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。     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

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。     

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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     

关于用台站资料估算西北干旱区夏季感热通量的热力参数化比较

气象台站观测的气象要素可能受城市化等因子的影响而与野外试验站的观测存在一定的差异,这影响野外试验获取的热力参数直接应用于西北干旱区台站感热通量的估算。本文选取了一些常用的热力参数化方案(包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案),通过敦煌站夏季估算的感热通量与野外观测的比较以及对整个西北干旱区夏季感热通量的估算,评价了这些热力参数化对动量粗糙度的敏感性和在西北干旱区的适用性。结果显示,热力输送系数取定值的方案计算西北干旱区的感热通量可能存在较大不确定;台站的动量粗糙度可能受城市化等因子的影响,但在感热通量计算时建议取台站下垫面的动量粗糙度;Y08方案估算的感热通量相对比较合理,可以用来研究西北干旱区的夏季地表感热输送特征。     

青藏高原与中国西北干旱区地面感热季节增强时间的差异及相互关系

利用1982-2015年中国西北干旱区88个、青藏高原中东部70个常规气象站逐日地表感热通量计算资料,分析了青藏高原和中国西北干旱区地表感热的气候差异特征及其相互关系。结果表明：（1）青藏高原在春季感热增强的时间普遍早于中国西北干旱区,干旱区春季感热异常增强时间偏早（晚）的地方,在秋季感热异常减弱的时间也更偏早（晚）。（2）青藏高原感热全年表现为正值,春季感热最强,夏季次之;西北干旱区感热冬季表现为弱的负值,夏季感热最强。春季青藏高原感热呈东部偏弱（强）、西部偏强（弱）的分布时,夏季塔里木盆地及其东北部、甘肃西南部以及宁夏平原等干旱区感热偏弱（强）。（3）当青藏高原感热增强时间呈西北部偏早（晚）、东南部偏晚（早）分布时,中国西北干旱区的塔里木盆地南部以及甘肃北部感热增强时间偏早（晚）,准噶尔盆地感热增强时间偏晚（早）。这一研究结果对进一步认识青藏高原和中国西北干旱区下垫面感热通量及陆气相互作用的时空变化特征,为青藏高原草地生态系统的保护及东亚气候的预测提供理论依据。     

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。     

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。     

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。     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

卫星遥感结合气象资料计算的西北干旱区地面感热特征分析

选取1981年7月-2006年12月美国国家海洋和大气局(NOAA)系列卫星观测的归一化植被指数(NDVI)资料和Ch-INDV参数化关系式,计算了我国西北干旱区84个测站历年各月的地表热力输送系数Ch值和地面感热通量序列,得到如下主要结论:(1)西北干旱区地面感热通量实际计算值与ERA-40再分析感热资料相比,两者在数值大小、分布形势和年际变化趋势上均较一致,感热实际计算值的空间分布更明显地突出了各气象站所在区域的局地特征。(2)西北干旱区地面感热输送呈单峰型年变化特征,春、夏季非常强,秋、冬季较弱;大部分区域全年均为正值,地表为感热源。(3)以97.5°E为界,西北干旱区东、西部具有不同的年际变化趋势,东部的地面感热四季均有逐年增加的趋势,而西部秋、冬季逐年略有增加,春、夏季逐年减弱明显,气候倾向率分别为-1.15 W.m-2.(10a)-1和-2.08W.m-2.(10a)-1。(4)西北干旱区地面感热输送具有明显的年代际变化特征,1980年代总体偏强,1990年代总体偏弱,2000年以来,西北地区中部的感热输送偏弱,东、西部除个别测站外均偏强。(5)西北干旱区的感热变化并不只由地气温差的变化来决定,它与地面风速和地表状况的变化也有较强的依赖关系。在冬季,主要响应地气温差的变化,春季地面风速和地气温差的影响作用同等重要,夏季以地面风速的影响为主,地气温差的影响次之,秋季与夏季相反。另外,夏季地表状况对感热的影响作用也不容忽视。     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

Variability of Surface Sensible Heat Flux over Northwest China

The present study documents the variability of surface sensible heat flux over Northwest China using station observations for the period 1961 2000.It is found that the afternoon and nighttime sensible heat flux variations are remarkably different.The variability of the instant flux in the afternoon is much larger than in the nighttime.The afternoon and nighttime flux anomalies tend to be opposite.The diurnal and seasonal dependence of sensible heat flux variations is closely related to the diurnal cycle of mean land-air temperature difference.The relationship of sensible heat flux with land-air temperature difference based on the instant value differs from that based on the daily mean.The present study indicates the importance for the models to properly simulate mean land-air temperature difference and its diurnal and seasonal variations in order to capture surface sensible heat flux variability over Northwest China and predicts its plausible impacts on climate.     

