四川盆地丘陵地区地气相互作用的观测分析

根据2000-2001年在四川盆地中部乐至县进行的大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)外场观测和气象站观测获得的资料,用梯度法和Bruin法分别计算了丘陵地区表征地气相互作用的重要物理量--地表感热通量,并对两种结果(月平均)进行了比较.在此基础上,利用LAS的观测结果对丘陵地区地表感热通量的变化特征进行了分析研究,首次揭示了四川盆地丘陵地区地气相互作用的一些新事实.这些结果对深化不同类型区地气相互作用的认识有重要意义,特别是对气候分析预测、气候数值模式中考虑地气相互作用有一定参考价值.     

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。     

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

基于敦煌戈壁站观测对几套再分析产品夏季地表感热通量的评估

西北干旱区是欧亚大陆夏季感热输送的高值区,此区域感热输送对东亚季风气候系统的变异有重要影响。然而,再分析资料的感热通量在此区域存在很大的不确定性,影响该地区感热变化对东亚区域气候影响的认识。本文基于敦煌戈壁站2001~2014年夏季的观测数据,评估了NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-Interim和JRA-55这4套再分析产品的感热通量。敦煌戈壁站的感热通量是根据敦煌戈壁站常规观测数据和Y08方案计算得到,代表敦煌戈壁站的实际感热。结果显示,戈壁站夏季感热多年平均约为85.7 W m-2,但受局地降水的影响存在较大的波动;再分析资料的感热通量之间存在很大的不确定性,与观测相比,ERA-Interim的感热通量在大小和变化上好于其他再分析资料,在没有局地性降水的影响时比较接近观测。进一步分析了再分析感热与观测差异的原因。研究表明,再分析资料中的地表风速和地气温差与粗糙度设置和热力参数化方案相关联。各再分析资料均不同程度地低估了敦煌戈壁站的地气温差(观测值约6.5°C),这主要是由于再分析系统中对戈壁下垫面的粗糙度设置偏高以及热力参数化方案不太适用于戈壁下垫面造成的。相对而言,ERA-Interim的参数化方案在戈壁下垫面优于其他再分析产品的参数化方案,使得ERA-Interim的地气温差相对其他再分析资料更接近实际观测,感热通量较为合理。     

纳木错湖地区近地层微气象特征及地表通量交换分析

利用中国科学院青藏高原研究所纳木错圈层相互作用综合观测研究站2006年全年的观测资料,研究了青藏高原纳木错地区的草甸下垫面气温、湿度、风速、风向和地表温度的日变化及季节变化规律,并研究了地表感热、潜热通量和辐射通量的日变化和季节变化规律,初步揭示了纳木错地区草甸下垫面微气象特征和地气能量交换的一般规律。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。     

基于淮河流域农田生态系统观测资料的通量研究

运用寿县国家气候观象台(代表淮河流域农田生态系统)2007年7月至2008年6月通量观测系统的观测资料,分析研究淮河流域农田生态系统的陆气相互作用,统计梯度和涡度数据缺测率,采用空气动力学(梯度)法和涡度相关法,验证通量观测系统观测数据的可靠性,分析CO2通量、潜热通量、感热通量的季节变化与日变化特征及其与下垫面的关系,计算出地表平均反照率、能量闭合率、动量输送系数等。结果表明:通量观测仪器测得的数据可靠,原始资料具有客观性、可用性;CO2等通量存在明显的季节变化,与下垫面状况有密切的关系,日变化均为单峰型分布,由通量观测系统的观测资料计算得到地表平均反照率为0.18,平均能量闭合率为0.92,平均动量输送系数为0.0092。     

中国南方地表感热通量的时空变化

利用测站常规观测资料及经验公式计算得到我国南方地区地表感热通量资料,并分析了地表感热通量的时空变化特征。一年四季中,南方西部地区的感热通量基本都是呈线性增加趋势,而中、东部地区的感热通量则是线性减小的;南方地区感热通量的时间变化以年际变化为主。地气温差是决定地表感热通量逐年变化的最主要因子,近地面风速次之。地表感热通量年际分量的经验正交函数分解结果表明,四季感热通量异常的第一种主要变异模态皆为全区同号的分布型,而第二主要变异模则是呈东西反号的分布型。      

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

四川盆地丘陵地区地气相互作用的遥感监测研究

通过对近两年大口径闪烁仪（Large Aperture Scintillometer)LAS观测资料的分析，揭示了乐至县丘陵地区感热通量的气候变化特点，并探讨了感热能量与其它气象要素的关系。初步分析了当地陆气相互作用。     

四川盆地丘陵地区地气相互作用的遥感监测研究

通过对近两年大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)LAS观测资料的分析,揭示了乐至县丘陵地区感热通量的气候变化特点,并探讨了感热能量与其它气象要素的关系.初步分析了当地陆气相互作用.     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。      

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.     

