金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。     

内蒙古拐子湖地区风沙运动若干参数计算

 利用内蒙古拐子湖地区风沙观测场2011年3～5月的沙尘暴强化观测资料,分析计算了巴丹吉林沙漠北缘平坦沙地的地表粗糙度、临界摩擦速度、临界起沙风速等风沙运动关键参数。初步结论如下：观测期间地表粗糙度的变化范围为1.0×10-7～ 9.0×10-1cm,平均粗糙度为0.942 cm;临界摩擦速度约为0.34 m/s;2 m高度的起沙风速约为4.6 m/s。     

绿洲沙漠系统地表辐射收支的模拟研究

利用2004年开展的“金塔绿洲系统能量与水分循环过程观测试验（JTEX）”所取得的资料和中尺度气象模式MM5对西北地区金塔绿洲系统进行了数值模拟研究,模拟结果较好地反映了绿洲-沙漠系统的气象场和辐射场。模拟结果显示,绿洲、沙漠的短波辐射和净辐射具有明显的日变化,而长波辐射的日变化则不很明显;绿洲、沙漠的向下短波辐射相似,峰值在1 050 W·m-2左右;绿洲向上短波辐射峰值略小,约166 W·m-2,沙漠向上短波辐射峰值约261 W·m-2;绿洲、沙漠的长波辐射相差不大,全天基本上分布在300 W·m-2左右;绿洲净辐射峰值约914 W·m-2,大于800 W·m-2左右的沙漠地区。净辐射在沙漠或绿洲同种地表类型上基本与区域一致,分布均匀,下垫面上数值相差不超过10 W·m-2。白天不同下垫面上的净辐射有较大的差别,最大差异可达100 W·m-2。     

武威绿洲城镇化的生态效应情景分析

绿洲是人地关系地域系统研究的典型地区,城镇化是影响绿洲生态系统稳定性的重要人类活动之一,选择合理的城镇化模式对绿洲地区可持续发展至关重要。本文以石羊河流域武威绿洲为研究区,采用情景分析方法,对该地区常规城镇化和快速集约型城镇化两种情景的生态效应展开系统动力学模拟。结果表明：在快速集约型城镇化情景下,到2025年,武威绿洲年农业用水将控制在6×108 m3以内,相比目前水平可节约3×108～4×108 m3,生产和生活对生态用水的占用也将相应减少,年总用水量将控制在8×108 m3以内,水资源供需矛盾可得到缓解,下游民勤绿洲生态退化可得到有效控制;而在常规城镇化情景下,水供需矛盾将继续恶化,无法遏制石羊河下游生态退化趋势。因此,快速集约型城镇化模式是维持武威绿洲及石羊河流域生态系统稳定性的可取城镇化模式之一。     

沙漠绿洲不同下垫面夏季能量收支对比分析

利用"绿洲系统能量与水分循环过程观测试验"2005年在甘肃金塔不同下垫面的观测资料,对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面夏季辐射和地表能量收支及闭合特征进行了全面的时空对比分析,结果表明:(1)不同下垫面太阳向下短波辐射没有明显差距,地面短波向上辐射差别较大,大气长波向下辐射变化较小,地表长波辐射差异显著.另外,地表吸收辐射戈壁沙漠日变化较绿洲显著.(2)沙漠与戈壁各通量特征相似,而与绿洲上的有很大差异.(3)能量通量测量存在明显的不确定性:影响能量通量不闭合的原因,主要是超声和土壤热通量的测量误差.     

敦煌沙漠、绿洲和戈壁地表风动力环境特征同步对比

基于敦煌沙漠、绿洲和戈壁典型地表的20 m高同步梯度气象观测资料,对比分析其风动力环境特征参数,为敦煌绿洲生态治理和外围风沙综合防治提供理论依据和技术支撑。结果表明:3种典型地表的年输沙势存在明显差异,戈壁输沙势(DP)为754.2 VU,合成输沙势(RDP)为582.99 VU,合成输沙方向(RDD)为220.88°;绿洲DP为21.95 VU,RDP为7.67 VU,RDD为259.53°;沙漠输沙势介于二者之间,为92.49 VU,RDP为19.29 VU,RDD为16.79°。3种地表的季节输沙势均为春季最大,戈壁为268.2 VU,绿洲为10.97 VU,沙漠为44.08 VU。戈壁主导风向为东北方向,沙漠主导风向为偏东、偏南和偏西方向,绿洲主导风向为东和偏西方向。结合区域沙源分布情况,在绿洲南缘和鸣沙山北侧交界处应加强风沙防治,阻止鸣沙山向绿洲推进。     

