非均匀灌溉棉田能量平衡特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和土壤观测资料,运用涡动相关法分析了非均匀灌溉引起的热内边界层发展条件下近地层感热、潜热通量特征,并对有无灌溉两种条件下的能量闭合度进行了对比分析.在计算感热、潜热通量过程中,分别将Schotanus订正和Webb订正纳入了考虑范围,研究了两种订正方法对计算湍流热通量的影响.研究结果发现,由于非均匀灌溉生成的热内边界层使得近地层感热通量受到抑制,潜热通量出现波动,该现象在8.7 m比2.7 m 更为显著.非均匀灌溉导致的热内边界层的存在使得近地层能量闭合度偏低,能量平衡比率约为0.65;而没有热内边界层存在时,近地层能量平衡比率约为0.70.本实验中,Schotanus订正使得感热通量显著减小,其订正量日平均值约为-8 W/m²,占净辐射的近4%;Webb订正量日平均值约为2 W/m²,对能量平衡的影响较小.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

三峡水库香溪河库湾水—气界面热交换过程及水体稳定性

水库或湖泊的热分层结构是其动力与环境过程的重要研究方面,虽然很多学者针对水体分层结构和演变机理开展了大量研究,但水体通过水-气界面与大气进行热交换的过程,各气象因子的贡献机理等研究成果还很缺乏。本文基于三峡水库香溪河库湾2019年3月-2020年2月期间的水温、水位及气象等监测数据,针对水-气界面热交换过程如何影响水温垂向结构及表层水体湍流混合作用开展研究。结果表明,(1)香溪河水体年内呈高温期分层、低温期混合的基本特征,高温期混合层深度小于8 m,低温期混合层深度超过30 m。(2)太阳短波辐射是香溪河水体的主要热源,潜热通量和长波辐射是香溪河水体的主要冷源,感热通量贡献极小。(3)香溪河平均风速较弱,约为1.6 m/s,主要通过增强潜热和感热通量的方式影响水体垂向稳定性结构特征,其机械扰动作用较弱。(4)表层水体湍能通量在高温期较低(10^-7m³/s³量级),此时水体处于分层状态,风应力大概率主导表层水体湍流发育;低温期表层水体湍能通量较高(10^-6 m³/s^3<...     

基于双温度差分双源模型的遥感方法反演四川汶川地区的潜热通量

研究表明,在很多地震前都出现了潜热通量异常。文中基于Modis遥感数据,结合研究区(四川省汶川地区)的高光谱数据及地面观测的气象数据,利用一种简化的双层模型(双温度差分双源模型)反演显热通量,并通过地表能量平衡方程计算研究区的潜热通量。还探讨了该模型的特点,并对龙门山断裂带通过地区进行了潜热通量的遥感反演,发现在2008年5月12日汶川MS8.0地震前48h内,研究区内的震中地区、龙门山断裂周边地区潜热通量值出现了明显的高值,5月12日中午12时7分沿龙门山断裂带潜热通量值达到300～400W/m2,可能是汶川8.0级地震前的异常反应     

基于同步观测信息利用的高寒湖泊湍流通量数据插补方法

源区划分和质量过滤提高湖面涡动相关通量数据可靠性的同时,却降低了通量时间序列的连续性.为此,本文基于TensorFlow机器学习框架构建了一种超宽人工神经网络(ANN)模型.在选择输入ANN模型的特征变量信息时,我们采取了尽可能获取湍流输送过程中热力、动力学同步观测背景强迫信息的原则.通过ANN模型模拟通量的插补,本文实现了通量时间序列连续性的优化,插补后的羊卓雍错湖面通量数据的时间覆盖率从不足0.40提升至超过0.98.基于10次折叠交叉验证的ANN模型通量模拟性能检验则表明,各个检验组之间ANN模型的模拟误差波动较小,这显示出了较好的稳健性.具体地讲,感热通量、潜热通量和水汽通量原始观测平均值分别约为18.8 W/m~2、81.5 W/m~2和1.84 mmol/(s·m~2),10组交叉验证的插补感热通量、潜热通量和水汽通量平均绝对误差分别为5.4 W/m~2、15.7 W/m~2和0.35 mmol/(s·m~2).这表明本文所探索的ANN建模结构和同步观测变量筛选原则可更充分地利用观测点局地同步观测信息估算通量强度,有效地优化湍流通量数据的时间连续性,从而提升通量数据的可分析性.     

