近地表气温垂直递减率是高寒山区水文模拟的关键输入参数之一，对于融雪/融冰径流模拟、水资源监测与管理等具有重要意义。山区近地表气温垂直递减率受山区环境的垂直变化影响明显，即同一山区不同垂直单元上的近地表气温垂直递减率及其时间变化趋势并不相同，但现有研究尚未揭示山区环境垂直变化对近地表气温垂直递减率的影响。
为此，南京大学高分辨率遥感实验室于2014~2016年在天山北坡玛纳斯河流域山区海拔1052~3920 m之间部署了18个温度传感器，首次获取了覆盖山地草地带、山地针叶林带、高山草甸带、雪冰带的近地表气温时间序列数据，并估算了玛纳斯河流域山区不同垂直单元的近地表气温垂直递减率，探讨了不同垂直单元上近地表气温垂直递减率的时序变化特征及山区环境对其影响机制。
图1 玛纳斯河流域山区野外观测路线和观测点分布图
近地表气温垂直递减率的大小由不同海拔近地表气温的差异决定，而不同海拔的近地表气温受空气湿度、土壤湿度、植被覆盖率等影响显著。结合天山北坡垂直自然带的分布特点、中国精细分辨率土壤湿度数据、MODIS植被覆盖率数据可知，随着海拔的升高，天山北坡的空气湿度、植被覆盖度和土壤湿度总体上呈现先升后降的趋势，且拐点（峰值）出现在山地针叶林带。而近地表气温和地表温度的变化速度的垂直变化趋势与上述正好相反，即随海拔的升高呈现先下降后上升的趋势，且拐点（谷值）出现在山地针叶林带。因此，以山地针叶林带为界，将天山北坡划分为两个垂直单元来研究近地表气温垂直递减率。结合野外实测数据，将山地草地-针叶林带合并一个垂直单元，将高山草甸带视为一个垂直单元，分别估算了年、季、月和日尺度的近地表气温垂直递减率。
图2 天山北坡各垂直自然带上空气湿度、植被覆盖度、土壤湿度以及对应的近地表气温和地表温度变化速度示意图
结果显示，山地草地-针叶林带和高山草甸带的年均近地表气温垂直递减率分别为–0.53 ℃/100 m和–0.62 ℃/100 m，且两个垂直单元的季平均近地表气温垂直递减率变化均较大。山地草地-针叶林带的季平均近地表气温垂直递减率变化区间为–0.85 ~ 0.31 ℃/100 m；冬季为正值，表明此时在山地草地-针叶林带有稳定的逆温层；最大值出现在夏季，即太阳辐射最强的季节，表明在无逆温时太阳辐射增强扩大了高低海拔处近地表气温的差异。高山草甸带的季平均近地表气温垂直递减率变化区间为–0.78 ~ –0.42 ℃/100 m，最大值出现在春季（融雪期），这一现象与融雪期内积雪的垂直空间分布和积雪的冷却效应有关。
图3 山地草地-针叶林带（上）和高山草甸带（下）的季平均近地表气温递减率
高山草甸带的月平均近地表气温垂直递减率在一年之内出现两次峰值（4月和9月）、两次谷值（6月和12月）（图4b）。该现象除了与近地表气温的变化快慢有关，还与季节性积雪的消融和积累过程及其垂直分布有关。在融雪期内，季节性积雪从低海拔开始消融，至4月时，低海拔的积雪基本消融殆尽，高山草甸带较高海拔处还存有一定积雪。积雪的高反照率将反射大量太阳辐射，且积雪的温度将始终维持现在0℃以下，其对近地表气温的冷却效应将显著扩大高低海拔的近地表气温差异。当季节性积雪完全消融之后，由于低海拔的近地表气温变化速度慢于高海拔，而低海拔的近地表气温高于高海拔，故在4~7月期间随着太阳辐射增强，高低海拔的近地表气温差异呈缩小趋势；在7~9月份期间，随着太阳辐射的减弱又呈现增强趋势。在9月，进入新的积雪积累期，且高海拔先有积雪，此时积雪的冷却效应导致高低海拔的近地表气温差异达到另一个峰值；在9月至次年3月，研究区逐渐被季节性积雪全部覆盖，高低海拔的近地表气温差异随太阳辐射的减弱而减弱，反之亦然。因为低海拔的近地表气温变化慢于高海拔，且低海拔的近地表气温高于高海拔。
图4 山地草地-针叶林带（a）和高山草甸带（b）的月均近地表气温垂直递减率
天气晴朗时，高低海拔近地表气温差异随太阳辐射的变化在日尺度上更为明显，且其在山地草地-针叶林带和高山草甸带上的变化趋势截然不同（图5和6）。在春季、夏季和秋季，山地草地-针叶林带上的近地表气温垂直递减率随温度升高而增强，随温度降低而减弱。然而，在高山草甸带上，近地表气温垂直递减率随温度升高而减弱，随温度降低而增强。因此，天气晴朗时，正弦函数可以较好地模拟近地表气温垂直递减率的日变化过程。
图5 山地草地-针叶林带逐小时近地表气温垂直递减率正弦模拟结果
图6 高山草甸带逐小时近地表气温垂直递减率正弦模拟结果
该研究成果近日以“Altitudinal and Temporal Variations of Near-Surface Air Temperature Lapse Rate on the Northern Slope of the Tianshan Mountains”为题发表于期刊Journal of Applied Meteorology and Climatology，论文第一作者为中南林业科技大学杨永可博士，通讯作者为南京大学肖鹏峰教授，南京大学冯学智教授、张学良副教授等指导了该研究。该研究得到国家自然科学基金（42001275和42171307）、湖南省自然科学基金（2020JJ5980）和中南林业科技大学人才引进项目（2018YJ032）资助。
Yang, Y., Xiao, P., Zhang, X., Feng, X., Wang, J., Ye, N., Wang, Z., He, G., Ye, L. (2022). Altitudinal and Temporal Variations of Near-Surface Air Temperature Lapse Rate on the Northern Slope of the Tianshan Mountains. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 61, 1881-1892. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-21-0207.1.
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