基于通量方差法对青藏高原东侧高寒草甸地表通量的估算

利用位于青藏高原东侧理塘大气综合观测站2008年观测资料,分析了高寒草甸下垫面上地表通量的时间变化特征,确定了温度、水汽和CO₂的归一化标准差在不稳定情况下随稳定度变化的通量方差关系,应用通量方差法对感热、潜热和CO₂通量进行了计算,并与涡旋相关系统的观测结果进行了比较。结果表明：地表通量月平均日变化呈较为规则的日循环特征,季节变化特征也很明显,雨季（5-9月）潜热大于感热,干季则以感热为主,CO₂通量以6-9月值最大。在不稳定条件下,温度、水汽和CO₂的归一化标准差随稳定度的变化均满足-1/3规律,其通量方差相似性常数分别为1.2,1.4和0.9。通量方差法估算出的通量值与涡旋相关观测得到的通量值有较好的一致性,但感热通量的效果优于潜热通量和CO₂通量。该方法高估了感热通量尤其是潜热通量,而低估了CO₂通量。采用直接观测的感热通量值计算潜热通量和CO₂通量可改善计算结果。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

农田和草地下垫面上附加阻尼kB~(-1)变化特征的分析

利用2010年阿柔站(草地)和馆陶站(农田)的观测资料,运用阻尼法估算不同下垫面的热传输附加阻尼(kB-1),分析日变化特征,探讨用一个固定kB-1值来估算感热通量,最后将估算值与M_1958、M_1963、M_1982、M_1989、M_1998、M_2002和M_2007七种参数化方案进行比较。结果表明,在不同下垫面上,kB-1变化明显。除玉米下垫面、玉米和裸地混合下垫面外,其余下垫面kB-1均有抛物线型日变化,与地气温差具有相关性。在植被下垫面,可用中值或均值的kB-1计算感热通量。将不同参数化方案计算的感热通量与观测值之间进行比较发现,在裸地下垫面,与观测值最接近的参数化方案是M_1998方案;在混合地表则为M_1958、M_1963和M_2007方案。     

人工神经网络在感热通量计算中的应用

感热通量计算方法的研究是边界层研究中最重要的内容之一。基于中日JICA计划项目中青藏高原东缘四川盆地温江站的边界层铁塔观测资料初步研究了使用人工神经网络(ANN)计算边界层感热通量的方法,并将ANN和经验公式法计算得到的感热通量分别和真值作相关和误差分析。对2009年4月和5月的两个个例研究的结果表明:ANN计算结果和真值的相关性都高于经验公式法且趋势变化和真值更加吻合,ANN计算的2009年4月的感热通量与真值的均方根误差(RMSE)稍大于经验公式法,但2009年5月的RMSE明显小于经验公式法。     

青藏高原地表感热通量变化特征及其对气候变化的响应

选取中国气象局在青藏高原(下称高原)地区常规气象观测站点中85个资料连续性较好的站点资料,基于CHEN-WENG感热交换系数方案计算了1981-2014年地表日均感热通量,并用M-K检验法分析了季节平均感热通量和年均感热通量的年际变化特征,结合经验正交函数法EOF(Empirical Orthogonal Function)、Pearson相关法,分析了年均感热通量的时空演变及异常分布特征以及不同地区站点感热通量与气候因子的相关性。结果表明,1981年以来,高原地表感热通量无论在年尺度还是季节尺度上的年际变化都表现为先下降后上升的趋势,其中春季和冬季由下降转变为上升的年份早于夏季和秋季,且夏季上升的幅度是四季中最弱的;1981-2003年间感热通量下降主要与地气温差和平均风速的减小有关,而2004-2014年间感热通量的上升主要与地气温差的显著增大有关。空间上,各站点感热通量的上升或下降并不同步,但存在一定的相互联系,感热通量上升的站点主要位于青海省;感热通量与各气候因子的相关性有明显的时空差异,整体上受地表温度影响显著,与地表温度变化呈正相关;与降水、日照时数、风速等气候因子的相关性在年尺度上存在较大的空间差异,在季节尺度上,感热通量与气象因子的季节相关性较好,尤其是夏季,感热通量与降水呈反相关,与日照时数、风速和气温呈正相关,其次是春季,秋、冬季相关性较差。