候的記載[5]。

沙漠小氣候的研究是沙漠氣候研究的另一分支，其涉及的研究領域也很廣泛，例如沙漠植被、地下水、微氣象、沙漠局地地形環(huán)流、土壤濕度、地表溫度，綠洲效應等等。沙漠基質(zhì)-沙礫、鹽灘、礫石、基巖等，有時隨地點不同差異很大。即使基質(zhì)表面看起來一樣，在表層以下也常有所不同，如Ackerman和Inoue通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)比較了撒哈拉大沙漠內(nèi)部一個表面明顯一樣的區(qū)域的反照率和長波輻射通量，發(fā)現(xiàn)其相關并不好，由此推斷土壤基質(zhì)的比熱一定有顯著差異[6]。

隨著社會的發(fā)展，在沙漠邊緣的綠洲區(qū)域，人們在和風沙、干旱作斗爭的生產(chǎn)生活過程中，開始初步認識沙漠氣候[7-9]。近代，隨著生產(chǎn)力水平的提高，人類開始對沙漠氣候進行理性的思考，初步進入研究階段，俄國人布亞科夫斯基和萊茵特爾普爾熱瓦爾斯基、羅波夫斯基、克萊門茨等來新疆考察，進行了簡單的氣象觀測和海拔高度的測量[10]。

（1）沙漠邊界層高度方面。邊界層高度是許多類型小氣候差異的一個表征因子。如不同下墊面類型或濕度的差異能影響感熱通量，而感熱通量對邊界層高度有較大影響。Warner和Sheu采用精確定量的模擬方法，研究地形、海岸環(huán)流以及沙漠地表特征變化對阿拉伯沙漠邊界層的影響[11]。Humes和Kustas研究了降水量對夏天地表溫度、感熱通量及小氣候的影響[12-13]。大量的試驗和模擬研究表明，地表水平方向能量收支的差異（即小氣候）能導致風場中尺度環(huán)流的形成，進而對局地氣候造成較大的影響。

（2）沙漠熱力環(huán)流方面。許多沙漠中有山區(qū)，甚至沙漠被山區(qū)環(huán)繞。上風向的山脈會造成干旱。許多沙漠地區(qū)因被山區(qū)包圍，形成閉合的內(nèi)陸盆地。地形造成的熱力直接環(huán)流能極大地影響與其毗鄰的沙漠上空的風場和邊界層高度。在其它關于復雜地形邊界層結(jié)構(gòu)的研究中，也有很多結(jié)果表明與熱力驅(qū)動的山谷環(huán)流相關的下沉氣流對白天谷地邊界層的抑制[14]。

（3）沙漠綠洲效應方面。當綠洲或者其它干旱灌溉區(qū)域尺度足夠大時，其影響會大于上述的局地影響。從沙漠小氣候相互作用的角度，這里所說的“綠洲效應”是指當干熱空氣水平流經(jīng)中等尺度、地表濕度較高的區(qū)域時，地表熱量和濕度通量產(chǎn)生變化的效應。這些綠洲區(qū)域與周圍的干燥氣候的差異能夠形成熱力環(huán)流。Yan和Anthes總結(jié)了濕地區(qū)域邊界層環(huán)流的形成[15]。Chen等、Chase等使用模式模擬了北美洲半干旱大平原灌溉區(qū)中尺度環(huán)流對遠距離地區(qū)的影響[16-17]，模擬結(jié)果顯示它對夏季降水量的影響可以越過落基山到達山脈西側(cè)。Segal等模擬了在半干旱大平原的同樣位置的灌溉農(nóng)田邊緣局地環(huán)流的形成[18]。張艷武等[19]分析了綠洲檉柳林的小氣候特征：在檉柳林內(nèi)，地表和近地層大氣溫度有明顯的日變化，日間地表給大氣加熱，大氣溫度呈超絕熱遞減率隨高度遞減；夜間大氣給地表加熱，大氣穩(wěn)定層結(jié)，近地層空氣濕度的日變化與溫度相反，林內(nèi)空氣濕度的垂直分析主要取決于冠層與地表吸收太陽輻射狀況，白天以上升氣流為主；夜間以下沉氣流為主，綠洲荒漠效應已經(jīng)不明顯。高艷紅，呂世華使用美國NCAR非靜力平衡模式MMSV3，模擬了黑河地區(qū)非均勻下墊面局地小氣候效應，再現(xiàn)了山谷風環(huán)流及夏季“綠洲效應”、沙漠上的“逆濕”和由于地表熱力分布不均勻引起的綠洲—沙漠垂直環(huán)流等綠洲—沙漠相互作用的典型特征，較全面地揭示了非勻地表大氣邊界層內(nèi)的風、溫、濕度場與陸面相互作用的物理機理，驗證了野外實驗的結(jié)果[20]。王君厚等通過對烏蘭布和荒漠東北邊緣人工綠洲內(nèi)和荒漠對照區(qū)各小氣候因子連續(xù)12 a的同步觀測，采用模糊綜臺評判方法，全面定量分析了防護林體系不同時期的小氣候效應及變化規(guī)律[21]。肖彩虹等指出人工綠洲對災害性天氣具有抑制作用[22]。目前，國內(nèi)外學者對于沙漠小氣候的研究涉及到沙漠化、綠洲化過程中的很多氣象參數(shù)和能量表征參數(shù)的變化，也在逐步揭示這些過程中的局地氣候效應問題。

