农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

地表反照率动态参数化对陆-气通量模拟的影响：以东北玉米农田为例

利用考虑了生物因子(叶面积指数)和环境因子(太阳高度角、表层土壤湿度)影响的地表反照率α动态参数化方案对BATS1e模型进行改进,基于2008年玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子的连续观测资料,研究α动态参数化对玉米农田生态系统与大气间通量交换的影响.结果表明,引入α动态参数化方案后,模型实现了地表反照率α的日、季动态模拟,模型效率系数提高0.65,误差明显减小,使陆气通量交换热力作用的模拟准确性有所提高,其中,净入射短波辐射模拟改进最为明显,全年改进量为81772 kJ/m2,占年总辐射的1.7％;表层土壤温度的年均改进量为0.62 K,多数月份的改进量在1 K以上.另外,模型改进实现了叶面积指数和植被覆盖度等决定下垫面性质各参数的动态变化,使各种通量交换过程更接近于实际,感热和潜热模拟的模型效率系数分别提高0.516和0.1,模拟值对实测值的解释能力在生长季分别提高6％和9％,大于非生长季.     

地表反照率研究进展

地表反照率是陆面过程模式及气候模拟研究中的一个重要参数,地表反照率的变化会改变整个地气系统的能量收支平衡,并引起局地以至全球的气候变化。不同下垫面地表反照率存在明显的差异,中国区域地表反照率的空间分布也存在明显的区域差异。遥感反演地表反照率在空间上具有较高的精度,但反演结果很难直接应用于陆面过程模式。各种陆面模式对地表反照率计算主要基于陆面土地覆盖分类,包含了许多先验的预定参数,由于某些过程处理中的简化假设,从而对地表反照率的计算带来一定的误差。      

陇中黄土高原半干旱草地地表反照率的变化特征

利用2010年兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)全年的观测数据,对陇中黄土高原半干旱草地的地表反照率年变化及其在典型天气条件下的变化特征进行研究。结果表明,该地区半干旱草地的地表反照率呈冬半年高、夏半年低的特点,年平均地表反照率为0.21,高于绿洲地区,低于半干旱农田区;地表反照率的日变化明显受天气条件的影响:晴天时呈早晚高、中午低的特征,阴天时日变化很小;降雨后地表反照率先降后升,而降雪后则先升后降;沙尘天气过程中,地表反照率比晴天有所增加。晴天时地表反照率还存在明显的不对称现象,即相同太阳高度角时,上午地表反照率大于下午,这种差异与浅层土壤湿度的变化具有较好的一致性。     

基于SCIATRAN模型的二氧化氮DOAS 反演敏感性试验

气溶胶和地表反照率是影响星载SCIAMACHY仪器观测数据定量遥感NO2大气柱总量的2个主要因子.文中利用高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN,在考虑分子吸收和气溶胶多次散射影响基础上,精确模拟了气溶胶、地表反照率和NO2气体浓度变化对差分处理前后卫星反射光谱的影响,并定义影响因子f,对3个模拟参数进行综合评价.结果表明:(1)通过剔除卫星反射光谱中慢变光谱变化成分,DOAS方法明显降低了气溶胶和地表反照率对卫星反射光谱的影响;(2)差分处理前,3个模拟参数的影响强弱依次为地表反照率、气溶胶和NO2浓度;而差分处理后,3个模拟参数的影响强弱依次为NO2浓度、地表反照率和气溶胶.在影响趋势上,气溶胶和地表反照率很相似,均体现为宽带效应,在440-450 nm内有水汽强吸收和多次散射复杂相互作用导致的较大峰值;NO2浓度变化对差分处理前后的光谱都呈现气体吸收结构的影响特性;(3)由于吸收和散射相互作用等因素的影响,在基于卫星观测的差分光谱中仍然残留有气溶胶和地表反照率的误差,地表反照率约占18.6%,气溶胶约占6.2%.因此,当前SCIAMACHY遥感的NO2产品在中国区域浓度偏高,需要对气溶胶和地表反照率进行二次精细化的订正.     

寿县地区小麦和水稻田地表反照率观测分析

利用寿县气候观象台2007年10月～2008年9月地表反射率观测资料,分析了农田地表反照率的季节变化,对比了小麦和水稻在不同生长期的平均反照率,讨论了天气状况和天气过程对反照率的影响.结果表明,在小麦和水稻的生长期内,地表反照率变化相似,均先增大后减小.在作物生长初期,水稻田平均反照率低于小麦田反照率约0.02;中期时,两者相近;成熟后,水稻反照率高于小麦反照率约0.04.降水过后,晴空地表反照率减小.     

