夏季不同天气条件下沙漠辐射和能量平衡的对比分析

利用2009 年7 月24 日-9 月12 日“巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验”资料,对比分析了典型晴天和阴天下巴丹吉林沙漠地表辐射、能量平衡和土壤温度的日变化规律.结果表明：①巴丹吉林沙漠典型晴天条件下总辐射、地表反射辐射、地表长波辐射、有效辐射、净辐射的峰值和日积分值都比典型阴天条件下大,大气长波辐射比阴天条件下小.两种天气条件下净辐射日积分值占太阳总辐射的1/3.②沙漠地区典型晴天地表反射率呈U型,白天均值为0.32;阴天变化较平缓,均值为0.29.③两种天气条件下地表热量平衡都以感热输送为主,波文比分别为4.55 和1.16.晴天不平衡能量达到净辐射的20%,阴天为30%.④晴天条件下有效能量夜间为负值,白天为正值,阴天全天为正值;湍流能量全天均为正值.能量闭合度(EBR)晴天平均为0.68,阴天为0.76.⑤土壤温度5~10 cm日较差逐渐减小,20、40 cm日变化不明显;5 cm土壤热通量日变化较大,20 cm土壤热通量振幅较小.     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

额济纳绿洲地表辐射和热量特征研究

通过利用2003年9月5日～9月29日黑河下游额济纳地区的微气象观测资料,分析了额济纳绿洲在晴天、阴天和降水天气条件下的地表辐射、热量平衡和土壤温度等微气象特征。结果表明：在不同天气条件下近地层微气象特征变化有很大差别,晴天时地表微气象特征日变化规律明显,阴天和降水天时变化规律不明显。观测期间平均气象特征与晴天较接近,平均总辐射、净辐射和感热通量与晴天比值基本大于0．8。晴天的日变化特征基本上代表了绿洲区的气候特征,阴天和降水天时的变化表示了在晴天基础上的扰动大小。晴天时地面热量交换以感热通量为主,日间绿洲内平均Bowen比为1．5左右；阴天地面热量交换以潜热通量为主,平均Bowen比在0．5左右。     

荒漠河岸柽柳(Tamarix chinensis)灌丛的能量平衡特征

用涡度相关法对新疆塔里木河下游荒漠河岸柽柳(Tamarix chinensis)灌丛进行了1个生长季的实验观测,利用同步气象资料探讨了干旱胁迫环境下柽柳灌丛的近地面微气象和能量平衡特征,并运用普通最小二乘法线性回归及能量平衡比率法对比分析了不同天气条件下柽柳的日能量平衡变化和分配的差异。结果表明:观测期内柽柳灌丛的能量平衡闭合率为72.3%,地表能量通量和能量分配特征呈明显的单峰型二次曲线,地表净辐射通量和潜热通量是柽柳灌丛生长季的主要能量收入项和支出项;生长季内柽柳灌丛的能量平衡残差出现系统性、正负交替的日循环规律;在不同天气条件下,能量的分配转化和平衡程度均有明显差异,晴天的能量闭合状况好于阴天、降雨及扬沙天气,白天好于夜间;能量平衡比率在日出前与日落后的变化显著,且出现瞬时能量过闭合现象。受光合作用的影响,能量平衡闭合程度及碳通量的变化与不同天气下的温度及水分密切相关。     

夏季不同土壤湿度和天气背景条件下绿洲土壤温湿特征的个例分析

 利用在甘肃省酒泉金塔地区开展的“绿洲沙漠能量和水分循环观测试验(JTEX)”获得的2005年5—7月的补充观测资料,分析了在不同土壤湿度和天气背景条件下的夏季绿洲农田土壤温、湿场特征。结果表明：一般来说,对于5—40 cm深度的土壤,随着深度的增加其湿度也随之增加。5 cm、10 cm的土壤湿度具有明显的日变化,且在中午时最为湿润;20 cm土壤湿度的日变化幅度小于上两层,变化趋势却与5 cm的相反;40 cm土壤湿度的日变化不明显。晴天浅层的土壤湿度日变化大于阴天。晴天个例中,土壤湿度较大时,5 cm土壤在白天比10 cm的湿润;当土壤较为干燥时,全天浅层土壤湿度都小于较深层的。各层土壤温度在一个中心值周围分布, 40 cm深度以上土壤温度均具有明显的日变化;土壤温度的极值出现时间滞后于地表温度,离地面的距离越大,峰值出现的时间比地表温度滞后的越长,且变化幅度越小。晴天的土壤湿度越小,浅层土壤湿度日变化幅度就越大,各层土壤温度也就越高。土壤深层基本不受天气情况的影响,但受灌溉的影响较大。     

塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中2014年10月的秋季涡动通量数据，分析了塔中秋季陆面过程通量变化特征。结果表明：（1）塔中秋季10月净辐射R_n、感热通量H、潜热通量LE、地表土壤热通量G₀峰值依次为273.0、141.6、5.0、105.0 W·m^-2，平均日总量依次为2.85、2.68、0.08、-0.57 MJ·m^-2，净辐射能量分配以感热能量输送为主。（2）不同典型天气下，净辐射日总量扬沙>晴天>阴天>降水；阴天、扬沙天气H随R_n不同程度削减而减少，降水天气潜热增多导致日变化特征有别于其他天气。（3）10月能量闭合率为79.0%，不同天气能量闭合率阴天>晴天>扬沙>降水，依次为86.8%、83.4%、79.4%、71.4%。（4）地表反照率晴天呈“U”型变化，阴天和扬沙天气地表反照率趋势变缓发生波动现象，降水天气波动较大，趋势先降低后回升。（5）月平均热通量日间为正值，夜间为负值。日间能量闭合率为73.9%，夜间为50.8%，存在较高的能量不闭合。     

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。     

夏秋季绿洲荒漠过渡带芨芨草地蒸散及能量平衡特征研究

以实测气象资料为基础,运用波文比能量平衡法计算绿洲-荒漠过渡带芨芨草的蒸散量,并分析了其蒸散日变化规律及地表能量平衡特征。结果表明:①不同天气条件下的蒸散日变化曲线特征差异显著。晴天因辐射强、蒸散量大,蒸散曲线显示为“高耸”型;由于受云量和降水的影响,阴天曲线呈“平缓”型;雨天曲线则表现为“偏态”型,而平均蒸散曲线变化与晴天较为相似。②随着气候由夏季向秋季转变,早晨蒸散发生和夜间蒸散结束的时间点分别表现出1.73 min·d-1的滞后性和2.02 min·d-1的前移性;同时,蒸散峰值以0.0036 mm·d-1的速度递减。与一些相对叶宽的植被覆盖地相比,芨芨草地蒸散量日际波动幅度较小。③净辐射通量(Rn)、 潜热通量(LE)、感热通量 (H)及 土壤热通量(G)的平均值都表现出较为一致的日循环变化趋势。G/Rn、H/Rn、LE/Rn曲线白天平滑,夜间波动,日出和日落前后波动最为剧烈。潜热占净辐射的58.8%,远大于沙漠、戈壁,而低于绿洲。④晴天波文比（β）日内变化曲线呈明显的下降趋势,平均变化率接近-2%,但日间变化曲线略呈上升趋势,变化率为4.8‰。前者反映了晴天的潜热活动在日内随时间变化而愈来愈强,后者则表明感热活动在夏秋季中随日期的推移而逐渐增强。     

绿洲荒漠过渡带夏季晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用张掖试验基地2006年6月24日至7月17日的加密观测资料,系统分析了夏季典型晴天张掖绿洲荒漠过渡带地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征。结果表明:夏季晴天绿洲荒漠过渡带总辐射值还是比较大的,并且净辐射值也很大,这说明绿洲荒漠过渡带地表具有比较充足的可利用热能,为加热大气和土壤提供了必要的热能条件。在地表能量分配中,晴天绿洲荒漠过渡区主要用于大气运动引起的感热交换,其次是土壤交换,用于水蒸发相变的能量相对较小。近地层空气温度和湿度的变化刚好相反。气温白天随高度的增加而递增,夜晚随高度的增加而递减。近地层大气温度变化要比地表温度缓慢。白天土壤辐射增温,越接近地表增温越快,夜间辐射冷却,地表温度下降最为明显。近地层水平风速在白天较大,夜间逐渐减小。在绿洲荒漠过渡带全天以上升气流为主,水平风速随高度增加明显递增。     

塔克拉玛干沙漠塔中与巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射特征对比

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中和巴丹吉林沙漠北缘拐子湖两个陆气通量监测站2013年2月-2014年1月地面辐射观测数据及相应气象资料,对比分析塔中和拐子湖两地的太阳辐射通量和地表反照率差异特征,同时也探究了两地太阳辐射通量和地表反照率与太阳高度角之间的关系。结果表明：（1）塔中和拐子湖两地各辐射通量均呈较为同步的季节变化特征;具有太阳辐射优势的塔中地区因沙尘天气的影响在部分月份地表总辐射小于拐子湖地区;拐子湖由于地表沙粒相对较粗且包含大量透明度较高的石英颗粒,地表反照率和反射辐射均大于塔中地区;两地各辐射通量月平均日变化均呈现出标准倒"U"型结构;（2）拐子湖较粗的地表沙粒导致沙尘天气过后不易形成浮尘,沙尘天气过后各辐射通量恢复至发生之前的状态较塔中地区迅速;（3）两地太阳高度角夏季最大,冬季最小,最大值均可达75°左右,最小值塔中和拐子湖地区分别为45°和40°;各辐射通量随着太阳高度角的升高而增加,地表反照率随之减小,但受多种因素影响各辐射通量最大值并未出现在太阳高度角最大的时候。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射收支特征研究