我国大陆地区和近海海域能量收支分布及其季节变化的数值模拟研究

应用美国宇航局Goddard地球观测系统四维资料同化系统、计算了我国大陆地区和近海海域1998年各月月平均能量收支各项和10m气温、比湿及风矢量的地理分布特征. 模式计算结果表明,地表短波净辐射最强出现在夏季(7月)新疆和西藏中部地区,高值中心区可达275W/m2,在黄海东海海域春季(4月)最大,其值为250W/m2左右. 地表长波净辐射最强出现在夏季(7月)我国西北地区,中心区值为125W/m2,我国近海海域在冬季(1月)最强,其值为75-100W/m2. 我国近海海面,冬季(1月)潜热通量值高于一般月份,中心区值可达250W/m2,夏季我国大陆西南、华北和东北一带为潜热通量高值区,其值为125W/m2. 月平均能量收支计算结果显示,在黄海、东海海域冬季(1月)净通量为海洋向大气输送,夏季(7月)则反之,新疆和西藏高原中部夏季为净通量正值区. 综合温度、湿度和风矢量场分布发现,夏季从南海向华东地区,孟加拉湾向印度次大陆有明显的水汽平流输送,西藏西南部也有来自西南方向的水汽输送.     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

巢湖水-气界面N2O通量排放特征及影响因素

湖泊是温室气体氧化亚氮(N₂O)的潜在排放源,但由于自然环境以及人类活动的差异,其N₂O排放规律也存在特殊性和地域性。为探究巢湖N₂O排放通量的时空特征,利用静态暗箱-气相色谱法于2018年3月至2019年12月对巢湖不同区域(东、中、西)N₂O的排放进行观测。结果表明,巢湖水体N₂O年均排放通量为(25.14±55.01)μg/(m²·h),表现为N₂O的“源”,且具有较为明显的时空分布规律。在时间分布上,季节变化趋势呈现“M”形模式,7月出现最小值且表现为N₂O的“汇”((-12.97±16.32)μg/(m²·h)),在6月和8月为峰值,全年最大值出现在8月((68.25±78.05)μg/(m²·h)),极值均出现在夏季。在空间分布上,东、中、西3个湖区N₂O排放通量差异显著(P=0.03),N₂O排放通量最大值((4...     

夏季中国西部地区辐射特征的观测分析和能量收支的模式计算

在2000年6-7月新疆阜康地区野外观测资料和美国宇航局Goddard地球观测系统资料同化系统计算相应时间能量收支基础上分析了夏季我国西部干旱地区辐射特征和能量收支.新疆阜康地区观测的夏季中午平均吸收辐射为664 W/m2左右,反照率为17%,夜间长波净辐射值为60W/m2左右.模式计算的相应地区的辐射特征与观测结果相当接近.模式计算结果表明,夏季新疆、甘肃西部、内蒙一带为感热通量高值区,其最大值在华北、东北地区,其值可达300W/m2.广大西北地区潜热通量都很低,其高值区在华东、华南、西藏东部和四川一带,最大值可达250-300W/m2.     