东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明：（1）东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10-3 m,热力学粗糙度为0.32×10-3 m,比辐射率为0.905。（2）地表反照率日变化呈早晚高,中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪,反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。地表反照率关于太阳高度角的参数化方案为：α=0.78-0.47×(1-e^((-h)/1.12)),地表反照率关于5 cm土壤湿度的参数化方案为α=0.28-0.136w_s。（3）将改进后的陆面过程参数带入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。     

同化极轨卫星陆地产品对改善陆面模式模拟能力研究进展

利用同化极轨卫星陆地产品改善陆面模式的模拟能力,是目前提升干旱监测水平研究的一个热点,也是一个难点问题。通过介绍现阶段几种典型陆面模式和同化方法,回顾了地表类型、地表反照率、植被覆盖度、地表温度、土壤湿度和降水量等主要极轨卫星陆地产品发展现状,并指出同化极轨卫星陆地产品对陆面模式模拟能力的改善作用主要受陆面模式、同化方法和卫星产品质量三方面限制。而基于较新的地表类型、(准)实时植被覆盖度和地表反照率产品及高质量的土壤湿度、地表温度和降水数据,通过优化同化方法和系统地发展陆面模式,有望进一步改善同化效果。     

青藏高原MODIS地表反照率和GLASS地表反照率的对比分析

对比分析了青藏高原MODIS地表反照率产品和GLASS地表反照率产品的空间分布连续性、高质量反演结果的比例,应用青藏高原CAMP/Tibet试验期间的高精度观测数据评估了两种产品的精度,通过人工目视解译MODIS地表反射率图像并结合MODIS积雪产品分析了影响两种产品精度的原因,结果表明：1）GLASS地表反照率产品具有比MODIS地表反照率产品更好的空间分布连续性和更高的反演质量;2）绝大多数时段内两种产品都能与地面观测结果保持较好的一致性,能准确地反映地表反照率的异常变化过程;3）局地积雪是影响两种产品精度的重要因素之一;4）积雪条件下,GLASS地表反照率反演算法比MODIS地表反照率反演算法更具优势。研究结果有助于促进人们对地表反照率卫星遥感反演产品的认识,改进青藏高原地表反照率卫星遥感反演算法,提高青藏高原地表反照率卫星遥感反演结果的精度、反演质量和空间分布连续性。     

CMIP5全球气候模式对1981—2005年东北地表温度的模拟分析

利用中国东北1981—2005年173个气象台站观测的月平均地表(0 cm)温度资料和参加IPCC第五次评估报告的43个全球气候模式模拟结果,对比分析了CMIP5耦合气候模式对中国东北地区地表温度的模拟性能。结果表明：大部分气候模式模拟结果都能较好的再现研究区域的地表温度时空变化,与月观测的时间相关系数均高于095,对年际变化模拟能力稍差,大部分模式模拟结果在整个研究时段均表现出冷偏差。空间分布显示,CMIP5模式能够模拟出中国东北地区地表温度南高北低的空间分布特征,但不同模式模拟结果之间差异较大,模拟能力较优模式能够较好的模拟出研究区域的冷暖中心,较优模式组和较差模式组在夏季的差距达到最大,较差模式组不能再现地表温度的分布特征。通过模式优选发现FGOALS_s2模式表现最优。总的来说,CMIP5耦合气候模式对中国东北区域地表温度的时空变化特征的模拟性能较好,对气候态年变化的模拟性能好于对年际变化的模拟。     

北方玉米冠层光合有效辐射垂直分布及影响因子分析

玉米冠层内光合有效辐射（PAR）的大小直接影响冠层内叶片的光合作用,进而影响玉米净第一性生产力或作物产量的准确评估。为弄清玉米冠层内光合有效辐射的分布规律及其影响因子,基于锦州玉米农田生态系统于2006年生育期的光合有效辐射观测数据和叶面积指数动态观测数据,对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。结果表明：玉米冠层内不同垂直层次叶片的PAR分布随生育期变化显著,与叶面积指数呈显著的负相关（R2=0.89）;玉米冠层光合有效辐射的消光系数K值在生育期呈动态变化,约为0.76,且表现为苗期较大、生育后期较小。分析表明,在进行光合有效辐射及与此密切相关的光合作用模拟时,应考虑消光系数的动态变化。     

内蒙古近50年生长季日照时数变化特征

内蒙古生长季日照时数明显减少的趋势会对当地的农业生产有不利的影响.通过分析内蒙古自治区20个气象站1961-2010年生长季日照地面观测资料,用最小二乘法、累积距平、滑动t检验等方法分析了内蒙古地区近50年生长季的日照时数变化特征,揭示其主要的变化规律.结果表明:①内蒙古生长季近50年日照时数呈减少趋势,中部地区减少速率最大(-29.4 h/10a),西部地区其次(-19.10h/10a),东部地区最小(-14.7 h/10a).②内蒙古生长季日照时数在1978年附近存在一次显著突变,表现为日照时数的急剧减少;但其在减少的过程中有两次微弱的反弹.③生长季各月的日照时数变化趋势基本一致,呈现为不同速率的减少趋势.其中6月减少最多,其次是5、9、7、8月,4月减少最慢.     

