SiB2和SiB3对高寒草甸和茶树地表能量通量模拟的比较

运用简单生物圈模式第2版(SiB2)和第3版(SiB3),分别模拟青藏高原两个观测站(那曲、安多)和长江三角洲苏州东山观测站的近地面能量收支,并与相应观测数据进行比较研究,分析SiB2、SiB3模拟结果和观测资料产生差异的原因,以此来认识上述地区地表能量收支特点。结果表明,SiB2和SiB3模拟的近地面能量通量与观测数据有较好的一致性。对感热通量,那曲和安多站SiB3比SiB2模拟的结果更接近观测资料,但苏州站SiB2模拟的结果与观测资料更吻合;对潜热通量,SiB3比SiB2模拟的日变化与观测资料更一致,SiB3的模拟结果与观测资料(除苏州站外)相关系数都在0.8以上;对地表土壤热通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测数据相关系数都在0.8以上;对净辐射通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测资料相关系数接近1.0。与SiB2相比,SiB3引用通用陆面模式的土壤描述并增加对冠层空间层温度、湿度和痕量气体的预报,使其能够改善潜热通量和土壤热通量的模拟,但对复杂下垫面的感热和净辐射通量模拟能力提高不明显。     

SiB3对不同下垫面的模拟试验与验证

首先介绍简单生物圈模式版本3(Simple Biosphere Model 3,SiB3)相比SiB2的改进之处以及相应的参数化方案。为了检验SiB3模式能否模拟不同下垫面的地气之间水分和能量交换,本文在全球选择3个代表高、中、低纬度的典型实验站点(青藏高原安多站点、亚马逊流域的Km34站点和美国中西部的WLEF站点),利用SiB3进行模拟分析和实验验证。研究结果表明,SiB3能够较好地模拟出不同下垫面的地表感热通量、潜热通量和净辐射通量随时间的变化率以及变化趋势,模式模拟值和测量值的相关系数达到080左右。但与实测相比,SiB3模拟的感热通量值仍偏高。在安多站点,模式模拟的地表土壤水分比较干燥,且模拟的地表温度较测量值偏高。     

利用生物圈模型 (SiB2) 模拟青藏高原那曲草原近地面层能量收支

模式所需要的参数被合理地设置之后, 根据GAME/ Tibet (GEWEX亚洲季风试验/青藏高原试验) 那曲近地层观测站的资料, 将大气强迫变量代入SiB2(Simple Biosphere model version2), 文章模拟了该观测站地表能量收支。结果表明:SiB2能够较好地模拟青藏高原的能量收支情况, 净辐射、潜热通量和土壤热通量的模拟值和观测值吻合, 它们的相对误差分别为8% (低估)、6% (低估) 和3 %(低估)。同时, SiB2高估感热通量达40%。文章还给出了能量各分量的详细比较分析。     

北京郊区草地夏季能量收支平衡的数值模拟

北京郊区地表能量分配可能影响北京地区的天气和气候。为了进一步检验陆面过程模式对北京郊区具有代表性的稀疏草地地表能量分配的模拟能力,利用原版和改进版简化生物圈模式(SiB2,Simple Biosphere Model 2)模拟了2010年7月22日-8月5日期间北京郊区阳坊镇坦克打靶场草地的辐射平衡、能量收支以及地表热通量。并将模拟结果与实际测量的数据进行对比,结果表明:1)原版SiB2低估净辐射11.32%,改进版SiB2则低估净辐射5.81%,主要原因是改进版SiB2更新了土壤热传导率计算方法,从而提高了土壤温度(包括地表温度)模拟结果的精度,进而改善了地表向上的长波辐射模拟结果的准确性;2)改进版SiB2同时改善了感热通量和潜热通量的模拟结果,但是原版SiB2和改进版SiB2均低估了土壤热通量。     

典型干旱区陆面模式模拟检验

利用2000年9月至2001年8月"我国西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)"敦煌站的陆面过程观测资料,基于已有的参数化结果,模拟了敦煌主要陆面特征。结果表明:典型干旱区敦煌夏季感热通量与潜热通量差异显著,感热几乎是潜热的4倍,冬季二者都很小。模式对地表温度模拟较好,但高估了浅层土壤湿度峰值;对向上辐射模拟较好,但对净辐射的模拟存在较大偏差;同时高估了地表能量的峰值。模式结果表明参数化方案对干旱区陆面过程模式具有一定的改进作用。     

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016—2017年夏季(6—8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))和中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3)),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3))的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。     

利用简单生物圈模式SiB2模拟锡林浩特草原地表湍流通量

利用简单生物圈模式SiB2模拟了2007年7月1日至9月30日期间锡林浩特草原的地表能量分配、CO2通量、地表有效辐射温度和土壤湿度.采用锡林浩特国家气候观象台野外试验基地实地测量资料确定SiB2所需要的参数和初始值后,由该资料中30 min一次的太阳短波辐射、大气长波辐射、水汽压、气温、水平风速和降水驱动SiB2,最...     

