玉米冠层辐射传输参数优化对陆气通量模拟的影响

设置合理的冠层辐射传输参数有利于地表能量过程的真实表达,将对改善陆面过程模型模拟精度起到重要作用。基于2008年和2012年锦州农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,分析了玉米农田叶面积指数、植被覆盖度、平均叶倾角、叶片反射率和透射率动态变化规律及各因子间的关系,对CoLM模型辐射传输参数进行优化,并对模型优化效果进行定量评价。结果表明:叶面积指数与植被覆盖度和平均叶倾角分别呈幂函数和二次函数关系;平均叶倾角的参数优化对模型模拟几乎没有影响;叶片反射率和透射率优化后,冠层反照率模拟精度明显提高;净辐射、感热模拟值对实测值解释能力分别提高0.6%和4.0%,Nash-Sutcliffes系数增大0.008和0.028,相对均方差(RRMSE)减小0.068和0.050;潜热模拟精度改善程度小于感热,地表热通量未表现出改善。     

黄土高原砂壤土冻融过程的观测和模拟

针对黄土高原冬季陆面过程,使用兰州皋兰地区冬季观测资料和水热耦合模式(SHAW),进行了观测资料和数值模拟分析.结果表明:冬季,黄土高原地区入射的太阳辐射较小,降水稀少,空气干燥,12月、 1月及2月的月平均气温均低于0℃,净辐射很小,积/融雪期间,净辐射出现了负值.地表能量分配中感热潜热都很小,但感热相对潜热占主要地位,在无降水时期日平均潜热通量几乎都在10W·m-2以下.水热耦合模式对地表能量中短波净辐射和长波净辐射模拟较好,感热通量和潜热通量的模拟存在一定的偏差.模式对浅层30cm和40cm土壤温度及土壤湿度模拟较为成功,模拟值对观测值的相关性较高,相关系数均达到0.87以上.土壤温度模拟偏高,土壤湿度的模拟稍偏低.     

辽东湾红沿河附近海域2017—2018年冬季气温-水温-冰情关系研究

辽东湾是我国冰情最严重海域,每年冬季都会受到海冰的显著影响,冰情预测评估可为辽东湾涉海活动提供防冰抗冰的技术依据。建立气温-水温-冰情的相关性,结合便于获取的现场高精度连续气象数据和高精度冰情预测模型,可实现局地小尺度的冰情快速预测评估。基于2017—2018年冬季辽东湾东岸红沿河附近海域实测气象-水温-冰情同步观测数据,结合辽东湾大尺度整体冰情（浮冰面积）,推演局地气温、水温与不同尺度冰情评价参数（浮冰范围与冰厚）的相关关系,提出基于不同气温区间的气温变化规律的冰底热通量选取方法,进而建立适用于辽东湾的气温-水温-冰情评估方法。相关性分析结果显示：观测点气温与水温存在明显相关性;浮冰范围与气象数据存在明显相关性,临界温度为 -5 ℃的累计负气温能很好拟合本年度盛冰期浮冰范围。基于HIGHTSI进行数值模拟后发现：水温与块体积法计算冰底热通量时,冰水间的热传递系数取2.2×10^-5是可行的;水温对冰情的影响表现在海冰冰厚最大值与冰期长短。为弥补辽东湾其他海域因缺少实测海水温度观测数据欠缺、冰底热通量选取不准选取导致的冰情模拟预测评估困难的问题,本文依据水温与气温的相关性,将水温随气温变化划分为结冰区（气温小于-10 ℃时水温维持冰点附近）、过渡区（气温为-10~-5 ℃时水温处于-1.4~-0.4 ℃）、融冰区（气温高于-5 ℃时水温随气温的增大逐渐增大）,进而提出适用于辽东湾所有海域的冰底热通量计算方法和冰情评估方法。     

考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统(SEBS)模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数(NDWI)作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统（SEBS）模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数（NDWI）作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

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。     

白令海冰间湖的数值模拟及影响模拟准确度的关键因素

冬季在北白令海陆架区域频繁地出现潜热冰间湖,对当地的生态系统和北极盐跃层贡献很大.将CICE海冰模式应用到该区域,采用高分辨率(6.37 km)网格,模拟2002年11月至2003年4月的海冰变化过程,模拟的海冰总面积和海冰密集度与AMSR-E/Aqua卫星遥感结果吻合很好,其中两者日平均海冰总面积在模拟期间的相关系数达到0.97.模拟结果表明,东北风将海冰向南输运在东西走向的海岸南部形成冰间湖,反映了潜热冰间湖形成和演化的动力过程.对卫星观测数据,将海冰密集度<75%作为冰间湖的判据;而对数值模拟结果,确定海冰密集度<70%为冰间湖的判据.据此讨论白令海4个区域的冰间湖形成过程,与卫星数据进行比较,大部分冰间湖得到很好的模拟.深入讨论了影响冰间湖模拟准确度的主要因素,认为选用恰当的阈值、提高气象强迫场的空间和时间分辨率有助于提高模拟效果.对部分海域的冰间湖模拟效果不佳,需要发展冰海耦合模式才能最终解决.     