南极中山站附近冰盖近地面层湍流参数的观测研究

利用2007/2008年中国第24次南极考察队在南极中山站附近冰盖上观测试验获得的湍流脉动及相关资料,对原始资料通过坐标旋转订正后,应用涡动相关法计算分析了冰盖近地面层的湍流强度(I)、稳定度参数(z/L)、摩擦速度(u*)、拖曳系数(Cd)、地表粗糙度(z0)及动量通量(τ)和感热通量(H),并与空气动力学方法的计算结果进行对比。结果表明,Louis方案能够较好地模拟近地面层湍流通量;在平均状态下,全天雪面以感热形式从大气获得净的能量;近中性层结下地表粗糙度z0为4.54×10-4m,拖曳系数Cd=1.7×10-3,在非中性条件下,稳定度越小Cd越大,反之,则稳定度越大Cd越小。     

夏季不同天气背景条件下黑河中游不同下垫面的辐射特征

 利用2005年“绿洲系统能量水分循环观测实验”（JTEX）获得的资料分析了夏季晴天和阴天西北干旱区金塔绿洲不同下垫面的辐射收支特征。结果表明:由于下垫面的水热特性不同,绿洲与沙漠、戈壁的辐射特征有很大差异,而沙漠和戈壁的差异则较小。相同天气背景条件下,不同下垫面的向下辐射基本一致,绿洲的向上辐射最小,净辐射最大。地表辐射特征会随天气状况有较大变化。     

利用ASTER资料估算黑河中游沙漠和绿洲地区夏季地表温度

利用美国宇航局地球观测系统EOS-Terra卫星所搭载高级空基热发射反射辐射计(ASTER)5个热红外通道遥感资料,并结合三种地表温度反演算法和可见近红外信息,估算2003年夏季黑河中游地区沙漠和绿洲景观下地表温度空间分布。分析发现三种方法估算的地表温度比较接近,且反演值与地面观测值较为一致,能够作为陆面过程研究输入数据。其中,估算的水体温度主要介于19.0~21.0℃,绿洲内农田温度分布于27.0~29.0℃,荒漠戈壁地表温度分布于40.0~60.0℃;在绿洲内,由植被覆盖度参数化比辐射率方法（Pv方法）所估算地表温度值最低,Alpha导出比辐射率方法(ADE方法)估算值最高,由温度比辐射率分离方法(TES方法)估算值介于二者之间;荒漠戈壁区域Pv方法地表温度估算值最高,ADE方法估算值最低,TES方法估算值仍然介于前两者之间;绿洲和荒漠戈壁均具有较大地表温度空间变率。利用有关比辐射率光谱库地物观测数据拟合出一个经验公式以获取地物宽通道比辐射率。分析计算表明,地物目标在较大地表环境温度变化范围内,利用地物宽通道比辐射率计算地表长波辐射最大绝对误差不超过8.0 W·m-2。     

库姆塔格沙漠地区景观格局与动态研究

在景观分类与制图基础上分析了库姆塔格沙漠地区的景观格局与20世纪70年代以来的景观动态。库姆塔格沙漠地区以干燥的石质山地、干旱的沙漠、戈壁和盐化荒漠为景观主体,人工和天然绿洲面积很小;分布有3种景观要素组合模式,即库姆塔格沙漠西部地区的山地-洪积扇-湖盆模式、西湖地区的湖盆-戈壁荒漠模式和敦煌洪积扇上的人工绿洲发育模式。近30多年来景观总体上变化不大,人工绿洲面积增加了1倍多,盐生草甸有比较明显的减少。沙漠表现出比较明显扩展趋势的区域,一是沙漠东南部边缘部分,有向东、向南扩展的迹象;二是沙漠南部边缘部分,在强烈的东北风作用下有向阿尔金山上扩展的迹象。人类的社会经济活动是库姆塔格沙漠地区景观变化的主要驱动力。     

基于倾斜摄影技术的戈壁灌丛沙丘形态反演及其对粉尘释放研究的意义

灌丛沙丘是广泛分布于西北干旱区的风沙地貌。戈壁上发育的灌丛沙丘在戈壁沙尘释放和固沙能力方面具有重要的指示意义和应用价值。本研究采用倾斜摄影技术对戈壁上的灌丛沙丘形态特征进行观测和提取,并分析沉积物特征,计算戈壁灌丛沙丘的固沙能力,为沙尘释放研究提供依据。结果表明:(1)戈壁上发育的灌丛沙丘有明显的空间分布格局,即主要分布在干河床的两侧和地势低洼地区。(2)戈壁灌丛沙丘在形态上和其他地表灌丛沙丘类似,但沙丘的长度、宽度、底面积、体积等小得多,而且参数之间具有明显的相关关系。(3)沉积物的累积概率曲线表现为三段式,跃移组分的粒度范围(50~700 μm)明显与以往研究不同。沙丘内部和表层的粉沙和黏土含量分别为4.47%和5.24%,从而说明灌丛沙丘能够捕获戈壁上释放的粉尘物质。(4)戈壁地区单个灌丛沙丘的粉尘释放量约0.05~0.08 m³,固沙能力最大可达18.71 m³。     

