春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

青藏高原地面感热及其异常的诊断分析

利用青藏高原主体60个地面气象观测站1961～2000年历年各月本站气压、地面气温、风速、地表温度等资料,计算了高原地面拖曳系数CD和地面感热通量.通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法,对各季代表月CD系数和地面感热通量的基本气候特征,以及地面感热通量异常变化的空间结构和时间演变趋势作了较系统的诊断研究.结果表明:利用40年资料计算的拖曳系数与地面感热通量可以较好的反应青藏高原下垫面感热的基本气候特征,即高原CD系数东南部大,西北部小;冬季大,夏季小.多年平均高原地面感热通量仅在冬季小范围出现弱的负值,其余季节感热均为正值.感热通量大的地方其年际变化也大,其年际异常的主要空间型,第一是南北差异,第二东西差异,第三为高原主体及东部地区与外围的差异.其在年际变化中存在明显的10年际以上变化趋势,具体表现在1961～2000年期间,冬季高原北部和西部地区地面感热有减弱趋势,而高原中部和东南部呈明显的上升趋势.夏季高原主体及东部地区感热通量不断加强,而高原西部地区则相反.春、夏、秋三季均以13年以上的长周期振荡为主,冬季第一主分量表现为准3年的短周期变化.       

土壤湿度年际异常对中国春、夏季气候模拟的影响

基于NCAR大气模式CAM3.1模式,设计了有、无土壤湿度年际异常两组试验对中国区域近40a(1961-2000年)气候进行了模拟。从气候态和年际变率的角度,通过分析两组试验的差值场来探讨土壤湿度年际异常对气候模拟的影响,并初步探讨了影响的可能机制。结果表明:模式模拟的温度和降水对土壤湿度的年际异常非常敏感,土壤湿度的年际变化对中国春夏季气候及其年际变率均有显著影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,模式模拟的春夏季平均温度、最高温度、最低温度在我国大范围内降低,春夏季降水在东部大部分地区明显减少,西部增加。而模式模拟的春夏季温度、降水年际变率在中国大部分地区减弱。但当考虑土壤湿度的年际变化,则能在一定程度上提高模式对气候年际变率的模拟能力。在进一步分析表明土壤湿度年际异常时,主要通过改变地表能量通量和环流场,对温度、降水产生影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,地表净辐射通量减少,地表温度降低,感热通量减少。感热通量差值场的空间变化和温度差值场的空间变化一致,感热通量对温度有一定影响。而潜热通量差值场的空间变化和降水的差值场的空间变化一致,可见降水受地表潜热通量的影响。土壤湿度年际异常引起的环流场的变化也是导致气候变化的原因之一,地表能量和环流场年际变率的改变对春夏季气候年际变率存在一定影响。     

5月青藏高原5套地表感热通量资料的对比分析

基于1979-2017年5月青藏高原地区149个站点观测资料计算的地表感热通量（OBCH）和4套再分析资料提供的地表感热通量,对比分析了青藏高原地表感热通量的时空变化特征。结果表明：5月各地表感热再分析资料在高原主体部分（3 000 m以上部分）的气候平均值均为正值,说明高原主体5月为同一热源,且均呈高原西部（90°E为界）感热通量偏大,东部偏小的特征。5月高原主体各套平均地表感热通量均呈减弱趋势,除ERA感热表现为增强外,其余3套再分析资料在高原西部均表现为减弱,减弱趋势显著;5套资料在高原东部均表现为减弱趋势,除OBCH资料外,均表现为显著减弱。EOF分析发现,除了ERA-Interim资料,其余4套资料在高原主体第一模态主要表现为一致性变化,第二模态空间分布呈明显差异。从各套资料与OBCH资料的时间相关来看,ERA-Interim资料与OBCH资料相关系数可达0.70,说明二者在5月具有较好的年际变化一致性特征,而NCEP2资料与OBCH资料相关系数仅为0.33,说明二者具有较大的年际变化差异。     

中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征

基于1979—2017年ERA再分析资料地表潜热和感热通量数据,采用经验正交函数(EOF)和功率谱方法对中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征进行分析。结果表明:(1)中国西南地区,春季感热通量比夏季大;而潜热通量则是夏季大、春季小。春夏季感热通量在2000年以后有明显减弱;而春夏季的潜热通量从2000年以后显著增强。(2)春季感热通量主要存在3种模态空间型,表现为东西反向、全区一致和"-+"偶极子分布;夏季感热通量主要存在2种模态空间型,表现为空间分布一致型。相应的时间系数表征了夏季感热通量显著的年代际变化特征。春季潜热通量存在3种模态空间型,主要表现为全区一致、东西反向和由中心向外递减分布;夏季潜热通量主要存在2种模态空间型,主要表现为全区一致型和由西北向东南呈梯形逐步增强的趋势。相应的时间系数表征了潜热通量显著的年际和年代际变化特征。(3)春夏季感热通量主要有3 a左右的年际变化和10 a以上的年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。春夏季潜热通量主要存在10 a以上的年代际变化特征。     

