基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

积雪升华过程对高寒湿地陆气相互作用的影响

利用青海玉树隆宝地区2014年12月积雪升华过程的观测资料,分析了积雪升华过程中高寒湿地陆气相互作用特征及积雪深度对陆气相互作用的影响。结果表明：在降雪和积雪升华过程中,高寒湿地浅层土壤温度在短时期内有所升高,而深层土壤温度和土壤体积含水量对降雪过程的响应不敏感。积雪升华过程中净辐射、感热通量和潜热通量的日平均值增加,向上短波辐射的日平均值减少。积雪逐渐升华导致地表吸收的能量增加,同时地表向大气传递的能量也随之增加。随着积雪的逐步升华,感热占比和潜热占比逐渐升高,而土壤热通量占比和热储存占比逐渐降低。积雪深度增加会导致地表反照率和地表比辐射率增大,感热输送系数减小。     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

夏季草原与戈壁地表能量分析

利用野外试验资料，比较分析了夏季祁连山区草原和河西走廊张掖戈壁地表能量特征，并探讨了环境因素与地表能量特征的关系。结果表明，在夏季典型晴天，山区草原的净辐射、潜热通量大于戈壁，而感热、土壤热通量小于戈壁；山区草原净辐射、潜热通量的日变化大于戈壁；而感热、土壤热通量的日变化小于戈壁。在山区草原，晴天潜热通量是土壤热通量的三倍多，感热通量与土壤热通量差异很小，净辐射主要用于蒸发、蒸腾；在戈壁，晴天土壤热通量和感热通量是潜热通量的近两倍，净辐射主要用于加热地表，并通过地表加热下层土壤和地面大气。两地均存在能量不平衡现象，草原感热、潜热、土壤热通量之和小于净辐射，戈壁感热、潜热、土壤热通量之和大于净辐射，戈壁能量不平衡大于草原。导致山区草原和戈壁地表净辐射特征差异的主要因素是太阳辐射，导致山区草原和戈壁地表能量分量特征差异的主要因素是陆面植被和水分，根本因素是陆面水分。      

2009/2010年黄河源区高寒草甸下垫面能量平衡特征分析

以青藏高原黄河源玛多为实验区, 基于TRM-ZS1气象生态环境监测仪2009年11月1日至2010年10月31日辐射及能量通量观测数据, 采用波文比能量平衡法, 进行了该区域潜热和感热通量的估算, 分析了黄河源区高寒草甸下垫面辐射收支, 潜热、 感热和土壤热通量在不同季节的分配, 对该区域冬季地面加热场强度的变化进行了研究.结果表明: 该区域总辐射、 净辐射较强, 总辐射平均日积分值为18.06 MJ·m^-2·d^-1, 净辐射平均日积分值5.95 MJ·m^-2·d^-1, 曾观测到高达979.5 W·m^-2的净辐射通量.全年地表平均反射率为0.30, 接近于荒漠和半荒漠下垫面的反射率.植物生长季土壤湿度和冬、 春季地面积雪是影响该区域地表反射率的两个最主要因素.该区域感热通量年积分值为742.68 MJ·m^-2·a^-1, 潜热通量年积分值为1 388.58 MJ·m²·a^-1, 全年中地表以潜热方式传递热量为主.分季节分析, 冬季感热潜热强度相当, 春季以感热为主, 夏秋季则以潜热为主.土壤热通量年积分值为38.06 MJ·m^-2·a^-1, 全年热通量在热量平衡中约占1.8%, 但季节分配不平衡, 在冬季, 有|G|>H+LE, 土壤热通量是热平衡最大的分量.该区域地表全年向大气释放热量, 地表对大气而言是热源.     

基于Noah-LSM模式和CoLM模式的青藏高原中部陆面过程模拟

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站Amdo站2012年10月1日-2013年10月1日的气象和土壤资料,通过Noah-LSM模式和CoLM模式对青藏高原中部陆面过程进行模拟研究。模拟结果表明：两个模式对辐射通量的模拟均与观测值较吻合,地表长波辐射的模拟效果最好,净辐射次之,地表反射辐射最差;两个模式模拟的土壤温度与观测值很接近,均是表层的模拟效果好于深层,夏季的模拟效果好于冬季;土壤的冻结和融化过程都是由表层开始向下延伸的,CoLM模式模拟的冻融起止时间与观测值更为接近;两个模式对土壤湿度的变化趋势模拟较好,但存在较大偏差。     

陇中黄土高原冬季地表辐射和能量平衡特征

利用定西试验基地2003年12月至2004年2月获取的地气相互作用观测资料,分析了陇中黄土高原冬季典型天气（晴天、阴天及雪天）和平均状况下的地表辐射能量平衡和土壤温度等微气象特征的日变化规律。结果表明,在典型天气间微气象特征有较大差异,但冬季的平均特征与晴天比较接近,云和降雪的扰动影响有限。冬季地表能量平衡以感热输送为主,土壤热通量为辅,且普遍存在不平衡现象。冬季初的2／3时段净辐射及土壤热通量日总量基本为负值,之后的1／3时段为正值,冬季地面加热场为热源。冬季土壤温度在地表及20 cm土壤层存在日变化,30 cm及以下土壤温度日变化很小。冬季地表日平均反射率基本在0.20～0.25之间变化,平均值为0.22。     

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.     

考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质活动层水热过程差异分析

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,定量分析了高原真实野外降雨条件下3种典型地表土质（砂土、亚砂土、粉质黏土）地表水分和能量平衡差异、活动层内部水分与能量输运分量变化过程和耦合机制。结果表明：随着土壤粒径增大,地表净辐射增大、蒸发潜热增大、感热通量减少、土壤热通量减小,不同土质地表蒸发潜热和地表感热通量差异最为显著,地表能量平衡差异在暖季较大、冷季较小;土壤颗粒越大,水势梯度液态水和温度梯度水汽迁移越显著,但温度梯度水汽通量减小、水势梯度液态水通量增大;随着土壤粒径增大,土壤浅表层水分减少,25～75 cm水分略有增加;随着土壤粒径增大,土壤导热系数、降雨入渗对流传热和地表蒸发量增大、热传导通量减小,土体温度梯度降低,相同深度处土壤温度更高,活动层厚度增大,不利于多年冻土稳定。研究成果可为湿化背景下多年冻土的稳定性预测和保护提供参考。