中国北方四类典型下垫面能量分配特征及其环境影响因子研究

中国北方疆域辽阔,多种植被类型交错分布,陆面过程较为复杂。研究该区域地表能量平衡及分配过程,有助于进一步了解其生态系统的生产力及气候变化。本文使用"中国北方协同观测实验"观测资料,选取中国北方四种植被类型——高寒草甸、荒漠草地、玉米农田及半干旱草地,在深入认识地表能量分配特征的基础上,讨论了环境因子对能量分配的影响。结果表明,上述四类典型下垫面能量闭合度在71%~91%,其中半干旱草地最大,玉米农田最小。从各能量分量与净辐射的比率来看,荒漠草地、半干旱草地净辐射主要通过感热形式加热大气,感热通量占净辐射的百分比分别为29%和36%;高寒草甸、玉米农田潜热通量占主导地位,其值分别占净辐射的42%和37%。影响各下垫面水热综合参数Bowen比的气象因子中,半干旱草地受地-气温差(R2=0.64)和饱和水汽压差(R2=0.56)的影响;玉米农田则主要受地-气温差(R2=0.52)的影响;荒漠草地地-气温差(R2=0.37)和平均风速(R2=0.23)是其主要影响因子。Bowen比与NDVI之间存在显著的指数关系(R2=0.74),且随NDVI的增大而减小。     

基于常规气象资料融雪模式的建立及应用

以能量平衡方程为基础,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,建立了利用常规气象观测资料预测雪面温度和积雪深度变化的融雪模型。利用2009年1—3月以及2009年12月—2010年1月在湖北恩施雷达站的积雪观测数据进行模拟和验证,结果表明：该模型对于雪面温度和积雪深度都有较好的模拟效果。当下垫面导热系数λg〈0.5时,下垫面对雪深的影响很小;当λg≥0.5时,积雪融化速度随λg的增大而加快,说明下垫面的热传导是影响积雪深度变化的主要因素之一。     

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。     

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。     

半干旱区典型下垫面反照率特征的初步分析

利用2008-2009年7-9月中国半干旱区9个通量观测站的通量和常规气象数据结合同期MODIS的EVI植被覆盖数据,分析了不同下垫面反照率的月、季特征及其与降水之间的关系,系统地探讨了特殊天气条件下各类下垫面的反照率日变化特征。结果表明:(1)按照季平均反照率的大小,各类下垫面排序依次为荒漠草地高寒草甸退化草地农田;(2)除退化草地外,其余各类下垫面反照率的拟合结果均通过0.05显著性水平检验,高寒草甸的拟合好于荒漠草地、农林混交农田和东北农田,而荒漠草地和农林混交农田拟合效果相当;(3)在荒漠草地下垫面,夜雨不会对次日反照率的"U"型分布产生影响,存在潜热维持土壤湿度和感热加强蒸腾作用两种机制;(4)无雪盖高寒草甸的反照率主要受植被覆盖度和高原植被叶面特性的影响;退化草地下垫面在强降水日白天出现反照率"√"型分布,由于09:00(北京时,下同)-11:00云量偏多、反照率偏高,15:00-17:00太阳高度角对反照率增大作用强于土壤湿度的减小作用,反照率缓慢回升造成的。低矮作物农田在雨日15:00-17:00反照率的骤升是植被覆盖度和太阳高度角相互作用所致,受浅层土壤含水量的影响不大。     

黑河中上游不同下垫面动量总体输送系数和地表粗糙度对比分析

利用廓线法计算了黑河中上游地区盈科农田站、冰沟稀疏草地站、阿柔牧场站和大冬树山垭口积雪观测站的总体输送系数和地表粗糙度。结果表明,地表粗糙度与植被覆盖度和高度以及下垫面的性质有关,夏季地表粗糙度大小是农田站最大,其次是牧场站和稀疏草地站,高寒草甸站最小。下垫面状况还影响动量总体输送系数对稳定度的依赖程度,地表粗糙度大的地区强于地表粗糙度小的地区。     

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.     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

若尔盖高寒湿地夏季近地面水平热平流对地表能量闭合度的影响研究

近地面能量不闭合问题一直以来都是陆面过程研究的一个重要的科学问题,且在非均匀湿地下垫面的近地面尤为突出.利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站花湖观测场的地面风场和温度场数据,计算了由湿地下垫面热力非均匀性引起的水平热平流,并分析了考虑水平热平流后地表能量平衡的变化.结果表明:2017年夏季若尔盖湿地近地面水平热平...     

中国北方不同气候区晴天陆面过程区域特征差异

采用2008年7～9月份观测的中国干旱-半干旱区实验观测协同与集成研究资料,将我国北方干旱一半干旱区根据气候类型和地理位置划分为西北干旱区、黄土高原区和东北冷区三个区域,分析了干旱-半干旱区陆面热量平衡和辐射平衡日变化的区域差异.结果显示:不同气候区域的地表辐射和能量过程差异明显,而这种差异主要源于大气和土壤中可利用水...     

Comparative analysis of different underlying surfaces using a high-resolution assimilation dataset in semi-arid areas in China

To study the land surface and atmospheric meteorological characteristics of non-uniform underlying surfaces in the semi-arid area of Northeast China, we use a “High-Resolution Assimilation Dataset of the water-energy cycle in China (HRADC)”. The grid points of three different underlying surfaces were selected, and their meteorological elements were averaged for each type (i.e., mixed forest, grassland, and cropland). For 2009, we compared and analyzed the different components of leaf area index (LAI), soil temperature and moisture, surface albedo, precipitation, and surface energy for various underlying surfaces in Northeast China. The results indicated that the LAI of mixed forest and cropland during the summer is greater than 5 m² m^?2 and below 2.5 m² m^?2 for grassland; in the winter and spring seasons, the Green Vegetation Fraction (GVF) is below 30%. The soil temperature and moisture both vary greatly. Throughout the year, the mixed forest is dominated by latent heat evaporation; in grasslands and croplands, the sensible heat flux and the latent heat flux are approximately equal, and the GVF contributed more to latent heat flux than sensible heat flux in the summer. This study compares meteorological characteristics between three different underlying surfaces of the semi-arid area of Northeast China and makes up for the insufficiency of purely using observations for the study. This research is important for understanding the water-energy cycle and transport in the semi-arid area.     

