基于Noah-MP陆面模式的青藏高原地表感热和潜热通量分布及变化特征

利用中国区域高分辨率数据集作为大气强迫场,驱动修改了热力学粗糙度参数化方案后的NoahMP陆面模式进行了2000-2018年青藏高原地区陆面过程模拟。用野外观测资料校验模拟结果后,分析了地表感热通量（SH）、潜热通量（LH）的分布及变化特征。结果表明,模式能较合理模拟高原地表感热和潜热通量。高原的中、西部为地表感热和潜热通量的年际变率较大区域。模拟的高原中、西部地区感热通量强于东部地区,且绝大部分区域的感热通量是有增强趋势的。对于整个高原,感热通量从2002年前后呈较明显的增强趋势。总体上,四个季节的平均感热都有较明显的增强,特别是在2010年以后。潜热通量在高原东部地区强于中、西部地区。潜热通量的年际变率相对于感热通量的变率要小。中部地区潜热呈减弱趋势,西部和东部都有弱的增强。对于整个高原,潜热通量在2000-2018年呈弱的增强趋势。其中,2000-2003年潜热通量是增强的,2003-2015年呈减弱趋势,主要因素为在夏季潜热通量的减弱。     

陆气双向耦合模式中全球感热和潜热通量的时空特征模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)含有动态植被过程的海-陆-气耦合模式AVIlVI-GOAIS的积分结果,与ERA-40再分析资料的感热和潜热通量场进行对比分析,结果表明:AVIM-GOALS模拟的感热和潜热通量的气候态、季节变化等特征和ERA-40一致,其中感热通量的纬向分布为双峰型,而潜热通量从1～7月...     

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。     

基于多源陆面通量数据相融合的新资料及其在中国夏季风影响过渡区的应用

夏季风影响过渡区是陆面能量交换与区域气候相互作用显著的热点区域。然而,目前缺乏适用于该区域的高精度长期通量数据集,这限制了陆面水热交换与气候相互作用的研究。如何融合目前已有的多源通量资料进行重构建以及应用显得十分必要。本研究综合包括中国北方协同观测试验和中国通量网的多种下垫面通量观测以及多种格点资料,试图重构中国夏季风影响过渡区的陆面能量通量数据集。在筛选具有优良下垫面代表性站点并考察模拟和观测散点分布规律的基础上,利用多元回归模型构建了一套适用于夏季风影响过渡区并且受观测资料约束的月平均感热、潜热和净辐射数据集。交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高,最大程度上消除了原始格点资料的系统偏差。进一步分析表明在地表能量平衡分量中,陆面湍流通量对夏季风的响应更为显著,并且夏季风影响过渡区陆面湍流热通量对夏季风持续时间呈现对数分布的年际变化规律;当夏季风处于低持续影响状态时陆面湍流热通量年际变化更为显著,偏弱的夏季风系统可能导致陆面过程对气候变化更强的影响。本文基于多源通量数据融合构建的新数据集可以为气候变化研究提供数据支撑,同时增加了对陆面过程与季风系统相互作用的认识。     

高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

利用苏州地区2011年12月20日—2012年8月13日的湍流观测资料对不同季节、高温、台风强天气过程下的湍流特征进行分析。结果表明:城市地区不同季节动量通量、感热通量、潜热通量日变化明显,各通量的夏季平均值、最大值均高于冬春季,夏季感热通量日最大值为160.2 W·m^-2,感热在城市地表能量平衡中的作用大于潜热,各季节潜热通量平均值仅为感热通量的40%~45%。降水量和植被覆盖度影响地表能量平衡,尤其影响地表热量在感热和潜热之间的分配。在高温天气过程中,感热通量增加明显,其峰值约是夏季平均的1.93倍。由于水汽较少,潜热通量明显减少,约为夏季日平均值的60%。速度三分量谱中u谱与w谱在低频区存在两个峰值,说明在城市复杂下垫面里,湍流激发机制中存在低频过程的影响。在台风天气过程中,动量通量大且变化快,感热输送弱,潜热输送波动大。速度谱w基本不符合"-5/3"次律,惯性子区最小且向高频移动,这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。     

宁南退耕还草区近地面的湍流通量特征研究

根据Monin—Obukhov相似性理论，运用空气动力学方法和能量平衡法，结合2002—2003年小气候资料，分别分析了宁夏南部山区（下称宁南）退耕还草区湍流通量和地表通量（净辐射、感热、潜热和土壤热通量）的分布和季节变化特征，为宁南退耕还草区陆面过程的认识、数值模拟和气候分析提供理论参考依据。     

