中国区域陆气耦合强度的时空分布特征

使用陆气耦合强度来表征陆面状态对降水、气温或大气其他物理过程的影响程度,可以辨识陆气相互作用的热点地区,加深对陆气相互作用和气候系统的认识。利用ERA5再分析资料,结合Pearson相关系数、Kendall’s Tau相关系数及土壤湿度-潜热通量、潜热通量-抬升凝结高度的陆气耦合指数对中国区域陆气耦合强度进行定量分析。结果表明:(1)我国北方干旱半干旱区土壤湿度增大导致潜热通量增加,为降水提供了所需的水汽条件;潜热通量增大导致感热通量减小,温度降低,对边界层的驱动减弱,不利于气团的抬升凝结,该区域是我国陆气相互作用的热点地区。(2)我国陆气耦合强度存在显著的季节性差异。干旱半干旱区陆气耦合强度在春夏季较强,秋冬季较弱。西南地区春季土壤湿度较低,有显著的陆气相互作用。     

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。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将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最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

NCAR_CLM系列模式对全球近50 a陆面状况的模拟及其比较分析

基于普林斯顿大学1948-2006年3h一次、1 °×1 °空间分辨率的全球陆面驱动数据,利用NCAR系列陆面模式CLM3.0、CLM3.5、CLM4.0,分别对全球近50 a的陆面状况进行了offline模拟试验.在此基础上,对比分析了不同版本模式对全球土壤温度、土壤湿度、地表感热、潜热和地表径流气候态的模拟结果,揭示了不同版本模式对全球陆面变量模拟的差异及主要特征.结果表明:1)CLM系列模式模拟的土壤温度、湿度在全球范围内存在一定差异.与CLM4.0相比,CLM3.0和CLM3.5模拟的1月、7月的浅层和深层土壤温度在北半球中高纬度存在明显的暖偏差.CLM3.0模拟的土壤湿度在北半球高纬地区均存在不同程度的偏湿,而在热带及中纬度地区则以偏干为主,尤其是对热带地区深层土壤湿度的模拟存在严重偏干的现象;相比之下,CLM3.5模拟的浅层土壤湿度仅在北半球高纬地区存在偏湿的现象;二者对深层土壤湿度的模拟差异较小.2)CLM系列模式模拟的地表能量通量和地表水文变量也存在较明显的差异.模式对潜热通量和感热通量的明显差异主要出现在热带地区,与CLM4.0相比,CLM3.0模拟的潜热(感热)通量总体偏小(大),而CLM3.5模拟的潜热(感热)通量以偏大(小)为主.CLM3.0模拟的地表径流在热带地区明显偏大,CLM3.5在一定程度上改善了上述区域径流偏大的问题,但过分低估了上述地区的地表径流.3)模式模拟结果的差异具有明显的季节变化和区域性特点.总体而言,CLM3.0对不同地区的土壤湿度和冠层蒸散的季节变化模拟都存在较大偏差,其模拟的土壤湿度明显偏低,而对冠层蒸腾作用在冠层蒸散过程中所做的贡献估计不足;CLM3.5和CLM4.0对上述结果有了较明显的改进.对于其他陆面因子的季节变化而言,CLM3.0的模拟能力也存在一定程度的不足,而CLM3.5和CLM4.0的模拟结果则更为合理.     

春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

全球植被分布对气候影响的数值试验

利用一个新的陆－气双向耦合模式R42_AVIM, 通过有无植被覆盖的对比试验分析, 探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。得出: 陆面植被覆盖使得地表特征参数发生行星尺度的明显改变, 在叶面积指数大的热带和中高纬度森林带尤其显著。在现实植被分布下, 陆地表面反照率减小, 地表净辐射收支和地表潜热通量增加, 而地表感热通量减小。植被叶面积指数比较大的区域地表温度降低, 并且这种温度的改变一直延伸到对流层中上层, 在热带表现为斜压结构, 而在中高纬表现为相当正压结构。植被的存在使热带和中高纬度森林带的蒸发和相应的高层凝结潜热加热增强, 从而增强了经圈环流的上升支, 使得冬季在热带和南半球中纬度降水增多, 夏季在热带和北半球中高纬地区降水明显增多; 而经圈环流下沉支的增强致使副热带降水减少且更干旱。同时, 植被的存在使大陆潜热释放增强, 气温下降, 减小了海陆温度对比, 亚洲夏季风也有所减弱。     

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。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