（4）塔克拉瑪干沙漠氣候方面。瑞典人斯文·赫定（Seven Hedin）于1895年4月23日—5月8日進入塔克拉瑪干和田河探險，并測知白天最高溫度為90℉。他在1927年組織了中瑞西北科學考察團，在若羌、庫車、烏魯木齊（迪化）等地設立4個固定測候所，除地面觀測外，還進行高空測風，這可能是新疆最早的高空探測資料。英國籍匈牙利人斯坦因曾4次進入塔克拉瑪干腹地探險，雖然測得一些零星資料，但對塔克拉瑪干沙漠來說，是十分珍貴的資料。最有論點立說的是美國漢丁（Hantington），他在1904年隨著卡萊基財團組織的新疆探險隊進入羅布泊和塔克拉瑪干考察后，看到南疆的沙漠化、河水斷流和土地消失現(xiàn)象，得出了一個結(jié)論，認為塔里木盆地氣候和塔克拉瑪干地區(qū)氣候是一直變干的，發(fā)展下去，將成為不可逆轉(zhuǎn)的干旱氣候，給當?shù)厝嗣駧頊珥數(shù)臑碾y。

氣象學家李憲之于1927年隨中瑞西北科學考查團，在塔克拉瑪干東南緣的若羌建立了氣象站，進行氣象觀測。在柏林大學學習期間，他將西北考察時所收集的部分資料整理成文，發(fā)表了《塔克拉瑪干沙漠對若羌長期天氣的影響》，提出冷空氣活動和氣旋對這一干旱地區(qū)降水的影響，修正了前人所謂中亞沒有一般氣旋的看法[23]。1930年，地理學家陳宗器等人隨西北科學考察團，沿塔里木河南下，對沙漠氣候作了詳細的觀測和記載[24]。1993年，新疆石油管理局以克拉瑪依油田和塔中油田的氣象、氣候資料為基礎編寫了《石油與氣象》，本書應用氣象學理論和方法，解決石油生產(chǎn)中的各種氣象問題，提供氣象、氣候資料在石油工業(yè)的應用[25-31]。2000年，中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所的潘伯榮、徐新文、雷加強等科研人員開展了“塔中油田生物防沙綠化示范工程技術”項目，以保證塔中的石油開發(fā)和塔中沙漠公路的安全，期望在沙漠腹地建構(gòu)符合自然-社會-經(jīng)濟和諧的、有人工綠地的生態(tài)系統(tǒng)。2003年，由李江風研究員在總結(jié)前人工作的基礎上，編著了《塔克拉瑪沙漠和周邊山區(qū)天氣氣候》一書，該專著是塔克拉瑪干沙漠綜合考察成果，該書較為全面地闡述了塔克拉瑪干和周邊山區(qū)天氣氣候形成的原因和機理，天氣氣候的特征、規(guī)律以及氣候資源和災害氣候變化等方面的問題[32]。

