干旱区热力学粗糙度特征及对感热通量估算的影响

利用ＨＥＩＦＥ的实测资料估算了黑河实验区几个沙漠戈壁表面上的热力学粗糙度（以附加阻尼ｋＢ＾－１的形式）,发现在任一测站ｋＢ＾－１值的变化范围较大,同时分析了附加阻尼项在估算感热通量时的作用,而忽略该附加阻尼将会导致对感热通量的明显高估,提出在利用阻尼型公式计算感热通量时,不能采用简单的ｚ０ｍ＝ｚ０ｈ的假设,否则会带来较大误差。     

玉树隆宝2014年冬季冻土积雪对陆气通量关键参数的影响分析

利用玉树隆宝湿地的观测资料,分析了未冻结、冻结和冻结有积雪覆盖三种情况下动量通量和感热通量的日变化情况,计算了三种情况下动量总体输送系数、感热总体输送系数、动力学粗糙度和热力学粗糙度,分析了附加阻尼和粗糙度雷诺数的关系,并将三种附加阻尼的参数化方案进行了比较,结果表明:冻结状态下动量通量和感热通量的日变化幅度最大,冻结有积雪覆盖时,动量通量和感热通量的日变化幅度最小。动量总体输送系数C_D和感热总体输送系数C_H的值在冻结时最大,冻结有积雪覆盖时最小,动力学粗糙度和热力学粗糙度在冻结状况下最小,冻结有积雪覆盖时最大。未冻结、冻结和冻结有积雪覆盖状态下,三种附加阻尼kB~(-1)参数化方案中,幂函数型方案较为合适。     

不同下垫面湍流输送计算方法的研究

文章应用三种不同下垫面近地面层风速和温度梯度资料，代入风速和温度廓线公式，迭代求得感热通量及热量交换系数。确定Kh /Kw与稳定参数ξ的关系式。分别利用空气动力学方法和波文比能量平衡法计算潜热通量，并进行了比较。     

在EBEX-2000实验资料中的湍流宏观量特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX-2000 (International Energy Balance Experiment, 2000) 风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据, 计算分析了湍流宏观量(即 u*, T*, σu/u*, σv/u*, σw/u*和σT/T*等), 湍流动能和感热通量等的特征, 并与其他湍流实验得到的结果进行了比较.     

高寒草甸湍流特征量的季节变化特征

利用青藏高原东北边缘的若尔盖高寒湿地生态系统研究站玛曲高寒草甸观测场提供的2010年近地面层梯度和涡动观测资料,基于Monin-Obukhov相似理论(MOST)分析了该地区风速分量、温度、水汽和CO2的归一化标准差随稳定度参数z/L在均匀平坦地表的变化关系及其季节变化特征。结果表明,风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*与稳定度参数z/L呈1/3次方关系,并随|z/L|增大而增大,在近中性(|z/L|0.05)时趋于常数,且σu/u*σv/u*σw/u*;水平方向风速的归一化标准差随空气动力学粗糙度z0m的增大而减小,σw/u*无明显季节变化,可近似为常数;温度、水汽和CO2的归一化标准差在不稳定条件下与z/L呈-1/3次方关系,归一化值随|z/L|的减小而增大,在中性条件下σq/q*σc/C*σT/T*。σT/T*、σq/q*和σc/C*的季节变化分别与感热、潜热和CO2通量的季节变化相反,且主要决定于特征尺度T*、q*和C*。其中感热通量的季节变化与潜热通量、CO2通量相反,且年变化幅度最小,相应地,σT/T*的季节变化与σc/C*和σq/q*相反,且年变化幅度最小。     

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。     

遥感估算绿洲-沙漠下垫面地表温度及感热通量

利用古浪非均匀近地层野外观测试验资料,验证了卫星反演地表温度的局地分裂窗算法在非均匀地区的适用性,进一步给出了提高反演精度的修正方案,并利用修正的反演地表温度算法和改进的空气动力学阻抗算法反演了试验区的感热通量。结果表明,Becker算法最适用于非均匀地区。与近地层野外观测试验观测结果相比,修正后的反演算法反演的地表温度和感热通量更加合理,均方根误差分别为2.38K和23.49W.m-2。地表温度和感热通量的区域分布特征相似,都表现为在绿洲和沙漠区的变化梯度较小,而在过渡区的梯度较大。     