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。     

2001～2010年中国区域土地利用/覆盖变化对陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖数据,利用公共陆面模式（Community Land Model, CLM）模拟真实的土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change, LUCC）对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1）在2001～2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2）在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3）LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4）当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m?2,潜热通量增加0.14 W m?2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d?1、0.009 mm d?1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m?3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

Theoretical determination of the surface energy balance and thermal regimes of bare soils

An analytical theory that determines the thermal regimes in the soil and the thermal and moisture regimes in the atmosphere for bare surfaces is derived. Both soil and atmospheric thermal properties are assumed to be power functions of depth and height, respectively. Evaporation is determined using a surface resistance to vapour flow. Fourier superposition is used to represent nonsinusoidal variations in time due to effects such as variable cloud cover. The theory is in acceptable agreement with micrometeorological measurements made at two bare soil sites of contrasting surface bulk density. It is concluded that the surface resistance model for evaporation is applicable to bare soils which remain wet at depth, particularly if their surface is loosened. The theory is used to predict the diurnal thermal regimes of saturated and dry sand, loam, and peat soils.     

SENSITIVITY TESTS OF INTERACTION BETWEEN LAND SURFACE PHYSICAL PROCESS AND ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

In this paper,an interactive model between land surface physical process and atmosphereboundary layer is established,and is used to simulate the features of soil environmental physics,surface heat fluxes,evaporation from soil and evapotranspiration from vegetation and structures ofatmosphere boundary layer over grassland underlying.The sensitivity experiments are engaged inprimary physics parameters.The results show that this model can obtain reasonable simulation fordiurnal variations of heat balance,soil volumetric water content,resistance of vegetationevaporation,flux of surface moisture,and profiles of turbulent exchange coefficient,turbulentmomentum,potential temperature,and specific humidity.The model developed can be used tostudy the interaction between land surface processes and atmospheric boundary layer in cityregions,and can also be used in the simulation of regional climate incorporating a mesoscalemodel.     

Three-year Variations of Water, Energy and CO$_2$ Fluxes of Cropland and Degraded Grassland Surfaces in a Semi-arid Area of Northeastern China

Based on 3 years （2003-05） of the eddy covariance （EC） observations on degraded grassland and cropland surfaces in a semi-arid area of Tongyu （44°25′N, 122°52′E, 184 m a.s.1.）, Northeast China, seasonal and annual variations of water, energy and CO2 fluxes have been investigated. The soil moisture in the thin soil layer （at 0.05, 0.10 and 0.20 m） clearly indicates the pronounced annual wet-dry cycle; the annual cycle is divided into the wet （growing season） and dry seasons （non-growing season）. During the growing season （from May to September）, the sensible and latent heat fluxes showed a linear dependence on the global solar radiation. However, in the non-growing season, the latent heat flux was always less than 50 W m^-2, while the available energy was dissipated as sensible, rather than latent heat flux. During the growing season in 2003-05, the daily average sensible and latent heat fluxes were larger on the cropland surface than on the degraded grassland surface. The cropland ecosystem absorbed more CO2 than the degraded grassland ecosystem in the growing season in 2003-05. The total evapotranspiration on the cropland was more than the total precipitation, while the total evapotranspiration on the degraded grassland was almost the same as the total annual precipitation in the growing season. The soil moisture had a good correlation with the rainfall in the growing season. Precipitation in the growing season is an important factor on the water and carbon budget in the semi-arid area.     

青藏高原单点地气交换过程的模拟试验

利用GAME-Tibet 1998 IOPs的外场观测资料,采用单点陆面过程气柱模式CLSM对青藏高原的昌都(Amdo)站和改则(Gaize)站的地气交换过程进行了模拟试验,模拟结果与观测分析的对比表明：模式对两个站陆面特征的变化和陆气之间的交换给出了比较合理的模拟结果,模拟结果与观测结果较一致。这在一定程度上表明,CLSM模式具有描述夏季高原地区两种不同下垫面陆面状况基本过程的能力。     

Improvement of a soil-atmosphere-transfer model for the simulation of bare soil surface energy balances in semiarid areas

A soil-atmosphere-transfer model (SATM) was evaluated using observational data from the Tongyu Cropland Station and Audubon Research Ranch in semiarid areas, where the land cover was nearly bare soil during the simulation period. Simulations by the SATM at both sites were conducted using the new and original surface thermal roughness length parameterization schemes, respectively. Comparisons of simulations and observations have demonstrated that using the new surface thermal roughness length scheme in this model made sound improvements in the simulation of soil surface temperatures, sensible heat fluxes and net radiation fluxes in the daytime at both sites, compared to the original scheme, because the new scheme produced a larger aerodynamic resistance for turbulent heat transfer in the daytime. With respect to latent heat fluxes, the improvement was not as obvious as that attained for soil surface temperature since the soil water content in the surface layer in a semiarid area is a more important factor than surface soil temperature in controlling evaporation rate. Accordingly, it can be concluded that the new surface thermal roughness length parameterization scheme could improve the ability of the SATM to simulate bare soil surface energy budget with latent heat flux component being innegligible in semiarid areas.