黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数.研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响.降水正常年份的总体粗糙度为0.009 m,偏干年份总体粗糙度为0.006 m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大.对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近.分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式.总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关.通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强.最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式.     

黑河中上游不同下垫面动量总体输送系数和地表粗糙度对比分析

利用廓线法计算了黑河中上游地区盈科农田站、冰沟稀疏草地站、阿柔牧场站和大冬树山垭口积雪观测站的总体输送系数和地表粗糙度。结果表明,地表粗糙度与植被覆盖度和高度以及下垫面的性质有关,夏季地表粗糙度大小是农田站最大,其次是牧场站和稀疏草地站,高寒草甸站最小。下垫面状况还影响动量总体输送系数对稳定度的依赖程度,地表粗糙度大的地区强于地表粗糙度小的地区。     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

半干旱区典型下垫面反照率特征的初步分析

利用2008-2009年7-9月中国半干旱区9个通量观测站的通量和常规气象数据结合同期MODIS的EVI植被覆盖数据,分析了不同下垫面反照率的月、季特征及其与降水之间的关系,系统地探讨了特殊天气条件下各类下垫面的反照率日变化特征。结果表明:(1)按照季平均反照率的大小,各类下垫面排序依次为荒漠草地高寒草甸退化草地农田;(2)除退化草地外,其余各类下垫面反照率的拟合结果均通过0.05显著性水平检验,高寒草甸的拟合好于荒漠草地、农林混交农田和东北农田,而荒漠草地和农林混交农田拟合效果相当;(3)在荒漠草地下垫面,夜雨不会对次日反照率的"U"型分布产生影响,存在潜热维持土壤湿度和感热加强蒸腾作用两种机制;(4)无雪盖高寒草甸的反照率主要受植被覆盖度和高原植被叶面特性的影响;退化草地下垫面在强降水日白天出现反照率"√"型分布,由于09:00(北京时,下同)-11:00云量偏多、反照率偏高,15:00-17:00太阳高度角对反照率增大作用强于土壤湿度的减小作用,反照率缓慢回升造成的。低矮作物农田在雨日15:00-17:00反照率的骤升是植被覆盖度和太阳高度角相互作用所致,受浅层土壤含水量的影响不大。     

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

陇中黄土高原半干旱区总体输送系数的特征

利用在陇中黄土高原半干旱区2003年10月—2005年7月获得的近地层梯度观测资料,采用空气动力学法,计算了动量和感热总体输送系数。结果表明,陇中黄土高原半干旱区动量和感热总体输送系数均存在明显的日变化特征,夏季中午左右分别达到5.6×10-3和6.7×10-3。受下垫面植被的影响,在一年中呈现出双峰型特征,第一峰值出现在春小麦拔节—黄熟期,次高值出现在10月初。动量和感热总体输送系数平均值分别为2.9×10-3和3.1×10-3。当大气处于不稳定状态时,总体输送系数随着风速的增大而减小;相反当大气处于稳定状态时,随着风速的增大而增大。陇中黄土高原半干旱区的总体输送系数高于戈壁、平原草地和海洋下垫面的值,但低于青藏高原草地和城市下垫面的值。     

不同下垫面空气动力学参数的研究

文中利用中国科学院沙漠研究所与日本国家农业环境技术研究所合作于1990—1994年在中国内蒙古自治区奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,计算了重度干扰草原、中度干扰草原、轻度干扰草原、无干扰草原、沙丘、沙丘内地、草地、稻田、小麦田、大豆田和玉米田11种下垫面的空气动力学参数粗糙度长度z0,零平面位移d,摩擦速度u*,并分析了它们与水平风速u和Richardson数的关系,比较了不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征。结果表明:地表生物量和覆盖率随着人为干扰强度的增加而减少。不同人为干扰下垫面的粗糙长度与生物量和植被高度以及地表起伏程度有着密切关系;Richardson数也是其影响因子。风速、粗糙度都与摩擦速度成正相关,但对于不同下垫面有所不同,从中可以看到草地对沙漠化有一定的防治作用。同一种下垫面不同时期的空气动力学参数也存在差异。这些结果对建立陆面过程和区域气候模式具有重要的意义。     