土壤湿度初始异常对东亚区域气候模拟影响的敏感性试验

利用耦合了CLM3.5陆面模式的区域气候模式RegCM4.0,通过敏感性试验,探讨了人为减小春季初始土壤体积水含量对短期时间尺度东亚夏季气候模拟的可能影响。结果表明:较低的初始土壤湿度场能够明显改变区域的地表能量平衡,引起地表净长波辐射和感热通量的显著增加,进而加强了地表对大气的加热,因而引起东亚大范围地区特别是中国东部、印度北部和中亚地区地表温度、气温的升高。与气温不同,初始土壤湿度场对降水的影响很小而且有较大的不确定性,同时偏暖的下垫面使得对流层中高层出现暖高压异常,但这些影响均不显著。综合来看,土壤湿度初始场的初始异常,对RegCM4.0 模式东亚气候模拟的结果有一定影响,特别是在地表温度、气温和能量平衡方面,应在以后的模拟中加以考虑。     

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。     

Regional differences in surface sensible and latent heat fluxes in China

This study documents the variability of surface sensible and latent heat fluxes in five regions of China (Northwest China, the Tibetan Plateau, Northeast China, North China, and Southeast China) using the ERA-40 reanalysis for the years 1960–2000. The surface sensible and latent heat flux variations are remarkably different in Northwest and Southeast China. The seasonal variation of the surface sensible heat fluxes is largest in Northwest China and smallest in Southeast China. In contrast, the seasonal variation in latent heat flux is largest in Southeast China and smallest in Northwest China. The interdecadal variation of surface sensible and surface latent heat fluxes strongly depends on both the region and season. The trends in surface sensible and latent heat fluxes in all four seasons are mainly caused by variations in both the land–air temperature difference and in the specific humidity. There is also a limited contribution of wind speed in some regions, depending on the season.     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

Variability of Surface Sensible Heat Flux over Northwest China

The present study documents the variability of surface sensible heat flux over Northwest China using station observations for the period 1961 2000.It is found that the afternoon and nighttime sensible heat flux variations are remarkably different.The variability of the instant flux in the afternoon is much larger than in the nighttime.The afternoon and nighttime flux anomalies tend to be opposite.The diurnal and seasonal dependence of sensible heat flux variations is closely related to the diurnal cycle of mean land-air temperature difference.The relationship of sensible heat flux with land-air temperature difference based on the instant value differs from that based on the daily mean.The present study indicates the importance for the models to properly simulate mean land-air temperature difference and its diurnal and seasonal variations in order to capture surface sensible heat flux variability over Northwest China and predicts its plausible impacts on climate.     

2000年6月4日沙尘暴过境时敦煌地面气象要素及地表能量平衡特征的变化

利用在敦煌进行的"我国典型干旱区陆-气相互作用试验"观测资料,分析了2000年6月4日在我国西北所发生的沙尘暴过境时的地面气象要素的变化以及地表能量平衡变异特征.结果表明,在沙尘暴过境时地面水平风风向经历了从稳定到多次调整,再到稳定,最后崩溃的演变.风向调整时,风速减弱,而调整之后,风速加大,同时伴有很强的上升气流.沙尘暴天气来临前,地面空气呈干热状态,处于低气压控制之下;而在沙尘暴过境时和过境后,地面空气显得相对湿冷,地面气压急剧上升,并处于高压控制之下.沙尘暴过境前后,地表的能量平衡关系遭到破坏,净辐射大幅减少,地气间的感热和潜热输送变弱,土壤全天向上释放热量.     

白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究——实验介绍及近地层微气象特征分析

介绍了国家自然科学基金重点项目 "地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究" 在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验(时间分别是2004年11月16～22日和2005年9月8～27日),这两次实验获得了大量宝贵的资料,全面深入的资料分析正在进行中.此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析.结果表明: 陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大,而风速比水域上的小,其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高,夜间比水域上的低,11月份两地白天气温接近,但夜间陆地上的气温明显偏低; 无论是9月还是11月,水域上近地面层都是以下沉气流为主,而陆地则在中午前后存在弱的上升运动; 9月份,两地的近地面层短波射入辐射比较接近,但水域上的短波射出辐射比陆地上的大; 长波射入辐射则是陆地比水域的大,而长波射出辐射则是水域的比陆地的大; 两地的净辐射白天接近,夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大; 9月份,水陆两地的感热通量相差不大,为150～200 W/m2,而潜热通量比感热通量大,天气晴朗时可达到300 W/m2; 11月份,陆地的感热通量比潜热通量大,为100～120 W/m2,而水域地区的感热通量则与潜热通量相当; 两地的潜热通量相差不大,一般不超过50 W/m2.无论是9月还是11月,水域地区夜间都存在水汽向下输送的逆湿现象,而陆地只在9月份存在逆湿现象.2005年9月份的水温观测结果表明,白洋淀水体平均温度比水表平均温度明显偏高,而且日变化幅度很小,水表平均温度则日变化较大.     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

