青藏高原大气—植被相互作用的模拟试验——Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进，包括对值被生理过程，如（1）光合作用：（2）呼吸；（3）分配和（4）物候等新的描述方法。对青藏高原上30个站点进行模拟计算，给出了高压上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征。模拟结果表明净辐射和感热通量由东南和西北增加，高原西北部地表反照率较高，东南部地表反照率较低。     

稀疏植被地表反照率日变化对通量模拟效果的影响分析——以内蒙古荒漠草原感热和潜热通量为例

基于Noah陆面过程模式,利用内蒙古荒漠草原陆—气通量长期定位观测资料,模拟了地表反照率日变化对该荒漠草原感热和潜热通量的影响。结果表明,地表反照率的日变化将改善Noah陆面过程模式对内蒙古荒漠草原感热通量的模拟,但对受水分制约的潜热通量的改善效果不明显,表明准确地模拟地表反照率的日变化对模拟稀疏植被的感热通量至关重要。     

东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征

利用东帕米尔高原塔什库尔干国家基本气候站2020年6月至2021年6月观测的辐射数据,分析了东帕米尔高原不同时间尺度和不同天气条件下各辐射通量及地表反照率变化特征。结果表明：（1）各辐射通量在逐日均值变化上呈“V”型曲线;向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射和净辐射年曝辐量分别为5001.6, 1370.3, 6090.7, 8550.8和1189.0 MJ·m-2;在季节尺度上,各辐射通量总体表现为夏季>春季>秋季>冬季,而向上短波辐射在冬季最高。（2）不同天气下,辐射通量也不同,晴天时,各辐射通量变化均为较平滑的单峰型,少云、多云时均为不规则单峰型,降水时,除冬季外均为多峰型,辐射通量均值变化表现为晴天>少云>多云>降水。（3）地表反照率在观测期间平均值为0.29,最大值出现在1月,最小值出现在7月,分别为0.58和0.24;在季节上表现为冬季最大,夏季最小;春、夏、秋季地表反照率呈“U”型,冬季为倒“U”型;降雨时地表反照率下降,降雪时则地表反照率上升,说明不同降水类型对地表反照率影响不同。     

珠峰复杂地表区域能量通量的卫星遥感

珠峰地区地表状况十分复杂,既有冰川(雪山)、高寒草垫,又有裸露山地及荒漠戈壁.如何确定这样复杂下垫面上的地气间的区域能量通量,一直是困扰国内外科学家的难题.本文提出了一个利用卫星遥感资料结合地面观测求取珠峰地区区域地表特征参数(地表反射率与地表温度)、植被参数(NDVI、植被覆盖度、修正的土壤调整植被指数MSAVI及叶面指数LAI)和地表能量通量(净辐射通量、土壤热通量、感热通量及潜热通量)的参数化方案,并讨论了此方案的优缺点.     

科尔沁沙地流动沙丘与玉米地辐射特性比较分析

利用2001年夏季内蒙古科尔沁沙地地区大气边界层实验观测资料，对比分析了流动沙丘和临近流动沙丘的玉米地两种典型下垫面的辐射通量特征。结果表明:流动沙丘和玉米地地区的总辐射与大气逆辐射相近，差异不足2%。净辐射、地表反照率、有效辐射存在较大差异，流动沙丘的净辐射明显小于玉米地，其中反照率差异的贡献约为60%，长波辐射差异的贡献约为40%。流动沙丘的反照率、有效辐射明显大于玉米地，反照率高出中国西北HEIFE实验沙漠地区约10%，有效辐射则小于沙漠地区。     

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.     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

陆面过程模式中积雪过程的参数化及初步试验

为了用气候模式研究冰雪圈变化的气候效应，我们在已经发展的土壤－植被－大气模式基础上，考虑积雪改变表水文和反照率的参数化，建立了包含雪盖问题的陆面过程模式。利用中国西北黑河地区的ＨＥＩＦＥ实测气象和辐射资料，检验了模式对大气降雨和降雪的响应，结果表明，该模式描写的各种物理过程合理，一些可观测要素（如地面温度和地表净辐射通量）的演变特征与实况相当一致。     

玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节变化

利用中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站2010年观测资料,分析了玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节特征。结果表明:玛曲高寒草甸入射太阳辐射与净辐射年累积量分别为6482.2和2577.2MJ.m-2.a-1;年平均地表反照率为0.25,生长期平均地表反照率为0.22;全年入射太阳辐射的38%转换为地表长波辐射,明显高于低海拔地区的草地;净辐射占入射太阳辐射的38%,低于全球以及低海拔地区的草地;在冻结期,感热通量占净辐射的93%,在生长期,潜热通量占净辐射的62%。     

