空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

卫星遥感结合地面观测估算非均匀地表区域能量通量

卫星遥感在研究非均匀陆面上地－气间能量和水循环过程时有其独到的作用。文中介绍了一种利用ＬＡＮＤＳＡＴＴＭ资料进行非均匀陆面上区域能量平衡研究的参数化方案。并以夏季和深秋两个景的ＴＭ资料为个例,结合“黑河实验”（ＨＥＩＦＥ）期间的地面观测资料分析了实验区非均匀陆面上地表特征参数及能量平衡各分量的区域分布及季节差异,同时将所得的结果与地面观测的“真值”作了比较,所得的这些结果是基本可信的。这种方法仍然处于发展的初始阶段,对此也进行了讨论。     

土壤热异常影响地表能量平衡的个例分析和数值模拟

The statistical relationship between soil thermal anomaly and short-term climate change is presented based on a typical case study. Furthermore, possible physical mechanisms behind the relationship are revealed through using an off-line land surface model with a reasonable soil thermal forcing at the bottom of the soil layer.In the first experiment, the given heat flux is 5 W m-2 at the bottom of the soil layer (in depth of 6.3 m)for 3 months, while only a positive ground temperature anomaly of 0.06℃ can be found compared to the control run. The anomaly, however, could reach 0.65℃ if the soil thermal conductivity was one order of magnitude larger. It could be even as large as 0.81℃ assuming the heat flux at bottom is 10 W m-2. Meanwhile, an increase of about 10 W m-2 was detected both for heat flux in soil and sensible heat on land surface, which is not neglectable to the short-term climate change. The results show that considerable response in land surface energy budget could be expected when the soil thermal forcing reaches a certain spatial-tem poral scale. Therefore, land surface models should not ignore the upward heat flux from the bottom of the soil layer. Moreover, integration for a longer period of time and coupled land-atmosphere model are also necessary for the better understanding of this issue.     

热平流影响下湿润地表的通量-廓线关系

在有热平流影响的湿润地表，对Businger-Dyer创立的经典通量—廓线关系作了简单的非线性作用修正。并利用热量和水汽输送方程两种不同简化方程分别对非线性修正因子α'V进行了理论分析和讨论，表明在热平流影响下的湿润地表α'V<1，且由理论方程推导出一个α'V与ζ的简化关系式。最后，用经参数化后得到的α'V表达式和修正后的相似性关系式联立构成的闭合方程组，以及用HEIFE的资料求解出αV及其它特征参数，并且拟合出αV与某些特征参数的经验关系。     

夏季青藏高原地表能量变化对高原低涡生成的影响分析

利用1986-2015年夏季一日4次的ERA-Interim再分析资料,统计分析了近30年来夏季青藏高原地表感热、潜热通量以及高原低涡的时空分布特征,同时选取夏季高原低涡生成的关键区,利用相关性分析,合成分析等方法探讨了夏季高原地表感热、潜热通量与高原低涡生成频数之间的可能联系。结果表明,从时间变化特征来看,1986-2015年夏季高原低涡共出现915次,其中关键区内共出现697次,占总数的76. 18%,且其出现次数呈明显的下降趋势,在关键区内,30年间地表感热通量总体呈下降趋势,而潜热通量则呈较弱的上升趋势;从空间变化特征来看,低涡生成的关键地区恰好对应于地表感热通量平均值的较大值区以及地表潜热通量平均值的较小值区。当处于夏季高原低涡偏多年和偏少年时,关键区内地表能量的分布有明显差异:当关键区内地表感热通量偏强时,容易产生高原低涡;而当关键区内地表潜热通量偏强时,则不易产生高原低涡。     

变分方法估算西北半干旱区地表热通量的适用性研究

利用2009年6-8月兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地表辐射观测资料,近地层大气温度、湿度和水平风速的三层梯度观测资料,以及热通量的涡动相关观测,比较了变分法估算的地表热通量与涡动相关观测值间差异,评估了不同相似函数对变分法估算地表热通量的影响.结果表明,变分法估算的地表热通量在时间变化趋势上与涡动相关观测值一致,但在中午前后时段还存在数值大小差异.不同相似函数对变分法估算热通量的影响不一样:当层结不稳定时,其对热通量估算的影响较大;当层结不稳定变弱时,影响会显著变小;当层结稳定时,影响非常小,与观测误差相比可以忽略.     

