巴丹吉林沙漠典型湖泊湖气界面水一热交换特征

利用2012年8月-2013年7月在巴丹吉林沙漠腹地典型湖泊上用涡动相关系统观测的湍流资料,分析了湍流方差统计特征、微气象特征,计算了湍流热通量和湖泊蒸发量,初步结论为：①湖面上局地环流复杂,湍流三维风速的标准差与稳定度(Z/L)之间满足1/3次律。②湖面辐射分量具有明显季节变化和日变化特征,结冰期和非结冰期能量分配不同,冬季湖泊将储存的能量向大气传递;潜热通量和感热通量季节变化存在差异,但均有明显的昼夜变化特征。③湖气界面的感热通量在不同的月份也存在差异,感热以湖泊向大气传递为主;潜热通量夏半年远大于冬半年,在一天中6:00-8:00时处于最低值,15:00-16:00时达到峰值,在冬季会出现潜热向下输送现象。感热通量和潜热通量日变化呈负相关,湖面有效能量主要分配给潜热,湖泊同周围环境以水汽交换为主。④湖面平均蒸发速率为3.97 mm/d,累计蒸发量为1450±10 mm/a,同期的蒸发量是降水量的20多倍,湖泊主要靠地下水补给。这些结论可为进一步研究巴丹吉林沙漠腹地湖泊群的水循环及补给来源提供参考。     

巴丹吉林沙漠高大沙山近地层温湿廓线与能量交换特征

利用兰州大学冰川与沙漠研究中心科学观测实验站2015—2016年获得的高大沙山微气象数据,分析了巴丹吉林沙漠温湿廓线结构、土壤分层温度、辐射通量等特征,利用组合法和一维热传导方程分别计算了湍流通量及土壤热通量。结果表明：（1）近地层大气自下而上呈现近似等温或逆温分布,冬季逆温层厚度大于夏季。（2）初次观测到逆湿现象,比湿夏季最大,冬季最小,秋季和春季次之,全年平均约为4.2 g·kg^-1,高于塔克拉玛干沙漠。（3）土壤热通量在2月底至5月初振幅较大;感热通量具有显著的平均日变化特征,潜热通量平均日变化平稳,以0 W·m^-2为中心上下波动。能量交换以感热通量为主,陆-气温度差异是沙山感热通量变化的主要影响和控制因子。     

沙漠腹地人工绿地地表能量交换特征

运用涡度相关法开路系统对塔克拉玛干沙漠腹地人工灌溉绿地生长季地表能量交换特征以及与环境因子的关系进行测定分析。结果表明：在典型晴天条件下,无论是沙漠区还是沙漠腹地灌溉绿地,白天感热通量在净辐射通量的分配中所占的份额最大,潜热交换仅占很小的比例,人工绿地感热通量和潜热通量的峰值为230.54 W/m²和88.5 W/m²,沙漠区为220 W/m²和17.55 W/m²,沙漠腹地人工灌溉造林后潜热交换明显增加。沙漠腹地造林后,绿地波文比日变幅和日均波文比均减小,绿地日均波文比为沙漠区的15%,人工绿地的营建促使了局地气候的改变。绿地地表能量交换受气象因子和下垫面条件的影响和制约,按相关系数的高低,环境因子对感热、潜热通量的影响依次为：Rn>△Ta>△TS>v>TS,沙漠区人工造林后地表能量交换与多个环境因子有着密切的关系。这些研究结果将加深我们对沙漠地区人工灌溉造林地近地层能量交换的认识。     

基于地表能量平衡的城市热环境遥感研究——以石家庄市为例

对石家庄市LandsatTM数据进行土地覆被分类,计算各土地覆被类型的能量平衡分量。找出感热、潜热、储热通量在下垫面的分配差异并分析下垫面面积比例与感热/净辐射的关系。发现密集不透水面感热单位面积能量达314.1 W/m2,49.9%的净辐射转换为感热。城市植被、水体净辐射的61.2%,65.9%变成潜热;感热/净辐射与城市植被和水体面积比例负相关,面积比例小于30%,感热/净辐射随之减少而快速增长;大于30%则随之增加缓慢降低。感热/净辐射与不透水面面积比显著正相关,可见,城市近地层温度升高主要由不透水面产生的感热交换引起。     