北半球陆面过程对全球变暖响应特征的初步分析

利用NCAR气候系统模式CCSM3.0 IPCC AR420世纪气候（20C3M）和21世纪SRES A1B排放情景下的模拟结果,着重分析了未来北半球陆面情况对全球变暖的总体响应特征。对比分析模式对20世纪和21世纪SRES A1B情景下的模拟结果表明：北半球陆面的水、热过程在全球变暖背景下将发生显著的变化。伴随全球地面温度的持续升高,北半球陆面的净辐射通量、感热通量和潜热通量均表现出不同程度的上升趋势,其中潜热通量的增幅明显高于感热通量;伴随着全球变暖,地表的水循环也发生了明显的变化,具体表现为北半球降水持续增多,陆面蒸发明显增加,地表径流也呈现出总体增加的趋势,但土壤含水量则表现出减少的趋势。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

耦合不同陆面过程对江西南部一次暖区特大暴雨过程的模拟试验

利用WRF V模式耦合4个陆面过程对2015年5月18—19日江西南部暖区特大暴雨进行了模拟,以检验陆面过程对暴雨过程的影响;在此基础上,又进行了地表通量敏感性试验,以检验地面扰动通量对降水的影响。结果表明,各方案模拟的降水范围、雨带走向以及降水中心位置与实况都比较相似,但是降水强度大小与陆面过程的选择存在一定的差异。其中,WRF模式耦合NOAH方案模拟的降水中心、降水强度和累积降水量均能够较好地反映这次暴雨过程的发展。感热和潜热通量在暖区暴雨中是维持降水持续的主要能量输送,对暴雨中心强度和位置变化的影响,潜热通量比感热通量发挥了更重要的作用。来自地面水汽蒸发所释放的潜热以及水汽抬升和辐合释放的潜能为维持暴雨强度提供了重要的能量支撑。     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

BASIC CLIMATOLOGICAL FEATURES OF AIR-SEA HEAT EXCHANGES IN THE SOUTH CHINA SEA (SCS) REGION AND THEIR RELATIONS WITH THE SCS MONSOONS

By using the NCEP reanalysis data set in 1979-1995, the fluxes of the latent heat, thesensible heat and the net long-wave radiation in the South China Sea (SCS) are expanded by meansof EOF in order to discuss the basic climatological features in the SCS. The detailed analysis showsthat the air-sea heat exchanges in different SCS regions have different seasonal variations. Themiddle and the north of the SCS are the high value regions of the air-sea heat exchanges during thewinter and the summer monsoon periods, respectively, the seasonal variations of air-sea heatexchanges in the south of the SCS are small. In addition, the proportions of different componentsin the total air-sea heat exchanges have different seasonal variations in different regions. Theresults show that the SCS monsoon and the air-sea heat exchanges in the SCS region are theaccompaniments of each other, the great difference of the sensible heat flux between the IndochinaPeninsula and the SCS before the SCS summer monsoon onset may be one of the triggers of thelatter. There maintains a high value center of the sensible heat flux before the 13th dekad, itsdisappearing time consists with that of the summer monsoon onset. It means that as far as the SCSlocal conditions are concerned, the northwest of the Indochina Peninsula is probably a sensitiveregion to the SCS summer monsoon onset and the land may play a leading role in the SCS summermonsoon onset.     

Local boundary-layer development over burnt and unburnt tropical savanna: an observational study

Fire scars have the ability to radically alter the surface energy budget within a tropical savanna by reducing surface albedo, increasing available energy for partitioning into sensible and latent heat fluxes and increasing substrate heat flux. These changes have the potential to alter boundary-layer conditions and ultimately feedback to local and regional climate. We measured radiative and energy fluxes over burnt and unburnt tropical savanna near Howard Springs, Darwin, Australia. At the burnt site a low to moderate intensity fire, ranging between 1,000 and 3,500 kW m⁻¹, initially affected the land surface by removing all understorey vegetation, charring and blackening the ground surface, scorching the overstorey canopy and reducing the albedo. A reduction in latent heat fluxes to almost zero was seen immediately after the fire when the canopy was scorched. This was then followed by an increase in the sensible heat flux and a large increase in the ground heat flux over the burnt surface. Tethered balloon measurements showed that, despite the presence of pre-monsoonal rain events occurring during the measurement period, the lower boundary layer over the burnt site was up to 2^°C warmer than that over the unburnt site. This increase in boundary-layer heating when applied to fire scars at the landscape scale can have the ability to form or alter local mesoscale circulations and ultimately create a feedback to regional heating and precipitation patterns that may affect larger-scale processes such as the Australian monsoon.     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

