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.     

黄土高原半干旱区雨养农田地表辐射和能量通量的季节变化

黄土高原陇东地区有着特殊的气候背景和下垫面,对这一地区陆气相互作用特征和影响因素的观测分析对改进和发展陆面过程模式以及气候变化研究有重要意义。利用陇东平凉陆面过程与灾害天气观测研究站连续一年的陆面过程观测资料,分析了雨养农田降水量、土壤含水量、辐射、反照率和能量通量的季节变化,以及降水、土壤含水量和农业生产活动对能量分配的影响。结果表明,陇东地区降水量季节分布不均,土壤含水量有明显季节差异,随降水有明显波动;辐射通量的季节变化较为规律,短波辐射的日均值受天气状况影响,波动较大;地表反照率呈明显的季节变化,全年正午反照率最大值为0.83,出现在降雪后,生长季随着作物的生长,反照率下降至0.2以下,农作物收割以后的裸土反照率随降水变化明显,反照率与土壤体积含水量呈明显的线性相关关系;湍流能量通量日循环和季节变化明显,地表能量分配在很大程度上受降水影响,同时农业生产活动也对其有较大影响,主导能量通量有较大的月际波动,潜热通量月平均日变化峰值最大为240.8 W·m~(-2),出现在5月,感热通量为192.5 W·m~(-2),出现在4月;在年尺度上,正午净辐射多被感热通量消耗,感热通量约占35%,潜热通量约占32%,低于灌溉农田;在冬小麦快速生长季(3-5月),潜热通量约占34%,远低于灌溉的冬小麦田,研究站点的蒸散发过程受到水分限制。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

麻多高寒湿地冻结过程中土壤热通量变化特征分析

准确量化高寒湿地下垫面冻结过程中土壤热通量的变化特征,对认识高寒湿地—大气间水热交换过程有重要的科学意义。本文利用中国科学院麻多气候与环境综合观测站2014年5月至2015年5月的观测资料,分析了下垫面冻结过程中土壤热通量变化特征,探讨了冻结潜热对土壤热通量的贡献。基于温度积分计算土壤热通量的算法,指出在计算冻结过程中的土壤热通量时,需要同时考虑土壤热通量板以上的土壤热贮存及热通量板以上的冻结潜热。研究表明:（1）冻结锋面形成后,锋面所在深度土壤体积含水量迅速降低,锋面以下土壤热通量接近于零,土壤液态水开始冻结,冻结潜热向上穿过热通量板所在土壤层;降水下渗土壤后冻结所释放的潜热能使次日凌晨5 cm深度土壤热通量接近于零。（2）季节性冻结期,凌晨气温较高时穿过5 cm土壤层的向上土壤热通量很小,可能是由表层土壤发生了日冻融循环所致。土壤水释放的冻结潜热使土壤温度波动减弱并维持在冰点附近。高寒湿地下垫面仅在很浅的表层发生日冻融循环,无法通过5 cm土壤温度资料判断下垫面循环出现日期。（3）加入冻结潜热项,土壤热通量的计算值与实测值之间的均方根误差将会从11.5 W m-2下降到6.2 W m-2。以上研究结果对认识寒区陆面过程有重要的贡献。     

干旱区荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程特征观测分析

干旱区荒漠草原过渡带下垫面受降水影响而变化,在短期内由沙漠转化为草地,因而其陆面过程特征快速变化十分显著,可能对区域天气或气候造成一定影响。本文利用2012年7~9月在腾格里沙漠南缘的荒漠草原过渡带开展的"微气象蒸发观测实验"的观测资料,通过分析强降水前后土壤温度、含水量、辐射及湍流通量,研究快速变化的陆面过程特征。结果表明:40 cm以上的浅层土壤温度在降水后降低,随着降水辐射效应的消失,土壤温度升高;而深层的土壤温度变化较小。土壤含水量对降水有明显的响应,20 cm以上的浅层土壤含水量迅速增大,而后缓慢减小;30、40 cm的土壤含水量先增大后迅速下降。7、8月的净辐射变化不大,在-50~450 W·m-2间变化。降水发生后,反射辐射和地表长波辐射较干旱荒漠有所降低,2~3 d后又恢复到干旱荒漠的量级。地表反照率在降水后先降后升,荒漠草地的地表反照率日均值较大,与地表含水量、太阳高度角及植被生长参数密切相关。感热和潜热在降水前后变化显著,潜热增大而后减小,感热减小而后增大,干旱荒漠地表能量传输以感热通量为主,强降水发生后,潜热通量占主导地位,而后由于蒸散发使土壤含水量减小,潜热的主导地位逐渐被感热代替。     

半干旱区退化草地地表能量收支

利用吉林通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测试验站2002年10月~2003年12月在退化草地下垫面获得的近地层湍流通量及能量的连续观测资料(样本间隔30min),分析了半干旱地区退化草地下垫面近地层能量的日变化、季节变化特征;同时还讨论了干湿季转换期及不同季节近地层能量收支特征,以及天气状况对近地面层能量收支的影响。     