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速。温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m^-2,月平均值为220W·m^-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m^-2,月平均值为230W·m^-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m^-2,平均值为27W·m^-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0．063W·m^-2,夏季动量通量的平均值为-0．091W·m^-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09-10时（地方时）出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。     

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。     

通量-方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析

利用通量-方差法,通过确定速度和温度归一化标准差与稳定度之间的变化关系,估算出东南沿海地区的湍流动量通量和感热通量。我们发现在中性条件下 并不像Tillman等认为是常数,而是随稳定度参数按指数形式变化。与涡动协方差相关测量系统测量结果进行比较发现,通量-方差方法估算结果与测量值两者符合得较好,相关性高,动量通量的相关系数为0.87,而感热通量的为0.95。利用该方法估算沿海近地面层的湍流通量具有一定的代表性。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

黑河实验(HEIFE)──对干旱地区陆面过程的一些新认识

综合介绍“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ＨＥＩＦＥ）”的概况。系统分析干旱地区陆面过程的一些基本问题，它们是：（１）干旱地区地表面热量平衡的基本特征：干旱地区蒸发量很小，地表热量平衡中以感热为主．潜热可以忽略不计。（２）干旱地区陆面过程参数化问题：干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响，否则将造成严重误差。（３）干旱地区一种特殊现象──绿洲与沙漠环境的相互作用：绿洲的“冷岛效应”和临近绿洲沙漠或戈壁的“逆湿现象”是这种相互作用的结果。这些研究结果将加深我们对干旱地区陆面过程的认识。     

SOME NEW UNDERSTANDINGS OF LAND-SURFACE PROCESSES IN ARID AREA FROM THE HEIFE*

The survey for the HEIFE(Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin,Western China) is given in the paper.The following basic subjects for land-surface processes in arid areas are studied:(1) the general characteristics of the energy budget on ground surface in arid areas;(2) the parameterization of the land surface processes;(3) the interaction between oasis and its desert circumstances,a special phenomenon in arid areas.The analysis shows that the sensible heat flux in the surface energy budget is in the majority,and the latent heat flux may be neglected.The influence of atmospheric stratification stability on the turbulent transfer of energy and substance must be considered in parameterization of land surface processes in arid areas.The "cold island effect" phenomenon in oasis and the "humidity inversion" phenomenon in desert near oasis are the result of the interaction between them.The results would improve the understanding of land surface processes in arid areas.     

青藏高原不同地区湍流输送特征及其与气象因子的关系

利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据,对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析,并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明:（1）高原各站之间感热和潜热的差异性较大,但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区,降水极少,全年感热都远大于潜热,波文比年平均值可达到20.0;湿润的比如站和嘉黎站潜热在4～10月均显著大于感热,波文比在4～10月的数值范围在0.27～0.88。（2）高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系,高原中部的感热通量在3～5月达到最大值,而高原西部则在4～6月最大,可能与高原季风的活动有关。（3）通过与气象要素的相关分析表明,高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著,全年的相关系数可以达到0.905,在4个季节相关系数也均大于0.79,这可能与下垫面是裸地有关;高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著,比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显,而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。     

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲\_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.     

干旱区绿洲诱发的中尺度运动的模拟及其关键因子的敏感性实验

利用一个非静力平衡的、高分辨的、二维中尺度大气数值模式，并在仅考虑简单过程的情况下，模拟了干旱区中绿洲所诱发的中尺度运动，并进行了这种中尺度大气运动的强度对绿洲水平尺度、绿洲与周围环境的水平热力差异、大尺度背景场水平风速和大尺度地表加热率等一些重要物理参数关系的敏感性实验研究。研究发现：中尺度大气运动强度随水平热力差异的增大而加强，随背景场水平风速和大尺度地表加热率增强而分别减弱。但随绿洲水平尺度的变化并不像前三个因子一样为单调函数，而是在绿洲水平尺度为20km时中尺度大气运动最强，绿洲水平尺度更大或更小时中尺度大气运动强度均会减弱。通过统计甘肃省河西地区的绿洲水平尺度分布规律，发现绿洲分布最集中的尺度在15－25km，与模拟所得到的能源发最强中尺度运动的绿洲水平尺度基本一致。     

沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差