融雪期中国天山西部山地表层积雪能量收支特征

表层积雪的能量收支特征对积雪物理特性变化和融雪等过程具有重要影响。本研究利用2010年融雪期在中国科学院天山积雪雪崩研究站内的雪层密度、含水率、雪层温度以及热通量等观测数据,分析在距雪表40 cm范围内雪层能量收支的时空变化特征。结果表明:表层积雪的能量交换主要发生在距雪表20 cm范围内,短波穿透辐射是表层积雪最重要的能量来源。热传导、短波穿透辐射和潜热均随时间逐渐增加。在过渡期和融雪前期,表层积雪的平均总能量为负,融雪主要发生在积雪表层。由于夜晚潜热影响使得融雪后期表层积雪总能量为正值。融雪能影响整个雪层。     

基于常规气象资料融雪模式的建立及应用

以能量平衡方程为基础,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,建立了利用常规气象观测资料预测雪面温度和积雪深度变化的融雪模型。利用2009年1—3月以及2009年12月—2010年1月在湖北恩施雷达站的积雪观测数据进行模拟和验证,结果表明：该模型对于雪面温度和积雪深度都有较好的模拟效果。当下垫面导热系数λg〈0.5时,下垫面对雪深的影响很小;当λg≥0.5时,积雪融化速度随λg的增大而加快,说明下垫面的热传导是影响积雪深度变化的主要因素之一。     

热带西太平洋海面通量与气象要素关系的诊断分析

用ＴＯＧＡＣＯＡＲＥ加强期在赤道带西太平洋暖池中的观测船ＭｏａｎａＷａｖｅ和浮标获得的小时风、温、湿、海温资料计算了海面各种通量。分析潜热通量随海面温度ＳＳＴ的变化特征,发现小风期潜热通量ＬＨ在某ＳＳＴ处出现最大值,大风时不出现此现象,即ＬＨ随ＳＳＴ变化的主要原因是风随ＳＳＴ的变化,其次是气海湿度差Δｑ及传输系数ＣＥ随ＳＳＴ的变化。用相关分析法分析小风期、西风爆发期、对流扰动期等不同时期中各通量与各气象要素的关系发现,潜热通量和动量通量主要决定于风,对感热通量起作用的主要是气海温差,降水也可通过气海温差和风影响感热通量。     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

青藏高原东部不同季节积雪过程对地表能量和土壤水热影响的观测研究

选取青藏高原(下称高原)东部玛曲、玛多和垭口3个野外站点的观测资料,针对不连续积雪过程,研究高原东部不同季节的积雪过程对地表能量和土壤水热的影响。结果表明:受积雪高反照率的影响,高原东部地区各季节降雪后净短波辐射减小,净辐射较降雪前减小60%～140%;积雪积累期内感热、潜热及土壤热通量均减小,感热通量和土壤热通量出现负值。春、秋两季积雪过程中,能量以感热、潜热和土壤热通量三种形式分配;冬季积雪过程中能量以感热和土壤热通量分配为主,潜热通量较小,日均值在10 W·m~(-2)左右;而夏季积雪消融期潜热通量较大,日均值可达80 W·m~(-2)左右。各季节积雪的反复积累和消融过程对大气及土壤均以降温作用为主。秋季降雪后,气温和浅层土壤温度降低,当土壤温度降到冰点以下时,土壤提前进入冻结期;而春季降雪后,则可能使得正在发生融化的土壤又再次冻结。冬季晴天积雪过程中,在积雪积累期,积雪对土壤起增温作用,0～20 cm土壤温度日均值升高1～2℃,导致浅层冻结土壤融化,土壤含水量略增加,在消融期,积雪对土壤仍起降温作用;而冬季阴天积雪对土壤均为冷却作用。夏季积雪积累期较短,降雪对土壤同样起明显的降温作用。     

夏季青藏高原地表能量变化对高原低涡生成的影响分析

利用1986-2015年夏季一日4次的ERA-Interim再分析资料,统计分析了近30年来夏季青藏高原地表感热、潜热通量以及高原低涡的时空分布特征,同时选取夏季高原低涡生成的关键区,利用相关性分析,合成分析等方法探讨了夏季高原地表感热、潜热通量与高原低涡生成频数之间的可能联系。结果表明,从时间变化特征来看,1986-2015年夏季高原低涡共出现915次,其中关键区内共出现697次,占总数的76. 18%,且其出现次数呈明显的下降趋势,在关键区内,30年间地表感热通量总体呈下降趋势,而潜热通量则呈较弱的上升趋势;从空间变化特征来看,低涡生成的关键地区恰好对应于地表感热通量平均值的较大值区以及地表潜热通量平均值的较小值区。当处于夏季高原低涡偏多年和偏少年时,关键区内地表能量的分布有明显差异:当关键区内地表感热通量偏强时,容易产生高原低涡;而当关键区内地表潜热通量偏强时,则不易产生高原低涡。     

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016—2017年夏季(6—8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))和中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3)),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3))的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

