估算干燥沙地表面蒸发速率的简易方法

1.前言我们建立了用于干燥沙地表层的等温稳定态模式和非等温稳定态模式,并揭示了其形成的主要机制.从非等温稳定态模式可以看出,如果温度梯度不很大,那么干燥沙层中向上的水汽通量,或者说干燥沙地表面的水分蒸发速率,不受表层温度梯度的影响.这表明,可根据表面温度、水分含量及干燥沙层的厚度来估算在其近表面存在着温度梯度的沙质地的水分蒸发速率(小林哲夫等,1986;1987).     

关于沙丘地干表层的研究等温定常状态下干沙层的模式化

在等温定常状态下,对一个干沙层中的简单模式进行了公式化。用鸟取沙丘的沙作试验证实这个模式,其结果表明模式能得出干表层的基本特征。给出的模式把干表层厚度与土壤温度及该层中向上的水汽通量联系起来,水汽通量可视为蒸发率,从实用的观点看,它非常重要,但却不易测定。而这个模式就可根据干表层的温度及厚度估算沙丘地的蒸发率。     

干旱及半干旱区土壤水热传输模式研究

本文发展了一个干旱地区土壤中水分及热量传输模式。首先从土壤孔隙内水汽运动研究入手,阐明了在土壤深层孔隙中水汽压与液面饱和值之间处在平衡态,而土壤表层则处在非平衡态,因而必要在计算表层蒸发的公式中引入必要的土壤表层阻力,才可使模式简单实用。在此基础上建立了考虑液态水及汽态水运动耦合的多层模式,并用HEIFE沙漠站的资料对模式进行了验证,结果表明此模式较好地再现土壤内及地气界面上的水热交换过程,并且也表明干旱地区土壤中水蒸汽输送对水分平衡及蒸发的计算是重要的。这种模式很易推广到气候研究的干旱土壤下垫面的模式中去。     

黑河流域表层土壤水分干化特征研究

土壤水分干化是指降水发生后土壤逐渐变干的过程,此过程一般包括重力排水、大气需求限制的蒸发以及水分限制的蒸发三个阶段,此三阶段在表层土壤中表现最为明显。黑河流域发源于祁连山中段,上中下游具有十分明显的景观地带性,探讨该地区表层土壤水分干化特征将为理解流域内不同环境下土壤蒸发的规律和影响因素提供理论支撑。本文基于2016-2020年黑河流域上中下游10个气象观测站点表层土壤水分、土壤温度、气温等资料,利用降水后的土壤干化事件分析了各区域土壤水分、潜在蒸散、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和土壤质地等因素与表层土壤干化速率的关系,并使用指数模型拟合干化事件,总结了各站点干化速率的季节间变化规律。2016-2020年黑河流域10个站点共识别出362个有效干化事件,分析结果表明：(1)土壤进入干化期后,干化速率随土壤含水率降低而逐渐减缓,约12天后,上游、中下游站点土壤干化速率皆趋于稳定,上游站点稳定在约0.04 cm³·cm^-3·day^-1,中下游则趋于0。...     

干旱区气象因子对蒸发皿蒸发量的影响

根据20 cm蒸发皿的几何尺寸和架设特征,对Penman蒸发公式中的辐射项Rn和储热项S进行修改,建立了20 cm蒸发皿蒸发模型。利用古浪非均匀近地层观测试验(GHUSLE)中连续14天观测的20 cm蒸发皿逐时蒸发数据对该模型进行验证。结果表明,该模型能够成功地模拟蒸发皿蒸发的日变化过程,模拟的日蒸发量均方根误差和平均相对误差分别为0.72 mm·d-1和6.7%。20 cm蒸发皿蒸发过程中太阳辐射项的贡献约占蒸发皿总体蒸发的1/3,空气动力项的贡献约占2/3。常规气象因子影响蒸发皿蒸发的敏感性试验表明,风速、空气湿度、太阳辐射和气温对蒸发皿蒸发的影响强度依次递减,其蒸发量随这4种气象因子的变化率分别为0.602,-0.590,0.528和0.370。     

全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2，研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化，海表温度最大振幅出现在120°W以东，与观测一致，表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验，结果表明，在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化，但ENSO事件强度增大，年际变率变大；热带太平洋呈现整体增暖趋势，表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明，年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大，在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显；次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