西北地区典型下垫面空气动力学阻抗估算方法改进及其验证

利用2010年古浪近地层野外观测试验取得的干旱区典型下垫面（荒滩、沙漠和农田）的观测资料,对常用的3种空气动力学阻抗算法——Verma—R算法、Liu算法、Thom算法进行了适用性检验,并通过分离Thom算法中的动量和热量粗糙度对其进行改进（下称Thom-2算法）。对比不同下垫面空气动力学阻抗估算结果发现：在沙漠和荒滩下垫面,动力因素较热力因素影响大,空气动力学阻抗与风速的指数关系较农田下垫面明显;与其他3种算法相比,考虑了热量粗糙度的Thom-2算法在各种典型下垫面上的估算结果与观测值相比偏差最小,且在较为均匀的荒滩和沙漠下垫面上估算的空气动力学阻抗精度较农田高;通过比较4种算法估算干旱区不同典型下垫面空气动力学阻抗结果,说明干旱区空气动力学阻抗的估算应考虑热力粗糙度的影响。     

基于淮河流域农田生态系统观测资料的通量研究

运用寿县国家气候观象台(代表淮河流域农田生态系统)2007年7月至2008年6月通量观测系统的观测资料,分析研究淮河流域农田生态系统的陆气相互作用,统计梯度和涡度数据缺测率,采用空气动力学(梯度)法和涡度相关法,验证通量观测系统观测数据的可靠性,分析CO2通量、潜热通量、感热通量的季节变化与日变化特征及其与下垫面的关系,计算出地表平均反照率、能量闭合率、动量输送系数等。结果表明:通量观测仪器测得的数据可靠,原始资料具有客观性、可用性;CO2等通量存在明显的季节变化,与下垫面状况有密切的关系,日变化均为单峰型分布,由通量观测系统的观测资料计算得到地表平均反照率为0.18,平均能量闭合率为0.92,平均动量输送系数为0.0092。     

东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明：（1）东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10-3 m,热力学粗糙度为0.32×10-3 m,比辐射率为0.905。（2）地表反照率日变化呈早晚高,中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪,反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。地表反照率关于太阳高度角的参数化方案为：α=0.78-0.47×(1-e^((-h)/1.12)),地表反照率关于5 cm土壤湿度的参数化方案为α=0.28-0.136w_s。（3）将改进后的陆面过程参数带入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。     

广东省沿海城市热岛特征分析

利用广东省沿海地带气象站、海洋站观测的1960-2003年气温资料，以5个无热岛效应影响的海岛站气温为参照，分析了近44年沿海18个气象站受城市热岛影响的程度，得出台山、珠海、汕尾、惠阳气象站的热岛影响可以忽略不计，其余14个站不同程度地受热岛影响。受热岛影响的气象站近10年平均热岛强度为0．4～0．8℃、近30～50年间年平均气温升温率较参照站增加0．1℃／10a～0．3℃／10a。     

青藏高原东南缘近地层微气象学特征对比分析

本文利用位于青藏高原东南缘的温江和大理大气边界层野外观测资料,对比分析了两站包括风温湿、辐射、湍流通量等在内的近地层微气象学特征,主要结果如下：（1）两站风速值均随着高度的增加而增大,但温江站冬季4～10 m风速在白天出现随高度减小的现象.温江站冬季以东北风为主,夏季以西北风和南风为主;大理站冬季以东南风为主,其次为西南风,夏季则以东风和东南风为主.两站近地层逆温和逆湿现象都非常显著.（2）同一季节温江站大气逆辐射和地表长波辐射大于大理站,向下短波辐射小于大理站.温江站地表长波辐射总是大于大气逆辐射,而大理站白天地表长波辐射大于大气逆辐射,晚上则相反.（3）温江站感热通量冬季大于大理站,夏季小于大理站,而潜热通量无论冬夏都要小于大理站.两站潜热通量均大于感热通量,并且大理站潜热通量月平均日变化值全天始终大于零.无论冬夏,温江站土壤热通量都要小于大理站,随着深度的增加两站土壤热通量均有位相上的延迟.     