在塔克拉瑪干沙漠腹地，由于人工綠地面積的不斷擴大及人工植被蒸騰作用的加強，必然導致人工綠地中近地層相對濕度，溫度、地表溫度、地中溫度的降低，改變了流動沙漠的水熱條件。由于植被的影響，地面濕潤程度的增加，減低了地表的反射率，增加了對地表輻射的吸收，使輻射平衡值增大，溫度變化趨于和緩。人工綠地在生長季，具有減小貼地面風速和水土保持的功能，降低風沙性災害天氣的侵蝕程度。

因此可以認為，塔克拉瑪干沙漠腹地局地性氣候效應對人類正常的工作、生活都是有著正影響的。隨著塔中石油基地人工綠化工作的不斷深入，針對局地性小氣候的研究也隨之展開，但是依然缺乏人工綠地局地性氣候系統(tǒng)性的觀測研究。顧峰雪等[33]對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地風沙土的理化性質(zhì)進行了研究，指出不同植被類型和利用方式的綠地土壤理化性質(zhì)有差異。單娜娜等[34]對塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地條件下微量元素變化規(guī)律進行了研究。周智彬等[35]對塔里木沙漠公路防護林地進行實地觀測和試驗，研究咸水灌溉條件下沙地鹽分淋溶后在土壤中重新分配和運移的規(guī)律。王健、何清等[36]通過對塔克拉瑪干沙漠公路中段兩側(cè)不同下墊面進行小氣候分析，比較其差異來說明自然沙面、草方格、低矮防護林帶、沙石路面等的不同防沙能力。周智彬，李培軍[37]對咸水灌溉條件下的塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地土壤微生物的分布規(guī)律和環(huán)境因子對土壤微生物分布的影響進行了研究，結(jié)果表明人工綠地建成后土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況得到改善，土壤微生物在時間和地域分布上呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。土壤微生物區(qū)系組成中細菌占絕對優(yōu)勢、放線菌次之、真菌最少，表層微生物數(shù)量遠多于下層土壤。艾力·買買提明指出我國塔中地區(qū)受油田防護林帶的影響，防護林帶外圍的氣溫、相對濕度比被其包圍的作業(yè)區(qū)的變化幅度小，風速比作業(yè)區(qū)大。作業(yè)區(qū)的小小氣候效應比較顯著。嚴坤利用小氣候觀測資料分析了塔里木沙漠腹地人工灌溉林地小氣候特征及其影響因素，并與林地外原始流沙地進行了對比。

總之，氣候是一個復雜的問題，沙漠氣候亦是如此，由于圈層及陸地表面之間的相互作用非常復雜，導致氣候變化對作用于氣候系統(tǒng)的外部驅(qū)動力（如太陽輻射的差異）的響應也很復雜，因此很難將系統(tǒng)之間的交互作用和反饋研究清楚。許多研究表明氣候變化具有特定的表現(xiàn)形式。例如，研究發(fā)現(xiàn)冰期循環(huán)或厄爾尼諾事件的頻率會影響干旱，但沒有更深入地研究是什么原因?qū)е逻@些事件的發(fā)生。全球尺度的氣候響應與氣候的外部驅(qū)動力之間的聯(lián)系（如太陽輻射和日地幾何關系）已經(jīng)開始有所涉及，但是很多氣候機理問題還不能進行科學的解釋和闡述，尚需所有致力于氣候研究學者的共同努力。

1.2 沙漠地區(qū)陸面過程研究進展

由于氣候變暖和人類生存環(huán)境的惡化，以地球為對象的全球變化研究成為當代世界科學的一個前沿研究領域，陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究越來越受關注[38-39]。陸—氣之間的水熱交換過程成為表征下墊面與其上層大氣相互作用的一個重要參數(shù)，在數(shù)值預報和氣候模式中起到重要作用[40]。陸面過程的核心問題是地表物質(zhì)和能量交換等物理過程如何用數(shù)學來表示，地氣之間的物質(zhì)和能量交換在原則上是由能量和物質(zhì)守恒方程控制，陸面特征在方程中起主導作用。所以對表征陸面物理特征參數(shù)的描述成了陸面過程參數(shù)化中關鍵問題。

（1）陸面過程野外觀測試驗方面。20世紀80年代中開始，在WCRP和IGBP的協(xié)調(diào)組織下，世界各國開展了一系列大型陸面過程實驗，這些實驗總數(shù)已超過50個（歐洲14、非洲5、北美17、南美2、亞洲9、澳大利亞4）。陸面過程野外觀測試驗是陸面過程研究的一項重要內(nèi)容。從20世紀80年代中期開始，國際上進行了一系列大型陸面過程野外觀測試驗，其研究中心主要分布在巴西亞馬孫流域、美國、加拿大、法國、德國、英國、非洲、波羅的海、西班牙、俄羅斯勒拿河流域、泰國湄南河流域。

