冬春交替期沙尘过程对黑河流域戈壁地表能量平衡扰动的个例分析

利用张掖国家气候观象台梯度塔温度、湿度和风观测资料,结合近地层辐射、土壤温度、湿度和土壤热通量资料,由地表热量平衡条件和Bowen比概念求得感热和潜热通量,对比分析了冬春交替期背景条件与沙尘天气黑河戈壁地表能量和辐射平衡特征。结果表明,典型晴天和出现扬沙天气前同时段内净辐射的小时平均值非常接近,但沙尘天气发生后,净辐射迅速减小;沙尘天气发生时近地面层空气湿度远小于同时段背景条件下小湿度;典型晴天各层地温存在比较典型的日变化特征,而沙尘天气发生之初,0 cm、5 cm和10 cm处土壤温度快速升高;典型晴天表现出明显的地表辐射平衡的日循环特征,扬沙期间日循环特征被破坏,向下短波辐射减少尤为明显。     

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。     

河西走廊干旱区春季沙尘气溶胶对辐射的影响初步研究

利用2008年春季中美沙尘暴联合观测实验中张掖站晴朗少云天正午的地表辐射和太阳光度计资料,计算分析了沙尘气溶胶对太阳辐射和大气逆辐射的影响,结果表明：沙尘对太阳总辐射有一定程度的削弱作用,经估算,大气浑浊度每增加0.1,太阳总辐射平均减少约10.45 W·m^-2;当大气浑浊度一定时,沙尘粒子越小,对太阳总辐射的削弱效率就越高;大气浑浊度小于0.3时,大气逆辐射有随大气浑浊度的增加而增加的趋势,大气浑浊度大于0.3时,大气逆辐射随大气浑浊度增加有减小的趋势。     

放牧对退化草地近地面辐射的影响

随着环境变化,草原地表状态也会改变,尤其是近地面能量收支过程变化更明显。为深入理解半干旱草原地表辐射能量平衡过程对放牧的响应特征,利用内蒙古正镶白旗典型退化草原2020年生长季（6—10月）的辐射通量观测资料,对比分析了禁牧、放牧草地太阳总辐射、地表反射辐射、大气长波辐射、地表长波辐射、净辐射以及地表反照率的日变化和生长季变化规律的差异。结果表明：在生长季,太阳总辐射随着时间推进逐月递减;禁牧区的地表反射辐射总体小于放牧区;各月大气长波辐射日变化幅度很小,处于130—370 W·m^-2;禁牧、放牧条件下地表长波辐射存在明显的季节变化规律,但是二者之间的差异甚微。内蒙古典型退化草原生长季近地面辐射通量有显著单峰型日变化特征。禁牧、放牧草地地表反照率都呈现“U”型日变化规律。生长季放牧草地的反照率明显高于禁牧草地。在禁牧区,辐射分量（地表反射辐射、大气长波辐射）和植被指数（归一化差异植被指数）对净辐射的影响是正向极显著的;而地表反照率和另一辐射分量（地表长波辐射）对净辐射有显著的负向作用。在放牧区,地表反射辐射和大气长波辐射对净辐射有极显著的正向作用;而地表反照率和地表长波辐射对净辐射的作用则是负向显著的。植被状况是影响内蒙古典型退化草原近地表辐射能量收支过程的首要因子。     

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。     

南疆盆地沙尘气溶胶光学特性及我国沙尘天气强度划分标准的研究

依据气溶胶光学厚度测量原理,利用布设于塔里木盆地腹地塔中和盆地西南边缘和田气象站的2部CE318自动跟踪太阳光度计于2002年6月至2003年11月期间的探测结果,结合地面气象实测资料,分析了南疆盆地大气气溶胶的光学特性。同时结合我国已有的沙尘气溶胶光学特性的研究成果,初步提出了依据气溶胶光学厚度判断沙尘天气强度的标准。结果表明:塔中、和田气溶胶光学厚度随波长的增大多呈现减小趋势,塔中个别季节有些例外;2站气溶胶光学厚度的日变化基本保持对称的抛物线形,在春、夏季尤为明显;Angstrom浑浊度系数β的拟合曲线显示β随能见度增大而减小,波长指数α随能见度的变化趋势说明弱沙尘天气下,大气中主要弥漫着小粒径的气溶胶颗粒,而强沙尘天气则以大粒径为主;沙尘气溶胶光学厚度随晴空、浮尘、扬沙、沙尘暴依次增加;沙尘天气发生时,气溶胶光学厚度的临界值基本为晴空值的两倍,沙漠地区气溶胶光学厚度≥1.1206,北京≥0.3174。而发生沙尘暴的阈值则有很大不同,沙漠区气溶胶光学厚度至少 > 3.0,北京由于大气污染等因素,其判断沙尘暴发生的阈值为1.9982。另外笔者认为AOD与水平能见度之比值能够较全面地考虑水平和垂直两个方向的要素变化,衡量沙尘天气强度更具有合理意义,值得更深一步的探讨。     