青藏高原东部不同季节积雪过程对地表能量和土壤水热影响的观测研究

选取青藏高原(下称高原)东部玛曲、玛多和垭口3个野外站点的观测资料,针对不连续积雪过程,研究高原东部不同季节的积雪过程对地表能量和土壤水热的影响.结果表明:受积雪高反照率的影响,高原东部地区各季节降雪后净短波辐射减小,净辐射较降雪前减小60％～140％;积雪积累期内感热、潜热及土壤热通量均减小,感热通量和土壤热通量出现...     

祁连山海北高寒湿地微气象日变化特征

利用2004年的观测资料分析了青海海北高寒湿地微气象要素的日变化特征,结果表明,辐射、热量平衡各分量日平均变化中,瞬时最高值出现在中午,最低在早晨。地面长波有效辐射日最高出现在中午,日最低出现在下午。地面反射率表现出早晚高白天低的"U"型分布状况,1月日最低达0.68,而7月日最低仅为0.12。动量通量、垂直风速、水平风速、摩擦速度等均在下午大,夜间到清晨小。垂直风速除10月全天为上升运动外,其他月份夜间还出现下沉运动,而且冬季明显。海北高寒湿地夏季热强明显,冷季热强减弱。因湿地长久积水,地温日变化平稳,40 cm地温<0℃的维持时间不到2个月,60 cm地温全年均>0℃,即季节冻结层浅薄。     

地气通量中存贮和平流项计算方案的探讨

从物质收支方程出发,推导了一个包含物质存贮、水平平流输送、垂直对流输送以及传统的涡度相关项的地气通量计算方程。平流项本质上是地表非均匀性的结果,不同下垫面的感热和潜热通量也不同,将会产生中尺度环流,使得辐合辐散过程得以维持,从而将体元内的物质输送到体元以外,因此可以通过计算水汽和感热的存贮,间接求出物质的水平平流输送。量纲分析和实际的资料应用都表明,存贮和平流的通量贡献是非常小的。尤其是在均匀下垫面下,方程中的存贮和平流项的通量贡献可以忽略,因此估算地气通量时仅需考虑涡度相关项和Webb修正项即可。而在非均匀下垫面下,在1 d以上的时间尺度上,为方便计算,可以忽略存贮和平流的通量贡献;而在小时这样的时间尺度上,从物质能量收支守恒的角度考虑,估算地气通量需要包括存贮和平流的通量贡献。     

祁连山海北高寒湿地微气象季节变化特征

对青海海北高寒湿地2004年的微气象观测资料分析表明:海北高寒湿地地—气长短波辐射、地表反射率、能量通量各分量、动量通量、气温、地温、风速、CO2交换量等季节变化明显。因受湿地下垫面性质影响,地表反射率在1~2月明显大于其他季节,7~10月小,表现出冬季高夏季低的"U"型变化特征。地面长波有效辐射无明显季节变化。分析还表明,海北高寒湿地夏季及春、秋季均为明显的热源,而在寒冷的冬季出现一定的"冷源"效应。海北高寒湿地地—气间CO2交换量季节变化明显,年内4月和10月分别存在两个CO2释放高峰期,夏季的7~8月为一个强吸收期。     

北京密云地区辐射与能量平衡特征分析

利用北京密云站2007年1,4,8和10月辐射及湍流通量观测资料,分析了农林混合非均匀下垫面晴天、阴天条件下的辐射平衡、反照率及能量平衡特征。结果表明：（1）1,4,8和10月能量平衡闭合度（OLS方法）分别为82%,97%,72%和83%,总体闭合度为76%,数据质量较好;（2）晴天向上长波辐射1,4,8和10月平均...     