利用ATSR/ERS-1资料研究复杂下垫面比辐射率的变化

一定精度地表温度的取得不仅依赖于较好的大气订正,而且还取决于比辐射率随波谱及角度变化的知识。利用AVHRR植被指数资料,参数化了星下点的比辐射率值,得到了对于包括沙漠、绿州、戈壁等不同类型的复杂下垫面上的星下点比辐射率的值。结合ATSR的双角度技术,计算了复杂地形条件下前向地表比辐射率,给出了一种利用ATSR资料获得有关地表比辐射率信息的新方法。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

近百年中国近海海温变化

使用Hadley中心1901～2004年1°×1°海表温度(SST)资料,在渤海、黄海、东海和南海选择代表区域研究中国近海海温的长期变化.研究发现,近100年多来各海区呈增温趋势,20世纪80年代以后增暖明显,90年代至今最暖.渤、黄、东海年平均和1月海温、东海7月海温变化基本呈阶梯型,20世纪初至30年代冷、50年代较暖、60年代略有下降,80年代上升;7月渤、黄海海温呈2波型,20世纪第一个10年和80年代冷,30～50年代和90年代暖;南海20世纪初至70年代海温变化不显著.除东海年平均海温外,各海区年、季海温均具有2～4年的显著变化周期和准7年的变化周期.     

Intercomparison of Surface Radiative Fluxes in the Arctic Ocean

Recent satellite data analysis has provided improved data sets relevant to the surface energy budget in the Arctic Ocean. In this paper, surface radiation properties in the Arctic Ocean obtained from the Surface Radiation Budget（SRB3.0） and the International Satellite Cloud Climatology Project（ISCCP-FD） during 1984– 2007 are analyzed and compared. Our analysis suggests that these datasets show encouraging agreement in basin-wide averaged seasonal cycle and spatial distribution of surface albedo; net surface shortwave and all-wave radiative fluxes; and shortwave, longwave, and all-wave cloud radiative forcings. However, a systematic large discrepancy is detected for the net surface longwave radiative flux between the two data sets at a magnitude of ~ 23 W m–2, which is primarily attributed to significant differences in surface temperature, particularly from April to June. Moreover, the largest difference in surface shortwave and all-wave cloud radiative forcings between the two data sets is apparent in early June at a magnitude of 30 W m–2.     

2011年地面入射太阳辐射变化及其与敏感因子回归分析

太阳辐射是地球上一切生命的源泉,亦是地球天气、气候系统发生发展和演变的能量来源。利用FY2E卫星遥感产品地面入射太阳辐射资料和地面常规观测资料,对2011年鹤壁市地面入射太阳辐射变化特征分析结果表明：鹤壁市2011年地面入射太阳辐射日曝辐量和月累积量的变化有明显的季节性,其年累积量为5721．38MJ·m^-2,日曝辐量3—4月增加迅速,其中3月份环比增长59％。地面入射太阳辐射总体变化趋势可以用一元多项式进行回归拟合,拟合曲线与实测资料的相关系数达0．8。地面最高温度与地面入射太阳辐射存在明显正相关,地面入射太阳辐射增大,地面最高温度就会升高。地面蒸发量对地面入射太阳辐射高度敏感,地面入射太阳辐射增大,地面蒸发量就会增大。通过对地面入射太阳辐射与地面敏感气象要素的多元回归分析发现,地面入射太阳辐射的二元线性回归预测水平高于一元线性回归预测水平。通过地面气象要素的多元线性回归预测,可估算地面入射太阳辐射值,这为相关研究及业务服务等提供了一种获取地面入射太阳辐射的方法。     