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站探测的辐射数据,分析了流动沙漠区近地层辐射收支特征以及云和沙尘对其的影响。总辐射在夏季某些特定的天气条件下接近太阳常数。不同天气条件下,辐射收支特征存在较大差异;总辐射受云和沙尘的影响最明显,变幅最大,夏季沙尘暴天气时比晴天减少了80%以上;反射辐射的日变化趋势在各个季节内、各种天气条件下与总辐射非常一致;大气长波辐射所受影响较小,且云和沙尘会使其略微增加;地面长波辐射的变化幅度最小,均在10%以下;净辐射在阴天时略微降低,沙尘天气时明显降低,为负值。观测期间的平均辐射特征与晴天比较接近,平均的总辐射、净辐射与晴天的比值白天基本在0.7左右,说明云和沙尘对塔中的辐射能量有较大的强迫作用。     

春季晴天与阴天草原辐射和能量平衡特征的一次对比观测

利用2008年3月锡林浩特国家气候观象台通量观测系统获取的资料,对草原初春晴天和阴天地表能量和辐射平衡特征进行了对比。结果显示,初春典型晴天总辐射、反射辐射、向下和向上长波辐射的最大值分别为801 W·m-2、203 W·m-2、197 W·m-2和390 W·m-2;阴天总辐射与反射辐射明显减弱,峰值分别为595 W·m-2、147 W·m-2,向下、向上长波辐射最大值分别为290 W·m-2和182 W·m-2。晴天感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日积分值分别是6.58 MJ·m-2·d-1、1.05 MJ·m-2·d-1、-0.25 MJ·m-2·d-1和5.89 MJ·m-2·d-1,阴天感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日积分值分别是1.15 MJ·m-2·d-1、0.49 MJ·m-2·d-1、-0.08 MJ·m-2·d-1和1.65 MJ·m-2·d-1。典型晴天地表反照率早晚大,中午最小,最小值为 0.26;而阴天受云的影响,最小值仅为0.22,且日变化不明显。     

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。     

古尔班通古特沙漠地表辐射收支特征

古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠。利用2017年该沙漠克拉美丽站辐射资料,分析了古尔班通古特沙漠不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射变化特征。结果表明：（1）不同月份沙漠辐射收支各分量月平均日变化均呈单峰型,但极值大小及出现时间存在差异。各分量曝辐量季节变化明显：太阳总辐射表现为生长期（4—9月）>积雪期（1—3月）>凋零期（10—12月）,反射短波辐射表现为积雪期>生长期>凋零期,长波辐射和净辐射均表现为生长期>凋零期>积雪期。（2）地表反照率4—11月的日变化均呈“U”型曲线,年均值为0.367,积雪期、生长期、凋零期的平均值分别为0.7、0.246和0.27,其中1月1日至3月15日的日均值均高于0.7,这是该期间古尔班通古特沙漠存在稳定积雪所致。（3）晴天各分量日变化均为倒“U”型曲线,多云和雨天则不如晴天平滑,雪天短波辐射和净辐射日变化呈倒“V”型,长波辐射无明显日变化。降雨前后地表反照率日均值表现为雨前晴天>雨后晴天>雨天,降雪前后表现为雪后晴天>雪天>雪前晴天。（4）融雪前后各分量变化明显,积雪快速融化时地表反照率和反射短波辐射逐日减小,净辐射则反之,积雪完全融化前地表长波辐射一直较弱,积雪完全融化后逐渐增强。     

塔克拉玛干沙漠北缘辐射分量特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘自动站2011年直接探测的辐射资料,对该地区辐射状况进行了初步分析。结果表明:短波辐射各个分量的月总量最大值均出现在7月,总辐射瞬时最大值为1 329.6 W·m-2,出现在6月。晴天天气下,辐射分量均为夏季最大,冬季最小,除大气长波辐射外,其他分量均呈现出标准的倒“U”型。大气长波辐射浮尘、扬沙天气时的日总量,均与晴天时一致;而地面长波辐射日总量则是晴天时最大,浮尘天气次之,阴天最小。肖塘地区地表反照率冬季较大,夏季较小,年均值为0.27,比塔克拉玛干沙漠腹地（0.3）低10%,但远高于绿洲和高原。     

