纳木错湖地区近地层微气象特征及地表通量交换分析

利用中国科学院青藏高原研究所纳木错圈层相互作用综合观测研究站2006年全年的观测资料,研究了青藏高原纳木错地区的草甸下垫面气温、湿度、风速、风向和地表温度的日变化及季节变化规律,并研究了地表感热、潜热通量和辐射通量的日变化和季节变化规律,初步揭示了纳木错地区草甸下垫面微气象特征和地气能量交换的一般规律。     

纳木错(湖)地区湍流数据质量控制和湍流通量变化特征

利用中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站2009年全年的大气湍流观测资料,应用Foot-print模型分析了青藏高原非均匀下垫面湍流观测数据的数据质量、质量评价及不同下垫面对湍流通量的贡献。结果表明:纳木错(湖)地区因不同土地利用类型的差别,导致地表通量分布不均匀,草地对地表通量的贡献最大;对不同大气层结状态,观测站周围200m范围内的地表通量贡献各不相同,上风向通量贡献源区较大,湍流发展较充分。在不稳定状态和中性状态下,纳木错地区地表通量数据质量较高,即白天观测的通量数据质量较高;在稳定状态下数据质量较低,即夜间的通量数据质量较差;纳木错地区的湍流通量受湖陆风和大气稳定性影响较大。     

青藏高原地气系统气象科学数据集成和共享

观测资料匮乏是制约青藏高原地球科学问题深入研究的关键因素。中国气象局国家气象信息中心联合中国气象科学研究院、中国科学院青藏高原研究所和西北生态环境资源研究院对近几十年来我国青藏高原区域的地气系统的大气和陆面观测资料及相关分析产品进行了整合集成,获得了高原区域长年代、多要素的地气系统综合气象数据,研发了综合气象数据库及其数据共享平台。本文系统介绍了相关科学数据的观测及数据情况,包括中国气象局长期业务观测数据、历次青藏高原大气科学试验数据、中国科学院部分野外台站长期观测试验数据和一些科学研究项目的产出数据成果,描述了多种数据的标准化集成技术和成果,设计并发布了青藏高原地气系统多源信息共享平台,为研究和解决青藏高原地球科学问题提供宝贵的数据资源。     

青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析

青藏高原地理环境复杂,已有大气陆面-边界层研究工作多集中于不同下垫面,很少有对复杂地形区的研究。本文利用青藏高原东南部林芝地区2013年5月20日至7月9日四个野外试验站点的观测资料,分析了不同天气条件下,高原复杂地形区不同下垫面的陆-气能量交换特征。结果表明:在各站向下短波辐射基本一致的情况下,地形较陡的北坡阔叶林站感热通量远大于其他3个站点;下垫面植被覆盖最多的南面麦田站潜热通量最大。各站能量通量有明显的日变化特征,晴天时,感热通量和净辐射明显大于阴雨天,而潜热通量随天气状况变化不大。青藏高原复杂地形环境比不同天气条件对于感热通量的影响更显著;不同地形阴雨天时对于潜热通量有明显的影响。当南亚季风槽前的西南暖湿气流影响到林芝地区时,该地区以阴雨天为主,反之则以晴天为主。林芝地区地-气通量的月内变化明显受南亚季风活动的影响。     

应用印痕函数研究测风塔资料代表性

影响测风塔代表性的因素很多,为了合理地确定测风塔观测结果能够代表的区域范围,需要通过适当的方法综合考虑这些因素。湍流通量代表性研究中常用的印痕函数是风速、稳定度、下垫面粗糙度等的函数,可以定量地刻画单点观测结果的代表性。利用印痕函数方法对中国风能资源观测网中来自不同下垫面的44个测风塔2010年的观测结果进行了测风塔资料的代表性分析。首先,根据两层(10、70 m)的风速和温度计算稳定度参数L_p并确定中性层结,粗糙度的计算选取了中性层结条件下满足对数风廓线的资料。然后,利用中性层结下70 m高度主导风向和风向频率较大方位的资料分析了两种印痕函数方法(Schuepp和Hsieh方法)的适用性及代表性范围与粗糙度的关系。两种方法得到的印痕函数对应距离(即代表性范围)比较接近。但是,在复杂山地Schuepp方法已不适用。当粗糙度小于10 m时,粗糙度与印痕函数对应距离的关系可用对数-线性函数描述。根据经验推荐了利用印痕函数积分90%对应的距离以及下垫面显著变化位置来确定测风塔代表范围。但是,印痕函数积分阈值仍需要通过示踪实验或数值模拟检验。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