基于遥感数据的内蒙古草原灌丛物候变化研究

植被物候研究是全球气候变化研究的重要内容,但国际上有关干旱半干旱区灌丛物候变化的研究还很缺乏。为了探讨气候变化对内蒙古草原灌丛物候的影响,利用2000~2011年的MODIS EVI时间序列影像,采用动态阈值法得到6种灌丛12 a物候年际变化情况,结合样点附近气象站的气温和降水数据,分析了灌丛物候与气候变化的动态关系。结果表明：（1）内蒙古中西部草原灌丛返青期、枯黄期都呈现提前的趋势,生长季长度缩短;（2）春季均温升高和前一年秋冬降水增加可以提前灌丛返青期,是影响返青期的主要因素;（3）秋季降水减少和夏秋均温上升都利于枯黄期提前,夏季降水的作用则因灌丛种类不同而略有差异;（4）夏秋均温上升缩短了生长季长度,夏秋降水量、春季均温则多与生长季长度呈正相关。     

安徽省夏玉米生长季干旱时空特征分析

利用安徽省夏玉米主产区37个气象站点1961~2010年的气象资料,选取修订后的作物水分亏缺指数作为表征夏玉米干旱的指标,分析了安徽省夏玉米生长季内干旱频率的时空分布特征及表征干旱风险大小的干旱风险度的时空特征。结果表明:近50 a安徽省夏玉米不同发育阶段水分亏缺指数未发生显著变化,但夏玉米成熟后期的干旱现象有加重趋势;抽雄开花期是干旱频率及干旱风险较高的时段;从空间分布特征看,干旱频率与干旱风险度的空间分布特征相似,夏玉米营养生长阶段二者的高值区在淮北北部,而在夏玉米生长中后期,干旱主要发生在沿淮西部和江淮南部。整个生长季内,沿淮淮北西部是干旱高发和高风险区。     

Estimating daily global solar radiation during the growing season in Northeast China using the ?ngstr?m–Prescott model

Daily global solar radiation is an important input required in most crop models. In the present study, a sunshine-based model, the ?ngstr?m–Prescott model, is employed to estimate daily global solar radiation on a horizontal surface during the growing season in Northeast China. Data from six control groups are used. The controls include the entire sequence, precipitation days, and non-precipitation days both during the growing season and year-round. Estimations are validated by comparing the calculated values with the corresponding measured values. The results indicate that estimating daily global solar radiation during the growing season using data only from the growing season is better than using year-round data. Classifying days with respect to precipitation and non-precipitation is also unnecessary. The performance on estimating daily global solar radiation during the growing season using the entire data in growing season performs best. A sunshine-based equation is obtained using our method to estimate growing season daily radiation for all meteorological stations in Northeast China. The approved approach is expected to be beneficial to crop models and other agricultural purposes.     

B2气候情景下2011-2050年辽宁农业气候资料演变特征

利用区域气候模式PRECIS输出资料,基于时间序列分析及空间分析方法对2011-2050年B2气候情景辽宁省农业气候资源时空演变特征进行分析。结果表明：辐射资源增多趋势不显著,但在2031-2040年达到峰值;生长季降水呈减少趋势,与辐射资源变化呈相反位相,减幅从西向东依次增大,辽东大部地区减幅达20 mm/10a以上。不同年代降水多寡将对洪涝和干旱事件的发生具有指示意义。大于等于10 ℃积温呈极显著增多趋势,大部地区增幅在100 (℃·d)/10a。辽西东部和辽北西部地区初霜日显著延后1-3 d,辽宁北部和辽东部分地区终霜日显著提前1-2 d。初霜日的延后和终霜日的提前使得无霜期延长,说明辽宁地区未来40 a热量资源明显增多,这将为应对气候变化调整农业种植结构提供参考。     

四个耦合模式ENSO后报试验的“春季预报障碍”

用CliPAS计划中3个气候模式和中国科学院大气物理研究所耦合模式FGOALS-g短期气候异常回报试验结果,将动力和统计方法相结合,考察了1982—2003年厄尔尼诺/拉尼娜事件发展期和衰减期海表温度春季可预报性障碍现象。结果表明,所考察的耦合模式对ENSO事件预报的误差发展存在明显的季节依赖性,最大误差增长通常发生在春季,发生显著的可预报性障碍现象。进一步分析发现厄尔尼诺事件和拉尼娜事件在发展期的季节预报障碍现象比衰减期明显,以厄尔尼诺事件发展期春季可预报性障碍现象最为显著,拉尼娜事件衰减期季节预报障碍现象不显著。研究还发现,预报误差的增长在ENSO事件冷暖位相具有显著的非对称性,发展期暖位相预报误差强于冷位相,而衰减期冷位相的预报误差比暖位相大。通过回归分析,诊断了海-气相互作用的强度,发现耦合系统在春季最不稳定,使预报误差最易在春季发展,从而导致可预报性障碍。     

