CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

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.     

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.     

利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射

针对HJ-1B红外相机只有一个热红外通道的特点,本文利用大气辐射传输模型模拟和统计回归方法,发展了一个利用HJ-1B辐射亮温和大气水汽含量反演高分辨率大气下行长波辐射的参数化模型.为了分析模型的适宜性和误差来源,利用模拟数据对模型进行了精度评价,结果表明模型在大多数气候条件下反演结果较好,但在大气水汽含量较高时存在低估现象.误差分析表明,大气水汽含量、传感器辐射亮度、地表与大气的温差等方面的不确定性会对反演结果产生一定的影响.利用2009~2010年HJ-1B数据反演得到黑河流域和海河流域的瞬时下行长波辐射,并利用6个站点的地面观测数据对反演结果进行了验证.结果表明,除花寨子荒漠站外,其他各站点反演值与实测值的一致性较好,均方根误差在20W/m2左右,略好于MODIS数据的反演结果.花寨子站夏季时存在较多的高估现象,主要由地气温差过大引起,经过地气温差校正后,结果得到明显改善.     

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）.     

CMIP5模式对西北太平洋SST的模拟偏差及可能成因分析

利用参加第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5,CMIP5)的21个全球耦合气候模式的输出结果,利用海表热收支诊断方法,讨论了CMIP5模式对西北太平洋海表面温度(SST)的模拟偏差及其可能成因.结果表明,大部分CMIP5模式模拟的西北太平洋SST在全年都有持续的冷偏差,且在夏季最大,在冬季最小.CMIP5模式模拟的西北太平洋SST冷偏差是海盆尺度的,并且主要分布在中低纬度海洋内区.混合层热收支诊断分析研究表明,大气过程所致的海表净热通量模拟偏少是造成西北太平洋SST模拟冷偏差的主要原因,其中大气过程导致的潜热通量模拟偏多是造成冬、春、秋三季SST模拟冷偏差的最主要因素,而在夏季海表短波辐射模拟偏少和潜热模拟偏多对SST模拟冷偏差均有重要贡献.进一步分析表明,冬、春季西北太平洋低层风速偏大可能与海洋大陆区域的正降水偏差有关,而夏、秋季风速偏差则可能与热带辐合带的模拟偏差有关.冬、春季海洋大陆区域的正降水异常及夏、秋季ITCZ的模拟偏差使得北太平洋地区产生东北风异常,该东北风异常叠加在气候态风场上,使得北太平洋地区风速增强,造成海表潜热通量模拟偏多,海温模拟偏冷.     

关中平原麦田干热风过程陆气交换特征的数值模拟

干热风是常发生在中国北方冬小麦产区的高温、低湿、风速较大,并伴随有强热量交换和水分蒸发过程的农业气象灾害.当其发生时如果不能保证作物水分的供给,将严重影响产量.因此,开展干热风发生机理的准确模拟与预报,对指导采取适时的农田管理措施,保障小麦产量至关重要.本文应用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting)输出结果驱动北京大学陆面模式PKULM(Peking University Land Model)的模拟方法,结合气象台站观测与风云3A卫星遥感反演的叶面积指数数据,对关中平原2008-2013六年间干热风过程中农田生态系统温度、湿度、风速、感热通量、潜热通量等陆气交换特征进行了数值模拟.准确模拟出了干热风发生期间的大气温度、相对湿度、风速、土壤温度、土壤含水量及冠层感热通量、总感热通量、冠层潜热通量和总潜热通量等关键要素特征,揭示了本地区干热风的两种形成机制.模拟结果表明:WRF对干热风过程的温度场、湿度场与风场模拟比较准确,PKULM对于植物在干热风过程中、特别是气孔关闭阶段的感热、潜热通量的模拟明显优于WRF-Noah LSM(Noah Land Surface Model)的模拟效果.模拟结果与相应气象要素的观测值数值接近、变化趋势一致,在实际干热风发生时间段内的各要素模拟值均达到干热风指标,因此使用本模式系统模拟预报干热风灾害是可行的.     