青藏高原不同地区辐射特征对比分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)在藏北高原的BJ站、NPAM站及中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、纳木错多圈层相互作用综合观测研究站和藏东南高山环境综合观测研究站2007年的辐射观测资料,分析了这些地区不同下垫面地表辐射各分量及地表反照率的日变化和月际变化特征。结果表明,向下短波辐射受太阳高度角的影响存在明显的日变化和月际变化;向上短波辐射的月际变化基本与总辐射一致,在个别月份由于高原积雪造成地表反照率较高,从而使晴天向上短波辐射全年较高;向下长波辐射存在基本的季节变化,最大值出现在天空总云量较多的夏季(6～8月),最小值出现在冬季(12月和1月);向上长波辐射基本上都是夏季为全年最大,冬季为全年最小。这与地表温度的年变化情况相一致。高原不同地区各季节晴天地表净辐射存在差异,NPAM站和藏东南站由于下垫面植被覆盖较好,净辐射值各季节均高于其它各站;NPAM站、纳木错站和珠峰站地表反照率日变化曲线呈"U"型,BJ站和藏东南站日变化相对复杂,藏东南站全年月平均地表反照率较小且变化不大,其他各站存在基本的年变化趋势。     

基于敦煌戈壁站观测对几套再分析产品夏季地表感热通量的评估

西北干旱区是欧亚大陆夏季感热输送的高值区,此区域感热输送对东亚季风气候系统的变异有重要影响。然而,再分析资料的感热通量在此区域存在很大的不确定性,影响该地区感热变化对东亚区域气候影响的认识。本文基于敦煌戈壁站2001~2014年夏季的观测数据,评估了NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-Interim和JRA-55这4套再分析产品的感热通量。敦煌戈壁站的感热通量是根据敦煌戈壁站常规观测数据和Y08方案计算得到,代表敦煌戈壁站的实际感热。结果显示,戈壁站夏季感热多年平均约为85.7 W m-2,但受局地降水的影响存在较大的波动;再分析资料的感热通量之间存在很大的不确定性,与观测相比,ERA-Interim的感热通量在大小和变化上好于其他再分析资料,在没有局地性降水的影响时比较接近观测。进一步分析了再分析感热与观测差异的原因。研究表明,再分析资料中的地表风速和地气温差与粗糙度设置和热力参数化方案相关联。各再分析资料均不同程度地低估了敦煌戈壁站的地气温差(观测值约6.5°C),这主要是由于再分析系统中对戈壁下垫面的粗糙度设置偏高以及热力参数化方案不太适用于戈壁下垫面造成的。相对而言,ERA-Interim的参数化方案在戈壁下垫面优于其他再分析产品的参数化方案,使得ERA-Interim的地气温差相对其他再分析资料更接近实际观测,感热通量较为合理。     

黄土高原塬区近地面层重力波的辨识及其特征研究

利用平凉陆面过程与灾害天气观测研究站2012年5-7月夜间近地面层观测资料,针对黄土高原塬区夜间不同风速和下垫面粗糙度条件,辨识塬区重力波,揭示重力波的频段,并对比研究了风速和粗糙度变化对该频段的影响。结果表明,平凉站塬区的夜间近地面层易于产生重力波,且即使整体Richardson远小于0. 25时,也可以观测到重力波。受塬区下垫面特征影响,重力波的波动周期主要集中于60～110 s,同时随着观测高度的降低,重力波波动周期只存在10 s左右的变化。     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。     

中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站:一个新的研究喜马拉雅山区地气相互作用过程的综合基地

喜马拉雅山区的高海拔冰雪覆盖使主山体两侧形成下泄流,而在强太阳辐射的加热作用下,无冰雪覆盖的周边山体形成山谷风环流.上述两者叠加形成地气间的强烈交换过程.这种交换过程使得地面的物质和能量与北半球自由大气相联系,将青藏高原置于全球变化的背景中.在本文中作者介绍了中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站的建站背景及其研究喜马拉雅山地气相互作用过程中的作用,同时介绍了台站建设及其在该地区地气相互作用研究中所取得的初步研究成果.     

