黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m³·m^-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、...     

陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。     

基于土壤温、湿度记忆性的土壤湿度预测方法研究

土壤温、湿度是陆面过程的重要参数,也是大气数值模式下边界条件的重要物理参量。由于土壤湿度的观测站点较少,土壤温湿度的空间资料较少,另外,土壤温湿度作为干旱预测的主要内容,需要知道未来时刻的土壤温湿度变化。因此,如何获得未来时刻土壤温湿度的时空变化具有重要意义。本文根据土壤湿度的记忆性特点,通过机器学习方法试图获得模式中土壤湿度的时空变化。采用卷积神经网络算法(Convolutional Neural Networks,CNN),考虑土壤温度对土壤湿度的影响,选取ERA5 0～7、7～28、28～100、100～289 cm深度层土壤温、湿度作为预测因子,对月、季尺度上土壤湿度变化进行预测。结果表明,本方法能提前6个月对土壤湿度进行可靠有效地预测;预测的浅层(0～28 cm)与深层(28～289 cm)土壤湿度平均偏差分别小于0.05、0.02 m³·m^-3;在湿润区,平均偏差基本在0.03 m³·m^-3以内,表现出较好的效果。本文的预测方法和结果,既可用于土壤干旱的预测,也可作为数值模式初边界场的形...     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

欧亚大陆土壤焓异常持续性的时空变化特征

土壤焓作为一种综合考虑地表状况(如土壤湿度、土壤温度等)的特殊陆面因子,可以直接从能量角度反映陆地下垫面的热力状况,故探讨土壤焓异常持续性的相关特征,有助于加深理解地表热力异常对气候的影响。本研究基于陆面过程模式CLM4.0模拟的土壤温度、土壤液态水和土壤固态水及土壤物质类型(IGBP地表属性),分别计算了欧亚大陆冬季和夏季土壤干物质焓、土壤液态水焓和土壤固态水焓及土壤焓(前三者之和);由于土壤温度和土壤固、液态水含量的差异,浅层土壤焓及其三个组元表现出明显的区域性和季节性特征;欧亚大陆冬季土壤焓异常持续性总体较夏季强,尤其是中高纬地区;另外,土壤干物质焓、液态水焓的纬度和季节性差异也体现在对近地面大气的热力强迫上,具体表现为土壤干物质焓、液态水焓分别与感热、潜热密切相关。本研究通过较为细致地分析土壤焓异常持续性的时空变化特征,为进一步开展下垫面热力异常(以土壤焓表征)的气候效应提供了重要的信息参考。     

CLM4.0模式对干旱区荒漠草原过渡带快速变化陆面过程的数值模拟研究

利用2012年7-9月微气象蒸发观测实验的观测资料和陆面模式CLM4.0,对荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程进行了单点数值模拟试验,通过比较模拟值与观测值来检验模式的模拟能力。结果表明:(1)CLM4.0模式能较好地模拟下垫面快速变化的辐射通量、湍流通量、土壤温度及土壤含水量的变化特征,但模拟值较观测值还存在一定偏差。在干旱及湿润地表状况下,CLM4.0模式模拟的反射辐射与观测值的偏差较小,而草地地表时模拟值较观测值偏高;CLM4.0模式较好地模拟了地表长波辐射的变化趋势,但是在正午和夜间偏差较大。(2)CLM4.0模式模拟的湍流通量与观测值之间的相关系数达0.85以上,但模拟值较观测值偏高。(3)CLM4.0模式模拟的土壤温度及含水量较观测值偏小,且对强降水引起的土壤含水量的变化过程的模拟性能较差。发展适用于干旱荒漠草原过渡带的土壤孔隙度参数化方案,进而通过改善土壤热导率、导水率的模拟有助于提高该类下垫面土壤温度及土壤含水量的模拟性能。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。     

黄河源积雪期土壤温湿及冻融特征分析与模拟

利用2017～2018年黄河源地区野外观测站数据,对黄河源区两个积雪期内土壤温湿及冻融特征进行了分析,并与CLM4.5模式模拟的积雪期土壤温、湿度及辐射分量进行了对比,结果表明:CLM4.5能很好地模拟出整个积雪期土壤温度的变化趋势;对不同土壤层在不同冻结阶段土壤含水量的模拟有所差异:在完全冻结阶段,对5cm 土壤层含...     