玉米生育期地表能量平衡的多时间尺度特征分析及不平衡原因的探索

能量不闭合是几乎所有地表通量观测研究中存在的问题．在能量平衡估算中,人们往往关注有效能量（感热和潜热之和）系统低于可利用能量（净辐射与土壤热通量之差）的统计结果,而忽视了有效能量大于可利用能量的“过闭合”样本存在及其对整体能量闭合率的贡献．利用2004年华北玉米生育期的观测资料,探讨了能量分量的时间同步性,认为各能量分量与净辐射的时间不同步是导致“过闭合”现象系统出现的原因．将有效能量位相提前半小时与可利用能量进行相关分析,有效减少了能量比率大于1和小于0．5的样本,提高了不同尺度的能量利用率．多种时间尺度的能量分配与转化规律分析显示,潜热在不同时间尺度上都是主要的能量消耗方式,能量闭合差随玉米的生长不断增大,长达7旬的时间超过感热,表明热量储存和光合耗能在玉米生育期能量平衡中具有重要作用．     

夏季青藏高原大气热机效率及热源特征

地-气系统中存在着诸多不同类型的大气热机.对大气热机效率的准确定义、计算和解释是了解地-气系统能量传输与转化的关键.夏季青藏高原大气可以被视作一种正热机,对其热机效率的研究有助于我们更好地理解高原地-气相互作用及其热力、动力过程,为进一步了解青藏高原对中国、东亚乃至全球气候的影响提供了一个新的视角.本文使用MOD08数据及ERA5再分析资料,计算了2000～2020年夏季(取5～9月)青藏高原大气热机效率、青藏高原地面热源和大气热源.结果表明:2000～2020年5～9月青藏高原平均大气热机效率在1.2%～1.5%之间,小于1.6%; 5月与9月热机效率高于夏季三个月份(6月、7月、8月);柴达木盆地是青藏高原大气热机效率较高的区域,其次是青藏高原西部地区. 2000～2020年5～9月青藏高原平均地面热源为96.0W m^-2;平均大气热源为90.7W m^-2;降水凝结潜热释放是夏季青藏高原大气热源最重要的分量. 5～9月青藏高原大气热机效率与地面热源呈强而显著的正相关;降水凝结潜热作为5～9月大气热源最重要的分量,其反映的降水过程是大气热机...     

夏季中国西部地区辐射特片的观测分析和能量收支的模式计算

在2000年6-7月新疆阜康地区野外观测资料和美国宇航局Goddard地球观测系统资料同化系统计算相应时间能量收支基础上分析了夏季我国西部干旱地区辐射特征和能量收支。新疆阜康地区观测的夏季中午平均吸收辐射为664W/m^2左右，反照率为17%，夜间长波净辐射值为60W/m^2左右。模式计算的相应地区的辐射特征与观测结果相当接近。模式计算结果表明，夏季新疆、甘肃西部、内蒙一带为感热通量高值区，其最大值在华北、东北地区，其值可达300W/m^2。广大西北地区潜热通量都很低，其高值区在华东、华南、西藏东部和四川一带，最大值可达250-300W/m^2。     

对东日本大地震序列潜热通量异常现象的讨论

用美国国家环境预报中心的表面潜热通量数据,对2011年东日本大地震序列前后所出现的潜热通量异常展开讨论,结合主震震中周边区域在1991~2011年的中强地震序列数据,分析了潜热通量异常与地震之间的关系。结果表明:(1)东日本大地震前的潜热通量剧烈变化不一定是异常,且不一定由此次地震活动引起;(2)该研究区域内20年间出现过多次有疑似"热异常"却无明显震例与之相对应的情况;(3)该研究区域内20年间有超过60%的中强地震震前并无"热异常"出现;(4)在研究潜热通量变化是否属于异常时,应尽量多地考虑各个方面的影响因素,科学合理地设定判断参数;(5)在研究潜热通量异常与地震的关系时,应对特定区域作长时间序列分析,而不是单纯针对短期内的个别震例进行判别。     