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。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

采用TIPEX科学试验资料对1998年7月长江特大暴雨系统的梅雨期区域边界水汽输送模型及其数值试验

采用1998年第二次青藏高原大气科学实验(TIPEX)现场观测资料,包括加密探地面与探空观测、系留气球资料及遥感和高原试验中的中日合作研究(GAME/Tibet)基地Doppler雷达资料对青藏高原上空发展的积云对流系统及其生成和移动进行监测,讨论了与1998年长江下游暴雨的关系。结果表明:1)卫星云图动态分析及TBB资料制作的Hovmoller时空剖面分析表明,1998年7月下旬的长江暴雨洪水系统可追溯到高原。2)对上述TBB分析的云团在安多站过境时段(7月18-19日)进行Doppler跟踪,Doppler雷达回波跟踪分析揭示出,这种在高原中部地区发展和东移、加强的回波十分频繁。TIPEX多种仪器联合观测资料的综合分析可捕捉高原对流系统的生消和移动轨迹,对诊断预测高原系统对其下游的影响很有价值。3)综合分析上述TIPEX同时段地面和高空加密观测报告的时空剖面发现,高原腹地区(那曲地区)对流云系频繁发展,与准静止的地面风场辐合的维持有关。高原地面风场的动力辐合、高原上空风场垂直切变以及高原西风增湿过程所提供的高原水汽输送对1998年长江暴雨的发展与加强起重要作用。4)对高原水汽垂直分布的中尺度过滤分析发现,高原水汽的高值与低值随时间的交替变化,清楚地揭示了生命史为几小时的次天气尺度的波动。高原中尺度波动东移的揭示进     

藏北高原地表反照率的初步研究

基于中日合作项目“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)在藏北高原D105站、Amdo站、MS3478站以及BJ站的观测数据资料,分析了该地区地表反照率的时空分布特征。结果表明:藏北高原地区的地表反照率具有明显的日变化和月/季节变化特征。冬、春季的日变化曲线呈“U”形,且曲线形状的变化不如夏、秋季大。6~9月的月平均反照率在全年中最低,5月份月平均反照率波动较大。从季节平均值来说,冬季>春季>秋季>夏季。该地区的平均地表反照率为0.2457;反照率的空间分布很不均匀,其值的大小、曲线的形状在不同站点都很不一样,这与站点的地理位置有关,但天气状况和下垫面属性也起了很大的作用。     

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。     

Diurnal and inter-monthly variation of land surface heat fluxes over the central Tibetan Plateau area

Summary The energy and water cycle over the Tibetan Plateau play an important role in the Asian monsoon system, which in turn is a major component of both the energy and water cycles of the global climate system. Using field observational data observed from the GAME/Tibet (GEWEX (Global Energy and Water cycle Experiment) Asian Monsoon Experiment on the Tibetan Plateau) and the CAMP/Tibet (CEOP (Coordinated Enhanced Observing Period) Asia-Australia Monsoon Project (CAMP) on the Tibetan Plateau), some results on the local surface energy partitioning (diurnal variation, inter-monthly variation and vertical variation etc.) are presented in this study.The study on the regional surface energy partitioning is of paramount importance over heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau and it is also one of the main scientific objectives of the GAME/Tibet and the CAMP/Tibet. Therefore, the regional distributions and their inter-monthly variations of surface heat fluxes (net radiation flux, soil heat flux, sensible heat flux and latent heat flux) are also derived by combining NOAA-14/AVHRR data with field observations. The derived results were validated by using the ground truth, and it shows that the derived regional distributions and their inter-monthly variations of land surface heat fluxes are reasonable by using the method proposed in this study. Further improvement of the method and its applying field were also discussed.     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。     

青藏高原地表反照率时空分布与统计回归计算

本文在利用NOAA/AVHRR数据反演得到1982～2000年青藏高原地区地表反照率时空分布的基础上,分析了地表反照率的时空变化及其与温度和降水之间的关系,得到地表反照率与温度和降水之间的统计方程,并用此方程计算了青藏高原地区地表反照率的时空分布。研究结果表明：青藏高原地区年均地表反照率的分布与高原自然地理带的分布特征大致吻合;地表反照率与温度和降水均有较好的相关性,相关性因下垫面植被类型的不同而有较大的差异,滞后1个月的温度和滞后2个月的降水的综合作用与地表反照率的相关性最好;月均地表反照率与温度和降水之间的二元曲线回归方程可以比较好的统计回归计算出青藏高原地区地表反照率的空间分布,该模型的系统偏差比较小,回归计算的效果比较好。     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。     

气候变暖背景下羌塘自然保护区年冻融指数的变化特征

利用1971~2019年羌塘自然保护区5个气象站逐日平均气温和地表温度,通过线性回归和Mann-Kendall等方法,分析气候变暖背景下近49a自然保护区大气和地面冻融指数的时空变化特征,并预估了RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下,未来80a（2021~2100年）大气和地面冻融指数的变化。结果表明:(1)自然保护区大气融化指数（ATI）、地面融化指数（GTI）总体上呈自西向东递减的分布,并随海拔升高而减少;大气冻结指数（AFI）和地面冻结指数（GFI）的分布规律不明显,但最大值均出现在安多站,最小值出现在不同站点。(2)近49a自然保护区AFI、GFI分别以?8.97℃·d·a?1、?10.45℃·d·a?1的速率显著减少,ATI、GTI则表现为显著增加趋势,增幅分别为7.05℃·d·a?1和11.38℃·d·a?1,地面冻融指数的变化率大于大气冻融指数的变化率。与青藏高原对比,自然保护区AFI、GFI减幅小,ATI增幅接近,GTI增幅大。(3) AFI、GFI在1970s~1990s为正距平,2000s~2010s为负距平,表现为逐年代递减的变化特征;而ATI、GTI相反,呈逐年代递增的变化特征。(4) AFI、ATI、GFI、GTI分别在2001年、1993年、1999年和1998年发生了突变,ATI突变时间最早,较AFI偏早8a。(5)自然保护区冻结指数FI减少,融化指数TI增加,与平均气温、平均最低气温显著升高、降水量增加、平均风速减小密切相关,还与积雪日数、最大积雪深度的减少有关。(6)未来80a,RCP4.5排放情景下自然保护区AFI、GFI分别将减少322.8℃·d、357.6℃·d,ATI、GTI依次增加262.2℃·d、419.7℃·d;RCP8.5排放情景下,冻融指数的变化率更大。