1982年8月—1983年7月拉萨、那曲、改则、甘孜地面热量平衡分析

本文用1982年8月1日至1983年7月31日青藏高原热源观测资料,依据相似性理论,用通量—廓线关系计算了拉萨、那曲、改则、甘孜四站的感热和潜热通量值,辐射平衡用实测值,地表热通量则由5,10cm深度的土壤热通量外推得到。从而得到上述4站的地面热源强度。     

1982年8月—1983年7月青藏高原地面热源强度跃变事实及其现象

1、地面热源强度资料及其计算 地表热量平衡方程为 B=P+LE+H(1)其中B为净辐射值,P为感热,LE为潜热(或蒸发凝结热),H为土壤热通量。 或 B-H=D+LE(2)B-H即为地面热源强度或地面加热强度。其中B-H>0,地面为热源;B-H<0,地面为冷源。依据相似理论,用通量廓线关系计算了拉萨、那曲、改则三站的感热和潜热通量值,辐射平衡用实测值,地表热通量则用5cm,10cm深度的土壤热通量外推得到。从而由(2)式可得到上述三站的地面热源强度。具体计算方法及其计算误差详见[2]。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

淮河中游雨季前后大气边界层综合观测分析

利用安徽省寿县站边界层综合观测试验资料,对近地面层风、气温、湿度等微气象要素及感热通量、潜热通量、摩擦速度进行综合分析,总结2005年淮河中游雨季开始前后大气边界层的微气象学基本特征及其异同。结果表明:雨季前,气温、相对湿度有明显的日变化,呈单峰单谷型分布;伴随雨季的开始,近地面层气温下降、相对湿度加大,风速波动增大,且各要素日变化减小。6—7月淮河中游的潜热通量远大于感热通量。边界层要素的变化对淮河雨季的开始和结束具有一定的指示意义。     

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。     

春夏季转换期东亚地表热通量对温度月际变化的影响

利用1948—2003年的NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚地区春夏季节转换期间地面气温变化趋势以及地面热通量对温度季节变化的影响。结果表明,东亚地区4~7月地面气温月际变化存在明显的与纬度有关的南北向差异、与海陆分布有关的东西向差异以及大陆上中低纬地区以90°E为分界线的东西向差异,大陆上温度月际变化比海洋上显著。通过对月际变温指数的研究发现,中南半岛以及高原东侧在4~5月月际变温明显,印度半岛及高原西侧6~7月月际变温明显,表明月际最大变温有从90°E以东地区向90°E以西地区推进的过程。研究月际变温与地面热通量关系发现,高纬地区大陆上月际温度变化主要与太阳辐射以及潜热变化关系较大,而中低纬地区大陆上月际变温与感热、潜热以及辐射关系都比较密切,且90°E以东的中南半岛及邻近地区的4~5月的月际变温与地面热通量的相关关系最为显著,90°E以西的印度半岛及邻近地区6~7月的月际变温与热通量相关关系最为明显,此时青藏高原西侧辐射以及感热加热作用显著。对于热通量与地面月际变温显著相关区域的进一步分析表明,地面热通量对于温度场的直接影响主要表现在近地层,在高层,两者之间相关关系复杂。     

基于ＳＥＢＡＬ模型在城市地表通量反演的应用

利用ETM＋及少量地面观测数据,基于SEBAL模型,反演了武汉市2002年7月22日的显热通量和潜热通量。研究结果表明：显热通量和潜热通量的分布与下垫面类型分布相对应,其中城镇、工矿下垫面以显热交换为主,草地、林地、水体等下垫面以潜热交换为主;显热通量和潜热通量的分布能够清晰指示城市热岛分布状况,适当增加城区中绿地和水体,可增大潜热通量,减缓城市热岛效应。     

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。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。     

青藏高原地表热通量变化及其对初夏东亚大气环流的影响

应用NCEP地面热通量资料, 研究了青藏高原地面感热、潜热的气候状况及其与初夏东亚大气环流之间的关系。发现高原地面热通量的异常将影响高原地区上空的垂直运动与辐散辐合运动, 从而引起东亚地区高度场及风场的异常。同时, 青藏高原地区地面热通量与后期东亚地区的环流变化也有密切关系, 这种关系可为预测东亚地区初夏环流异常提供有意义的指标。     

青藏高原西部地表热通量输送的低频特征

以1997年9月-1998年10月青藏高原西部改则地区自动气象站(AWS)近地层连续观测的梯度资料为基础,计算了高原西部地面感热通量、蒸发潜热通量及地面热源强度,应用Marr小波变换重点分析了地表热通量输送以及与此相关的降水量、土壤湿度和土壤热通量的周期振荡特征.结果表明:地面感热具有明显的30～60天低频振荡,并且在夏季存在准8天的中期振荡;蒸发潜热和降水量以准双周振荡为主.土壤热通量以30～50天低频振荡为主,夏季还存在准8天的中期振荡;土壤湿度在冬季呈现明显的30～50天低频振荡,夏季则为20～30天的低频振荡.     