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。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

基于多种资料的青藏高原地表感热的对比分析

青藏高原地表感热通量是高原热源的主要分量之一,对高原局地天气系统、我国天气气候以及亚洲季风等都有着重要影响。选取1980～2016年青藏高原的站点资料和ERA-Interim、NCEP1、NCEP2再分析资料,计算高原地表感热通量的分布状况和时间变化特征并对不同资料得到的结果进行比较分析,结果表明:4种资料在夏季的空间分布、年际变化,高原中部的年际变化,以及长期变化趋势上具有较好的一致性,其中ERA-Interim感热资料较优于其他两种再分析资料。青藏高原的地表感热通量分布呈西高东低的特征,年均最大值出现在柴达木盆地,最小值位于贡山;区域平均值春季最大,冬季最小。感热逐月变化呈单峰型分布,不同分区的年际变化均在2001年或2003年由减弱趋势转变为增强趋势。      

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

稀疏植被地表反照率日变化对通量模拟效果的影响分析——以内蒙古荒漠草原感热和潜热通量为例

基于Noah陆面过程模式,利用内蒙古荒漠草原陆—气通量长期定位观测资料,模拟了地表反照率日变化对该荒漠草原感热和潜热通量的影响。结果表明,地表反照率的日变化将改善Noah陆面过程模式对内蒙古荒漠草原感热通量的模拟,但对受水分制约的潜热通量的改善效果不明显,表明准确地模拟地表反照率的日变化对模拟稀疏植被的感热通量至关重要。     

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

中国南方地表感热通量的时空变化

利用测站常规观测资料及经验公式计算得到我国南方地区地表感热通量资料,并分析了地表感热通量的时空变化特征。一年四季中,南方西部地区的感热通量基本都是呈线性增加趋势,而中、东部地区的感热通量则是线性减小的;南方地区感热通量的时间变化以年际变化为主。地气温差是决定地表感热通量逐年变化的最主要因子,近地面风速次之。地表感热通量年际分量的经验正交函数分解结果表明,四季感热通量异常的第一种主要变异模态皆为全区同号的分布型,而第二主要变异模则是呈东西反号的分布型。      

地表感热的时空分布特征及其与邻近海洋海温异常的关系

利用1949—2000年NCEP／NCAR再分析资料中的地表感热通量资料,分析了全球地表感热的时空分布特征。结果表明：青藏高原地表感热是全球感热的主要部分,高原地表热源表现出明显的非均匀性,高原东西部热源呈反位相变化。高原西部、东部和北非地区是地表感热年际和年代际异常的关键区。SVD分析发现,高原东、西部感热异常与西北太平洋和赤道中印度洋的海温异常有很好的相关关系。     

青藏高原积雪对陆面过程热量输送的影响研究

利用1979-2016年中国区域长时间序列逐日雪深资料,分析了青藏高原积雪深度与积雪日数的分布及变化特征,并将积雪期划分为三个阶段(积累期、鼎盛期和消融期),结合ERA-Interim月平均再分析资料,分析了积雪与地表热状况(气温、地表和土壤温度)和能量输送量(地表净短波辐射、地表净长波辐射、感热通量、潜热通量、地表热通量和土壤热通量)的相关关系,初步探讨了积雪在高原陆面过程中的作用。结果表明:研究时间范围内青藏高原积雪(深度和日数)主要呈减少趋势,仅在黄河源区及高原边缘地区为增加趋势,积雪鼎盛阶段(1-2月)的减少趋势最显著;高原积雪对地表主要起降温作用,深层土壤温度对积雪的响应存在滞后性,积雪的减少抑制了土壤向上的热量输送进而不利于冻土的发育;高原积雪与地表感热和地表热通量主要呈现负相关关系,潜热通量与积雪也呈负相关特征但比感热通量的相关性小。由于ERA-Interim资料对高原积雪深度的描述与本研究使用的卫星遥感积雪深度存在较大偏差(包括空间分布、气候倾向率、年际变化以及绝对大小等),导致本研究中积雪与地表热状况和热通量的相关度不高,需要通过陆面模式模拟做进一步探讨。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

春季亚洲中东部地表感热通量的变化特征及其与中国夏季降水的关系

采用1951～2000年NCEP/NCAR再分析资料中的逐月感热通量资料,分析了亚洲中东部春季近50年地表感热通量的气候分布特征,结果表明:亚洲中东部春季地表感热通量的高值区位于华北、西北和印度地区;低值区主要位于东北、江南和蒙古国北部;青藏高原、中国东部30°N附近地区和印度中部地区是感热通量年际变幅最大的区域.运用...     

陆气双向耦合模式中全球感热和潜热通量的时空特征模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)含有动态植被过程的海-陆-气耦合模式AVIlVI-GOAIS的积分结果,与ERA-40再分析资料的感热和潜热通量场进行对比分析,结果表明:AVIM-GOALS模拟的感热和潜热通量的气候态、季节变化等特征和ERA-40一致,其中感热通量的纬向分布为双峰型,而潜热通量从1～7月...