淮河流域能量与水分循环试验和研究（HUBEX）项目进展

１９９８年是厄尔尼诺现象的次年，长江流域出现了历史上罕见的大洪水。１９９９年为拉尼娜年，天气形势更为复杂，长江下游地区发生了严重的洪涝灾害。淮河流域能量与水分循环试验正是在这样的气候背景下进行了为期两年的观测试验，获得了圆满成功。试验所获取的大量气象、水文、卫星、雷达、通量等多种常规、加密和特殊的观测资料已补国内外有关科学家使用，取得了重要的研究进展。     

淮河流域能量和水分循环研究进展

1998和1999年夏,中国与日本科学家合作在安徽省淮河流域进行了第一次大规模的能量与水循环试验(WCRP/GEWEX/GAME/HUBEX),其重点是研究东亚梅雨锋系的多尺度,多系统结构、特征、生命史、发生发展机理及其引起洪涝灾害的原因。这是第一次中日合作的气象与水文联合观测试验,在此加强观测的基础上,双方进一步进行了长达5年的资料整理分析和科学研究工作,整个淮河流域能量与水循环试验与研究取得了全面和丰硕的成果。文中介绍了该计划所取得的主要成果,并以现在科学进展的视野重新评估这些成果的科学意义和不足,为进一步开展新的淮河与长江中下游梅雨科学联合试验提供经验和新的研究目标。     

能量与水分循环——气候研究的热点

主要介绍了能量与水分循环研究的关键科学问题，并介绍了近年来国际和国内开展的一系列大型科学试验计划。这些计划都是以开展大尺度水循环过程、陆面水循环过程、云与降水过程的观测试验为生长点，以分析、了解、模拟大气－陆地－海表的水分和热量交换及循环为研究基础，旨在进一步弄清气候变暖的物理成因和未来气候变化趋势；弄清中国、日本等东亚国家的旱涝形成机理；建立相应的气候模式，提出新的预报方法，从而实现较准确地预测气候变化和大尺度灾害性天气，合理调配水资源之目的。     

青藏高原复杂下垫面能量和水分循环季节变化特征分析

为深入认识青藏高原能量和水分循环季节变化,利用GSWP(Global Soil Wetness Project)、GLDAS(Global Land Data Assimilation System)、AMSR-E(Advance Microwave Scanning Radiometer-EOS)土壤湿度以及台站观测资料等多种数据,采用滑动t检验初步分析高原下垫面各物理量季节变化特征。结果表明:各物理量季节变化特征明显且联系密切。高原下垫面净短波辐射和感热通量在1月中旬显著开始增加,5~6月达到全年最高值。净长波辐射5月表现为高值,夏季表现为低值。地表潜热通量在1月显著开始增加,在夏季达到全年最高值。表层土壤3月开始输送热量到大气,9月大气开始向土壤表层传递热量;融雪3~5月加快,雪盖减少。降水和1 cm植被含水量在2月显著开始增加,1 cm土壤显著开始加湿,5~6月降水陡增,1 cm土壤湿度表现为峰值。1 cm植被含水量、植被蒸腾、总蒸散与降水在7~8月达全年最高值,1 cm土壤湿度在7月表出现为谷值,9月达全年第二峰值。10月下垫面温度转冷后,雪盖增加,土壤湿度逐渐减小。     

大尺度土地利用变化对东亚地表能量、水分循环及气候影响的敏感性试验

利用NCAR大气环流模式CAM4.0,针对潜在植被和当代植被的分布情形进行了两组25 a的积分试验,探讨了土地利用变化对东亚地区地表能量平衡、水分循环和气候的可能影响.结果表明:以森林退化、农田迅速增加为主的当代土地利用变化,显著改变地表属性,使得东亚地区不同季节的地表反照率均明显增加,并显著改变东亚地区的冬、春季节的地表能量和水分循环.此外,当代大尺度土地利用变化对东亚地区大气环流也有一定影响,可引起东亚冬季风环流显著加强和东亚夏季较弱的偏南风异常.当代土地利用变化未能引起东亚地区近地面气温的显著变化,但可引起东亚北(南)部地区春季降水的显著增加(减小).     

大气水分循环方程

任何地点的降水量可能来自地球的任何地点的水分蒸发。为了定量描述大气中的这种水分循环的复杂过程,我们引入了两个概念性的工具:大气水分辐合函数和大气水分辐散函数,并且建立了用它们描述大气水分循环的方程组。     

近50多年来淮河流域气候水分盈亏时空变化

水分盈亏是区域干湿气候划分的重要依据。基于淮河流域63个气象台站1957—2014年逐日观测数据,运用累积距平、Mann-Kendall突变分析、Morlet小波分析及ArcGIS反权重空间插值法,结合Penman-Monteith蒸散计算模型获得淮河流域水分盈亏量的周期特征、突变特征及其时空分布特征,并分析其主要影响因子。结果表明:(1)水分盈亏月变化基本符合5月最低,7月最高。(2)从季节分布来看,水分亏缺面积秋季春季冬季夏季,亏缺程度春季最强。从平均年水分盈亏量分布来看,水分盈亏量由南向北递减。且不论季节还是年状况,山地及河流对区域水分盈亏量的南北递减存在滞后作用。(3)从各因子气候倾向率的时空分布来看,江苏东南部、山东西部、河南大部、湖北中部水分盈亏量变化的主导因子为潜在蒸散量,其他区域的主导因子为降雨量。(4)淮河流域水分盈亏量存在周期特征,第一主周期为10 a。     