新疆昌吉绿洲地表辐射收支特征

利用新疆昌吉佃坝绿洲区陆气相互作用观测站2020年3—11月的地表辐射观测数据和同期的天气现象观测记录数据,定量分析昌吉绿洲区不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射变化特征。结果表明：（1）辐射分量日均值和日峰值时间有季节性差异,特殊天气现象对辐射通量有影响。(2) 地表辐射月曝辐量随季节变化显著。(3) 地表反照率月平均日变化季节性明显,晴天时地表反照率呈平滑的“U形”曲线,非晴天时曲线变化皆不规则、不平滑。(4)不同天气下辐射分量有独特日变化特征,轻雾、雨天、大风、扬沙、多云天等典型天气会给辐射分量带来不同程度的衰减,雨天、大风和多云天气衰减最为明显。     

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。     

陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.     

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。     

城市化发展与气象环境影响的观测与分析研究

通过分析2002年7月12日和2006年5月4日Landsat-5高分辨率资源卫星资料,表明南京市热岛分布特征与南京市的城市建设和区域经济发展的空间特征相当一致,土地利用类型、地表反照率、叶面积指数、植被覆盖度等地表参数分布与城市热岛分布相吻合.运用数值模拟手段对南京城市化对边界层特性产生的影响进行研究,结果表明,随着城市发展,地表反照率减小、植被减少、地表湿度降低,使蒸发耗热减小、感热通量增多,城市波恩比增加,地表和大气间的热交换增强.     

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品(MOD43B1),结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系.首先,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证.验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好.年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关,反照率的高值出现在高海拔山区.冬春季节,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区;夏秋季节,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响,沙地和沙漠地带反照率最高.最后,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化,地表反照率在春秋季节较大,夏季反照率较小.     

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。     

中国西北大气沙尘的辐射强迫

利用CCM3的辐射模式CRM研究大气沙尘的辐射强迫特性。大气沙尘减小地面净辐射冷却地面同时增暖沙尘层大气，最大加热率出现在沙尘层的上部和贴近地面处。地表反照率对地面冷却和大气加热的大小有影响，地面净辐射的减幅和大气加热率在高地表反照率的沙漠大于低地表反照率的绿洲。大气沙尘对地一气系统的辐射强迫同样受地表反照率的影响，存在着一个“临界地表反照率”，其值在0．25～0．3之间。当地表反照率高于“临界地表反照率”(如沙漠)，大气沙尘减小行星反照率增暖地一气系统，反之(如在绿洲)，大气沙尘增大行星反照率冷却地一气系统。     

2007年5～10月黄土高原陆面能量通量特征研究

在稀疏植被区陆面过程遥感参数化基础上,利用MODIS/500m分辨率的资料反演黄土高原2007年5～10月陆面过程的特征参数。分析得出:(1)受多种气候系统的影响,黄土高原降水、植被分布以及土壤湿度等存在南北、东西差异,导致反照率呈现出从东南到西北部逐渐增加的趋势;5～10月,频率峰值所对应的反照率值呈现出先降低后增加的特征,到7月反照率值达到最低。(2)由于土壤湿度和植被覆盖度空间分布的差异,出现了3种反照率和能量分布型,即宽频低峰型、高频窄峰型和多峰型分布。(3)由于2007年8～10月黄土高原降水量比较充沛,大部分区域的土壤湿度都在60%以上,使得净辐射量、感热通量、潜热通量频率分布比较集中。     

我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

利用"中国干旱气象科学研究计划——我国北方干旱致灾过程及机理"的观测数据,分析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站2015年8—10月及定西站2016年8—10月地表能量通量变化特征。分析发现,不同下垫面辐射均表现出明显的日变化,相对于向下短波辐射和向下长波辐射,不同下垫面反射辐射和向上长波辐射差异更加明显。塔中站反射辐射和向上长波辐射最大,锦州站和平凉站相对较小。净辐射具有明显的日变化特征,和总辐射相位一致,农田净辐射日峰值相对较大。地表反照率3个月平均从大到小依次为塔中站(0. 27)、定西站(0. 19)、锦州站(0. 16)、奈曼站(0. 15)和平凉站(0. 14)。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型,其中,奈曼站感热通量峰值最大(276 W·m~(-2)),平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量为主,平凉站则以潜热通量为主。     

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。