典型干旱区荒漠戈壁陆面参数的观测研究

根据目前流行的陆面过程模式的需要，利用２０００年５－６月敦煌陆面过程野外观测实验加强期的观测资料，分析了西北典型干旱区荒漠戈壁的一些关键陆面过程和土壤参数的特征和规律。并且利用相对反射为权重加权平均，计算得到典型干旱区敦煌荒漠戈壁的平均反射率为０.２５５±０.０２１；剔除建筑物干扰后，利用对数平均法计算的粗糙度长度平均值为０，００１９±０。０００７１ ｍ；剔除绿洲影响后，用无降水影响的资料确定出土壤湿度影响因子为０．００４５；剔除降水影响后，用观测资料计算的敦煌典型干旱区荒漠戈壁的热容量平均值为１．１２×１０~６ｍ~（－３）Ｋ~（－１），比“黑河试验”在戈壁和在其它沙漠观测的有关值略小一些，但热扩散率和热传导率都比“黑河试验”在戈壁观测的值小一倍左右；观测的敦煌戈壁典型天气条件下的土壤含水量非常小，基本上不超过１％。     

敦煌干旱区一次降水过程陆面特征模拟

利用“我国西北干旱区陆—气相互作用观测试验”在敦煌双墩子戈壁站取得的观测资料及最近的一些研究成果,对陆面模式进行了改进,然后对一次典型较大降水过程的陆面特征及近地层的风、温、湿进行了模拟,结果表明：改进的模式能对降水条件下的干旱区陆面特征进行较好的模拟。其中对辐射、地表温度的模拟相当好,能量的模拟总体结果令人满意;另外由于本模式专门考虑了近地层的影响,所以对近地层的风速、温度和湿度的模拟结果相当好。     

典型干旱区陆面模式模拟检验

利用2000年9月至2001年8月"我国西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)"敦煌站的陆面过程观测资料,基于已有的参数化结果,模拟了敦煌主要陆面特征。结果表明:典型干旱区敦煌夏季感热通量与潜热通量差异显著,感热几乎是潜热的4倍,冬季二者都很小。模式对地表温度模拟较好,但高估了浅层土壤湿度峰值;对向上辐射模拟较好,但对净辐射的模拟存在较大偏差;同时高估了地表能量的峰值。模式结果表明参数化方案对干旱区陆面过程模式具有一定的改进作用。     

新书架

中国西北干旱区陆-气相互作用及其对东亚气候变化的影响黄荣辉等著该书共分12章:第1章,中国西北干旱区的气候和环境状况;第2章,中国西北干旱区陆-气相互作用在东亚季风气候系统的重要性及观测试验的科学意义;第3章,中国西北干旱区陆-气相互作用—敦煌观测试验概况与质量评价;第4章,中国西北干旱区戈壁下垫面的陆面过程观测分析;第5章,中国西北干旱区戈壁下垫面的地表参数特征;第6     

西北干旱区荒漠水分循环特征及其模拟

利用"中国西北干旱区陆—气相互作用实验"观测的资料,分析了大气湿度、土壤含水量、与土壤含水量相关的陆面参数及其他陆面参数特征。为了验证新的陆面参数及参数化公式,将新陆面参数与参数化公式输入陆面模式进行模拟,将模拟值与观测值进行了比较。结果表明输入新参数及参数化公式的模拟效果更好。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案,并给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明：（1）针对感热通量、潜热通量、净辐射通量和土壤地表温度均表现为第二种参数化方案组合的模拟误差最小,模式效率最高。（2）模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种方案的模式效率指数较高。（3）针对土壤10 cm温度,第一种方案虽预报效率指数最高,但误差达1.2 ℃左右,第二种方案是模拟和实测误差最小的一种方案,模式预报结果比实测低0.4 ℃。综上所述,第二种方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。（4）Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体要优于离线Noah模式。     

