黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

藏东南草地下垫面地气通量交换日变化的数值模拟

利用2013年5月21日至7月9日藏东南地区草地下垫面的边界层观测数据,分别从典型晴天和长时间平均的角度,评估了中尺度模式WRF对藏东南草地下垫面在南亚季风爆发前后的感热、潜热、地表土壤热通量和地表辐射平衡各分量日变化的模拟能力,对比分析了模拟结果与边界层观测数据的异同点。对典型晴天少云状况的个例模拟和整个时段的平均结果分析均表明,模式对感热通量和潜热通量的日变化具有较好的模拟能力,感热比潜热的模拟效果好,在夜间感热和潜热的模拟效果好,而白天感热和潜热的模拟值大于观测值。典型晴天天气下的向下短波辐射和净辐射的模拟值与观测值基本一致,而向上短波辐射的模拟值在白天大于观测值。长时间平均的向下短波辐射、向上短波辐射和净辐射的模拟值在夜间也与观测数据基本一致,但在白天模拟值比观测值明显偏大。晴天个例和长时间模拟的向下长波辐射和向上长波辐射的模拟值在日循环整个过程中较观测值均偏小。长时间模拟的地表土壤热通量在早上和晚上低于观测值,而在白天高于观测值。虽然平均的结果分析和晴天个例的结果是类似的,但由于晴天个例没有降水过程的干扰,因此晴天天气状态下的分析结果更能一致地反映出这一地区的日变化特征。     

藏东南地区草地下垫面湍流通量和辐射平衡各分量的变化特征

利用2013年5月20日至7月9日藏东南林芝地区草地下垫面的野外试验站点观测资料,分析了晴雨转换过程中林芝地区草地下垫面的近地层基本气象要素、湍流通量和辐射平衡各分量的变化特征,并着重分析了各个变量之间的相互关系,对比分析它们在典型晴天和阴天条件下的差异。结果表明:(1)草地观测站的各气象要素的变化趋势相互吻合,即相对湿度与降水有着一致的变化趋势,而气温、地面温度和风速均与降水的变化相反;观测期间草地站的潜热交换大于感热交换,在无降水时期,感热明显偏高,潜热偏低,降水时期则相反;感热与向下短波辐射的变化趋势一致,同时,向上短波辐射、向上长波辐射、净辐射、地表反照率和土壤热通量均与向下短波辐射保持同步的变化关系,而向下长波辐射则呈现出相反的变化。(2)典型晴天和阴天的分析结果表明,晴天条件下各变量的日变化均比阴天条件下剧烈,在白天,感热和潜热在典型晴天的值均大于典型阴天天气下的值,除向下长波辐射外,其他地表辐射分量在晴天条件下的值远大于阴天的值;在夜间,晴天的向上长波辐射、净辐射和土壤热通量小于阴天的值。(3)相对湿度最大值出现在早晨,最低值出现在午后;风速的最小值出现在早晨,最大值出现在中午,且基本上都是晴天天气下大于阴天天气下。因此,藏东南林芝地区草地下垫面的感热、潜热、土壤热通量、辐射平衡各分量、基本气象要素均与晴、雨的转化有着非常密切的协同变化关系,这些变量之间相关系数高,吻合度好,表明了该边界层观测数据的可靠性,该观测试验数据可为数值模式在藏东南林芝地区地气交换过程的模拟提供重要的数据基础。     

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。     

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。     

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     

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

黄土高原半干旱区雨养农田地表辐射和能量通量的季节变化

黄土高原陇东地区有着特殊的气候背景和下垫面,对这一地区陆气相互作用特征和影响因素的观测分析对改进和发展陆面过程模式以及气候变化研究有重要意义。利用陇东平凉陆面过程与灾害天气观测研究站连续一年的陆面过程观测资料,分析了雨养农田降水量、土壤含水量、辐射、反照率和能量通量的季节变化,以及降水、土壤含水量和农业生产活动对能量分配的影响。结果表明,陇东地区降水量季节分布不均,土壤含水量有明显季节差异,随降水有明显波动;辐射通量的季节变化较为规律,短波辐射的日均值受天气状况影响,波动较大;地表反照率呈明显的季节变化,全年正午反照率最大值为0.83,出现在降雪后,生长季随着作物的生长,反照率下降至0.2以下,农作物收割以后的裸土反照率随降水变化明显,反照率与土壤体积含水量呈明显的线性相关关系;湍流能量通量日循环和季节变化明显,地表能量分配在很大程度上受降水影响,同时农业生产活动也对其有较大影响,主导能量通量有较大的月际波动,潜热通量月平均日变化峰值最大为240.8 W·m~(-2),出现在5月,感热通量为192.5 W·m~(-2),出现在4月;在年尺度上,正午净辐射多被感热通量消耗,感热通量约占35%,潜热通量约占32%,低于灌溉农田;在冬小麦快速生长季(3-5月),潜热通量约占34%,远低于灌溉的冬小麦田,研究站点的蒸散发过程受到水分限制。     