淮河流域能量和水分循环观测系统及作用

淮河流域是中国南北气候重要的过渡带,气象灾害频繁发生。这里水网、农田、丘陵、山地、城镇密布,地-气作用复杂,干冷与暖湿空气时常交汇于此,造成局地或流域旱涝经常发生。淮河流域处于梅雨区,且是中国重要的农业生产基地,具有气象和水文综合观测系统,积累了长序列的气象和水文观测资料。因此,淮河流域是研究能量和水分循环的理想试验区。国家自然科学基金重大项目"淮河流域能量与水分循环试验和研究(HUaihe river Basin Experiment,简称HUBEX)"于1998、1999年夏在淮河流域开展了气象和水文联合观测试验。文中回顾了HUBEX试验的目的、观测网设计与布局,介绍了HUBEX推动下的淮河流域综合观测网的发展,总结了HUBEX观测试验对区域气候事件和暴雨等灾害性天气机理研究、提高模式模拟和预报能力及建立长期连续的气象观测数据集等方面的成果和作用。     

夏大豆与水分关系试验研究

本试验是在人为严格控制水分的条件下进行的，应用资料探讨了夏大豆两个生育关键期不同水分条件对群体生产力，叶面积动态变化、叶片光合作用，生育期及产量的影响。     

用微气象方法估算淮河流域能量平衡(HUBEX/IOP 1998/99)的统计分析和比较研究

In order to study energy and water cycles in the Huaihe River Basin, micrometeorological measurements were carried out in Shouxian County, Anhui Province, during HUBEX/IOP (May to August 1998 and June to July 1999). The employed techniques included Bowen Ratio-Energy Balance (BREB) and Eddy Covariance (EC) methods. In this paper, the basic characteristics of the energy balance components in the district are analyzed. Furthermore, the results are compared with those from other regions of China.The main results are as follows: (1) There was a consistency between the available energy (Rn-G) and the sum of sensible (H) and latent (E) heat fluxes measured by the EC method (H+E)ec, but Ebr was slightly larger (about 10%) than Eec; (2) Most of the net radiation (Rn) was used to evaporate water from the surface. During HUBEX/IOP in 1998 and 1999, the mean daily amounts of Rn were 13.89 MJ m-2 d-1 and 11.83 MJ m-2 d-1, and the mean Bowen Ratios (β) were 0.14 (over ruderal) and 0.06 (over paddy) respectively; (3) The diurnal variation characteristic of β was larger and unsteady at sunrise and sunset, and smaller and steady during the rest of the daytime. Local advection appeared in the afternoon over paddy areas in 1999; (4) In comparison with the results from other regions of China, the nean β was the lowest (0.06) over paddy areas in the Huaihe River Basin and the highest (0.57) during June-August 1998 in Inner Mongolia grassland. The Bowen Ratio β is mainly related to the soil humidity.     

2003年汛期淮河流域降水的集合预测试验研究

利用并行化全球中期数值预报模式MPGM,对2003年夏季淮河流域特大降水作了集合预报试验。试验中提出一种繁殖循环初始扰动生成方法,产生9个集合成员的初值场,利用该初值集合对这次降水过程进行了集合模拟,然后对集合预报试验的结果同对照试验进行了对比分析,并对降水期间的物理量场及降水情况的模拟结果进行了分析。结果表明:集合预报试验的结果优于不加扰动的对照试验的结果,说明集合预报技术在一定程度上能够减小甚至消除数值预报中的不确定性,提高数值预报的精度;集合预报试验较好地模拟出了降水期间的物理量场与天气形势,并对此次降水情况作了较好的预报,可以对降水预报提供有益的参考。     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式与气候系统内反馈机制的研究

鉴于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论:（1）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（2）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（3）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（4）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，其正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。(5)大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（6）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种非线性方式相互作用。     

一次淮河流域梅雨锋暴雨的大别山地形敏感性试验

利用NCEP／NCAR提供的TRMM资料、FNL资料和再分析资料,应用WRFV3．2中尺度模式对2011年6月23—24日淮河流域梅雨锋暴雨进行了数值模拟,并通过一系列地形敏感性试验,详细分析了大别山地形对暴雨的影响。结果表明：1）大别山地形会强迫底层西南暖湿气流绕流和抬升,形成扰动并使其所含水汽和不稳定能量沿途释放,形成带状降水;2）大别山地形会使暖湿气流与偏北气流交汇形成带状分布的小槽,降水与气流辐合带方向一致;3）当地形增高时,降水中心位置变化不大,但对流更加剧烈;若使地形降低或消失,江苏淮河流域降水中心明显东移,说明大别山减弱了降水系统的东移,并使大值降水分布相对集中。     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维。气候模式与气候系统内反馈机制的研究

紧于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在，气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论：（１）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（２）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（３）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（４）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，共正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。（５）大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（６）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种北线性方式相互作用。