冬季宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区土壤热特性研究

为科学管理葡萄越冬埋土工作，基于2021/2022年冬季宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区10个葡萄园地温观测资料，分析不同葡萄园冬季日平均地温的变化特征和10～20 cm土壤热扩散率。结果表明：各葡萄园冬季土壤温度先下降后上升，土壤温度随着深度增加而上升，深层土壤温度波动幅度小于表层土壤，变化趋势也滞后于表层土壤。热传导方法可以很好地模拟冬季贺兰山东麓10、20 cm土壤温度，20 cm效果最佳，回归校正系数达0.947 5。贺兰山东麓葡萄园冬季土壤热扩散率k整体较高，各葡萄园区k值存在一定差异。产区北端大武口区的贺东庄园和永宁县偏东的圣易路丁酒庄k值较小，平均值分别为6.11×10-6、4.53×10-6 m2·s-1；靠近贺兰山的观兰酒庄、西鸽酒庄、留世酒庄、轩尼诗酒庄和产区南端的东方裕兴酒庄、红粉佳荣酒庄k值较大，平均值为11.08×10-6～14.94×10-6 m2·s-1；御马酒庄和美御酒庄的平均k值分别为9.63×10-6、8.52×10-6 m2·s-1。     

基于IPCC A1B情景的中国未来气候变化预估:多模式集合结果及其不确定性

利用耦合模式比较计划(CMIP3)提供的20世纪气候模拟试验(20C3M)及A1B情景预估试验,讨论了全球增暖情景下21世纪中期中国气候的可能变化。结果表明,A1B情景下,中国夏季降水变化在-0.1～1.1mm/d,冬季降水变化在-0.2～0.2mm/d。模式对降水变化的预估存在较大不确定性。无论冬夏,预估的全国表面气温都将升高,升温幅度在1.2～2.8℃;随纬度升高,增暖幅度相应增大。模式对表面气温变化的预估能力强于对降水变化的预估能力。在A1B情景下,东亚夏季风增强,而冬季风则略为减弱,东亚夏季风雨带到达最北后南撤的时间较之20C3M滞后约一个月。     

基于ENVISAT/ASAR资料的土壤湿度反演方法

提出了利用ENVISAT/ASAR/AP模式VV极化的低入射角数据和黄土高原陆面过程试验资料对黄土高原平凉试验区表层土壤湿度进行反演的方法。结果表明:在相对平坦的混合地表类型区域,反演的土壤湿度与地面实测值平均误差<0.02 cm3.cm-3,绝对误差均在0.04 cm3.cm-3范围内,该结果能较好地对黄土高原塬区土壤湿度进行干旱监测;但在陡峭山坡及塬边等地形起伏较大的区域,结果较差。     

全球变暖下青藏高原东南侧常年南风强度的多模式结果比较分析

青藏高原东南侧存在一个特殊区域,它常年维持南风,与东亚季风紧密联系,强度变异也将对下游天气气候造成明显影响。该区域南风对全球变暖背景下青藏高原的快速增暖十分敏感。文中利用国际耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）中13个模式的多情景预估结果,分析了全球变暖1.5℃、2℃和3℃下常年南风区南风强度的变异特征。结果表明,13个模式中仅BCC-CSM1.1、GFDL-CM3和MIROC5模式能够较好地模拟常年南风区的范围,以及其独特的“双峰型”季节演变特征。然而,对南风的预估,模式间存在较大差异。MIROC5模式预估南风将明显加强,尤其6月之后,并持续至12月,但BCC-CSM1.1和GFDL-CM3模式预估南风在秋季后将明显减弱。进一步分析发现,各模式预估的差异主要源于它们对青藏高原及东亚地区之间温差的模拟存在显著差异。MIROC5模式模拟的青藏高原升温幅度高于周边区域,其与东亚平原之间的温度梯度将使常年南风区南风增强。因此,模式未来改进中应特别关注对青藏高原与其周边热力梯度的合理模拟,这对青藏高原区及东亚季风气候的正确模拟至关重要。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

大气数值模式空间分辨率的确定方法

集中讨论了如何决定大气数值模式空间分辨率的问题。首先, 给出模式分辨率的定义和模式各方程都应满足的不等式，并在此基础上，用尺度分析和单波的方法推出模式水平和垂直分辨率的预估公式。还给出针对一般模式，以预估公式作基础，选择一系列分辨率，用比较试验，结合大气结构特点，最终确定模式分辨率的方法。并用浅水模式进行了水平分辨率的试验。     

一次强对流降水及雨水蒸发对其影响的数值研究

基于中尺度数值模式(WRF v3.4),对发生在湖北省红安地区的一次强对流降水天气过程进行了数值模拟。结果表明,此次强对流天气是在水汽充足,高层辐散、低层辐合以及不稳定能量较大的条件下发生发展的。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况相符,云下雨水蒸发过程显著。进行敏感性试验,将雨水蒸发率分别降至1/2、1/4以及完全关闭后,雷达回波强度减弱,对流演变特征发生变化。蒸发过程的减弱使得降水始发阶段以及后期消散阶段的降水强度增强,在对流旺盛阶段降水强度减弱。同时雨水蒸发过程减弱导致云中上升气流减弱,冰雪晶及霰粒子含水量极大值减小、极大值所在高度降低。可见,雨水蒸发对对流云团动力、热力结构及云微物理结构以及云物理过程均有一定程度的影响。     