麻多高寒湿地冻结过程中土壤热通量变化特征分析

准确量化高寒湿地下垫面冻结过程中土壤热通量的变化特征,对认识高寒湿地—大气间水热交换过程有重要的科学意义。本文利用中国科学院麻多气候与环境综合观测站2014年5月至2015年5月的观测资料,分析了下垫面冻结过程中土壤热通量变化特征,探讨了冻结潜热对土壤热通量的贡献。基于温度积分计算土壤热通量的算法,指出在计算冻结过程中的土壤热通量时,需要同时考虑土壤热通量板以上的土壤热贮存及热通量板以上的冻结潜热。研究表明:（1）冻结锋面形成后,锋面所在深度土壤体积含水量迅速降低,锋面以下土壤热通量接近于零,土壤液态水开始冻结,冻结潜热向上穿过热通量板所在土壤层;降水下渗土壤后冻结所释放的潜热能使次日凌晨5 cm深度土壤热通量接近于零。（2）季节性冻结期,凌晨气温较高时穿过5 cm土壤层的向上土壤热通量很小,可能是由表层土壤发生了日冻融循环所致。土壤水释放的冻结潜热使土壤温度波动减弱并维持在冰点附近。高寒湿地下垫面仅在很浅的表层发生日冻融循环,无法通过5 cm土壤温度资料判断下垫面循环出现日期。（3）加入冻结潜热项,土壤热通量的计算值与实测值之间的均方根误差将会从11.5 W m-2下降到6.2 W m-2。以上研究结果对认识寒区陆面过程有重要的贡献。     

全球典型低云区中各类低云云量与水平温度平流关系的单点个例分析

选取欧洲中心40年再分析资料(ERA40)中2001年7月的775hPa和925hPa等压面上的风场和温度场资料与ISCCP同时段的低云资料,利用条件概率方法(云频数)和逐日演变的动态方法分析全球典型低云区单点的云量与水平温度平流的关系.结果表明:全球典型低云区单点上各种云的云量与水平温度平流之间的关系是十分复杂的,在某种平流下各种云均有可能出现,某种云也能在不同的平流下出现.全球典型低云区单点云量与水平温度平流的逐日演变没有明显的同步性.因此,从已知的水平温度平流条件来预报各类低云云量是没有充分的观测事实作为依据的.     

一种城市地表能量平衡模式在上海的模拟评估

利用一整年的上海城区常规气象和地表能量平衡观测资料,驱动和检验了局地城市地表能量(水分)平衡模式(SUEWS/LUMPS)在上海地区的模拟能力,并对模式输入参数进行了部分本地化。模拟结果表明,SUEWS模式较好地再现了各辐射通量的日变化形态,对净辐射通量(Q~*)中午日峰值低估约为25 W·m~(-2);模式对四个季节向下长波辐射通量(L_↓)的日变化幅度均被低估,对向上长波辐射通量(L_↑)的模拟明显优于L_↓。SUEWS/LUMPS模式对感热通量(Q_H)各季节(春季除外)日峰值出现时次均有准确模拟,而对Q_H量值各季节均为低估;SUEWS模式在夏、秋季对白天潜热通量(Q_E)的模拟均优于LUMPS模式,而在冬、春季的模拟情况两者接近;SUEWS模式成功再现了储热通量(△Q_S)冬、春、秋季早、晚正负值转换时间,而在夏季滞后了2 h,模拟的△Q_S量值季节差异性较大。对模式误差随气温、风速及风向变化进行分析表明,在较高气温和较大风速下,Q_H、Q_E均表现为低估误差增大,而△Q_S则相反,表现为更显著地高估;风向的影响主要表现为模式未考虑东面密集建筑群而使得Q_H较明显低估约为-50 W·m~(-2),而西侧公园绿地的存在使得Q_H高估约15 W·m~(-2)。     

黄河源高寒湿地-大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究

湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地-大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式（Community Land Model,简称CLM）模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:（1）暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;（2）温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00（北京时,下同）下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;（3）土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;（4）麻多高寒湿地动力学粗糙度Z_0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z_0m=0.0143 m;（5）提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼kB-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。