Comparative energy balance study for arctic tundra,sea surface glaciers and boreal forests

Seasonal change in the energy balance on the arctic tundra is presented. The thermal stability of a dry snow cover is investigated in detail. In addition to high reflection by the snow cover, a significant absorption of solar radiation on the very surface of the snow cover was found responsible for the thermal stability. The efficient absorption of solar radiation by the surface rather than the interior of the snow cover and the almost immediate removal of the absorbed energy through radiative emission and turbulent heat fluxes keep the temperature of the snow cover low. The energy balances for the melt and postmelt period for various arctic surfaces are compared. The most important difference of the energy balance between the tundra and tther low attitude arctic surface, such as the sea and ablation areas of glaciers, is not the net radiation but the latent heat of fusion. Extremely small heat cosuumption through the melt on the tundra is the basis for higher temperature, characteristics to the tundra climate in the Arctic.     

Surface energy balance of seasonal snow cover for snow-melt estimation in N-W Himalaya

This study describes time series analysis of snow-melt, radiation data and energy balance for a seasonal snow cover at Dhundi field station of SASE, which lies in Pir Panjal range of the N-W Himalaya, for a winter season from 13 January to 12 April 2005. The analysis shows that mean snow surface temperature remains very close to the melting temperature of snow. It was found close to −1°C for the complete observational period which makes the snow pack at Dhundi moist from its beginning. The average air temperature over this period was found to be 3.5°C with hourly average variation from −5.5°C to 13°C. The snow surface at this station received a mean short wave radiation of 430W m⁻², out of which 298W m⁻² was reflected back by the snow surface with mean albedo value of 0.70. The high average temperature and more absorption of solar radiation resulted in higher thermal state of the snowpack which was further responsible for faster and higher densification of the snowpack. Net radiation energy was the major component of surface energy budget with a mean value of 83W m⁻². Bulk transfer model was used to calculate turbulent fluxes. The net energy was utilized for satisfying cold content and snow-melt by using measured snow surface temperature and density of snow pack. The mean square error between calculated and measured daily snow-melt was found to be approximately 6.6mm of water equivalent.     

寒区灌丛与积雪关系研究进展

在气候变化的背景下, 寒区灌丛与积雪的相互关系成为寒区水文循环研究的重要环节. 综述近几十年来寒区灌丛-积雪相互关系的国内外研究现状, 并对未来研究提出了展望. 寒区灌丛过去几十年来覆盖面积和生物量等呈现增加趋势, 灌丛的增加可截留积雪, 改变积雪重分布, 影响积雪消融过程; 积雪可增加灌丛区地温, 制约灌丛区融雪时空变化过程, 影响寒区灌丛的生理生态过程. 灌丛与积雪同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分, 二者相互作用使地面太阳辐射和地表水分分配过程复杂化, 从而间接地影响寒区冻土环境变化. 最后, 指出了未来研究需要重点关注的几个问题: 寒区灌丛区积雪分布的精确估计; 灌丛-积雪-冻土连续体的研究; 耦合灌丛-积雪作用的寒区水文模型的构建.     

Ice ages and the thermal equilibrium of the earth,II

The energy required to sustain midlatitude continental glaciations comes from solar radiation absorbed by the oceans. It is made available through changes in relative amounts of energy lost from the sea surface as net outgoing infrared radiation, sensible heat loss, and latent heat loss. Ice sheets form in response to the initial occurrence of a large perennial snowfield in the subarctic. When such a snowfield forms, it undergoes a drastic reduction in absorbed solar energy because of its high albedo. When the absorbed solar energy cannot supply local infrared radiation losses, the snowfield cools, thus increasing the energy gradient between itself and external, warmer areas that can act as energy sources. Cooling of the snowfield progresses until the energy gradients between the snowfield and external heat sources are sufficient to bring in enough (latent plus sensible) energy to balance the energy budget over the snowfield. Much of the energy is imported as latent heat. The snow that falls and nourishes the ice sheet is a by-product of the process used to satisfy the energy balance requirements of the snowfield. The oceans are the primary energy source for the ice sheet because only the ocean can supply large amounts of latent heat. At first, some of the energy extracted by the ice sheet from the ocean is stored heat, so the ocean cools. As it cools, less energy is lost as net outgoing infrared radiation, and the energy thus saved is then available to augment evaporation. The ratio between sensible and latent heat lost by the ocean is the Bowen ratio; it depends in part on the sea surface temperature. As the sea surface temperature falls during a glaciation, the Bowen ratio increases, until most of the available energy leaves the oceans as sensible, rather than latent heat. The ice sheet starves, and an interglacial period begins. The oscillations between stadial and interstadial intervals within a glaciation are caused by the effects of varying amounts of glacial meltwater entering the oceans as a surface layer that acts to reduce the amount of energy available for glacial nourishment. This causes the ice sheet to melt back, which continues the supply of meltwater until the ice sheet diminishes to a size consistent with the reduced rate of nourishment. The meltwater supply then decreases, the rate of nourishment increases, and a new stadial begins.     