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。     

ERA40中北半球高纬地区冬季气候变化和冰-气相互作用特征分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料(ERA40)分析了最近几十年冬季北半球高纬地区的气候变化和冰-气相互作用特征。在全球增暖背景下,冬季北半球高纬地区增温幅度更大,但温度变化明显具有区域性特点。20世纪70年代末期开始,格陵兰海、巴伦支海及欧亚大陆大部分区域和北美大陆部分区域在增暖,而拉布拉多海、格陵兰和白令海峡区域却变冷。与此对应,中央北极区及气候冰岛低压中心海平面气压在降低,而再往南区域海平面气压在升高。从20世纪70年代开始,格陵兰海和巴伦支海给大气的感热通量和潜热通量增多,这说明由于气温增加,使得海冰密集度减小,海冰对海气感热通量和潜热通量交换的隔离层作用减小,通量交换大大增加。而在挪威海非海冰区,由于气温增加,海气温差减小,海洋给大气的感热通量和潜热通量减少。在拉布拉多海,由于气温降低,海气温差增大,使得海洋给大气的感热通量和潜热通量增加,有利于拉布拉多海海冰的增多。海平面气压、海冰密集度及表面感热通量和潜热通量之和对大气表面温度 EOF 展开第一模时间系数的线性回归结果均与各自的EOF 展开第一模空间分布特征接近。     

青藏高原北部五道梁地表热量平衡方程中各分量特征

利用青藏高原北部五道梁地区实测的太阳辐射及气象资料,计算分析了高原北部地面热量平衡方程中各分量特征,定义了一个无量纲参量土壤热平衡系数k。结果显示:五道梁地区地表净辐射及地面加热场强度表现为夏季大,冬季小,地表净辐射累年平均通量为65.5 W/m2;土壤热通量自1997年来有增大的趋势;土壤热平衡系数有增大的趋势,平均值为1.17;感热及潜热是地面热平衡方程中的大项,其中感热居首位,潜热居其次;暖季感热、潜热以相反的趋势变化,Bowen比β值有下降的趋势。     

科尔沁沙地梯级生态带水热通量变化特征及气候学足迹

荒漠化地区水热通量变化特征和气候学足迹对理解干旱、半干旱区气候变化及水分循环具有重要意义。以科尔沁沙地一条梯级生态带为研究区，运用2017年3-12月大孔径闪烁仪和自动气象站数据对研究区不同时间尺度水热通量和通量源区的动态变化特征进行分析。结果表明：水热通量日变化特征明显，各分支能量占比不同。晴天近地表能量各项分支曲线均呈显著单峰状，多云天水热通量变化无显著规律；水热通量季节变化显著，夏季显热通量值小于春季、秋季和冬季，潜热通量夏季最大，其次为春季和秋季，冬季最小；小时尺度和日尺度上源区变化较大；季节尺度上，源区面积春季 > 秋季 > 夏季，季节尺度间源区差异较小时尺度和日尺度降低；结合梯级生态带内下垫面类型看，生长季源区以光径中段的玉米农田占比最大，沙丘和草甸下垫面次之，光径内小型湖泊所占源区比例较小。不同月份各下垫面类型占比略有不同。     

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。     

鄂陵湖湖滨地区夏季近地层微气象特征与碳通量变化分析

利用2010年夏季鄂陵湖湖滨地区试验观测资料,从中选取资料较好的5个连续晴天,分析了该地区高寒草甸夏季局地气候、辐射与能量平衡特征以及碳通量的日变化。结果表明：①夏季晴天湖滨地区近地层气象要素受到湖陆风的较大影响,风向昼夜交替变化,垂直风速和摩擦速度明显大于玛曲草原,全天盛行上升气流,昼夜温差较小;②湖滨地区日均太阳总辐射与净辐射高于玛曲草原和金塔绿洲,地表能量不平衡现象较显著,湍流输送以潜热为主,夜间近地层存在明显的逆温和逆湿现象;③夏季湖滨草甸碳吸收的日最大值出现在上午11时前后,碳吸收显著大于碳排放,其水分利用效率与海北草甸生态系统接近,总体偏低。     

石河子垦区沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换特征

 在古尔班通古特沙漠南部流动沙区及其以南100 km的滴灌棉田为绿洲下垫面的生态条件下,分析研究了能量输送的不同模式和日变化进程。在沙漠生态条件下, 大部分净辐射用于感热通量的散失,另一部分用于向地下传输,少部分则用于潜热输送;与沙漠相比,在滴灌棉田生态条件下的绿洲能量输送的基本模式为: 农田蒸散的潜热能量占绝大部分,少部分用于感热通量和土壤热通量的消耗,另一个与沙漠不同的特征是绿洲存在地表能量平衡差额。     