國際上進行的沙漠陸面過程野外觀測試驗主要有：（EFEDA）歐洲沙漠化地區(qū)陸面研究計劃和（HEIFE）黑河試驗。“黑河地區(qū)地氣相互作用觀測試驗研究（HEIFE）”是我國最早的陸面過程野外試驗，它開創(chuàng)了我國陸面過程研究的先河，也是亞洲第一次國際合作進行的大型陸面過程試驗，被列為世界氣候研究計劃（WCRP）中水文大氣先行性實驗（HAPEX）和國際地圈生物圈計劃（IGBP）中的一部分[41]。我國還開展了“中國西部環(huán)境和生態(tài)科學研究計劃”、“西北干旱區(qū)陸—氣相互作用觀測試驗研究（NWC-ALIEX）”[42]、“干旱化和有序人類活動觀測試驗”、沙漠—綠洲和濕地下墊面大氣邊界層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究、“沙漠—綠洲陸氣相互作用及綠洲效應的數(shù)值模擬”、稀疏植被下墊面與大氣相互作用研究、中國西部環(huán)境和生態(tài)科學研究計劃。

雖然我國20多年的陸面過程試驗研究工作取得了一些很有價值的科學結(jié)果，為國際陸面過程試驗研究做出了貢獻，也使我國陸面過程試驗研究在國際上取得了一定地位，但與美國、歐洲相比差距仍然很大。我國的陸面過程實驗和地氣相互作用研究居于世界前列。在著名氣象學家葉篤正和高由禧教授的倡議和領導下,國家自然科學基金和中國科學院重大項目“黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測實驗研究”（HEIFE）1987年正式立項，1989年被列入中日兩國政府間文化交流協(xié)定。1993年HEIFE完成后，仍繼續(xù)由中日、中歐科學家合作進行了多次后續(xù)觀測研究。

（2）陸面過程對氣候影響方面。陸面過程對干旱區(qū)域氣候影響的研究開展得較早，關于這方面的研究，最早是大氣科學家們用大氣模式開展的一系列敏感性試驗研究，如Charney[43]在撒哈拉沙漠進行了反照率敏感性影響研究，指出反照率上升會導致空氣變涼和降水減少；Sud等[44]在撒哈拉沙漠進行了地面粗糙度敏感性試驗，認為地表植被覆蓋度是決定地表粗糙度的主要因子，對邊界層水汽輸送和降水分布有著巨大影響。ShuKla等著手土壤濕度變化對沙漠小氣候效應的研究[45]。Xue等對植被退化荒漠化對其鄰近地區(qū)的氣候影響及Nicholson等對非洲地區(qū)沙漠化的研究等[46-48]。Xue用SSiB陸面模式對土壤屬性的敏感性研究表明，土壤水分參數(shù)化在模型中是關鍵的參數(shù)，飽和導水率參數(shù)、萎焉點對土壤水分模擬能產(chǎn)生深遠影響。劉樹華等[49]建立了一個研究荒漠下墊面陸面物理過程與大氣邊界層相互作用的模式，模擬了荒漠下墊面的土壤環(huán)境物理、地面熱量通量、蒸發(fā)、蒸散及大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征。鮑艷等[50]根據(jù)敦煌陸面觀測資料，校正了陸面過程模式Land Surface Model（Version1.0）中的土壤類型、土壤熱容量、熱傳導率、地表粗糙度長度等參數(shù)，改進了地表蒸發(fā)方案。Yang等[51]提出了一種裸土或無植被覆蓋環(huán)境下的新的熱力學粗糙度參數(shù)化方案并進行了驗證，該方案與前人相比更全面反映出該參數(shù)的物理機制。