2003-2012年四川省积雪时空动态变化与气候响应研究

积雪是地球表层覆盖的重要组成部分,以高反射率、低导热率对地球能量和辐射平衡产生重要影响。利用遥感和GIS等方法能够获得大范围的雪盖信息,了解其时空分布特征及变化规律,可以对有关部门提供防灾减灾的信息。采用2003-2012年MOD10A2数据和四川省48个气象观测站的温度、降水量、湿度、气压和日照时数等数据,分析了10a四川省积雪覆盖的时空变化特征及其与气候之间的关系。结果表明：四川省积雪覆盖的空间分布呈现出西部高原多积雪,成都平原覆盖少,东部盆地几乎无积雪覆盖的阶梯式结构;2003-2012年近10a来,积雪覆盖面积年际变化呈现出小幅度波动,峰值出现于2008年,从总体趋势来看,积雪覆盖面积呈现出微弱的下降趋势;通过分析10a来积雪覆盖率与气温、降水、湿度、气压、日照时数的相关性可知,积雪覆盖率的变化特征与气温和降水的关系最为密切,与湿度的相关性一般,与气压和日照时数的关系较弱。研究表明,四川省积雪变化受气温的影响大于降水的影响,气温越高,降水量越多,积雪面积越少,反之,积雪面积越大。     

积雪对祁连山区黑河上游活动层热状态的影响研究

积雪对多年冻土活动层和近地表的热状态具有重要影响。然而,积雪对祁连山区黑河上游地区多年冻土热状态的影响机制尚不清楚,迫切需要可靠的野外观测数据进行定量研究。基于两个典型野外监测站点2012—2019年观测数据,分析积雪对表面能量平衡、5 cm地表热通量及活动层热状态的影响。结果表明：厚度约21 cm的积雪在秋冬季对活动层具有保温作用;2013—2018年,俄博岭（EB）和野牛沟（PT1）监测场,活动层厚度分别为61~86 cm和159~164 cm,平均活动层厚度分别为74.2 cm和162.1 cm。受积雪影响,相隔两年（2015—2017年）的活动层厚度变化达25 cm。定量分析了祁连山积雪对多年冻土热状态的影响,为未来祁连山相关研究提供重要资料。     

祁连山老虎沟12号冰川表面能量和物质平衡模拟

采用HOCK的分布式能量物质平衡模型对老虎沟12号冰川消融期的物质平衡进行了模拟,时间步长为1 h,空间分辨率为30 m. 模型结果利用物质平衡观测数据和气象站观测数据验证,模型模拟时期为2012年6月1日-9月30日. 模型模拟结果表明,地形因子对太阳辐射影响相当显著;散射辐射在总辐射中的比例较大为39%,模拟期冰川表面物质平衡为-506 mm w.e.. 在模拟期整个冰川平均上净辐射占能量收入的84%,感热通量占有16%;消融耗热则是能量的主要支出占有62%,潜热通量占有能量支出的38%.     

北冰洋中央密集冰区海冰对太阳短波辐射能吸收的观测研究

太阳辐射能是海冰融化的最主要能源,基于在2008年8月21~27日北极加拿大海盆中部为期8天的冰站考察中海冰光学观测数据,研究了北冰洋中央密集冰区海冰吸收的太阳辐射能。通过现场直接观测,确定了海冰透射率、反照率、吸收率及其随冰厚的变化,得出海冰对太阳短波辐射的吸收率大约为到达冰面太阳辐射的16%,大部分被冰雪表面反射。为期3天的对太阳辐射的观测表明,虽然到达北冰洋中央密集冰区的太阳辐射能并不少,但由于云和雾覆盖的时间所占的比例很大,有将近57%被大气削弱,其余的又有77%左右被冰雪表面反射回太空,海冰吸收的热量只有10.2 W/m²,相当于每天融化2.6 mm的冰,1 m厚海冰全部融化需要380天,不足以为海冰融化提供足够的热量。因此北冰洋中央密集冰区终年被海冰覆盖,即使在北冰洋海冰面积骤减的现状下,那里的海冰密集度仍然接近100%。然而,文章的结果指出：大气中云和雾大幅度减少、积雪层融化、海冰厚度减小、融池的比例增加等因素都会大幅度增加海冰吸收的热量,未来这些过程的发生有可能导致北冰洋密集冰区的海冰快速融化。     

极地海冰的研究及其在气候变化中的作用

极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分,通过影响大洋表面的辐射平衡、物质平衡、能量平衡以及大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化.从最初研究极地海冰的强度和承载力到目前海/冰/气相互作用全球气候耦合模型的建立,使海冰变化和全球气候变化紧密结合起来.这些研究领域主要有:海冰及其表层雪的物理特性和过程、海冰区域生态特征、海冰区与气候相关的反照率和物质平衡研究以及海冰气候耦合模型等大的领域.模拟显示,21世纪因为全球变暖,南北极海冰都将减少.海冰和全球气候系统其它要素之间的相互作用问题、极地海冰的厚度季节性区域性分布问题、极地海冰边界及范围变化趋势问题、生消关键过程及其影响因素问题、冰间湖的作用以及海气相互作用等将是未来重要的研究方向.     