GLDAS资料驱动的Noah-MP陆面模式青藏高原地表能量交换模拟性能评估

使用Noah-MP陆面模式,在GLDAS数据的驱动下,对青藏高原不同区域6个观测站点的感热通量和潜热通量进行了模拟,并与实测值进行了对比分析。研究结果表明:使用默认参数化方案选项模拟的感热通量除在珠峰站冬春季偏高而夏秋季偏低以外,在其他站点均偏高;潜热通量的模拟在不同站点和不同季节存在较大差异,在藏东南站模拟结果较好,在珠峰站偏高,在慕士塔格站偏低,在纳木错站秋冬季偏低、在阿里站春季偏高、在那曲站夏季偏低。通过进一步分析模拟结果对各个参数化方案选项的敏感性,选出了更适合各站点感热通量及潜热通量模拟的参数化方案选项组合,提高了模式对各个站点全年整体模拟水平,使得模拟结果和站点观测相比具有更小的均方根误差和更高相关系数,但对一些站点部分季节的模拟可能会带来更大的误差。本研究为这些站点的陆面及耦合模式的模拟提供了参考,同时也能对青藏高原热源变化的模拟提供更准确的地气交换信息。     

那曲高寒草地上四种地表通量计算方法的对比

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月至2014年8月自动气象站(AWS)和涡动相关系统(EC)的观测资料,基于空气动力学法、地表能量平衡组合法、总体输送法以及涡动相关法,计算了高寒草地下垫面的湍流通量,并对不同方法计算结果间的一致性和差异性进行了分析。结果表明,不同方法计算的湍流通量特征具有明显的差异。地表能量平衡组合法满足能量平衡关系,但在早晨和傍晚层结转换期间,计算的湍流通量出现异常不稳定值;空气动力学法计算的湍流通量在整个观测期与涡动相关法计算的湍流通量相关性最高,但在大气稳定度参数接近0,计算结果不稳定;总体输送法计算的通量数据在地气温差为负值时发散明显,但该方法原理简单,适合在只有常规观测项目的业务气象站或在气象观测项目不全的野外台站使用。空气动力学法和地表能量平衡组合法与涡动相关法的湍流通量的平均偏差相对较小,而总体输送法平均偏差相对较大。研究方法和结果除了为这些方法的使用提供参考外,也为建立长时间通量序列提供了一个较为合理的依据,有助于深入了解高原地气相互作用。     

关于用台站资料估算西北干旱区夏季感热通量的热力参数化比较

气象台站观测的气象要素可能受城市化等因子的影响而与野外试验站的观测存在一定的差异,这影响野外试验获取的热力参数直接应用于西北干旱区台站感热通量的估算。本文选取了一些常用的热力参数化方案(包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案),通过敦煌站夏季估算的感热通量与野外观测的比较以及对整个西北干旱区夏季感热通量的估算,评价了这些热力参数化对动量粗糙度的敏感性和在西北干旱区的适用性。结果显示,热力输送系数取定值的方案计算西北干旱区的感热通量可能存在较大不确定;台站的动量粗糙度可能受城市化等因子的影响,但在感热通量计算时建议取台站下垫面的动量粗糙度;Y08方案估算的感热通量相对比较合理,可以用来研究西北干旱区的夏季地表感热输送特征。     

黄河上游玛曲地区空气动力学参数的确定及其在陆面过程模式中的应用

为了定量描述黄河上游玛曲地区草地下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数,利用"黄河源区气候与环境综合观测研究站"2006年9月的湍流观测资料,结合Martano由单层超声观测资料确定下垫面空气动力学参数的方法,计算了黄河上游玛曲地区草原下垫面空气动力学粗糙度z0和零平面位移d,即z0为0.035 m,d为0.143 m。同时,将z0和d应用于陆面过程模式CoLM中,检验其对模式模拟性能的影响,结果表明,改进陆面参数后的模式对感热通量和潜热通量的模拟均有明显改善。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