Impacts of summer warming on the energy and water balance of wetland tundra

Measurements, made at a high subarctic, maritime, wetland tundra site, are presented for three different growing seasons. These are divided into hot-dry, normal-dry and normal-wet years and the behaviour of their surface energy and water balances is examined within the framework of a combination model. For periods of comparable energy availability, evapotranspiration during hot-dry conditions can be larger than during cooler and wetter periods. This results from small stomatal resistance in the sparse canopy of well-rooted sedges, and from the ability of peat soils to supply water under conditions of large atmospheric demand. This demand is expressed in terms of the vapour pressure deficit and it counteracts the large surface resistances which develop during dry periods. In many respects, the energy balance of a subarctic wetland tundra is comparable to observations and models for temperate agricultural and forest lands, in spite of the fact that the soils are organic, the vegetation canopy is sparse and there is continuous permafrost. A dry year promotes deeper thaw depths in the permafrost soils, during the growing season, than does a wet one. This is due to larger ground heat fluxes and larger soil thermal diffusivities. We concluded that maritime, wetland tundra, growing on peat soils, displays feedback mechanisms, which can offset the effects of moisture stress, caused by summer climate warming of a similar magnitude to that simulated by General Circulation Models for a 2 × CO₂ scenario.     

华北冬小麦-夏玉米两熟区干旱特征分析

研究华北冬小麦一夏玉米主要生长季的干旱时空特征,可为全球气候变暖背景下制定抗旱减灾对策提供理论依据。利用华北5省（市）64个气象台站1961-2010年逐日降水资料,以降水负距平或降水量表征的干旱指标,通过经验正交分解法提取了冬小麦、夏玉米全生育期和关键生长阶段的特征向量和时间系数,分析了干旱频率、站次比及干旱强度的变化特征,并通过构建冬小麦-夏玉米轮作期综合干旱指数,探讨了华北地区农业干旱的总体状况。结果表明：EOF分解的前4个模态提取了60％以上作物干旱的主要时空分布信息,冬小麦主要生长季收敛效果优于夏玉米;冬小麦全生育期、苗期及拔节-抽穗期干旱的高强度中心主要分布在冀中南、豫北及鲁西北地区,而灌浆-成熟期干旱则以豫东为中心;夏玉米全生育期干旱的高强度中心主要位于冀南和鲁北地区,初夏旱以冀北大部为高强度区,而卡脖旱以豫西和鲁南为高强度区。从时间系数和区域干旱强度及站次比的时间变化趋势看,冬小麦全生育期干旱、灌浆-成熟期干旱及夏玉米初夏旱、卡脖旱均表现为递减趋势,但未通过显著性检验,而冬小麦播种期、拔节-抽穗期干旱,以及夏玉米全生育期干旱为不显著的递增趋势。整个冬小麦-夏玉米轮作期干旱威胁较高的地区主要位于京津局部、冀中南、豫北和鲁北等地区。     

Sensitivity of simulated wintertime Arctic atmosphere to vertical resolution in the ARPEGE/IFS model

The current state-of-the-art general circulation models, including several of those used by the IPCC, show considerable biases in the simulated present day high-latitude climate compared to observations and reanalysis data. These biases are most pronounced during the winter season. We here employ ideal vertical profiles of temperature and wind from turbulence-resolving simulations to perform a priori studies of the first-order eddy-viscosity closure scheme employed in the ARPEGE/IFS model. This reveals that the coarse vertical resolution (31 layers) of the model cannot be expected to realistically resolve the Arctic stable boundary layer. The curvature of the Arctic inversion and thus also the vertical turbulent-exchange processes cannot be reproduced by the coarse vertical mesh employed. To investigate how turbulent vertical exchange processes in the Arctic boundary layer are represented by the model parameterization, a simulation with high vertical resolution (90 layers in total) in the lower troposphere is performed. Results from the model simulations are validated against data from the ERA-40 reanalysis. The dependence of the surface air temperature on surface winds, surface energy fluxes, free atmosphere stability and boundary layer height is investigated. The coarse-resolution run reveals considerable biases in these parameters, and in their physical relations to surface air temperature. In the simulation with fine vertical resolution, these biases are clearly reduced. The physical relation between governing parameters for the vertical turbulent-exchange processes improves in comparison with ERA-40 data.