祁连山七一冰川消融期间的能量平衡特征

冰川表面的能量平衡可以描述冰雪消融与气候响应之间的物理机制,利用2006年6月9日至9月28日在祁连山七一冰川消融区中部自动气象站(AWS)的观测资料,对七一冰川表面的能量平衡进行了估算.结果显示:在冰川消融期,净辐射、湍流热通量和冰川消融耗热是能量平衡的主要组成部分,能量收入方面主要是净辐射和感热通量,分别约占总能量收入的82.4%和17.6%;而支出方面主要是冰雪消融耗热和潜热释放,分别约占总能量支出的87.2%和12.8%.2006年7月31日至8月6日进行了为期近7 d的冰面径流场观测,基于能量平衡原理,对冰川表面的消融进行了模拟,模拟的消融速率和实测的冰面消融数据吻合的较好.     

基于能量平衡对额尔齐斯河流域融雪过程的研究

为定量描述额尔齐斯河流域积雪的消融过程,建立了利用基于能量平衡的积雪模型,对流域内库威积雪站2014年1月4日-3月28日积雪的积累和消融过程进行了模拟.结果表明:模型能够很好的模拟出融雪期净辐射能量的变化过程,对雪水当量的模拟结果也非常好,雪水当量的观测值和模拟值之间的Nash系数达到了0.989.在积雪的积累期,雪表的净辐射、感热、潜热通量的绝对值以及地表热通量明显低于积雪的消融期.在积累期,感热和潜热通量以及土壤热通量受到雪层厚度的影响.当雪水当量小于10 mm时,感热和潜热通量的绝对值偏高,土壤热通量的波动性也偏大.在积累期积雪的物质损失全部为升华损失,升华量为2.74 mm;在消融期,积雪的融化量为66.26 mm,升华量为2.04 mm.净辐射对积雪物质损失的贡献达到了83.1%,湍流通量对积雪物质损失的贡献达到16.9%.由于在融化期土壤热通量为正值,因此土壤热通量对融雪没有贡献.     

基于卫星的水资源监测预报技术应用与研究

基于卫星遥感的降水监测的基本方法是建立云顶温度与象素点降水的统计相关关系,同时利用卫星信息在地面雨量站点间进行雨量插值。基于气象卫星的实际蒸散发计算通过定标、大气订正、空气温度、总辐射、净辐射、显热通量等步骤计算。降雪处理的依据是降雨和地表温度。融雪计算的基础是能量平衡,融雪发生时刻用雪盖的寒冷度估算。决定土壤冻结的因素能量平衡和温度。土壤冻结逆方程可用于确定土壤解冻的深度。坡面径流以用二维扩散过程模拟。河道部分以有侧向入流的Muskingum-Cunge方法为基础。     

降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响——以北麓河地区为例

青藏高原地表辐射变化影响多年冻土地表能量收支平衡、热工计算温度场边界条件以及冻土热稳定性。降雨变化是影响地表辐射的重要因素,以青藏高原北麓河地区的地表辐射资料和浅层地表水热监测数据为基础,分析了降雨对多年冻土区地表辐射特征的影响。研究表明：受降雨影响,辐射分量具有明显的日变化和年际变化特征,短波辐射被严重削弱,地面长波辐射削弱程度较低,而太阳长波辐射增强。小雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少24.6%、37.9%、4.2%,太阳长波增加了4.3%;中雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少32.2%、43.4%、1.7%,太阳长波增加了11.6%;大雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少56.3%、65.5%、4.4%,太阳长波增加了10.7%;降雨作用后地表反照率减小,且呈不对称“U”形变化,地表净辐射增加,长期时间尺度上降雨对净辐射影响不明显;降雨对辐射特征的影响程度与降雨强度呈正相关且地表辐射对降雨变化的响应有滞后效应。在暖湿化背景下,冻土热工计算中应考虑降雨对多年冻土区地表能量平衡和水热边界的影响。     