西北干旱区感热异常对中国夏季降水影响的模拟

利用最新版的RegCM3模式通过增加西北干旱区地面向大气的感热输送,模拟了西北干旱区春、夏季感热异常对中国夏季降水的影响。结果表明:西北地区地面向大气的感热输送增加后,西北干旱区低层空气温度升高,空气密度减小使得空气有上升运动距平,减弱了空气的下沉运动,从而在新疆地区降水增加。西北地区下沉气流减弱使得高空气压更强,形成反气旋气流距平,导致高原地区上升气流减弱,在青藏高原降水减少。高原地区上升气流减弱导致在长江中下游和东北北部分别有负的气压距平中心,使得这里有气旋式距平环流,降水增加;而在华南、西南、华北南部和东北南部降水减少。     

中亚感热异常对我国西北温度、 降水的影响

利用1954-2004年NCEP/NCAR月平均再分析感热资料和我国西北地区31个测站温度、降水资料,采用SVD分析方法,分析了中亚感热场与我国西北地区温度、降水场的关系.分析表明:(1)4～9月的中亚感热与来年我国西北地区1月的温度呈显著的负相关.(2)5～7月中亚感热主要影响我国西北的新疆大部、甘肃、宁夏、陕西等地区来年1月的温度.(3)5～6月、7～9月、10～12月中亚感热分别影响我国西北7月、10月和来年2～3月降水.(4)5～6月中亚感热与7月我国西北的甘肃中南部、新疆东南部和阿勒泰地区的降水呈负相关关系.     

中国西北夏季气温变化及其对青藏高原地面感热异常响应的诊断与数值试验

利用陕、甘、宁、青、新五省（区）９０个测站,１９６０～１９９０年历年夏季月平均气温,采用主成分分析、旋转主成分分析和全球大气环流模式,对中国西北夏季气温变化的时空异常特征及其对青藏高原地面感热通量强弱变化的响应进行了诊断分析和数值试验。结果表明：中国西北地区气温变化在空间上具有较好的一致性,但由于地形和下垫面的影响,夏季气温异常主要表现为６种气候类型（区）,即青海高原区、河套区、北疆区、渭水流域区、南疆西部区、东疆－河西走廊区。５０年代以来气温演变的主要特点是除青海高原和北疆外的西北大部分地方夏季由暖变冷。当北半球５００ｈＰａ高度距平场呈欧亚型振荡,则有利于中国西北大范围气温偏高（低）。青藏高原地面感热通量的异常增强,可引起西北夏季西部偏暖,东部偏冷。     

Influence of soil moisture in eastern China on the East Asian summer monsoon

The sensitivity of the East Asian summer monsoon to soil moisture anomalies over China was investigated based on ensembles of seasonal simulations(March–September) using the NCEP GCM coupled with the Simplified Simple Biosphere Model(NCEP GCM/SSi B). After a control experiment with free-running soil moisture, two ensembles were performed in which the soil moisture over the vast region from the lower and middle reaches of the Yangtze River valley to North China(YRNC) was double and half that in the control, with the maximum less than the field capacity. The simulation results showed significant sensitivity of the East Asian summer monsoon to wet soil in YRNC. The wetter soil was associated with increased surface latent heat flux and reduced surface sensible heat flux. In turn, these changes resulted in a wetter and colder local land surface and reduced land–sea temperature gradients, corresponding to a weakened East Asian monsoon circulation in an anomalous anticyclone over southeastern China, and a strengthened East Asian trough southward over Northeast China. Consequently, less precipitation appeared over southeastern China and North China and more rainfall over Northeast China. The weakened monsoon circulation and strengthened East Asian trough was accompanied by the convergence of abnormal northerly and southerly flow over the Yangtze River valley, resulting in more rainfall in this region.In the drier soil experiments, less precipitation appeared over YRNC. The East Asian monsoon circulation seems to show little sensitivity to dry soil anomalies in NCEP GCM/SSi B.