陇中黄土高原夏季地表能量平衡观测研究

利用2003年6～8月的实际观测资料,分析了陇中黄土高原夏季地表通量特征。在春小麦下垫面,无论晴天或阴天,能量主要消耗于农田蒸散。在裸地下垫面各能量通量表现出同样的变化特征,但由于降雨量的增加,导致潜热占净辐射的比例比春小麦地的还高。在晴天或阴天地气之间能量传输引起土壤温度变化的深度,主要出现50cm以上,其日变化均呈现准正弦曲线形式,50cm以下的土壤温度不存在日变化。在半干旱区云和降水对地表辐射和能量平衡造成的影响不容忽视。波文比在日出以后逐渐增大,到正午达最大值;春小麦下垫面时的波文比大于裸地时的值,两者的极值分别是1．01和0．75。     

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。     

积雪覆盖对高寒草甸土壤温湿及地表能量收支的影响

利用青海玛沁微气象观测站降雪过程的观测数据,探讨了积雪覆盖对土壤温度,土壤体积含水量、土壤热通量及地表能量交换的影响。结果表明:积雪覆盖对浅层土壤温度的影响较为显著,而对深层土壤温度的影响十分微弱。地表有积雪覆盖时,浅层土壤温度日平均值升高,日变化幅度减小,日最低值升高,温度梯度绝对值减小。土壤完全冻结状态下土壤体积含水量几乎不受积雪覆盖影响,土壤融化状态下积雪覆盖会导致浅层土壤体积含水量日变化幅度减小,而对深层土壤体积含水量没有影响。积雪覆盖会减小浅层土壤热通量的日变化幅度。在总辐射相同的晴天条件下,当地表有积雪覆盖时,由于积雪的高反照率导致向上短波辐射增加,净辐射减小,同时感热通量减小而潜热通量增加,感热占比(H/Rn)下降,潜热占比(LE/Rn)升高。     

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。     

黄河源高寒湿地-大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究

湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地-大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式（Community Land Model,简称CLM）模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:（1）暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;（2）温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00（北京时,下同）下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;（3）土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;（4）麻多高寒湿地动力学粗糙度Z_0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z_0m=0.0143 m;（5）提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼kB-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响.本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通...     

Simulation of the Bare Soil Surface Energy Balance at the Tongyu Reference Site in Semiarid Area of North China

The performance of a 1-D soil model in a semiarid area of North China was investigated using observational data from a cropland station at the Tongyu reference site of the Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) during the non-growing period, when the ground surface was covered with bare soil. Comparisons between simulated and observed soil surface energy balance components as well as soil temperatures and water contents were conducted to validate the soil model. Results show that the soil model could produce good simulations of soil surface temperature, net radiation flux and sensible heat flux against observed values with the RMSE of 1.54oC, 7.71 W m-2 and 27.79 W m-2, respectively. The simulated volumetric soil water content is close to the observed values at various depths with the maximal difference between them being 0.03. Simulated latent heat and ground heat fluxes have relatively lower errors in relative to net radiation and sensible heat flux. In conclusion, the soil model has good capacity to simulate the bare soil surface energy balance at the Tongyu cropland station and needs to be further tested in longer period and at more sites in semiarid areas.     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

2006-2010年下辽河平原地温和土壤热通量变化特征

依据国家沈阳农田生态系统野外研究站2006-2010年监测数据,分析0-100cm 土层8个层次的地温、0-100 cm地温、地温极值、0-20 cm地温与气温的关系和土壤热通量的变化趋势。结果表明：从年际变化看,8个层次地温和地温极值呈下降趋势;0 cm层次地温变化受外界影响较大。研究区域年尺度0-20 cm地温与气温有比较一致的变化规律。作物生长季节,可分为4-7月气温上升和8-10月气温下降两阶段;这两个不同阶段的0-20 cm地温与气温分别做线性拟合,与整个生长季4-10月线性拟合相比,线性相关性可信度更高。土壤热通量受气温和土壤质量含水量影响年际变化较大,年尺度土壤热通量≥0 MJ/m²,该区域地表是热汇。     

新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至的生态脆弱区，具有丰富的太阳能资源。利用红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料，分析东疆黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征。结果表明：（1）地表辐射及能量收支各分量日变化均为单峰型。就不同季节而言，太阳总辐射和净辐射为夏季>春季>秋季，反射短波辐射为春季>夏季>秋季，地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。（2）能量收支各分量季节变化明显，感热通量为春季>夏季>秋季，潜热通量为夏季>秋季>春季，地表土壤热通量为秋季>夏季>春季；能量分配在不同季节均以感热为主，地表土壤热通量次之，潜热通量极其微弱。（3）地表反照率日变化均为“U”型，在不同季节表现为春季>秋季>夏季，依次为0.29、0.27、0.26。东疆黑戈壁地表反照率整体较高，这是下垫面为黑色砾石所致。