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。     

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。     

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)。     

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。     

2001～2010年中国区域土地利用/覆盖变化对 陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖数据,利用公共陆面模式（Community Land Model, CLM）模拟真实的土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change, LUCC）对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1）在2001～2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2）在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3）LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4）当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m?2,潜热通量增加0.14 W m?2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d?1、0.009 mm d?1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m?3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。     

敦煌绿洲-戈壁过渡带地表辐射与能量特征分析

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验"2002年在敦煌加强期的资料, 分析了敦煌绿洲-戈壁过渡带的地表辐射和能量特征.研究表明 白天, 绿洲-戈壁过渡带的地表温度和近地层大气温度很高, 和戈壁的地表温度接近;在多数晴天夜晚, 绿洲-戈壁过渡带的地表温度和近地层大气温度要低于戈壁的值.总辐射, 反射辐射和地表长波辐射的值都很接近荒漠戈壁的值, 日积分通量分别为24.48, 6.1, 41.42 MJ*m+-2*d.绿洲-戈壁过渡带的感热、潜热和地表热通量的日积分值分别为6.58, 1.60和0.38 MJ*m+-2*d.同时, 在绿洲-戈壁过渡带有较强的水平湍流输送.     

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

基于Noah-MP陆面模式的青藏高原地表感热和潜热通量分布及变化特征

利用中国区域高分辨率数据集作为大气强迫场,驱动修改了热力学粗糙度参数化方案后的NoahMP陆面模式进行了2000-2018年青藏高原地区陆面过程模拟。用野外观测资料校验模拟结果后,分析了地表感热通量（SH）、潜热通量（LH）的分布及变化特征。结果表明,模式能较合理模拟高原地表感热和潜热通量。高原的中、西部为地表感热和潜热通量的年际变率较大区域。模拟的高原中、西部地区感热通量强于东部地区,且绝大部分区域的感热通量是有增强趋势的。对于整个高原,感热通量从2002年前后呈较明显的增强趋势。总体上,四个季节的平均感热都有较明显的增强,特别是在2010年以后。潜热通量在高原东部地区强于中、西部地区。潜热通量的年际变率相对于感热通量的变率要小。中部地区潜热呈减弱趋势,西部和东部都有弱的增强。对于整个高原,潜热通量在2000-2018年呈弱的增强趋势。其中,2000-2003年潜热通量是增强的,2003-2015年呈减弱趋势,主要因素为在夏季潜热通量的减弱。     

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。     

HEIFE非均匀陆面上区域能量平衡研究

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。本文介绍了一种利用陆地资源卫星ＴＭ资料进行非均匀陆面上区域能量平衡研究的参数化方案。以两个景的ＴＭ资料（１９９１年７月９日,夏季;１９９１年１０月２９日,近冬季）为个例,结合“黑河实验”（ＨＥＩＦＥ）期间的地面观测资料分析研究了实验区非均匀陆面上地表特征参数（地表反射率、标准化差值植被指数和地表温度）及能量平衡各分量（地表净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）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。结果表明：（１）由于黑河实验区下垫面状况十分复杂,戈壁、沙漠与绿洲交错分布,故在整个实验区内各地表特征参数及能量平衡各分量的分布范围亦比较宽;（２）地表特征参数及能量平衡各分量在实验区的绿洲、戈壁及沙漠上各有其特定的代表值;（３）地表能量平衡各分量的区域平均值在整个实验区内基本平衡;（４）夏季与近冬季的地表特征参数及能量平衡各分量的分布特征存在着显著差异。所得的这些结果与地面观测的“真值”和局地研究的结论基本一致。这些分析对非均匀下垫面中尺度模式陆面过程参数化方案的建立以及模式预报效果的检验都具有不可缺少的重要意义。     

不均匀植被分布对地表面和大气边界层影响的数值试验

研究陆地与大气间相互作用的方法之一是建立联系地表面层与大气间各种过程的数值模式进行模拟。本文是建立一个陆面过程与二维大气边界层相耦合的模式,耦合模式中包含了发生在大气边界层、植被冠层和土壤表层各种动力、热力和水文过程。运用这一模式模拟了荒漠环境中一片绿洲的不均匀地表面形成的局地气候。由于绿洲植被与周围荒漠有着显著不同的水份与能量平衡关系,使绿洲表面与边界层较四周荒漠冷而湿,并形成了相应的局地环流,即所谓“绿洲效应”。试验结果表明,模拟的气候状况与观测现象是一致的。模式可以用于陆气相互作用的研究。     