渤海层化结构及潮汐锋面季节变化的数值研究

采用三维斜压海流模式(POM)模拟了渤海海温的季节变化,以海表与海底温差ΔT作为判别依据,发现3月份前整个渤海的表、底温差小于0.5℃,说明渤海处于充分混合状态;进入4月份以后,莱州湾、渤海中部以及渤海海峡的局部水域出现超过2℃的表、底温差,意味着垂向层化结构开始形成;层化区域面积随着海表热通量增大的趋势可一直持续到8月,9月后由于日照量逐渐减小,季节性温越层逐渐消失,11月以后渤海又恢复到充分混合的状态.     

单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水-热-盐-力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明：盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。     

科奇喀尔冰川夏季表碛区热量平衡参数的估算分析

利用能量平衡原理、热传导理论和通量传输理论建立了一个热量平衡参数的估算模型,对西天山的科奇喀尔冰川夏季消融区中部表碛区的热量平衡参数进行估算与分析.结果表明:净辐射是表碛面热量收支的主要热源,吸收的热量主要以潜热和感热的形式向大气输送水汽和热量,剩余部分用于表碛增温耗热.与消融区上部的冰面和表碛面相比,在消融区中部表碛面热量收入中感热输送减小,同时向上的地热输送增加.热平衡支出项中,感热交换、蒸发耗热和地热通量的比例分别为39.1%、39.9%和21%,其中感热通量与蒸发耗热的比例比消融区上部有所提高,蒸发耗热的增加比较显著.在总的热量支出中,平均只有7.8%的热量可以用于表碛下部的增温和向深层传导.     

Inertial-Dissipation flux measurements over south Bay of Bengal during BOBMEX-Pilot experiment

This paper describes measurement of air-sea parameters and estimation of sensible and latent heat fluxes by the “Inertial-Dissipation” technique over south Bay of Bengal. The data were collected on ORV Sagar Kanya during BOBMEX-Pilot cruise during the period 23rd October 1998 to 12th November 1998 over south Bay of Bengal. The fluxes are estimated using the data collected through fast response sensors namely Gill anemometer, Sonic anemometer and IR Hygrometer. In this paper the analyses carried out for two days, one relatively cloud free day on November 3rd and the other cloudy with rain on November 1st, are presented. Sea surface and air temperatures are higher on November 3rd than on November 1st. Sensible heat flux for both the days does not show any significant variation over the period of estimation, whereas latent heat flux is more for November 3rd than November 1st. An attempt is made to explain the variation of latent heat flux with a parameter called thermal stability on the vapor transfer from the water surface, which depends on wind speed and air to sea surface temperature difference.     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

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.     

南海海-气通量交换研究进展

1998年的"南海季风试验(SCSMEX)"已经过去10年了,SCSMEX启动的南海海-气通量试验研究也有10个年头.在SCSMEX和国家自然科学基金面上项目"南海季风爆发期近海面层通量观测和湍流结构的观测研究"支持下,10年来在西沙实施了3次(1998年、2000年、2002年)海-气通量观测试验,开展了试验资料分析研究,重点是西南季风爆发前后海-气通量交换过程研究,辐射通量、感热通量、潜热通量、动量通量随天气条件的变化研究,海-气通量日变化,通量交换系数以及通量变化对低层大气、上层海洋的影响研究.对10年来南海通量研究作一回顾,对未来的通量观测研究计划特别是2008"亚洲季风年"西沙通量观测提出一些建议.     

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.     

兰州马衔山多年冻土区地表能量平衡特征分析

利用兰州马衔山多年冻土区2010年7月1日到2011年6月30日的气象资料, 采用气象梯度法计算了该地区的感热通量和潜热通量, 结合净辐射分析了该地区的地表能量平衡特征.结果表明: 马衔山多年冻土区净辐射呈现明显的年变化特征, 净辐射值较青藏高原西大滩地区略大, 而较唐古拉地区小; 净辐射冬春季主要转化为感热, 而夏秋季主要转化为潜热, 这一特点与青藏高原唐古拉和西大滩地区类似; 潜热年平均值略大于感热年平均值, 这与马衔山多年冻土区沼泽湿地的保护作用及充足的水分条件有关.此外, 地下冰的存在有效地保护了该地区的多年冻土.