西南季风爆发前后大理近地层风场及湍流通量的变化特征

利用2008年4~5月大理国家气候观象台近地面层观测系统的梯度、涡动相关通量观测资料,结合背景场环流分析,分析了西南季风爆发前后大理近地面层的风速、风向变化特征、风速廓线和垂直切变变化特征以及动量、感热和潜热通量变化特征。结果显示:西南季风爆发前,大理近地层风向以东南风为主,平均风速较大;风速日变化的双峰型特征较显著,风速的垂直切变大,动量通量数值较大且日变化特征较明显。西南季风爆发后,大理近地层西北风频率显著增加,平均风速减小;风速日变化以单锋型为主,风速垂直切变较前期显著减小,动量通量数值减小而日变化特征较不显著。西南季风开始前后大理地气热量交换都以潜热为主,西南季风开始前一旬期间,潜热通量的逐日变化特点是随时间逐渐减少,感热通量逐渐增大,二者差值逐渐减小;西南季风开始后潜热通量的逐日变化为逐渐增大而感热通量逐渐减少,二者差值逐渐增大。就月平均值的日变化而言,潜热通量峰值变化不大,雨季略低于干季的4月;感热通量4~6月的月平均逐月降低。其原因既与雨季天气的变化有关,也与下垫面状况的改变相联系。     

南海地区热通量的时空变化特征

本文利用美国 NCEP1958-1998 年高斯网格月平均再分析资料,分析了南海及周边地区(0～20°N,100～125°E)热通量(包括潜热通量和感热通量)的时空变化,结果表明该潜热通量、感热通量具有明显的季节转换特征.南海中部海区是潜热通量、感热通量季节变化最剧烈的关键区,南海季风对潜热、感热输送均有影响,并且蒸发潜热输送大于感热输送.EOF 分析表明,风速对潜热、感热输送贡献较大,另外气温和相对湿度对潜热输送有贡献,而水温与气温差对感热输送有贡献.整个南海地区潜热通量、感热通量具有明显的年际变化特征,潜热通量存在5～8 a 以及 2 a 左右的周期振动,而感热通量只有 5～8 a 的周期振动.     

大尺度降雨异常对地面过程的影响——一类气候反馈机制的初步研究

本文以华北地区春季两个多雨年和两个少雨年为例,研究半干旱地区大范围持续性降雨对地面物理过程的影响。 根据地面边界层热通量和辐射通量的参数化公式以及地面水份倾向方程,计算分析了春季降雨异常增多后地面热状况、热量平衡各分量和水文状况的变化,发现降雨异常增多后,地面土壤温度和地面气温明显降低,土壤湿度和地面蒸发潜热明显增大,地面反照率也有所降低。值得指出的是,地面物理状况的变化相对于降雨异常过程有明显的时间上的后延现象,在空间场上有较好的配合关系。     

防护林地区近地面层湍流结构及通量特征研究

本文采用在大面积防护林地区近地面边界层中采集的湍流、辐射和廓线梯度资料,计算并分析了湍流结构及通量特征。结果表明:当-0.1<ξ<0.1范围内时,湍流动能,湍流强度随稳定度变化迅速;位温宏观量σ/θ_*服从σ_θ/θ_*=A(-ξ)~(1/3)规律,A=0.60;在湍流混合强烈时,林网内下层出现负潜热通量现象,并且林网上层潜热通量明显大于下层;湍流热通量则相反。本文还对计算湍流热通量和潜热通量的方法的适用性也做了比较,并且分别进行了误差分析。     

我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

利用"中国干旱气象科学研究计划——我国北方干旱致灾过程及机理"的观测数据,分析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站2015年8—10月及定西站2016年8—10月地表能量通量变化特征。分析发现,不同下垫面辐射均表现出明显的日变化,相对于向下短波辐射和向下长波辐射,不同下垫面反射辐射和向上长波辐射差异更加明显。塔中站反射辐射和向上长波辐射最大,锦州站和平凉站相对较小。净辐射具有明显的日变化特征,和总辐射相位一致,农田净辐射日峰值相对较大。地表反照率3个月平均从大到小依次为塔中站(0. 27)、定西站(0. 19)、锦州站(0. 16)、奈曼站(0. 15)和平凉站(0. 14)。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型,其中,奈曼站感热通量峰值最大(276 W·m~(-2)),平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量为主,平凉站则以潜热通量为主。     

冬季中国东部海区热通量变化与中国气温降水的关系

利用OAFlux月平均热通量、NCEP/NCAR（1958—2006年）再分析和全国160个站的月降水、气温等资料,采用相关分析、合成分析等方法,分析了中国东部海区海气界面热通量变化特征及其与中国冬、春季降水、气温的关系。研究表明,中国东部海区为潜热通量和感热通量年际变化的关键区,冬季变化最为显著,具有明显的年际和年代际变化特征,热通量的增强趋势明显。热通量的年代际变化与同期冬季中国华南降水存在明显正相关,与华北降水存在负相关、与气温存在显著正相关。1983年气候突变前热通量年际变化与同期中国长江下游地区降水有很好的负相关。突变后热通量年际变化与同期淮河流域降水存在显著负相关;与后期春季中国两河流域降水存在显著负相关,与两河流域气温存在显著正相关。     

青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析

青藏高原地理环境复杂,已有大气陆面-边界层研究工作多集中于不同下垫面,很少有对复杂地形区的研究。本文利用青藏高原东南部林芝地区2013年5月20日至7月9日四个野外试验站点的观测资料,分析了不同天气条件下,高原复杂地形区不同下垫面的陆-气能量交换特征。结果表明:在各站向下短波辐射基本一致的情况下,地形较陡的北坡阔叶林站感热通量远大于其他3个站点;下垫面植被覆盖最多的南面麦田站潜热通量最大。各站能量通量有明显的日变化特征,晴天时,感热通量和净辐射明显大于阴雨天,而潜热通量随天气状况变化不大。青藏高原复杂地形环境比不同天气条件对于感热通量的影响更显著;不同地形阴雨天时对于潜热通量有明显的影响。当南亚季风槽前的西南暖湿气流影响到林芝地区时,该地区以阴雨天为主,反之则以晴天为主。林芝地区地-气通量的月内变化明显受南亚季风活动的影响。