古尔班通古特沙漠与石河子绿洲膜下滴灌棉田能量输送特征的研究

不同生态环境下垫面条件下的能量输送特征有着很大差异,是陆地-大气间相互作用过程研究的重要组成部分。为了探寻近地面层湍流运动规律,定量分析沙漠和绿洲膜下滴灌棉田下垫面物质与能量输送,利用常规气象梯度法观测的数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,运用空气动力学方法和能量平衡法,对古尔班通古特沙漠南部流动沙区及其以南100 km的石河子绿洲膜下滴灌棉田的能量输送模式及其日变化进程进行了分析研究。结果表明:在沙漠生态条件下,大部分净辐射用于感热通量的散失,另一部分用于向地下传输,少部分则用于潜热输送;在膜下滴灌棉田生态条件下的绿洲能量输送的基本模式为:农田蒸散的潜热能量占绝大部分,少部分用于感热通量和土壤热通量的消耗,同时存在一定的地表能量平衡差额。这些结论为合理配置自然资源、分析和评估绿洲生产潜力提供科学依据。     

海冰在海气交换中的作用及其与海雾的关系

本文用了 1 999年夏季中国首次北极科学考察队对海冰、大气和海洋进行的同步和准同步的综合立体观测所获取的资料 ,研究海冰在海 气相互作用中扮演的角色。发现海冰的种类、分布、冰厚等变化对海气热交换都有重要影响。在浮冰区海洋以潜热的形式向大气输送热量 ,潜热通量与浮冰密集度的大小密切有关 ,浮冰越少潜热通量越大 ,潜热通量约为2 1～ 2 3 .6W /m2 ,潜热通量大于感热通量 ;在冰盖和大浮冰块上 ,大气以感热的形式向冰雪面上输送热量。新生的浮冰区或冰间湖是海气热交换最激烈的地方 ,是气候最敏感的区域 ,是北冰洋蒸汽雾生成的重要条件。用层结大气整体动力学输送法 ,计算了一次大范围的蒸汽雾过程的海气热交换 ,海洋向大气输送的热量总功率约为 1 4 8亿千瓦 ,相当于中国发电能力的 69倍 ,相当于大西洋向北冰洋输送热量平均功率的 1 / 2 0。北冰洋的夏季能够形成各种类型的海雾 :辐射雾、蒸汽雾和平流雾 ,其重要原因就是因为海冰的存在 ,使下垫面的性质复杂化 ,海气交换复杂化。     

藏北羌塘高原双湖地表热源强度及地表水热平衡

青藏高原加热及地—气间物质能量交换对我国、东亚乃至全球的天气和气候系统都有着非常重要的作用,受客观条件限制,藏北羌塘高原腹地尚无系统的地—气相互作用过程观测。本文利用中国科学院羌塘双湖极端环境综合观测研究站2011年10月-2012年9月一年的自动气象站观测数据,分析了年内季节和日尺度下双湖地区地面加热场特征,探讨了地表能量平衡及水量平衡特征,结果表明：(1) 双湖地区年内地表热源强度基本为正,年平均热源强度为79.5 W/m²;然而地表热源强度呈现明显的季节和日变化规律,夏季热源强度大于冬季,白天热源强度大于夜间。夏季地表白天为强热源,夜间为弱热源,冬季地表白天为强热源,夜间为冷源。(2) 双湖地区地表能量分配季节变化明显,7、8月份地—气间主要以潜热交换为主,其他月份主要以感热方式进行热量交换,年平均上主要以感热交换为主,年均感热通量和潜热通量分别为55.4 W/m²和24.1 W/m²,波文比为2.3。(3) 双湖地区降水和蒸发皆主要集中在6-9月,年降雨量为332 mm,年蒸发量为312.9 mm,年水量差为19.1 mm,地表水量存在不平衡现象。(4) 双湖地区地表蒸发力很强,年潜在蒸发为1888.2 mm,年均湿润指数为0.17,属典型半干旱气候特征。     

艾比湖面积变化及影响因素

艾比湖是新疆典型的平原区湖泊,随着近50年来流域气候和人类扰动双重影响,艾比湖湖面相应呈现出动态变化的态势。针对艾比湖水面面积近50年变化过程,利用入湖径流及有关水文、气象资料,分析、阐述艾比湖水面面`积近50年变化及影响因素。     

