干旱区荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程特征观测分析

干旱区荒漠草原过渡带下垫面受降水影响而变化,在短期内由沙漠转化为草地,因而其陆面过程特征快速变化十分显著,可能对区域天气或气候造成一定影响。本文利用2012年7~9月在腾格里沙漠南缘的荒漠草原过渡带开展的"微气象蒸发观测实验"的观测资料,通过分析强降水前后土壤温度、含水量、辐射及湍流通量,研究快速变化的陆面过程特征。结果表明:40 cm以上的浅层土壤温度在降水后降低,随着降水辐射效应的消失,土壤温度升高;而深层的土壤温度变化较小。土壤含水量对降水有明显的响应,20 cm以上的浅层土壤含水量迅速增大,而后缓慢减小;30、40 cm的土壤含水量先增大后迅速下降。7、8月的净辐射变化不大,在-50~450 W·m-2间变化。降水发生后,反射辐射和地表长波辐射较干旱荒漠有所降低,2~3 d后又恢复到干旱荒漠的量级。地表反照率在降水后先降后升,荒漠草地的地表反照率日均值较大,与地表含水量、太阳高度角及植被生长参数密切相关。感热和潜热在降水前后变化显著,潜热增大而后减小,感热减小而后增大,干旱荒漠地表能量传输以感热通量为主,强降水发生后,潜热通量占主导地位,而后由于蒸散发使土壤含水量减小,潜热的主导地位逐渐被感热代替。     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

干旱区绿洲与荒漠相互作用下陆面特征的数值模拟

用新发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式,系统地模拟了绿洲与荒漠相互作用下的陆面特征和地表面能量输送特征。这一模拟结果不仅部分地验证了陆面过程野外实验的观测结果。     

CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。     

CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

典型干旱区陆面模式模拟检验

利用2000年9月至2001年8月"我国西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)"敦煌站的陆面过程观测资料,基于已有的参数化结果,模拟了敦煌主要陆面特征。结果表明:典型干旱区敦煌夏季感热通量与潜热通量差异显著,感热几乎是潜热的4倍,冬季二者都很小。模式对地表温度模拟较好,但高估了浅层土壤湿度峰值;对向上辐射模拟较好,但对净辐射的模拟存在较大偏差;同时高估了地表能量的峰值。模式结果表明参数化方案对干旱区陆面过程模式具有一定的改进作用。     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅱ：青藏高原夏季陆面过程的数值模拟

采用南京气象学院（NIM）5层陆面过程模式，利用1979年5－8月“青藏高原气象科学实验”资料模拟和分析了夏季青藏高原不同地区的陆面特征和地表能量特征。并将模拟值与根据观测资料计算得到的感热和潜热以及观测得到的净辐射、土壤温度、土壤热通量进行了对比。结果表明，NIM5层陆面过程模式可以模拟青藏高原夏季不同下垫面情形下的能量交换过程。     

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

采用生物-大气传输模式（BATS模型）模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地-大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明：对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气-水文之间关系与作用的不同特征。     

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP-89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中, 得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式, 利用这个改进的三维模式对20 km×20 km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明, 由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强, 进而造成近地面温度梯度和感热支出小, 最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高; 而且随着山高的增加, 这种现象更加明显, 即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力; 模拟结果合理, 对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。     

干旱及半干旱地区地表能量通量的卫星遥感参数化

对干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表能量通量的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。作者提出了一个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于中国西北地区“我国重大气候和天气灾害形成和预测理论的研究”(国家重点基础研究发展规划项目G1998040900,1999-2003)的“敦煌试验”区和“黑河试验”(HEIFE,1989-1994)区,并利用4个景(“敦煌试验区”:2000年6月3日-初夏、2000年8月22日-夏末和2001年1月29日-冬天:“黑河试验”区:1991年7月9日-夏季)的陆地资源卫星Landsat5 TM和Landsat-7 TM资料进行了分析研究,得到了有关干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的分布图像。最后还讨论了参数化方案的适用范围和需改进之处。     

干旱半干旱区非均匀地表区域能量通量的卫星遥感参数化

卫星遥感在估算非均匀地表区域能量通量时有其独到的作用。文中介绍了利用Landsat TM资料估算非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)量的参数化方案、研究结果和存在的难点问题。并提出了解决问题的可能途径。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

西北干旱区及高原上卫星遥感非均匀地表区域能量通量研究

介绍了目前利用Landsat TM和NOAA/AVHRR遥感资料进行非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)量研究的进展和存在的难点问题，并提出了解决问题的可能途径。