Summer temperatures in Europe and land heat fluxes in observation-based data and regional climate model simulations

The occurrence and intensity of heatwaves is expected to increase with climate change. Early warnings of hot summers have therefore a great socio-economical value. Previous studies have shown that hot summers are preceded by a Southern European rainfall deficit during winter, and higher spring temperatures. Changes in the surface energy budget are believed to drive this evolution, in particular changes in the latent and sensible heat fluxes. However these have rarely been investigated due to the lack of long-term reliable observation data. In this study, we analyzed several data-derived gridded products of latent and sensible heat fluxes, based on flux tower observations, together with re-analyses and regional climate model simulations over Europe. We find that warm summers are preceded by an increase in latent heat flux in early spring. During warm summers, an increase in available energy results in an excess of both latent and sensible heat fluxes over most of Europe, but a latent heat flux decrease over the Iberian Peninsula. This indicates that, on average, a summertime soil-moisture limited evapotranspiration regime only prevails in the Iberian Peninsula. In general, the models that we analyzed overestimate latent heat and underestimate sensible heat as compared to the flux tower derived data-product. Most models show considerable drying during warm seasons, leading to the establishment of a soil-moisture limited regime across Europe in summer. This over-estimation by the current generation of models of latent heat and hence of soil moisture deficit over Europe in summer has potential consequences for future summertime climate projections and the projected frequency of heat waves. We also show that a northward propagation of drought during warm summers is found in model results, a phenomenon which is also seen in the flux tower data-product. Our results lead to a better understanding of the role of latent and sensible heat flux in summer heatwaves, and provide a framework for benchmark of modeling studies.     

雅鲁藏布大峡谷地区近地面-大气间水热交换特征分析

利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品,归类分析了藏东南雅鲁藏布大峡谷地区水汽输送类别.选取大峡谷地区排龙站、墨脱站两个站点2019年涡动相关系统观测数据,分析不同水汽条件下雅鲁藏布大峡谷地区不同位置近地面水热交换通量的日变化特征.结果表明:高原季风期对应大峡谷地区水汽强输送期和温湿期,高原非季风期则相反.墨脱站...     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

Effects of the Indo-China Peninsula Heat Fluxes on the 1998 South China Sea Summer Monsoon

1. IntroductionBecause the South China Sea (SCS) is one of theregions where the Asian summer monsoon onset oc-curs earliest, the SCS summer monsoon (SCSSM) hasalways been a research focus, especially in recent yearswith the implementation of the SCS Monsoon Exper-iment (SCSMEX) (e.g., Tao and Chen, 1987; Changand Chen, 1995; Lau et al., 2000; Ding and Li, 1999;Ding and Liu, 2001; Li and Wu, 2000; Xie et al., 1998;Zhang et al., 2004). Climatologically, the SCSSM on-set is a rem…     

山西陆面过程对A1B排放情景下全球变化趋势的响应

山西地处气候过渡带,气候敏感、生态脆弱,在全球气候变暖背景下其陆面物理过程受气候波动影响十分明显。本文利用NCAR CCSM IPCC AR4陆面分量模式(CLM)20世纪气候模拟(20C3M)和21世纪SRES A1B排放情景下的模拟结果,对山西省21世纪(2001~2099年)与20世纪(1901~1999年)陆面能量和水文变量进行了对比分析。结果显示:(1)模式模拟出山西地区未来地面温度的空间及时间分布特征。未来山西省地面温度呈明显上升趋势,上升速率冬季大于夏季。空间上,增温幅度冬季自北向南递减,夏季自西向东递减;(2)未来山西省陆面各分量空间上,净辐射通量西北增幅大于东南,降水率和径流率则与其相反,潜热通量与蒸发率一致,西南部增加幅度大,土壤含水率冬夏分布相反,感热通量呈下降趋势,西南下降幅度大;时间上,净辐射通量、潜热通量均表现出不同程度的上升趋势,土壤热通量冬季上升,夏季下降;地表水循环的各分量均呈增加趋势。