灌溉在现代绿洲维持与发展中的重要作用

灌溉是荒漠绿洲农业发展的根本,没有灌溉就没有干旱区农业。本文运用美国NCAR的非静力平衡中尺度模式MM5V3,模拟了1991年8月1日到11日张掖绿洲地表感热、潜热通量和波文比,模拟结果表明此模式可以较好地反映张掖绿洲地表能量及水汽交换状况。同时模拟了当水源被截断后,地表感热、潜热通量及波文比随时间的变化:潜热迅速下降,感热迅速上升,波文比绝对值也迅速增大。如不及时补充水,绿洲将最终退化为沙漠。模拟结果证明了:①在我国西北干旱区有水才有绿洲,无水便成沙漠,水是绿洲的生命线,灌溉是现代绿洲维持与发展的基础;②绿洲一旦因缺水而退化为沙漠,就很难恢复。     

基于通径分析的酒金盆地绿洲化时空变化及影响因子研究

基于Landsat遥感影像和社会经济数据等,重建1963~2009年间西北干旱区酒泉金塔盆地(酒金盆地)绿洲空间分布图,采用转移矩阵、绿洲动态度和通径分析法等开展酒金盆地绿洲时空变化过程的区域差异和影响因子差异研究。结果表明：近50 a来,酒金盆地绿洲面积呈现增加趋势,表现为酒泉绿洲连续增长和金塔绿洲的波动式增长。酒泉绿洲扩张主要表现为绿洲边缘区的外延扩张,金塔绿洲主要表现为绿洲边缘区和季节性河道两侧绿洲波动变化。酒泉绿洲稳定性较金塔绿洲的高,水资源的持续供给与否决定着绿洲边缘稳定的关键,尤其在金塔绿洲。人类活动的区域差异和政策响应程度及经济水平的差异是造成2个绿洲时空变化差异的内在影响因子。     

CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正

采用2011年3月22日至7月26日肖塘陆气相互作用观测资料测试了不同陆面参数对公共陆面模式（CoLM）模拟效果的影响。地表参数包括地表反照率（α）、地表比辐射率（ε）、空气动力学和热力学粗糙度（z_0m、z_0h）、零置位移（d）、热传输附加阻尼（kB^-1）。结果表明：感热通量H和地表温度T_g对地表反照率、动力学粗糙度和地表比辐射率比较敏感,对零置位移不敏感。通过观测资料获得的这些参数及kB^-1参数化方案均被用来替换原CoLM模式中相应值及参数化方案。CoLM模式基本上能较好地模拟净辐射R_n、感热通量H、地表土壤热通量G₀和地表温度T_g日变化特征,只是在日峰值及其峰值出现时间的模拟上不理想;而CoLM模式对该地区土壤湿度M的模拟效果非常不好。误差统计值Bias、SEE、NSEE表明优化参数后的CoLM模式使得R_n的模拟误差被降低4.21%（SEE）,H的模拟误差被降低25.19%（Bias）,T_g的模拟误差被降低33.33%（Bias）、10.45%（SEE）和25%（NSEE）。     

戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定

以Monin-Obukhov相似性理论为基础, 利用量纲分析法分别推导出不同层结稳定度下确定戈壁风蚀面与植被覆盖面空气动力学参数的物理模型, 并利用该模型研究了粗糙度长度与粗糙元性质, 流经近地层流体特征以及大气层结稳定度之间的关系。得出以下结论: 戈壁风蚀面上空气动力学粗糙度长度与砾石粒径、高度、覆盖度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度有关; 植被覆盖面空气动力学粗糙度长度取决于植被类型、植被高度、覆盖度、零平面位移高度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度。     

沙漠下垫面地面温度及能量收支的BATS模式参数化改进

利用陆面过程模式BATS,引入地表发射率及两种大气发射率参数化方案,同时引入不同的地表粗糙度参数化方案,对比各种参数化方案对沙漠下垫面地面温度及能量收支的模拟状况。结果表明：采用Van Bavel等发展的地表发射率及Chung等发展的大气发射率方案可以明显改进地面温度及向上长波辐射的模拟,Chung等方案在夜间与正午的模拟效果更好,减小了1 ℃左右的地面温度模拟偏差,减小了10 W·m^-2左右的向上长波辐射模拟偏差。晴天地面温度及向上长波辐射的模拟结果优于阴天。利用Zhang等发展的裸土粗糙度参数化方案也会提高模式对地表感热通量模拟的准确性。     

Winter estimation of surface roughness length over eastern Qinghai-Tibetan Plateau

Based on the Monin-Obukhov similarity theory, a scheme was developed to calculate surface roughness length. Surface roughness length over the eastern Qinghai-Tibetan Plateau during the winter season was then estimated using the scheme and eddy covariance measurement data. Comparisons of estimated and measured wind speeds show that the scheme is feasible to calculate surface roughness length. The estimated roughness lengths at the measurement site during unfrozen,frozen and melted periods are 3.23×10-3, 2.27×10-3 and 1.92×10-3 m, respectively. Surface roughness length demonstrates a deceasing trend with time during the winter season. Thereby, setting the roughness length to be a constant value in numerical models could lead to certain degree of simulation errors. The variation of surface roughness length may be caused by the change in land surface characteristic.