青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(II):无云大气条件下模拟试验结果分析

冻土层的变化与地-气交接面的能量交换过程有直接的联系.地-气交接面的能量交换过程包含了辐射、对流、热传导三种最基本的热物理过程.利用以此为基础建立的青藏铁路沿线地表和路基表面热力学数值模式(RSTM), 将安多站的实测资料作为模式输入, 针对梯形路基与边坡朝向和坡度有关的坡面温度变化及两侧坡面温差变化的问题, 对无云大气条件下不同坡度和坡向的表面温度变化特征进行了模拟分析.结果表明, 对于就地取土修筑的路基而言, 安多段路基上表面温度在各季节都高于气温, 在夏季具有明显的高表面温度值, 尽管在夏季任何坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应, 但路基仍处于高温状态; 冬季路基上表面温度虽略低于0 ℃, 但路基偏南方向坡面的强烈增温效应, 使南坡表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态, 而路基两侧坡面热效应的相反作用, 通过影响冻土层的冻融过程, 可能引起路基纵向裂缝的发生.因此, 对冻土路基采取有效的防护措施是非常必要的.用实测资料进行的检验表明, RSTM具有良好的模拟性能, 对不同防护措施下青藏铁路路基热状况的预测具有良好的应用前景.     

夏季金塔绿洲及邻近沙漠地面风场、气温和湿度场特性的对比分析

利用2004年7～8月金塔“绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究”观测试验期间的资料,对比分析了金塔绿洲及邻近沙漠地面风场和空气温湿特性的水平差异。结果表明：绿洲及邻近沙漠的温湿和风速差异明显,绿洲内部冷湿风弱,而外部干热风稍大;绿洲内的温湿场为非对称结构,冷湿中心偏离绿洲的几何中心,在绿洲东部,当地盛行风向的上风方位置上;而风速场结构对称,弱风中心与绿洲的几何中心一致;在不同的风向时空气比湿有较大的差异,存在明显的来自东北方沙漠戈壁的干平流和来自西南方水库及绿洲的湿平流。     

冻土地区风的作用分析--以青藏铁路沿线多年冻土为例

在广大的冻土地区,尤其是常年多风的冻土地区,空气与地面之间的热交换不仅仅表现为传导、自然对流和辐射。在风的作用下,地表上部空气的强制对流和表土层中的水分蒸发大大增强,对冻土层的热状况产生重要的影响。对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5 m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3～3.5℃以上;同时,对于表土层潮湿的冻土地区而言,水分的蒸发也将会带走土体中的大量热量。从冻土地区风作用的概念——冻土地区的风降低地表温度、促进下伏冻土发育的作用出发,分析了影响冻土地区风降温作用的诸多因素,给出在强风、表土含水量大的条件下,风作用表现得非常显著的结论。然后,通过对比、分析青藏铁路北麓河试验段的2个工程实例,验证了风的作用对冻土温度状况的重要影响。最后,给出了风作用在冻土地区若干基础工程实践中直接或间接的应用,以及利用风的降温作用来保护冻土的工程措施的使用条件和局限性。     

西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)及其研究进展

简要阐述了国家重点基础研究发展规划项目“我国重大气候和天气灾害形成机理和预测理论的研究”支持的“我国西北干旱区陆—气相互作用野外试验（NWC ALIEX）”的科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在最近几年取得的部分研究进展和研究成果,概括叙述了该项目在地表辐射平衡和热量平衡、总体输送系数、陆面过程参数、湍流通量参数化和地表水分循环以及陆面过程模式的改进和陆面过程的模拟等许多方面的重要发现和一些新的认识。最后,提出并讨论了在干旱区陆面过程方面需要进一步研究和思考的一些重要科学问题。     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

青藏高原复杂地表能量通量研究

“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验研究”（GAME/Tibet）和“全球协调加强观测计划（CEOP）亚澳季风之青藏高原试验研究”（CAMP/Tibet）的加强期观测和长期观测已经进行了9年多,并且已取得了大量的珍贵资料。首先介绍了GAME/Tibet 和CAMP/Tibet 试验的情况,并利用观测资料给出了局地能量分布（日变化和月际变化）特征。复杂地表区域能量通量研究是青藏高原地气相互作用研究中的重中之重。卫星遥感的应用成为解决这一问题，即实现GAME/Tibet和CAMP/Tibet试验主要初衷的必不可少的手段。利用卫星遥感观测（Landsat 7 ETM）资料结合地面观测的方法,计算得到了相关地区非均匀地表区域上的地表温度、地表反射率、标准化差值植被指数(NDVI)、校准的调整土壤植被指数（MSAVI）、植被覆盖度和叶面指数(LAI)及能量平衡各分量（净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）的分布图像，所得结果基本可信。为了得到整个青藏高原复杂地表的热通量分布，中国科学院青藏高原研究所正在与其他研究单位一起建立青藏高原地表和大气过程监测系统（MORP）。最后介绍了该监测计划和已建立的3个综合观测研究站及如何利用建立的台站把站点观测的热通量推广到整个青藏高原的途径。     

那曲地区不同季节陆面过程与大气边界层演变耦合关系的对比分析

陆面过程与大气边界层之间耦合关系是理解青藏高原热力效应的关键环节和难点之一。本文基于那曲高寒气候环境观测研究站2019年5月、 7月和10月地面及探空观测数据分析了青藏高原那曲地区地表能量收支及大气温湿垂直廓线的日变化和季节差异,探讨了该地区干湿季大气边界层高度的演变规律。结果表明,在5月观测期间内受日间净辐射强度变化的影响,对流边界层在晴天较高,为2842 m;阴天较低,为1481 m,强对流天气也可能使其在低层转变成稳定边界层。同时,位于近地层大气的感热和潜热交换为大气边界层的维持和发展提供了能量支持,位温和比湿垂直廓线能够正确反映出那曲地区大气边界层高度的季节性差异,对流边界层高度在5月最高、 10月次之、 7月最低,而稳定边界层在7月最高、 5月次之、 10月最低。     

藏北高原夏季典型天气大气边界层特征分析

利用加密探空资料,分析了藏北高原那曲和安多地区夏季典型晴天与阴天边界层风速、位温与比湿时空分布及变化特征.结果发现:在夏季8月,上述地区东西分量风速(切变)晴天均比阴天小,安多地区盛行偏西风,那曲地区盛行偏东风;南北分量风速(切变)晴天比阴天大.边界层晴天和阴天白天(晚上)的对流(稳定)边界层特征明显,阴天稳定边界层的厚度和对流边界层的高度较晴天时的都低;比湿夜间比白天大,阴天比晴天大.在安多地区和那曲地区都出现了逆湿现象,强逆湿主要出现在午夜或正午.     

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。     

干旱区热力学粗糙度特征及对感热通量估算的影响

利用ＨＥＩＦＥ的实测资料估算了黑河实验区几个沙漠戈壁表面上的热力学粗糙度（以附加阻尼ｋＢ＾－１的形式）,发现在任一测站ｋＢ＾－１值的变化范围较大,同时分析了附加阻尼项在估算感热通量时的作用,而忽略该附加阻尼将会导致对感热通量的明显高估,提出在利用阻尼型公式计算感热通量时,不能采用简单的ｚ０ｍ＝ｚ０ｈ的假设,否则会带来较大误差。