准噶尔盆地西南缘霜冻灾害的特征分析

兵团农七师春、秋季气温变化很不稳定,秋霜冻往往过早来临,春霜冻也常常结束较晚,致使历年均有不同程度的霜冻害发生。本文利用该区域霜冻灾害的特征资料进行分析,并提出防御霜冻的措施。     

An analysis on the physical process of the influence of AO on ENSO

The influence of the spring AO on ENSO has been demonstrated in several recent studies. This analysis further explores the physical process of the influence of AO on ENSO using the NCEP/NCAR reanalysis data over the period 1958–2010. We focus on the formation of the westerly wind burst in the tropical western Pacific, and examine the evolution and formation of the atmospheric circulation, atmospheric heating, and SST anomalies in association with the spring AO variability. The spring AO variability is found to be independent from the East Asian winter monsoon activity. The spring AO associated circulation anomalies are supported by the interaction between synoptic-scale eddies and the mean-flow and its associated vorticity transportation. Surface wind changes may affect surface heat fluxes and the oceanic heat transport, resulting in the SST change. The AO associated warming in the equatorial SSTs results primarily from the ocean heat transport in the face of net surface heat flux damping. The tropical SST warming is accompanied by anomalous atmospheric heating in the subtropical north and south Pacific, which sustains the anomalous westerly wind in the equatorial western Pacific through a Gill-like atmospheric response from spring to summer. The anomalous westerly excites an eastward propagating and downwelling equatorial Kelvin wave, leading to SST warming in the tropical central-eastern Pacific in summer-fall. The tropical SST, atmospheric heating, and atmospheric circulation anomalies sustain and develop through the Bjerknes feedback mechanism, which eventually result in an El Niño-like warming in the tropical eastern Pacific in winter.     

长白山积雪酸度初步研究

本文通过1985年12月对长白山积雪的考察资料,分析了针阔叶混交林带、山地晴针叶林带,山地岳桦林带和高山苔原带积雪的pH值、电导率和雪水化学组分的差异,积雪酸度呈弱酸性,局地大气污染物对雪水影响较小。     

气候变化对内蒙古草原退化的影响

文章综述了草原退化现状、气候变化对内蒙古草地退化的影响,提出了国内在该方面的研究成果及不足。建议应加强多学科、多部门联合攻关、针对薄弱环节加大研究力度、构建长期稳定监测预警的体系。     

地球自转年际变化作用于全球海温异常的观测事实和数值试验

本文通过12年144个月的全球海温距平格点资料分析得到El Nino和反El Nino事件只是全球海温异常变化的一个部分，全球各大洋海温变化具有一定的联系。通过一个简化的一层海洋模式对全球海温异常变化的模拟发现，地球自转速度变化首先引起纬向风的异常，再由异常的纬向风切应力作用于洋流和海温的异常，这一简化的海洋模式基本上模拟出了全球各大洋海温时空分布实况的变化特征。具体表现为:地球自转速度减慢（加快）时，大洋低纬度东部升温（降温），太平洋的西北部和西南部降温（升温），大西洋和印度洋中高纬海域降温（升温）。     

大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟

利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。     

青藏高原地形对孟加拉湾热带气旋影响的对比研究

本文用我们的实验室模拟、个例诊断分析的结果与综合分析方法得到的热带气旋的典型结构相对比，进一步探讨了高原地形对孟加拉湾热带气旋的影响（消亡及降水等）机制问题。