The role of wintertime radiation in maintaining and destroying stable layers

Summary Strong stable layers are a common occurrence during western Colorado's winter. Analysis of radiosonde observations indicate wintertime boundary layer heights are near 500 m. The terrain in this region consists of mountains that rise approximately 1500–2000 m above the ground to the east, providing an effective blocking barrier. An experiment is described to observe upwelling and downwelling, longwave and shortwave radiative fluxes at two sites in western Colorado during January and February 1992, for combinations of clear, cloudy, snow covered, and bare ground periods. Analysis of the observations and the surface energy budget for typical Bowen ratios provides a better understanding of the role of radiation in maintaining and destroying stable layers.During the day, the surface received a net gain of energy from radiation, while at night there was a net loss. Over snow, the 24-hour net radiative flux was small and either positive or negative. Over bare soil, the 24-hour net radiative flux was positive but still small. There is little difference in the net radiative flux between clear and cloudy days; the reduction of the incident solar flux by clouds is nearly compensated by the hindering of the longwave cooling. The cumulative effects of the 24-hour net radiative flux were negative over snow early in the experiment. The 24-hour values shifted to near zero as the snow albedo decreased and were positive for bare ground.If the daytime net radiative flux is partitioned into sensible and latent heat flux using typical Bowen ratios, the daytime sensible heat available for destroying boundary layers is small for the low solar angles of the winter season. With a Bowen ratio of 0.5, the daytime sensible heat flux available is only 0.3 to 1.2 MJ m^–2 over a snow surface and 1.4 to 2.3 MJ m^–2 over soil. These heat fluxes will not build a deep enough boundary layer to break a typical wintertime inversion. The 24-hour sensible heat flux was negative at both sites for the entire experiment with this Bowen ratio.The radiation observations and the use of typical Bowen ratios lead to the conclusion that the net radiation will sustain or strengthen a stable atmosphere in the winter season in western Colorado. Analysis of the radiosonde observations confirm this result as the boundary layer depths were less than 500 m early in the experiment and grew to only 700 m later in the experiment.With 12 Figures     

黄土高原半干旱区夏季晴天陆面特征模拟与观测对比分析

以甘肃定西为例,利用中尺度模式MM5模拟了黄土高原半干旱区夏季晴人的陆面特征,并与观测资料进行对比分析。结果表明,对气温、土壤热通量、辐射、感热通量的模拟结果与观测比较一致,而对比湿、地表温度、潜热通量的模拟结果与观测偏差稍大。夏季晴天,定西地区的地表温度日最高值出现时间较13最高气温出现时间早了3h,但两者日最低值出现时间相同;10cm深度处的土壤温度存在明显的日变化,而40、80cm深度处无明显的日变化;空气湿度较低,夜晚比湿的变化与露水的凝结量变化时间一致;土壤热通量呈典型的单峰型日变化特征,日最大值出现在13：00,与太阳短波辐射与地表反射辐射日最大值出现的时间相同;在半干旱区感热通量明显大于潜热通量,热通量以感热通量为主;边界层高度最高可达到2100m左右,比干旱区敦煌的低1000m左右。     

Convection and cloud formation over snow-covered surface

This paper discusses the vapor-driven convection over snow and its limitations. It is shown on the basis of the moist convective plume model that vapor flux from the evaporating snow surface can drive convection, and maintain a super-cooled water cloud layer, without the assistance of heat flux from the surface, or entrainment or radiative cooling, at cloud top.Since the saturation vapor pressure over water is higher than that over ice, the base of the super-cooled water cloud has a lower limiting height. When the cloud base is lowered to this height, the air at the bottom of the convective layer is just saturated with respect to ice and the evaporation of snow stops, as does the vapor-driven convection. This limiting cloud base height varies with snow-surface temperature. The lower the snow temperature, the higher the cloud base height limit for continued convective transfer from the surface.     

植被覆盖异常变化影响陆面状况的数值模拟

利用NCAR最新的公用陆面模式CLM3．0，通过数值模拟初步研究了植被叶面积指数（LAI，leafareaindex）异常变化对陆面状况的可能影响，结果表明，植被LAI的异常变化能够引起地表能量平衡、地表水循环等陆面状况的异常。（1）植被LAI的异常变化主要影响太阳辐射在植被与地表之间的分配，以及地表的感热、潜热通量。植被LAI增大，能够引起植被吸收的太阳辐射增加，而到达土壤表面的太阳辐射减小，并导致植被的蒸发、蒸腾潜热通量增加，造成地表的蒸发潜热和感热通量不同程度的减小。（2）植被LAI增大时，植被对降水的拦截和植被叶面的蒸发增大，植被的蒸腾作用也明显增强；植被LAI增加会使得热带地区各个季节的土壤表面蒸发、地表径流减小，而土壤湿度有所增加；LAI增加造成中高纬度地区土壤蒸发的减少主要出现在夏季；LAI增加还能够引起中高纬地区冬、春积雪深度不同程度的增加，造成春末、夏初地表径流的增加。（3）植被LAI增加能够使得叶面和土壤温度有所下降，但植被LAI的变化对叶面、土壤温度的影响相对较小。     

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响.本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通...     

南极瑞穗站雪面热量平衡特征

利用南极瑞穗站(日本)1979年近地面层微气象资料及净辐射、本站气压等资料进行了统计分析。采用鲍文比-能量平衡法求得月平均感热通量和潜热通量,采用热含法计算得出月平均雪面热通量,使用了直接测量的净辐射通量,研究了该站雪面热量平均特征。其中突出的特征是3—12月雪面净辐射值为负值,主要靠感热通量由大气向雪面补充热量。将本文结果与苏联少先队站1956年的结果进行了比较,得出相当一致的年变化规律。最后,得出瑞穗站雪面为一强冷源。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。