自制大型蒸发罩及其应用

观测大型蒸发时经常会遇到这样的情况:当风速很大时,蒸发器内的水处于上下波动状态,调整针尖与水面恰好齐平非常困难。在这种情况下测得的蒸发量,与实际蒸发量存在一定的误差。为了提高准确性,我们在五金建材店用铝订做了一个无下底的圆柱型蒸发罩,其结构为:顶盖直径62.8cm,比蒸发筒直径大1cm,上面有一个与其同     

自制大型蒸发罩及其应用

观测大型蒸发时经常会遇到这样的情况:当风速很大时,蒸发器内的水处于上下波动状态,调整针尖与水面恰好齐平非常困难.在这种情况下测得的蒸发量,与实际蒸发量存在一定的误差.为了提高准确性,我们在五金建材店用铝订做了一个无下底的圆柱型蒸发罩,其结构为:顶盖直径62.8 cm,比蒸发筒直径大1 cm,上面有一个与其同圆心直径为10 cm的圆形口(带盖),用于给蒸发器加水或取水.在顶盖上边缘处做一个半径为6 cm的扇形缺口,面积比净水器稍大一点,为的是不影响针尖与水面的调整.蒸发器罩高为7.5 cm左右,以与水圈边缘相接为宜.为了在观测蒸发量时安放蒸发罩方便,最后在顶盖合适的位置安上了一个把手.这样,一个大型蒸发罩就做成了.在大风天气条件下应用这种大型蒸发罩,针尖与水面调整非常容易.     

一个太平洋海盆尺度环流模式及其模拟结果

在中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的全球气候海洋环流模式(LICOM)的基础上构建了一个太平洋海盆环流模式,并对其模拟结果进行了深入的分析.在模拟中对中尺度示踪物输送采用了两种方案,即传统的水平扩散方案(HOR)和包括涡旋诱导速度的等密度面扩散方案(GM).对这两个试验的气候平衡态结果分析发现,该模式较好地模拟出了太平洋的环流特征,包括副热带大涡、副极地涡旋以及南极绕流(ACC)等.赤道附近的各种流系亦得到了较好的模拟,模拟的150°W赤道潜流的最大流速为40 cm/s,出现在次表层130 m左右,虽然模拟值比基于NCEP资料估计的最大流速80 cm/s小,但与其位置十分相近.两个试验均较好地模拟出了温盐的分布结构,包括北太平洋和南太平洋中层水的形成以及南极底层水的输送等.通过详细分析两个试验结果发现,总的说来在目前模式所采用的参数条件下,GM的结果稍好于HOR的结果.这些模拟结果表明,在LICOM基础上构建的太平洋环流模式从总体上是能再现许多观测特征的,可为今后进一步研究被动示踪物在北太平洋的分布等问题提供一个十分有用的工具.     

海洋表层流模式和月尺度海气耦合试验

本文第一部分设计了一个海洋表层流模式，较成功地模拟出冬夏季海表层中的大尺度洋流和海面高度第二部分是月时间尺度的海气耦合试验，将海表层洋流模式和球带范围的大气模式相耦合，用数值试验讨论了洋流和海气耦合方式对模拟结果的影响。     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

微下击暴流的数值模拟

建立了一个具有极高分辨率的二维面对称微下击暴流数值模式，对干、湿两类微下击暴流线在云下的生成和演变过程进行了模拟试验，取得较理想结果。模拟湿微下击暴流线的各种主要结构和演变特征与实测结果吻合较好。干型微下击暴流由冰晶降水元在干绝热气层中下落时的蒸发致冷驱动，只产生了很小的地面降水和降温。 几百米厚的弱稳定层对干微下击暴流有明显阻挡和削弱作用。     

CSIRO Mk3.6.0模式及其驱动下RegCM4.4模式对中国气候变化的预估

使用区域气候模式RegCM4.4,对全球模式CSIRO-Mk3.6.0在RCP4.5情景下的气候变化试验结果（1950-2100年）在东亚地区进行25 km动力降尺度试验,比较了CSIRO-Mk3.6.0和RegCM4.4预估中国地区的21世纪气候变化。结果表明,两个模式预估未来中国地区气温持续升高,升温幅度具有区域性特征,RegCM4.4预估区域平均升温幅度低于CSIRO-Mk3.6.0,但二者年际波动基本一致。两个模式预估未来降水在中国西部以持续增加为主,东部则表现出较大的不一致性,预估区域平均年降水量变化不大,呈现冬季明显增加,夏季微弱减少的特点。此外,为了解区域气候模式对中国降水预估的不确定性,对本研究和以往RegCM3使用相同分辨率模拟得到的未来降水预估进行了对比,两个区域模式预估中国西部大部分地区未来降水一致性增加,东部存在明显不一致（冬季中、高纬除外）。