考虑冻土的陆面过程模型及其在青藏高原GAME/Tibet试验中的应用

陆面过程的研究对于更好地认识气候和天气系统的演变规律、陆地-大气水热交换过程、人类活动对气候和环境的影响等具有重要意义. 建立了综合考虑土壤冻融、土壤水汽通量、植被覆盖和陆面-大气近地层水热交换的一维冻土-植被-大气连续体模型, 模拟了固液相变、汽态水迁移、土壤水、汽、热耦合迁移等过程, 反映了液态水从未冻区向冻结区迁移、冻结及其引起的潜热迁移的冻土物理本质, 也反映了汽态水分从高温区向低温区迁移所引起的温度及水分场的变化, 并对模型进行了检验. 水分运动方程采用混合Richards方程, 可适应各种边界条件. 土壤水热传输模型求解引入了修正的Picard迭代法, 不仅使计算迭代收敛更快, 而且能更好地保证数值计算过程中的水量平衡. 结合GAME/Tibet实验1998年5月份、7月份的观测数据, 应用该模型对青藏高原安多观测点的水热交换过程进行了模拟分析. 模拟结果表明: 土壤的冻融过程对地温变化会产生负反馈作用; 若净辐射相同, 土壤表层含水量较高的情况下考虑冻结时其地热通量在冰融化时明显增加, 显热通量减少, 而潜热通量变化不大, 但是冻结时各通量的变化不明显; 而土壤发生融化时, 尽管地热通量增加, 但是地表温度仍然减小; 土壤发生冻结时, 尽管土壤负温要比不考虑冻结时高, 但整体上热通量变化不大.     

1958—2017年太湖蒸发量年际变化趋势及主控因子

湖泊蒸发对气候变化非常敏感, 是水文循环响应气候变化的指示因子, 因此研究湖泊蒸发的控制因素, 对于理解区域水文循环有重要意义. 本文利用太湖中尺度涡度通量网避风港站观测数据校正JRA-55再分析资料, 驱动CLM4.0-LISSS模型, 并利用2012—2017年涡度相关通量数据和湖表面温度数据检验模型模拟蒸发结果, 验证了该模型在太湖的适用性; 估算了1958—2017年间太湖的湖面蒸发量, 并利用Manner-Kendall趋势检验分析了湖面蒸发的变化趋势, 寻找太湖实际蒸发的年际变化的主控因子. 结果如下: 校正后的JRA-55再分析资料模拟的太湖蒸发与观测值之间存在季节偏差, 但是季节偏差在年尺度上相互抵消, 再分析资料可用于年际尺度太湖蒸发变化的模拟; 1958—2017年间太湖蒸发量以1977年为界, 先下降(-3.6 mm/a), 后增加(2.3 mm/a); 多元逐步回归结果表明, 向下的短波辐射是太湖1958—2017年间太湖蒸发变化的主控因子, 向下的长波辐射、气温、比湿也对湖泊蒸发年际变化有一定影响, 但是风速对蒸发量的年际变化影响不大.     

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.     

大型浅水湖泊与大气之间的动量和水热交换系数——以太湖为例

湖泊水面与大气之间垂直方向的动量、水汽和热量通量与风速、湿度和温度梯度之间存在比例关系,因此在湖泊水-气相互作用研究中,这比例系数(交换系数)是关键因子.在以往的研究中,交换系数通常直接采用水面梯度观测法或海洋大气近地层的参数化方案进行计算.本文采用涡度相关系统和小气候系统仪器在太湖平台上直接观测的通量和气象要素,对上述交换系数(最小均方差原则)进行优化,结果为:动量交换系数C_D10N=1.52×10^-3、水汽交换系数C_E10N=0.82×10^-3、热量交换系数CH10N=1.02×10^-3,与其他内陆湖泊涡度相关观测数据的推导结果一致.本文的研究结果表明:与海洋参数化方案相比,在相同的风速条件下,湖面的空气动力学粗糙度比海洋高,这可能是由于受到水深的影响;如果采用海洋参数化方案,会导致湖泊年蒸发量的估算值偏大40%.太湖的动量、水汽和热量交换系数可以视为常数,可以不考虑稳定度和风速的影响.这是因为本文中83%的数据为近中性条件.敏感性分析表明:如果考虑稳定度的影响,LE模拟值的平均误差降低了0.5 W/m²,H的平均误差降低了0.4 W/m²,u*的计算值没有变化;如果考虑风速的影响,u*模拟值的平均误差降低了0.004 m/s,LE的平均误差升高了1.3 W/m²,H的模拟结果几乎不受影响.这一结果能为湖气相互作用研究提供参考.     