Influence of Changes in Solar Radiation on Changes of Surface Temperature in China

The long-term trends of total surface solar radiation(SSR),surface diffuse radiation,and surface air temperature were analyzed in this study based on updated 48-yr data from 55 observational stations in China,and then the correlation between SSR and the diurnal temperature range(DTR) was studied.The effect of total solar radiation on surface air temperature in China was investigated on the basis of the above analyses.A strong correlation between SSR and DTR was found for the period 1961-2008 in China.The highest correlation and steepest regression line slope occurred in winter,indicating that the solar radiation effect on DTR was the largest in this season.Clouds and water vapor have strong influences on both SSR and DTR,and hence on their relationship.The largest correlations between SSR and DTR occurred in wintertime in northern China,regardless of all-day(including clear days and cloudy days) or clear-day cases.Our results also showed that radiation arriving at the surface in China decreased significantly during 1961-1989(dimming period),but began to increase during 1990-2008(brightening period),in agreement with previous global studies.The reduction of total SSR offset partially the greenhouse warming during 1961-1989.However,with the increase of SSR after 1990,this offsetting effect vanished;on the contrary,it even made a contribution to the accelerated warming.Nonetheless,the greenhouse warming still played a controlling role because of the increasing of minimum and mean surface temperatures in the whole study period of 1961-2008.We estimated that the greenhouse gases alone may have caused surface temperatures to rise by 0.31-0.46℃(10 yr) 1 during 1961-2008,which is higher than previously estimated.Analysis of the corresponding changes in total solar radiation,diffuse radiation,and total cloud cover indicated that the dimming and brightening phenomena in China were likely attributable to increases in absorptive and scattering aerosols in the atmosphere,respectively.     

九寨黄龙机场近地面大风浅析

九寨黄龙机场是我国三大高原机场之一,正确认识九寨黄龙机场风的演变规律对于保证飞机的起降安全具有重要意义.本文利用九寨黄龙机场2004～2007年的自动站观测资料,分析了九寨黄龙机场地面风、特别是地面大风的演变特征.此外,还利用WRF模式,模拟了一次大风天气过程.研究结果表明,地面大风的风向和出现时间等均与平均风存在明显的差异.大风主要表现为西北风,均出现在白天.大风出现最多的季节是冬季,而不是平均风速最大的春季.大风的形成与中高纬大气环流的调整密切相关.WRF模式能较好的再现大风的发生时间、强度和风向,这与模式能较好的模拟地表通量和混合层的发展密切相关.     

中国西北干旱区戈壁下垫面夏季的热力输送

以敦煌戈壁站2004年6月和2008年8月的常规观测和超声观测为例,分析了西北干旱区戈壁下垫面夏季热力输送的一般过程及特征。首先评价了湍流通量的观测质量以及仪器观测的地表能量通量闭合问题,结果表明敦煌戈壁站的观测在白天总体较好。夏季地表能量通量的平均日变化显示,潜热通量整天都很小,可以忽略,白天到达地表的短波辐射以及地表向上的长波辐射非常强,地表净辐射主要转化为感热输送（敦煌戈壁站在中午时平均分别达380W·m-2以上和250W·m-2以上）;夜间土壤释放热量以平衡地表的辐射冷却,感热通量略低于0。白天时地表大气经常触发自由对流活动,影响动量通量的观测质量,并有效输送地表热力至上层大气中,有助于形成超厚大气边界层。分析了戈壁下垫面的动量粗糙度特征和热力粗糙度特征（敦煌戈壁站动量粗糙度约为0．6mm）,热力粗糙度基本小于动量粗糙度一个量级,这符合目前对干旱区戈壁下垫面热力输送特征的初步认识。