干旱区陆面过程模型参数优化和地气相互作用特征的模拟研究

依据干旱区陆地下垫面观测结果, 对陆面过程模式Common Land Model (CoLM) 中反照率、 粗糙度长度和土壤热力性质3个方面的参数进行了优化, 并按照不同的参数组合形式设计了为加深理解干旱区地气相互作用的控制试验和研究重要参数影响的敏感性试验, 对敦煌戈壁2000年5月～2004年7月的陆面过程进行了离线 (off-line) 数值模拟分析。控制试验结果表明: 优化参数的模式在干旱区得到了更好的模拟性能, 对地表和深层土壤温度、 净短波辐射、 净长波辐射以及感热通量的模拟能力较原模式有了明显的提高。敏感性试验的结果表明: 地表温度在全年对反照率都比较敏感, 春季和夏季更为显著; 粗糙度长度和土壤热力性质分别在春夏和秋冬对地表温度有较大影响; 感热通量对反照率和粗糙度长度在夏半年比较敏感, 而土壤热力性质对感热通量的影响并不明显。对敏感性试验的结果进一步分析发现: 原模式在计算地表温度、 净辐射和感热通量的过程中存在不同形式的误差抵消的现象, 这就会掩盖模式的模拟误差, 优化参数的模式可以更好的反映干旱区地气相互作用的物理过程。针对模式输出的感热通量和地表热通量的分析发现: 感热通量的季节变化明显, 全年都有由地表向上的感热通量输送, 夏季尤为显著; 相对于感热通量而言, 潜热通量量级很小可以忽略不计。夏季, 净辐射的能量大部分以感热通量的形式返回大气, 其余的能量以地表热通量的形式进入土壤并贮存, 夏季土壤为热汇; 冬季, 夏季贮存的能量又由土壤返回大气, 此时土壤为热源。     

干旱区绿洲与荒漠相互作用下陆面特征的数值模拟

用新发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式,系统地模拟了绿洲与荒漠相互作用下的陆面特征和地表面能量输送特征。这一模拟结果不仅部分地验证了陆面过程野外实验的观测结果。     

Parameters of Land-Surface Processes for Gobi in North-West China

Using data from the intensive observation period (May–June 2000) of the NWC-ALIEX (The Field Experiment on Interaction between Land and Atmosphere in Arid Region of North-west China), the characteristics and mechanisms of some key land-surface process over Gobi in a typical arid region of north-west China are analyzed and several parameters of land-surface processes are calculated. The weighted mean of the surface albedo over a typical arid region of the Dunhuang Gobi is calculated using the relative reflection as a weighting factor, and its value is 0.255 ± 0.021. After removing the influence of precipitation, the mean soil heat capacity over a typical arid region of the Dunhuang Gobi is 1.12 × 10⁶ J m^-3 K^-1,which is smaller than that observed in the Heihe (China) River basin Field Experiment (HEIFE). The mean soil heat diffusivity and conductivity are about half of those observed in HEIFE.     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

Dissimilarity of Scalar Transport in the Convective Boundary Layer in Inhomogeneous Landscapes

A land-surface model (LSM) is coupled with a large-eddy simulation (LES) model to investigate the vegetation-atmosphere exchange of heat, water vapour, and carbon dioxide (CO₂) in heterogeneous landscapes. The dissimilarity of scalar transport in the lower convective boundary layer is quantified in several ways: eddy diffusivity, spatial structure of the scalar fields, and spatial and temporal variations in the surface fluxes of these scalars. The results show that eddy diffusivities differ among the three scalars, by up to 10–12%, in the surface layer; the difference is partly attributed to the influence of top-down diffusion. The turbulence-organized structures of CO₂ bear more resemblance to those of water vapour than those of the potential temperature. The surface fluxes when coupled with the flow aloft show large spatial variations even with perfectly homogeneous surface conditions and constant solar radiation forcing across the horizontal simulation domain. In general, the surface sensible heat flux shows the greatest spatial and temporal variations, and the CO₂ flux the least. Furthermore, our results show that the one-dimensional land-surface model scheme underestimates the surface heat flux by 3–8% and overestimates the water vapour and CO₂ fluxes by 2–8% and 1–9%, respectively, as compared to the flux simulated with the coupled LES-LSM.     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

土壤热异常影响地表能量平衡的个例分析和数值模拟

The statistical relationship between soil thermal anomaly and short-term climate change is presented based on a typical case study. Furthermore, possible physical mechanisms behind the relationship are revealed through using an off-line land surface model with a reasonable soil thermal forcing at the bottom of the soil layer.In the first experiment, the given heat flux is 5 W m-2 at the bottom of the soil layer (in depth of 6.3 m)for 3 months, while only a positive ground temperature anomaly of 0.06℃ can be found compared to the control run. The anomaly, however, could reach 0.65℃ if the soil thermal conductivity was one order of magnitude larger. It could be even as large as 0.81℃ assuming the heat flux at bottom is 10 W m-2. Meanwhile, an increase of about 10 W m-2 was detected both for heat flux in soil and sensible heat on land surface, which is not neglectable to the short-term climate change. The results show that considerable response in land surface energy budget could be expected when the soil thermal forcing reaches a certain spatial-tem poral scale. Therefore, land surface models should not ignore the upward heat flux from the bottom of the soil layer. Moreover, integration for a longer period of time and coupled land-atmosphere model are also necessary for the better understanding of this issue.     