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。     

沙丘人工差不嘎蒿植被建立后的微气候变化

运用文比热量平衡法和空气动力学梯度法初步分析了人工固定沙丘过程中的微气象变化。研究结果表明,随着流沙的固定,反射率减小;净辐射占太阳辐射的比例增大;热收支中,潜热通量所占的份额增多;近地表风速及其垂直切变减小。     

1991—2010年全球湖泊表面温度效应的时空格局及生物物理因子拆分

量化湖泊与邻近陆地的表面温度差异,拆分生物物理因子对其贡献是明确湖泊气候效应的基础。本文基于耦合CLM4.5的CESM模式模拟的1991—2010年全球气候数据,分析了全球湖泊表面温度效应（湖泊与邻近陆地的表面温度差异）的时空格局,利用IBPM因子拆分理论量化了生物物理因子对其贡献。结果表明：① 湖泊表面温度效应的季节变化明显,但年际变化不显著,北半球湖泊最强增温（4.37 K）和降温效应（-0.99 K）分别出现在9月和4月。② 除干旱区湖泊呈降温效应外,其他气候区的湖泊以增温效应为主,热带湖泊增温效应最强。③ 湖泊表面温度效应的生物物理主控因子随气候区改变,湖陆之间的蒸发差异是干旱区湖泊呈降温效应的主控因子,较低的对流散热效率是热带和温带湖泊呈增温效应的主控因子,反照率差异和冰雪融化潜热分别对寒带、极地湖泊表面温度效应的正贡献和负贡献最大。全球尺度上,湖陆之间的对流效率差异（3.77±0.13 K）和蒸发差异（-2.01±0.1 K）对湖泊表面温度效应的正、负贡献最大。     

青藏高原东北部更尕海 7—9月水-气界面 CH4、N2O交换通量变化及其影响因素

为了解青藏高原浅水草型湖泊水-气界面 CH4与 N2O通量的交换机制,以青藏高原东北部的更尕海为例,分别在 2021年 7月、8月、9月采用漂浮静态箱-气相色谱仪法对其水-气界面 CH4、N2O交换通量进行连续、定点观测,并结合流域气象、湖泊水环境探讨其影响因素。结果表明:(1)更尕海水-气界面 CH4交换通量平均值为 0.557mg(/ m2·h),整体表现为源;N2O交换通量平均值为-0.100μg(/ m2·h),整体表现为弱汇。(2)在空间上,受水生植物分布差异影响,更尕海黄苔分布区为水-气界面 CH4排放的热点区域,其次为狐尾藻分布区,无植被分布区最低。N2O交换通量的变化受污染负荷的影响,粪便排放区是 N2O排放的热点区域。(3)在时间上,CH4交换通量的变化则受温度影响,CH4排放峰值主要出现于 15:00时;N2O交换通量的变化与沉水植物的光合作用有关。沉水植物光合作用向水体释放 O₂并使 pH升高,从而抑制了沉积物中的反硝化作用与微生物活性,使得湖泊整体表现为 N2O的“汇”。(4)相较于中国东部湖泊,青藏高原气压低,使得水体 DO含量相对较低,减弱了水体对 CH4的氧化作用,还降低了水体中 CH4的溶解度,导致青藏高原湖泊 CH4排放通量显著高于中国东部湖泊。而青藏高原湖泊受人类活动的干扰较小,外源性污染较轻,造成该区域 N2O排放通量显著低于中国东部湖泊。     

不同时间尺度下气象 -水文要素变化对察尔汗盐湖盐田蒸发作用的影响

目前对察尔汗盐湖蒸发量的研究主要集中在气象-水文因素与卤水蒸发量定量关系,缺乏在不同时间尺度下盐湖蒸发量的驱动因素动态变化研究。利用2020年11月5日—2023年5月1日察尔汗盐湖盐田的空气温度、露点温度、风速、相对湿度、总辐射日累计以及盐田的蒸发量、水温、水位等监测数据,结合获取的察尔汗盐湖补给河流格尔木河流量等水文资料,采用相关性分析、多元回归模型等方法探讨了不同时间尺度下盐田蒸发作用与气象-水文因素之间的关系。研究表明,不同盐田的水温、水位、淡水蒸发量变化保持一致,卤水蒸发量变化与盐田密度有关。随着时间尺度的增大,蒸发量与气象要素之间的相关性增强。察尔汗盐田蒸发量在逐小时与逐月尺度主要受到环境温度的影响,日尺度下主要受到太阳辐射的影响。在极端天气作用下河流水文与盐湖微气象因子呈同步变化,对蒸发量的影响具有滞后性。这一研究结果可为盐田生产工艺优化提供理论指导。