汤东活动断裂带土壤H2、Rn地球化学特征

为研究汤东断裂带土壤气体地球化学特征及其所反映的构造地球化学背景, 采用野外监测的方法分析了张河村与邢李庄村两条测线的土壤H₂、 Rn分布特征。 结果表明, 张河村H₂浓度、 Rn活度浓度的分布范围分别为0.24×10^-6～174.7×10^-6、 13.3～69.8 kBq·m^-3, 背景值分别为14.26×10^-6, 24.8 kBq·m^-3。 邢李庄测线H₂浓度、 Rn活度浓度的分布范围11.8×10^-6～67.06×10^-6、 43.6～72.6 kBq·m^-3, 背景值分别为37.13×10^-6、 72.6 kBq·m^-3。 张河村测线在90～105 m处, H₂、 Rn出现强烈高值异常, 而120～150 m处出现高值异常。 异常值位于断裂带附近, H₂、 Rn气体测值对断裂位置具有良好的指示作用。 气体异常主要受汤东活动断裂构造控制, 汤东断裂下方的深大断裂和汤阴地堑中下地壳的低速体对深部气体释放有重要作用。     

不同强度冷空气对太湖水热交换的定量影响

作为冷季主要的天气事件，冷空气过境会改变湖泊上方的气团性质，对湖泊的水热通量产生影响，进而影响湖泊的生物物理和化学过程.以亚热带大型浅水湖泊——太湖为研究对象，基于2012-2017年5个冷季（11月-翌年3月）的太湖中尺度通量网观测数据，量化不同强度冷空气（寒潮、强冷空气和较强冷空气）对太湖水热通量的影响.结果表明：在5个冷季中，寒潮、强冷空气和较强冷空气发生的总次数分别为4、11和33次，累积持续天数分别为14、31和78天.冷空气过境显著增强太湖的水热通量，3种冷空气过境使太湖的感热通量分别增至无冷空气时的10.3、6.0和4.3倍，潜热通量分别增至无冷空气时的4.0、2.1和2.7倍.虽然冷空气影响天数仅占冷季天数的16.4%，但对整个冷季的潜热和感热通量贡献分别为34.9%和51.7%，以较强冷空气贡献最大.冷空气影响时，水-气界面的温度梯度是太湖感热通量的主控因子，而潜热通量的主控因子为风速.与深水湖泊相比，太湖等浅水湖泊对冷空气过境的响应更快，寒潮过境时尤为明显.     

青藏高原植被变化与地表热源及中国降水关系的初步分析

利用设在青藏高原的5个自动气象站（AWS）近地层梯度观测资料、归一化植被指数（GIMMS NDVI）和中国624个台站月降水资料,初步分析了青藏高原植被变化与地表热源及中国降水的关系．结果表明：青藏高原植被与地表热源之间存在明显的正相关关系．高原西部感热与NDVI的正相关关系较高原东部显著,而高原东部地表潜热与NDVI的正相关关系则好于高原西部．植被改善后,各季节地表热源以增加为主,尤其夏季,热源增量最大;冬、春季感热对地表热源增量贡献较大,潜热贡献相对较小;夏、秋季感热与潜热对地表热源增量贡献同等重要．青藏高原植被与中国夏季降水相关系数从南到北,呈“＋-＋”带状分布．植被变化引起的高原地表加热异常可能是影响中国夏季降水的重要因子之一．     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征，是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料，分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下，三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律，垂直风速的拟合效果最好；稳定层结下，除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外，其他量基本上满足相似性规律；中性条件下，以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13），三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关，相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长，增长率达0.45 m/s；近中性层结时湍流动能最大，层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强，13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）；热量输送以潜热为主，潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍，感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

加利福尼亚湾温盐阶梯的发现

基于历史CTD数据和EW0210航次的部分地震测线,在加利福尼亚湾首次发现了盐指型温盐阶梯,并对其尺度和规模有了较为清晰的认识.经分析发现在该区域水深100～600 m范围内主要发育有层厚较大的温盐阶梯,其中均匀混合层厚度可达几十米甚至上百米,水平方向上连续性好,界面处热通量主要集中在-0.1～-0.2 W·m^-2,盐通量主要集中在-1×10^-7～-2×10^-7m·s^-1.受地形引起的内潮波或涡旋的影响,阶梯层抖动剧烈,上下起伏较大,部分反射层垂向位移甚至可达80 m,由此推测该阶梯结构可能将会被破坏.