沙尘天气下黑河流域大气长波辐射遥感估算

由于沙尘气溶胶散射和吸收机制的复杂性,目前还没有成熟的可应用于沙尘天气的大气长波辐射反演算法。通过对比分析常见的沙尘、城市、乡村、海洋气溶胶对大气长波辐射强迫和MODIS通道辐亮度影响的基础上,提出利用气溶胶光学参数对线性模型进行修正,构建了适用于沙尘气溶胶条件下的大气长波辐射估算模型,并利用黑河流域4个观测站点(花寨子荒漠站、混合林站、黑河遥感站和张掖湿地站)实测数据对模型的应用能力进行检验。结果表明：4个站点遥感反演的大气长波辐射均方误差为17.1～20.4 W·m^-2,偏差为-12.3～-1.8 W·m^-2。由于考虑了沙尘气溶胶的光学厚度变化和辐射强迫效应,修正后的模型可显著提高沙尘气溶胶影响下大气下行辐射的反演精度,减少长波辐射应用中的不确定性,对干旱区地表能量收支研究提供了重要参考。     

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.     

2009年中国一次沙尘暴过程中的水汽变化特征及WRF回报

通过对2009年4月22日至25日发生在甘肃、宁夏、内蒙古的一次沙尘暴观测和模拟回报试验,分析了沙尘暴过程中水汽及水热的变化特征,检验了天气研究和预报模式（WRF）对沙尘暴过程的模拟能力。结果表明,WRF能较好地再现出沙尘暴过程中水汽变化的基本特征。沙尘暴发生前,地面感热明显增加,大气中水汽明显减少。在沙尘暴过程中,扩散作用和气溶胶的凝结作用影响水汽的变化,而水汽的垂直方向变化较小;高空云水和云冰含量异常偏小,低层大气的温度和水汽含量下降。热力诊断的结果表明,沙尘暴过程中,由于水汽的相变,在600～800 hPa高度处,水汽凝结产生的视热源的加热率高达6 ℃·d-1,表明非绝热加热作用在沙尘暴的维持和发展起着重要的作用。     

额济纳绿洲地表土壤热通量特征及模拟估算

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,研究其变化特征对理解能量平衡过程具有十分重要的意义。利用中国科学院阿拉善荒漠生态水文试验研究站实际观测数据,分析了额济纳绿洲在不同天气条件（晴天和阴天）和时间尺度下地表土壤热通量变化特征,并采用强迫恢复法对地表土壤热通量进行了估算。结果表明：（1）晴天地表土壤热通量的日总量、平均值、最大值和振幅等都明显大于阴天。（2）在观测期内,地表土壤热通量总体呈先升高后降低的趋势,最大值出现在7月中旬,最小值出现在10月初,二者之间的日均值相差超过了900 W·m^-2。（3）不论晴天还是阴天,净辐射较地表土壤热通量在早晨和晚间都是先达到零值,且净辐射在正午前后先达到峰值。（4）对地表土壤热通量取绝对值可以看出,无论昼夜,均是晴天大于阴天。（5）一天内地表土壤热通量占净辐射的比例随着时间递减。（6）基于强迫恢复法估算的额济纳绿洲地表土壤热通量与实测值具有较好的一致性,可用于地表土壤热通量模拟。     

地面加热对沙尘暴数值模拟结果的影响研究

利用沙尘数值预报模式并针对2002年3月18—20日典型沙尘暴过程,模拟研究了地面热通量对沙尘暴的影响及其机制。结果发现,沙尘天气数值预报模式较准确地模拟了本次沙尘暴过程。模式对白天地面加热强度和夜间地面冷却强度均有一定程度的高估。地面热通量能够使沙尘暴明显增强,同时也通过导致地面风速、层结稳定度、地面摩擦速度产生明显的日变化,进而导致沙尘暴强度的日变化。地面热通量影响地面风速的方式是导致混合层形成,从而有利于产生高空动量下传。另外,沙尘暴发生时地面热通量主要影响地面和行星边界层中的天气要素,随时间推移地面热通量能够持续影响上升运动强度,且这一影响从边界层逐渐向上扩展到自由大气,并达到500 hPa以上。     