太湖蚌类现存量及空间分布格局

于2016年10月和2017年10月对太湖全湖8个湖区129个样点的蚌类进行调查,分析蚌类的物种组成、现存量、空间分布及历史变化.共采集到蚌类704个个体,隶属8属14种.全湖蚌类平均生物量和密度分别为4.169±9.337 g/m²和0.164±0.386 ind./m²;各湖区蚌类平均生物量和密度差异较大,东部沿岸区生物量和密度最高,分别为14.975±16.743 g/m²和0.577±0.758 ind./m²;湖心区生物量和密度最低,仅为0.727±1.622 g/m²和0.029±0.071 ind./m².扭蚌（Arconaia lanceolata）、圆顶珠蚌（Unio douglasiae）和背角无齿蚌（Anodonta woodiana woodiana）为太湖现阶段的优势种.基于蚌类平均密度的聚类分析,8个湖区分为3类.与历史数据相比,太湖蚌类资源呈明显衰退趋势,现状不容乐观,需加强对太湖蚌类的保护和资源的有效管理.     

River evaporation and corresponding heat fluxes in forested catchments

River water temperature is a very important variable in ecological studies, especially for the management of fisheries and aquatic resources. Temperature can impact on fish distribution, growth, mortality and community dynamics. River evaporation has been identified as an important heat loss and a key process in the thermal regime of rivers. However, its quantification remains a challenge, mainly because of the difficulty of making direct measurements. The objectives of this study were to characterize the evaporative heat flux at different scales (brook vs river) and to improve the estimation of the evaporative heat flux in a stream temperature model at the hourly timescale. Using a mass balance approach with floating minipans, we measured river evaporation at an hourly timescale in a medium‐sized river (Little Southwest Miramichi) and a small brook (Catamaran Brook) in New Brunswick, Canada. With these direct measurements of evaporation, we developed mass transfer equations to estimate hourly evaporation rates from microclimate conditions measured 2 m above the stream. During the summer 2012, river evaporation was more important for the medium‐sized river with a mean daily evaporation rate of 3.0 mm day^?1 in the Little Southwest Miramichi River compared with that of 1.0 mm day^?1 in Catamaran Brook. Evaporation was the main heat loss mechanism in the two studied streams and was responsible for 42% of heat losses in the Little Southwest Miramichi River and 34% of heat losses in Catamaran Brook during the summer. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

太湖的泥沙与演变

历史时期,太湖是不断扩展的,其平均扩展速率为0.37km~2/a。据沙量平衡分析与计算表明。因湖岸崩塌和太湖水系的输沙作用,近期太湖的泥沙淤积量为9.28×10~5t/a.泥沙数量虽然不大,但经过长期的积累,对太湖演变具有深刻影响。就自然演变趋势而言,近期太湖面积仍以0.168km~2/a的速率扩大,容积则以3.95×10~5m~3/a的速率减小,太湖正进一步向浅平方向演变。然而,因围湖造田,建国以来,太湖的面积则以4.58km~2/a的速率在减小。     

用稳定同位素方法估算大型浅水湖泊蒸发量——以太湖为例

湖泊蒸发量的准确估算对于水文学、气象学和湖泊学等研究有重要的意义.基于2013-2015年太湖水量收支资料、气象观测数据和稳定同位素观测资料,采用稳定同位素质量守恒模型、水量平衡法和Priestley-Taylor模型估算太湖蒸发量,分析太湖蒸发量的季节变化和年际变化特征,并以Priestley-Taylor模型结果为参考值,评价水量平衡法和同位素质量守恒方程的计算精度.结果表明:5-9月太湖蒸发量较高,冬季最低.2013-2015年太湖年总蒸发量分别为1069、894和935 mm,蒸发量的年际变化受到天气条件的影响.2013年12月2014年11月期间,用Priestley-Taylor模型计算的湖泊蒸发量为885 mm;同位素质量守恒模型的估算结果较一致,为893 mm;而水量平衡方程的估算结果明显偏高,为1247 mm.     

太湖不同湖区底泥悬浮沉降规律研究及内源释放量估算

太湖是一个大型浅水湖泊,湖湾、沿岸及湖心等区域受地形影响,湖流结构及水土界面水力要素均有显著差异.针对目前对不同湖区底泥再悬浮规律差异性研究的缺失,本研究选取了3个具有代表性的点采集太湖底泥,采用矩形水槽开展底泥再悬浮模拟实验,并结合太湖二维水量水质模型及太湖全年实测数据,建立了不同湖区底泥再悬浮通量与风速之间的定量关系;通过室内静沉降实验,得到了静沉降通量与风速的相关关系;最后将底泥再悬浮实验结果参数化应用于太湖二维水量水质模型中,并对底泥悬浮沉降过程进行分解和概化,估算太湖全年内源释放量.结果表明:太湖每日的内源释放量受风速影响显著,和风速变化趋势较为接近,太湖全年进入水体的净底泥量有47.81×104t,夏季最大,冬季次之;就营养物质释放量而言,COD约为2.06×104t、总氮约为1149.05 t、总磷约为564.35 t,其中秋季营养物质释放量最小,夏季最大.     