1.3 沙漠陸面過程參數(shù)化研究進展

參數(shù)化方案對深刻認識陸面過程的物理機理及其數(shù)值天氣預報和氣候數(shù)值模擬研究起重要作用，最早提出地—氣相互作用參數(shù)化的是Deardorff，他考慮了地面和葉面反照率、凈葉面積指數(shù)、氣孔阻力及保留在葉面上的水等參數(shù)的影響，提出了陸面過程中水熱交換參數(shù)化方案并運用到氣候模式中。此后，許多研究者也在這方面進行了大量的工作，但大部分的陸面過程參數(shù)化研究工作主要集中于濕潤區(qū)，對干旱區(qū)乃至沙漠區(qū)的研究較少。

房云龍等[52]對CoLM模式中反照率、粗糙度長度和土壤熱力性質(zhì)進行了優(yōu)化，給出了地表反照率與太陽高度角和土壤濕度參數(shù)化方案，并對敦煌戈壁的陸面過程進行了模擬分析，表明優(yōu)化參數(shù)的CoLM對干旱區(qū)陸面過程模擬性能有所提高。張強等[53]分析了敦煌地區(qū)荒漠戈壁地表反照率與太陽高度角和土壤濕度的關系以及土壤熱傳導率與土壤濕度的關系，給出了地表反照率和土壤熱傳導率的多因子參數(shù)化公式。鮑艷等[54]根據(jù)“綠洲系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過程觀測試驗”，給出了地表反照率參數(shù)化方案，用BATS模式證明了考慮太陽高度角變化的裸土反照率參數(shù)化可以改善沙漠、戈壁地表輻射和熱狀況模擬。Zhang and Huang通過NWC-ALIEX試驗，獲得干旱和半干旱區(qū)總體輸送系數(shù)、地面反照率、表面粗糙度、土壤濕度影響因子和土壤熱力參數(shù)等一系列陸面過程參數(shù)，尤其是對荒漠戈壁下墊面陸面過程參數(shù)的確定[55]。

Yang等[56]提出了一種裸土或無植被覆蓋環(huán)境下的新的熱力學粗糙度參數(shù)化方案并進行了驗證，該方案與前人相比更全面反映出該參數(shù)的物理機制。Yang等通過對青藏高原西部荒漠區(qū)和黑河沙漠及戈壁區(qū)域的數(shù)據(jù)研究，進一步修正了裸地表面熱力學粗糙度計算方法，給出了一種半經(jīng)驗的計算空氣動力學粗糙度、地表比輻射率的新方法。Liu等將熱力學粗糙度參數(shù)化方案應用到塔克拉瑪干沙漠腹地，具有很好的指導意義。輸送系數(shù)研究方面，左洪超和胡隱樵[57]用梯度輸送理論計算了HEIFE試驗區(qū)沙漠、戈壁動力輸送系數(shù)；任宏利等[58]用變分法計算了敦煌戈壁熱力輸送系數(shù)；王慧等[59]用渦旋相關法計算了鼎新戈壁動力輸送和熱力輸送系數(shù)。梅凡民等[60]利用風溫廓線法在毛烏素平坦沙地上進行了觀測試驗，分別計算了中性、穩(wěn)定、不穩(wěn)定大氣層結(jié)的空氣動力學粗糙度。何清等[61]研究了塔克拉瑪干沙漠不同地區(qū)的空氣動力學粗糙度，得出粗糙度隨下墊面性質(zhì)變化明顯，與穩(wěn)定度呈正相關，與風速呈負相關，摩擦速度隨粗糙度增大而減小。Yang等[62]通過對青藏高原西部荒漠區(qū)和黑河沙漠及戈壁區(qū)域的數(shù)據(jù)研究，進一步修正了裸地表面熱力學粗糙度計算方法，給出了一種半經(jīng)驗的計算空氣動力學粗糙度、地表比輻射率的新方法。Liu等[63]將熱力學粗糙度參數(shù)化方案應用到塔克拉瑪干沙漠腹地，展示了良好的指導意義。

2 科學問題研究展望

沙漠氣象是我國現(xiàn)代氣象科研和業(yè)務體系的重要組成部分，在提高沙漠及其周邊地區(qū)天氣氣候預報水平及防災減災中占有重要地位。開展沙漠氣象研究是支撐現(xiàn)代氣象業(yè)務發(fā)展的重要保證，是國家氣象科技創(chuàng)新體系建設的重要任務之一。