积雪升华过程对高寒湿地陆气相互作用的影响

利用青海玉树隆宝地区2014年12月积雪升华过程的观测资料,分析了积雪升华过程中高寒湿地陆气相互作用特征及积雪深度对陆气相互作用的影响。结果表明：在降雪和积雪升华过程中,高寒湿地浅层土壤温度在短时期内有所升高,而深层土壤温度和土壤体积含水量对降雪过程的响应不敏感。积雪升华过程中净辐射、感热通量和潜热通量的日平均值增加,向上短波辐射的日平均值减少。积雪逐渐升华导致地表吸收的能量增加,同时地表向大气传递的能量也随之增加。随着积雪的逐步升华,感热占比和潜热占比逐渐升高,而土壤热通量占比和热储存占比逐渐降低。积雪深度增加会导致地表反照率和地表比辐射率增大,感热输送系数减小。     

青藏高原冬春积雪和季节冻土年际变化差异的成因分析

利用青藏高原上72个常规气象观测站的逐日积雪厚度、冻结深度、气温、降水和地表温度资料,分析了高原积雪和季节冻土年际变化差异的原因.结果表明:气温和地表温度对高原积雪和季节冻土都有重要的影响,而降水对积雪的影响很重要,但是对季节冻土的影响则比较小.高原积雪对季节冻土有较大的影响,在积雪达到一定厚度以后,积雪的保温作用会影响冻结深度的变化,积雪越厚,保温作用越强;积雪越浅,保温作用越弱,当积雪小于某一厚度时其主要起降温作用.积雪的保温作用可能是积雪与季节冻土年际变化差异的原因之一.     

青海玉树隆宝高寒湿地近地面能量收支状况研究

基于青海玉树隆宝湿地2011年10月-2012年9月气象观测数据, 利用组合法计算其近地面的感热通量和潜热通量, 进而分析近地面能量收支状况. 结果表明: 隆宝湿地太阳辐射资源充足, 达6 770.8 MJ·m^-2, 受积雪影响, 冬季日反射率最高可达0.93; 11月和12月地面吸收的90%以上短波能量以辐射形式传给大气, 而6月份则不到30%. 地面全年以净辐射和土壤热通量吸收能量, 其中, 77%以潜热形式支出, 23%以感热形式支出, 但各月能量收支特征与之有所不同.     

冰川/积雪-大气相互作用研究进展

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分,在全球或区域气候系统中起着极其重要的作用.开展冰川/积雪-大气相互作用研究,是研究冰冻圈物理过程及其对气候系统反馈作用的必然需求,也是研究冰川/积雪对气候变化响应的有效手段,同时还可为全球(区域)气候和水文模式提供冰川/积雪面的地表特征参数.近一个世纪以来,在冰川/积雪面辐射特征、能量通量计算方法和平衡特征等方面开展了许多观测试验和理论研究,并取得了卓有成效的研究结果.但是在准确获取辐射通量、研发普适性较强的反照率参数化方案、复杂地形条件下能量通量的计算,以及发展分布式能量平衡模式等方面尚存在许多不确定性,仍面临许多技术难点,也是未来的研究重点.     

城市区域热辐射方向性研究进展

城市是陆地生态系统中极为重要的地表覆盖类型,把握其热辐射特征对于研究城市地表能量平衡和城市热岛具有积极的意义.相对于自然地表,城市区域表现出更为显著的热辐射方向特征,但这方面的研究直到近年来才开始发展起来.对城市区域的航空遥感和地表观测试验均揭示,城市区域热辐射方向性与太阳-地面目标-传感器几何关系、城市形态与结构、地面目标物理性质等密切相关.同时,为描述城市区域热辐射方向性,辐射温度三维格局模型、几何模型以及辐射传输模型都相继建立起来.从热辐射方向性的试验观测、模型建立及其与城市热岛关系等角度入手,系统回顾了城市区域热辐射方向性的研究进展,并对已经取得的研究成果进行了总结.最后,指出了尚待解决的问题及今后应着重研究的方向.     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

陇中黄土高原冬季地表辐射和能量平衡特征

利用定西试验基地2003年12月至2004年2月获取的地气相互作用观测资料,分析了陇中黄土高原冬季典型天气（晴天、阴天及雪天）和平均状况下的地表辐射能量平衡和土壤温度等微气象特征的日变化规律。结果表明,在典型天气间微气象特征有较大差异,但冬季的平均特征与晴天比较接近,云和降雪的扰动影响有限。冬季地表能量平衡以感热输送为主,土壤热通量为辅,且普遍存在不平衡现象。冬季初的2／3时段净辐射及土壤热通量日总量基本为负值,之后的1／3时段为正值,冬季地面加热场为热源。冬季土壤温度在地表及20 cm土壤层存在日变化,30 cm及以下土壤温度日变化很小。冬季地表日平均反射率基本在0.20～0.25之间变化,平均值为0.22。