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响.本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通...     

甘肃马衔山区陆面过程与降水的研究

采用定西的麦田微气象观测,定西、兰州的辐射观测和马衔山区34个气象、水文和雨量站的气候资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料以及反演的地表植被盖度和反射率,并用SEBAL算法推导出夏季地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度的区域分布特征,并分析陆面过程对降水的影响。结果表明:本区降水的空间分布与夏季植被盖度对应最好,相关系数高达0.722,其次是土壤热通量和潜热通量,相关系数分别为-0.65和0.615。这表明森林通过降低地表反射率和表面温度,不仅增加地表净辐射,而且减少其用于感热和土壤热通量的消耗。由于林区地表水分多,从而将接收较多的太阳辐射能主要用于蒸散,增加边界层中的水汽。故林区降水远大于植被稀疏的半干旱黄土梁。     

土壤湿度年际异常对中国春、夏季气候模拟的影响

基于NCAR大气模式CAM3.1模式,设计了有、无土壤湿度年际异常两组试验对中国区域近40a(1961-2000年)气候进行了模拟。从气候态和年际变率的角度,通过分析两组试验的差值场来探讨土壤湿度年际异常对气候模拟的影响,并初步探讨了影响的可能机制。结果表明:模式模拟的温度和降水对土壤湿度的年际异常非常敏感,土壤湿度的年际变化对中国春夏季气候及其年际变率均有显著影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,模式模拟的春夏季平均温度、最高温度、最低温度在我国大范围内降低,春夏季降水在东部大部分地区明显减少,西部增加。而模式模拟的春夏季温度、降水年际变率在中国大部分地区减弱。但当考虑土壤湿度的年际变化,则能在一定程度上提高模式对气候年际变率的模拟能力。在进一步分析表明土壤湿度年际异常时,主要通过改变地表能量通量和环流场,对温度、降水产生影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,地表净辐射通量减少,地表温度降低,感热通量减少。感热通量差值场的空间变化和温度差值场的空间变化一致,感热通量对温度有一定影响。而潜热通量差值场的空间变化和降水的差值场的空间变化一致,可见降水受地表潜热通量的影响。土壤湿度年际异常引起的环流场的变化也是导致气候变化的原因之一,地表能量和环流场年际变率的改变对春夏季气候年际变率存在一定影响。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

The impact of soil moisture availability upon the partition of net radiation into sensible and latent heat fluxes

The impact of soil moisture availability on the Bowen ratio and on the partition of net radiation flux into sensible, latent and soil heat fluxes was investigated by using one-dimensional primitive equations with a refined soil parameterization scheme. Simulation results presented that as soil moisture availability increases, the Bowen ratio and the partition of net radiation flux into sensible and soil heat fluxes decrease. The partition of net radiation flux in-to latent heat flux, however, increases. Quantitative relationships between Bowen ratio and the partitions with soil moisture availability were also given in this study.     

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。     

CoLM模式在西北干旱区和青藏高原区的适用性研究

运用CoLM(CLM3.0)模式对典型干旱区(张掖站)和青藏高原区(安多站、MS3478站)进行了off-line验证试验,检验了CoLM模式在典型干旱区和青藏高原区的性能。结果表明:CoLM模式对典型干旱区绿洲灌溉农业的陆面过程模拟较好,土壤各层温度的日变化趋势和季节变化趋势都能较准确地模拟出来,模拟的地表温度与观测值相关系数为0.885,均方差为0.873;模拟的5 cm土壤温度值与实测值的相关系数为0.944,均方差为0.891。在高原地区能量平衡分量的模拟中,净辐射、感热模拟效果较好,潜热分量模拟值偏大,故将CoLM模式用于高原地区还有待进一步改进。     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

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。