策勒绿洲沙漠过渡带小气候的空间差异

对策勒2011年1—12月4个不同下垫面的风速、温度、湿度、光合有效辐射的月差异进行分析,同时选取夏季晴天天气作为背景,比较沙尘暴、扬沙、浮尘、阴雨天时4个下垫面气象要素的差异。结果标明:与流沙地相比,绿洲-沙漠过渡带半固定沙地、固定沙地、绿洲内部2.0 m高处的6月平均风速依次减少了25.22%、27.93%、65.27%,12月绿洲内部0.5 m高处平均气温分别高于流沙地、半固定沙地、固定沙地1.39 ℃、1.21 ℃、2.70 ℃。5—10月4个下垫面之间温、湿度差异较春、冬季显著,7月流沙前沿2.0 m高处平均气温分别比半固定沙地、固定沙地、绿洲内部高0.35 ℃、1.61 ℃、3.75 ℃。沙尘暴天气下4个下垫面之间的风速差值依次小于扬沙、浮尘、阴雨、晴天天气下;在浮尘和晴天天气下,气温从流沙前沿到绿洲内部逐渐减低,相对湿度逐渐增加;沙尘暴和阴雨天气下各下垫面的气温和相对湿度无明显差异,扬沙天气下各下垫面之间温、湿度差异大于阴天天气,但小于浮尘和晴天天气;4个下垫面之间的光合有效辐射（PAR）在沙尘暴天气下差异最为明显,浮尘和阴雨天气下4个下垫面之间的PAR接近,晴天天气下各点PAR明显大于扬沙天气下,且各下垫面之间差异大于扬沙天气下的差异。     

东亚沙尘气候效应对地面温度日较差影响的数值模拟

地面温度日较差（DTR）作为重要天气和气候指标,反映昼夜温差极值,比平均气温对地表辐射收支的变化更敏感,对环境变化和气候异常具有重要参考价值。沙尘气溶胶的气候效应是影响岩石圈-大气-海洋系统的重要因子,但目前的研究较少涉及沙尘气溶胶对DTR的影响机制。基于WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry）揭示2002—2005年沙尘气溶胶气候效应对东亚地面温度日较差的影响。结果表明：WRF-Chem模式可以很好体现东亚气象场和沙尘气溶胶的时空分布特征。沙尘气候效应导致东亚大陆大部分地区DTR减小,沙尘直接辐射效应在其中起决定性作用。在白天,沙尘直接辐射强迫加热大气、冷却地表,减小地面总净辐射而降低日最高温度,导致DTR减小。在中国青藏高原和东北部地区,沙尘气溶胶间接效应占主导地位,导致青藏高原地区积雪覆盖减少,东北地区云水含量减小,间接导致DTR增大。     

塔克拉玛干沙漠腹地辐射平衡和反照率变化特征

辐射平衡直接影响地气系统物质和能量交换,辐射平衡研究极其重要。本研究使用了2006年8月至2011年12月位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中的塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站地表辐射和反照率观测资料,分析了辐射平衡和地表反照率季节变化和年变化以及各种典型天气下日变化的特征,并与其他地区进行了对比。结果表明：沙漠腹地辐射平衡各分量最小值均出现在1月,各分量最大值出现时间不一致,其中短波辐射5月最大,长波辐射7月最大,而净辐射最大值在6月。各辐射分量夏季最大,冬季最小;总辐射四季平均日变化极值低于青藏高原,与黑河戈壁相差不大;反射辐射春季与夏季、秋季与冬季差值较小。短波辐射和净辐射各季日峰值出现在12：00,长波辐射各季日峰值出现时间比短波辐射滞后1～3 h。大气长波辐射各季日振幅较小,约为地面长波辐射的1/5～1/4,且地面长波辐射各季日变化为不对称分布;长波辐射各季日最小值都出现在日出前1 h。多云、浮尘和沙尘暴天气辐射平衡日变化不规则,云量和沙尘对辐射各分量影响明显;沙尘暴日,大气长波辐射峰值可增加18%,而总辐射、反射辐射、地面长波辐射和净辐射峰值分别衰减了57.8%、54.0%、55.8%和21.9%。地表反照率3月最大（0.30）,7月最小（0.25）,平均值为0.27;夏季小,冬季大;晴天早晨和傍晚大,沙尘暴日最大。