“引江济太”对2016年后太湖总磷反弹的直接影响分析

针对“引江济太”工程将总磷浓度偏高的长江水引入太湖后对2016年后太湖总磷反弹的影响,本文实测并收集整理了2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量及全太湖入湖水量、磷通量与太湖磷存量等数据,对2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量、磷形态与其他入湖河道水量、磷通量、磷形态以及全太湖的水质、受水区贡湖的水质进行了分析.结果表明：2016年前后,“引江济太”年均入湖磷通量为97.56 t,年均入湖水量为8.16亿m³,从调水量、入湖磷通量、调水后短期磷响应及各湖区磷增量来看,“引江济太”与2016年后太湖总磷反弹相关性不强.“引江济太”调水累计入湖磷通量为877.97 t,占太湖总入湖磷通量的4.58%,累计入湖水量占太湖累计入湖水量的7.36%,单位水量携带的磷通量仅为其他来水的一半左右,占比相对有限.与太湖主要入湖河流相比,“引江济太”调水属于优质来水,湖泊的入湖河流总磷浓度一般都高于湖泊本身的总磷浓度,“引江济太”调水总磷浓度偏高属于正常范围.目前“引江济太”工程在保证供水安全、缓解水华危机的同时对处于严重富营养化状态的太湖具有一定的改善效果,但未来引水量增加的情况下,必须继续关注引水带来的磷通量与太湖磷循环系统的关系,确保“引江济太”对太湖继续产生良性的影响.     

Seasonal variations between sampling and classical mean turbulent heat flux estimates in the eastern North Atlantic

The two commonly used statistical measures of the air-sea heat flux, the sampling and classical means, have been compared using hourly reports over a 7-year-period from a weather ship stationed in the NE Atlantic. The sampling mean is the average over all flux estimates in a given period, where individual flux estimates are determined from ship reports of meteorological variables using the well-known bulk formulae. The classical mean is the flux derived by substituting period-averaged values for each of the meteorological variables into the bulk formula (where the averaging period employed is the same as that over which the fluxes are to be determined). Monthly sampling and classical means are calculated for the latent and sensible heat fluxes. The monthly classical mean latent heat flux is found to overestimate the sampling mean by an amount which increases from 1–2 W m⁻² in summer to 7 W m⁻² in winter, on average, over the 7-year-period. In a given winter month, the excess may be as great as 15 W m⁻², which represents about 10% of the latent heat flux. For the sensible heat flux, any seasonal variation between the two means is of the order of 1 W m⁻² and is not significant compared to the interannual variation. The discrepancy between the two means for the latent heat flux is shown to arise primarily from a negative correlation between the wind speed and sea-air humidity difference, the effects of which are implicitly included in the sampling method but not in the classical. The influence of the dominant weather conditions on the sign and magnitude of this correlation are explored, and the large negative values that it takes in winter are found to depend on the typical track of the mid-latitude depressions with respect to the position sampled. In conclusion, it is suggested that sampling means should be employed where possible in future climatological studies.     

水力调控对湖泊甲烷扩散通量的影响

外源引水等水力调控措施常用于湖泊水环境综合整治中,作为人类施加到湖泊显著的外界活动,其对湖泊甲烷(CH4)扩散通量的影响鲜有报道.贡湖湾作为"引江济太"工程长江来水进入太湖的第一站,其CH4通量变化是对水力调控的最好响应.基于2011年11月至2013年8月逐月的野外观测表明,贡湖湾平均CH4扩散排放量为0.073 mmol/(m2·d),显著高于参考水域(湖心区) CH4排放量(均值:0.017 mmol/(m2·d)).贡湖湾不同站点间CH4通量也表现出显著差异,但湖心区域无此现象.贡湖湾和湖心2个区域的CH4扩散通量均有明显的时间变化,且与水温呈显著正相关.但因受到外源来水的影响,贡湖湾CH4通量时间变化的温度依赖性相对较低.总体上外源引水显著提高了湖体CH4排放量,考虑到湖泊CH4通量受内部因子和外部因子的综合协调影响,其潜在的控制机制还需要进一步探讨.