沙漠地表有著特殊的陸面物理過程，下墊面通過邊界層對大氣的加熱作用與全球其它區(qū)域相比有明顯差異，陸面過程和大氣邊界層是極端天氣形成及氣候變化的關鍵環(huán)節(jié)，陸面過程和大氣邊界層是改進數(shù)值模式模擬能力的兩個重要方面。目前我國在沙漠地區(qū)陸—氣相互作用方面的研究處于萌芽階段，區(qū)域數(shù)值模式的預報能力不高，沙漠區(qū)天氣氣候形成動力學機制理解不足，北方沙漠區(qū)地表起沙及其輸送機理等方面研究不多。經(jīng)過近年的發(fā)展，我國初步建立了具有沙漠區(qū)域特色的基礎觀測、應用與理論研究相結(jié)合的沙漠氣象研究體系。

隨著科技和社會經(jīng)濟發(fā)展，沙漠及其周邊地區(qū)現(xiàn)代天氣氣候預報預測準確率、精細化程度等越來越不能滿足國家防災減災和氣象服務日益增長的需求，沙漠氣象科研需要從以下幾方面進行攻關和突破：沙漠邊界層結(jié)構(gòu)和地表起沙輸送過程觀測試驗，描述較為準確的沙漠—地氣相互作用陸面過程模式和參數(shù)化，沙漠—大氣之間的復雜耦合系統(tǒng)和正、負反饋作用影響機理，沙漠區(qū)域數(shù)值模式預報能力改進，沙漠及其周邊災害性天氣氣候發(fā)生發(fā)展規(guī)律和形成機制等科學問題。通過組織實施沙漠及其周邊地區(qū)陸—氣相互作用聯(lián)合觀測試驗和開展關鍵技術攻關，獲取沙漠-綠洲大氣邊界層水熱特征參數(shù)、風沙二相流結(jié)構(gòu)，近地層起沙特征參數(shù)、沙塵數(shù)值預報模式和定量遙感基礎參數(shù)，增強綜合觀測資料的應用能力，提高區(qū)域數(shù)值模式模擬和預報能力，揭示沙漠及其周邊地區(qū)災害性天氣氣候形成動力學機制，解決沙漠氣象科研業(yè)務發(fā)展中的關鍵性問題，建立中國沙漠氣象科學創(chuàng)新基地，為國家和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及氣象事業(yè)發(fā)展提供科技支撐。

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Review on the Desert Land Surface Process and Regional Climate Effect

HUOWen1，2，JIN Lili1，2，WANG Nannan3，MUWenling1，2，YANG Fan1，2，YANG Xinghua1，2，LIU Yongqiang1，2，AliMamtimin1，2，LIU Xinchun1，2，HEQing1，2
（1.Institute of DesertMeteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment Station，Tazhong 841000，China；3.Dalian Meteorological Bureau，Dalian 116001，China）

The land surface process is one of the basic physical and biochemical processes that affects the atmospheric circulation and climate change.The desert land surface processes and its corresponding regional climate effect have gradually become a hot issue in desertmeteorology field. In recent years,important progress has been made in the field observation of desert land surface process,characteristics of land surface process and parameterization,land surface process simulation,regional climate effect and the influence of land surface process on regional climate.In this paper,the desert microclimate,desert land surface processes and the parameterization were introduced briefly.Also emphasis on summarizing achievements of the desert climate investigation, desert boundary layer height,desert thermal circulation,oasis effect,climate characteristics of the Taklimakan desert,field observations of desert land surface process,the influence of desert land surface processes on climate,desert land surface parameterization schemes at home and abroad. Moreover,the observational facts and the results of simulation experiments which was got by using observation equipment and numerical model on climatic effects and land surface process was reviewed in recent years.Besides,the influence of parameterization of land surface process on simulation and the future research direction was discussed.

Taklimakan desert；desert land surface process；regional climate effect

P463.2

A

1002-0799（2016）05-0087-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.013

2016-03-01；

2016-04-13

國家自然科學基金項目（41305107、41375163、41175140）、公益性行業(yè)專項（GYHY201306066）共同資助。

霍文（1981-），男，副研究員，主要從事沙漠氣象研究。

E-mail：huowenpet@idm.cn

何清（1965-），男，研究員，主要從事沙漠氣象研究。

E-mail：qinghe@idm.cn

霍文，金莉莉，王囝囝，等.沙漠陸面過程與沙漠小氣候研究進展[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（5）：87-94.