黑河实验(HEIFE)──对干旱地区陆面过程的一些新认识

综合介绍“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ＨＥＩＦＥ）”的概况。系统分析干旱地区陆面过程的一些基本问题，它们是：（１）干旱地区地表面热量平衡的基本特征：干旱地区蒸发量很小，地表热量平衡中以感热为主．潜热可以忽略不计。（２）干旱地区陆面过程参数化问题：干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响，否则将造成严重误差。（３）干旱地区一种特殊现象──绿洲与沙漠环境的相互作用：绿洲的“冷岛效应”和临近绿洲沙漠或戈壁的“逆湿现象”是这种相互作用的结果。这些研究结果将加深我们对干旱地区陆面过程的认识。     

Regional differences in surface sensible and latent heat fluxes in China

This study documents the variability of surface sensible and latent heat fluxes in five regions of China (Northwest China, the Tibetan Plateau, Northeast China, North China, and Southeast China) using the ERA-40 reanalysis for the years 1960–2000. The surface sensible and latent heat flux variations are remarkably different in Northwest and Southeast China. The seasonal variation of the surface sensible heat fluxes is largest in Northwest China and smallest in Southeast China. In contrast, the seasonal variation in latent heat flux is largest in Southeast China and smallest in Northwest China. The interdecadal variation of surface sensible and surface latent heat fluxes strongly depends on both the region and season. The trends in surface sensible and latent heat fluxes in all four seasons are mainly caused by variations in both the land–air temperature difference and in the specific humidity. There is also a limited contribution of wind speed in some regions, depending on the season.     

我国西北大规模太阳能与风能发电场建设产生的可能气候效应

作为取之不尽的清洁能源,太阳能和风能将是未来潜力最大的可再生能源,是解决全球变暖、能源短缺、环境恶化等问题的有效途径。然而太阳能和风能的能量密度偏小,大规模建设太阳能和风能发电场将改变大面积的地表属性,有可能通过陆气相互作用过程,改变局地和区域气候,甚至有可能通过遥相关过程,产生更大的气候影响。本文利用RegCM4.5区域数值模式,模拟了在我国西北干旱和半干旱区域建设太阳能和风力发电场的气候效应,分析表明:（1）在西北地区大规模建立太阳能和风能发电场将导致局地地面净短波辐射增加,地表感热通量升高,近地面气温升高,增加新疆西部地区、河西走廊地区和我国黄淮等地的降水量,而华北部分地区降水减少。（2）地表反照率对气候的影响大于地表粗糙度对气候的影响,因此太阳能利用导致的气候效应大于风能利用的影响。（3）反照率改变导致低层形成气旋性环流,我国中部地区出现南风异常,西北地区产生异常东风;在高层形成反气旋环流,可以影响我国大部分地区。（4）当只在西北地区20%的面积上建立太阳能和风能发电场时,局地近地面气温不会产生明显的改变,河西走廊地区的降水稍有增加,环流的改变较弱,基本不会有显著的气候影响。     

SOME NEW UNDERSTANDINGS OF LAND-SURFACE PROCESSES IN ARID AREA FROM THE HEIFE*

The survey for the HEIFE(Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin,Western China) is given in the paper.The following basic subjects for land-surface processes in arid areas are studied:(1) the general characteristics of the energy budget on ground surface in arid areas;(2) the parameterization of the land surface processes;(3) the interaction between oasis and its desert circumstances,a special phenomenon in arid areas.The analysis shows that the sensible heat flux in the surface energy budget is in the majority,and the latent heat flux may be neglected.The influence of atmospheric stratification stability on the turbulent transfer of energy and substance must be considered in parameterization of land surface processes in arid areas.The "cold island effect" phenomenon in oasis and the "humidity inversion" phenomenon in desert near oasis are the result of the interaction between them.The results would improve the understanding of land surface processes in arid areas.     

Land-Air Interaction over Arid/Semi-arid Areas in China and Its Impact on the East Asian Summer Monsoon. Part I： Calibration of the Land Surface Model （BATS） Using Multicriteria Methods

To improve the land surface simulation in the arid and semi-arid areas of northern China, the observational data from two field experiments in Dunhuang and Tongyu are used to optimize the parameters in the land surface model, BATS, through calibration with the multicriteria method. Sensitivity analysis to the parameters in Dunhuang and Tongyu indicates that different parameters need to be calibrated in two sites with different environmental and climate regimes. Comparison of observed sensible heat flux, latent heat flux, and ground surface temperature with the simulated ones shows the simulations with the optimized parameters have been substantially improved. Especially, the holistic simulations with the calibration of the parameter values are much closer to the observations in the arid region (Dunhuang), and the energy partition with the calibrated parameters can also be simulated well in the semi-arid region (Tongyu). Whole results demonstrate that the parameter calibration of the land surface model is important when the model is to be used to investigate the land-air interaction.