内蒙古一次沙尘过程的数值模拟

利用WRF-chem模式耦合Shao04起沙参数化方案，研究了2015年内蒙古春季一次冷涡沙尘过程。对比分析模式模拟结果和Micaps、CLIPSO、PM₁₀观测资料后发现，WRF-chem可以较好地刻画沙尘的水平和垂直输送。此次沙源地主要分布在蒙古国南部、内蒙古中部偏北区域和浑善达克沙地。蒙古国南部和内蒙古中部偏北区域最大起沙量分别为77.4 g·m^-2和112.7 g·m^-2，最大干沉降分别为253.2 μg·m^-2·s^-1和427.2 μg·m^-2·s^-1，内蒙古中部偏北区域的沙尘柱总量（87.3 g·m^-2）大于蒙古国南部（41.3 g·m^-2）。浑善达克沙地土壤干燥，所以沙尘排放量（215.6 g·m^-2）、柱总量（132.7 g·m^-2）、沉降速率（809.3 μg·m^-2·s^-1）均较高。沙尘在锋前暖湿气流的抬升作用下，可以实现上对流层-下平流层之间的输送，高层的沙尘虽然浓度较低，却可以输送更远。沙尘气溶胶夜间增加大气层顶向上的长波辐射，同时加热大气，增加边界层高度。     

气溶胶光学厚度的分布特征及其与沙尘天气的关系

 利用MODIS卫星遥感光学厚度资料，分析了中国大气气溶胶光学厚度的时空分布特征，并与同期沙尘天气进行了对比和相关分析，结果表明：①中国主要内陆地区的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness，简称AOT)分布有4个高值区：①分别位于南疆盆地和青海\,甘肃、内蒙古中西部地区、四川盆地和长江黄河下游地区。②春季北方特别是西北的AOT值明显高于南方，冬季南北AOT值差别不大。③南疆盆地和内蒙古中东部地区AOT值随季节变化明显，而四川盆地、长江黄河下游地区AOT值没有明显的季节变化。④南疆盆地、青海、内蒙古等地区沙尘天气过程与AOT值同步变化。⑤在沙尘天气的多发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气有较好的相关性；沙尘天气的少发区，气溶胶光学厚度与沙尘天气基本不相关。因此可以推断，中国北方，特别是干旱荒漠区，大气气溶胶主要来自沙尘天气过程引起的地面沙尘释放。     

河西走廊罕见强沙尘天气传输及其过程持续特征

2021年3月15—19日河西走廊出现了近10 a范围最广、持续时间最长的罕见强沙尘天气过程。利用MICAPS常规气象观测资料以及物理量场资料,从天气气候成因、环流形势演变、物理量诊断等方面分析了此次强沙尘天气的传输及过程持续特征。结果表明：（1） 2021年3月14日受强烈发展的蒙古低压槽影响,蒙古国南部及内蒙古中西部爆发了强沙尘暴,前期蒙古国及中国北方异常增暖是导致沙尘暴爆发的诱因之一。（2） 受高空贝加尔湖深厚低压槽后西北气流引导冷空气东移南下、高空急流动量下传、配合地面冷锋过境共同影响,蒙古国中西部高低空的沙尘粒子被输送到河西走廊,造成河西走廊15日凌晨到上午出现局地强沙尘暴和扬沙天气。（3） 强沙尘暴出现后,700 hPa、850 hPa及近地面内蒙古、华北、宁夏及陕西一带盛行偏东气流将蒙古国及内蒙古的沙尘输送到了河西走廊,造成河西走廊15日下午至19日出现浮尘天气。（4） 沙尘天气维持期间,地面冷高压移速缓慢,河西走廊位于地面冷高压后部,地面风速和湿度较小,不利于沙尘的沉降和水平扩散;河西走廊上空盛行下气沉流、逆温层深厚、大气干燥及层结稳定,不利于低层沙尘的垂直扩散和沉降,对沙尘的持续维持起到促进作用。     

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。     

An overview of the spatial patterns of land surface processes over arid and semiarid regions

With data from the project Collaborative Observation of Semi-arid/Arid Regions in North China, collected during July and September 2008, the spatial patterns of land surface processes over arid and semiarid regions have been investigated based on the ordinary Kriging interpolation approach. Generally, for the radiation processes, downward and upward short-wave radiation have a uniformly increasing trend with latitude, but the spatial patterns of long-wave radiation present notable regional differences: both upward and downward long-wave radiation increase with latitude in the west of North China, while in the east they vary inversely with latitude, suggesting surface temperature and clouds respectively have feedbacks to the long-wave radiation in the west and east of North China. The surface net radiation basically has a negative latitudinal trend. Long-wave radiation budget plays an important role in the spatial pattern of surface net radiation, particularly in the east of North China, although short-wave radiation budget largely determines the magnitude of surface net radiation. For the energy processes, latent and sensible heat flux varies conversely with latitude: more available land surface energy is consumed by evaporating soil water at lower latitudes while more is used for heating the atmosphere at higher latitudes. A soil heat flux maximum and minimum are found in Loess Plateau and Qinghai Plateau respectively, and a maximum is seen in the northeast China.