利用MERIS和AATSR资料估算黄土高原塬区蒸散发量研究

基于陆面能量平衡原理,通过对搭载在欧洲空间局环境卫星(Environmental Satellite,ENVI-SAT)上中分辨率影像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)2005年6月7,11和27日的遥感观测资料进行大气纠正等预处理后,得到估算瞬时蒸散发量所需要的地表反照率和植被覆盖度等值,并利用分裂窗法和ENVISAT上搭载的先进的沿轨迹扫描辐射计(Advanced Along-TrackScanning Radiometer,AATSR)的观测资料进行了地表温度的反演,进一步估算出黄土高原塬区午间瞬时净辐射、感热通量和土壤热通量。结合与卫星遥感观测资料同期研究区域气象站的太阳辐射、气温、日照时数和风速等气象要素资料,充分考虑到植被冠层和陆地表面对蒸散发量的不同影响,发展了一个可以估算陆面潜热的简化模型,并将瞬时蒸散发量转化为日蒸散发量。对卫星遥感估算的潜热通量,利用黄土高原塬区陆面过程野外观测试验(Loess Plateau land surface process field Experiments,LOPEXs)的地面通量观测资料进行验证,结果表明:二者最大相对差异为10.9%,最小相对差异为4.8%,并对差异误差产生的原因进行了分析和探讨。     

Parameterization of Heat Fluxes at Heterogeneous Surfaces by Integrating Satellite Measurements with Surface Layer and Atmospheric Boundary Layer Observations

The regional heat flux exchange between heterogeneous landscapes and the nearby surface layer (SL) is a key issue in the study of land-atmosphere interactions over arid areas such as the Heihe River basin in northwestern China and in high elevation areas such as the Tibetan Plateau. Based on analysis of the land surface heterogeneity and its effects on the overlying air flow, the use of SL observations, atmospheric boundary layer (ABL) observations, and satellite remote sensing (RS) measurements along with ...     

Numerical Simulation of Fluxes Generated by Inhomogeneities of the Underlying Surface over the Jinta Oasisin Northwestern China

Using land-use types derived from satellite remote sensing data collected by the EOS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (EOS/MODIS), the mesoscale and turbulent fluxes generated by inhomogeneities of the underlying surface over the Jinta Oasis, northwestern China, were simulated using the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS4.4). The results indicate that mesoscale circulation generated by land-surface inhomogeneities over the Jinta Oasis is more important than turbulence. Vertical heat fluxes and water vapor are transported to higher levels by mesoscale circulation. Mesoscale circulation also produces mesoscale synoptic systems and prevents water vapor over the oasis from running off. Mesoscale circulation transports moisture to higher atmospheric levels as the land-surface moisture over the oasis increases, favoring the formation of clouds, which sometimes leads to rainfall. Large-scale wind speed has a significant impact on mesoscale heat fluxes. During the active phase of mesoscale circulation, the stronger large-scale winds are associated with small mesoscale fluxes; however, background wind seems to intensify the turbulent sensible heat flux and turbulent latent heat flux. If the area of oasis is enlarged properly, mesoscale circulation will be able to transport moisture to higher levels, favoring the formation of rainfall in the oasis and protecting its "cold island" effect. The impact of irrigation on rainfall is important, and increasing irrigation across the oasis is necessary to protect the oasis.     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

下垫面非均匀性的模拟

用美国大气科学中心ＧＥＮＥＳＩＳ模式中的陆面过程方案,我们在一个全球大气模式网格尺度范围内,研究了来自非均匀下垫面的水汽,能量等通量。基于３种不同的模拟下垫面非均匀性的方法,即马赛克法、混合法以及显式次网格法,我们设计了４种不同的试验。模拟结果表明,３种方法计算出的结果有很大的不同：地面吸收的太阳辐射差异达４％;感热通量达１２％;潜热通量达６６％;土壤水分可达３０％。这一结果说明有必要用实测数据来检验不同的模拟下垫面非均匀性的方法以及用区域气候模式来模拟下垫面的非均匀性。     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

Evaporation over a Heterogeneous Land Surface: EVA_GRIPS and the LITFASS-2003 Experiment—An Overview

The Evaporation at Grid/Pixel Scale (EVA_GRIPS) project was realised in order to determine the area-averaged evaporation over a heterogeneous land surface at the scale of a grid box of a regional numerical weather prediction or climate model, and at the scale of a pixel of a satellite image. EVA_GRIPS combined surface-based and airborne measurements, satellite data analysis, and numerical modelling activities. A mesoscale field experiment, LITFASS-2003, was carried out in the heterogeneous landscape around the Meteorological Observatory Lindenberg (MOL) of the German Meteorological Service in May and June, 2003. The experiment was embedded in the comprehensive, operational measurement program of the MOL. Experimental determination of surface fluxes on a variety of spatial scales was achieved by employing micrometeorological flux stations, scintillometers, a combination of ground-based remote sensing instruments, and the Helipod, a turbulence probe carried by a helicopter. Surface energy fluxes were also derived from satellite data. Modelling work included the use of different Soil–Vegetation–Atmosphere Transfer schemes, a large-eddy simulation model and three mesoscale atmospheric models. The paper gives an overview on the background of EVA_GRIPS, and on the measurements and meteorological conditions during LITFASS-2003. A few general results are discussed.