Incorporating organic soil into a global climate model

Organic matter significantly alters a soil’s thermal and hydraulic properties but is not typically included in land-surface schemes used in global climate models. This omission has consequences for ground thermal and moisture regimes, particularly in the high-latitudes where soil carbon content is generally high. Global soil carbon data is used to build a geographically distributed, profiled soil carbon density dataset for the Community Land Model (CLM). CLM parameterizations for soil thermal and hydraulic properties are modified to accommodate both mineral and organic soil matter. Offline simulations including organic soil are characterized by cooler annual mean soil temperatures (up to ∼2.5°C cooler for regions of high soil carbon content). Cooling is strong in summer due to modulation of early and mid-summer soil heat flux. Winter temperatures are slightly warmer as organic soils do not cool as efficiently during fall and winter. High porosity and hydraulic conductivity of organic soil leads to a wetter soil column but with comparatively low surface layer saturation levels and correspondingly low soil evaporation. When CLM is coupled to the Community Atmosphere Model, the reduced latent heat flux drives deeper boundary layers, associated reductions in low cloud fraction, and warmer summer air temperatures in the Arctic. Lastly, the insulative properties of organic soil reduce interannual soil temperature variability, but only marginally. This result suggests that, although the mean soil temperature cooling will delay the simulated date at which frozen soil begins to thaw, organic matter may provide only limited insulation from surface warming.     

青藏高原湿地土壤冻结、融化期间的陆面过程特征

利用青藏高原中部玉树隆宝湿地2015年7月-2016年7月的观测资料,分析了土壤冻结、融化前后土壤温、湿度和地表能量收支特征,结果表明：冻土持续时期为12月至次年4月,深层土壤的冻结较浅层土壤滞后,融化过程快于冻结过程,5-40 cm土壤全部冻结历时51 d,全部融化历时19 d。土壤体积含水量年变化幅度达0.6 m³/m³。冻结过程5-40 cm土壤体积含水量下降,融化过程5-10 cm土壤体积含水量升高。土壤冻结之后,感热通量白天的值升高,潜热通量白天的值降低,净辐射和土壤热通量均降低,土壤热通量日变化幅度增大。土壤融化之后,潜热通量、净辐射和土壤热通量白天的值升高。地表反照率、鲍恩比、土壤热导率和土壤热扩散率冻结后增大融化后减小,土壤热容量冻结后减小融化后增大。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

THE ENERGY BUDGETS UNDER DIFFERENT SYNOPTIC CONDITIONS OVER HUAIHE RIVER BASIN DURING HUBEX FIELD OBSERVATION PERIODS IN 1999*

In different synoptic conditions and at different time scales,the analysis of the energy budgets by Bowen Ratio Method and Bulk Schemes over Huaihe River Basin during the field observation periods of HUBEX in 1999 shows that,(1) the averaged latent heat flux is an order of magnitude more than the averaged sensible heat flux during the observation period:(2) the variation of totalcloud amount is out of phase with the terms of energy budgets except for the downward longwave radiation which maybe is related to the cloud's height and class:(3) the values of sensible and latent heat fluxes are small during rain episodes,but thereafter,the values become high and then up to maximum.It is similar to the other terms of the energy budgets except for the downward longwave radiation.The diurnal variation of energy budgets indicates that the daytime precipitation exerts great influence to the energy budgets,but the nighttime precipitation makes little influence;(4) the variation of the latent heat flux is in phase with the evaporation,which indicates that the latent heat flux calculated by bulk schemes is reliable:(5) the means of the sensible and latent heat flux and momentum flux by bulk schemes for the time period from May to August are,respectively,30.71W/m².116.81W/m².2.86×10^-2N/m² in 1998 and 30.28W/m²,107.35W/m²,2.74×10^-2N/m² in 1999.The values of these two years are similar.During summer in 1999 the magnitude and activity of sensible heat flux are strongest in June and those of the latent heat flux are in August.     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。