北京城市通量足迹及源区分布特征分析

城市下垫面具有不同于其他下垫面的特殊复杂性,通量的源汇分布十分不均,导致直接测量以及定量的描述城市中水汽、二氧化碳等通量变得非常困难。涡动观测系统在城市通量观测中得到广泛应用,但由于涡动协方差观测系统传感器都架设在一定的高度上,其测量结果只反映特定点下垫面或某部分下垫面的物理过程,不能说明观测结果是否具有下垫面属性的代表性,无法反映观测通量的空间变异性。足迹函数(Footprint)的产生就是为了解决这一问题,其又称源权重函数,是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的函数。本文采用北京325 m气象塔近1年7层涡动协方差观测数据、超声数据,分析了不同风向、不同稳定度、不同高度下足迹函数所表达的通量贡献区域范围的变化规律。结果表明,在大气稳定条件下时,通量贡献区范围的大小与主风向无显著差异,而不稳定条件下计算结果与主风向无关。在不同高度下所有稳定条件下通量贡献区范围要大于不稳定条件,中性条件则介于两者之间。8 m、16 m高度上的观测结果不能完全代表城市下垫面通量贡献区,47 m以上能够代表城市下垫面通量贡献区,280 m则已经包含了郊区和城区的权重平均。同一大气稳定度条件下,高度越高通量贡献区范围越大,90%通量贡献区范围与观测高度成线性关系,这种线性关系可以预测没有观测高度或者更高处的通量贡献区范围。     

青藏高原东部拉萨河下游地区大气湍流交换特征研究

地气之间物质和能量随湍流运动进行输送,涡度相关技术是研究地气交换过程和评估大气资源的重要手段,它对湍流特征和精确的通量观测研究具有重要的作用.本研究利用拉萨蔡公堂通量站的闭路涡度相关系统,观测了 2020年8-11月青藏高原东部拉萨河下游地区典型高寒草甸下垫面的通量特征,并分析了该区域生长季和非生长季不同大气稳定条件下...     

青藏高原地区不同下垫面陆面过程的数值模拟研究

利用陆面过程模式Common Land Model(CoLM),选取青藏高原上3个不同下垫面观测站(藏东南站、纳木错站和珠峰站)的观测资料,对这3个野外观测站进行了单点数值模拟试验。根据3个测站的试验数据,对模式中土壤孔隙度和饱和导水率进行了优化,针对青藏高原地区土壤层薄的特点,对模式中土壤分层方案进行了调整。结果表明,调整分层方案后的CoLM模式对3个测站土壤湿度的模拟性能较原分层方案有明显提高,平均偏差均减小0.014以上。但是与观测值相比,藏东南站土壤湿度的模拟整体偏低,纳木错站和珠峰站则整体偏高。对土壤温度而言,3个测站模拟与观测的相关系数都达到了0.9以上,珠峰站偏差较大,调整分层方案后模拟的偏差有一定的改进。模式较好地模拟了3个测站的净辐射、感热通量和潜热通量的日变化和季节变化情况,调整分层方案后潜热通量的改进最为明显。     

农田和草地下垫面上附加阻尼kB~(-1)变化特征的分析

利用2010年阿柔站(草地)和馆陶站(农田)的观测资料,运用阻尼法估算不同下垫面的热传输附加阻尼(kB-1),分析日变化特征,探讨用一个固定kB-1值来估算感热通量,最后将估算值与M_1958、M_1963、M_1982、M_1989、M_1998、M_2002和M_2007七种参数化方案进行比较。结果表明,在不同下垫面上,kB-1变化明显。除玉米下垫面、玉米和裸地混合下垫面外,其余下垫面kB-1均有抛物线型日变化,与地气温差具有相关性。在植被下垫面,可用中值或均值的kB-1计算感热通量。将不同参数化方案计算的感热通量与观测值之间进行比较发现,在裸地下垫面,与观测值最接近的参数化方案是M_1998方案;在混合地表则为M_1958、M_1963和M_2007方案。