藏北高原高寒草甸地表粗糙度对地气通量的影响

利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所那曲高寒气候与环境观测研究站的BJ观测站2012年1 12月大气湍流观测资料及自动气象站观测资料,应用一种独立的确定地表动力学粗糙度Z0m的方法及两种热力学粗糙度Z0h的参数化方案(Z98和Y07),得出了Z0m和Z0h以及附加阻尼kB-1的变化规律。结果表明,Z0m在一定时间尺度(月、季)上存在着波动,Z0h在高原季风前、盛行期、衰退期有不同的日变化和季节变化特征。结合陆面模式CoLM将地表特征参数代入该模式进行数值模拟,初步探讨了地表粗糙度的变化规律及其对地表通量的影响,结果表明,Z0m的动态变化和Z0h参数化方案的改进提高了CoLM模式的模拟性能,模拟的地表通量更接近观测值。     

塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值计算解析

临界起沙风速是判别风沙活动能否发生的关键指标,其变化受到地表状况及大气环境的综合影响。为了进一步认识临界起沙风速在野外条件下的变化规律,选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中作为研究区,在综合考虑地表土壤粒径、土壤湿度、空气密度等因素的基础上,利用经验公式计算了该地区每月的临界起沙风速。得出：（1）塔中地区2 m高度的临界摩擦速度值介于0.24～0.36 m/s,均值为0.31 m/s;（2）塔中地区2 m高度的临界起沙风速值介于3.9～5.9 m/s,均值为5.1 m/s;（3）塔中地区起沙阈值,最高值出现在夏季,次高值出现在冬季,春季最小。     

塔克拉玛干沙漠腹地流沙下垫面土壤呼吸特征及影响因素分析

通过LI-COR8100A土壤碳通量观测系统分别于2013年1月、5月、10月和11月进行了塔克拉玛干沙漠腹地塔中流沙下垫面土壤呼吸速率测定试验,并分析了相应的土壤水热因子对呼吸速率的影响。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地土壤呼吸速率整体偏低,但具有明显的昼夜波动性和季节变化特征。研究区流沙土壤中可能存在的无机碳过程是导致夜间及凌晨的土壤呼吸速率为负值,白天为正值的主要原因。不同时段的土壤呼吸速率(Rs)分别与土壤表层0~5 cm平均土壤温度(T)和湿度(W)间存在较为同步的昼夜变化趋势且具有良好的回归关系。相对于单因素影响的回归分析,土壤温、湿度的协同作用能够从整体角度更好地解释土壤呼吸速率的变化情况。回归方程Rs=a+bT+cW和Rs=a+bT+cW+dTW可解释不同时段土壤呼吸速率76.0%以上的变化情况。这说明土壤温、湿度是控制土壤呼吸速率的主要环境因子。沙漠腹地土壤极低的水分条件成为土壤呼吸的限制性因子,呼吸速率对于作为限制性因子的土壤湿度的变化响应则更加直接,而对于土壤温度变化的敏感性就有所下降,导致土壤呼吸速率与土壤温度回归关系出现明显的时滞环现象。     

塔克拉玛干沙漠腹地近地表输沙方向探测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地2008年3月—2018年2月实时探测的近地表沙粒运动数据,结合同步观测的气象和土壤等环境数据,分析了该地区近地表输沙方向特征,并基于输沙方向的观测事实,评估了几起沙风风向和输沙势为指标判定输沙方向方法的不确定性。结果表明:(1)塔克拉玛干沙漠腹地近10 a间累计发生风沙活动3 609.8 h,约占总观测时长的4.1%,春、夏、秋、冬起沙时长分别占总起沙时长的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%;(2)起沙时风向主要为N-ESE 6组风向,占总起沙时长的68.8%;(3)利用起沙风风向确定的各方向起沙时长百分比分布与实测结果基本一致,二者相关系数r为0.94,各方向的输沙势百分比与起沙颗粒数二者的相关性较好,相关系数r为0.84～0.93。上述研究结果表明起沙风风向适合判定各方向起沙时长百分比;如果考虑起沙风风速变化,输沙势与各方向的输沙量百分比则更加一致。     

东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明：（1）东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10-3 m,热力学粗糙度为0.32×10-3 m,比辐射率为0.905。（2）地表反照率日变化呈早晚高,中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪,反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。地表反照率关于太阳高度角的参数化方案为：α=0.78-0.47×(1-e^((-h)/1.12)),地表反照率关于5 cm土壤湿度的参数化方案为α=0.28-0.136w_s。（3）将改进后的陆面过程参数带入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。     

塔克拉玛干沙漠腹地浅层地温特征及其影响因子研究

为了更好地了解沙漠腹地浅层地温特征以及对气候的响应关系,利用塔中气象站1996—2015年日平均气温、浅层地温(0～20cm)以及总云量、低云量、日照时数、风速、沙尘日数等资料,分析沙漠腹地地温分布特征以及与气象因子的响应关系。结果表明:浅层地温在春、夏季热量向下传导,秋、冬季则表现为相反趋势,气温和地温(0～20cm)的月平均值分别为11.8、16.4、16.0、16.1、16.1℃和16.3℃;在0～10cm地温之间,变化幅度呈现7月份波动最大,在10～20cm地温之间,12月波动最大,9月份,地温随着深度的增加波动一直是最小的;夏季,地温不是影响气温的主要影响因子,在其他季节,气温与0cm地温相关性最明显;(4)冬季,风速是影响气温和地温的主要气象因子。     

塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2009—2018年的地面观测资料,分析塔中地区的风蚀起沙特征,结果表明:(1)塔中地区临界起沙风速呈明显的季节变化特征,夏季>春季>秋季>冬季,临界起沙风速介于4.47～4.92 m/s;(2)春、夏季是风蚀事件的多发季节,春、夏季沙尘水平通量的平均值分别为2638.9、3298.9 ...     

塔克拉玛干沙漠腹地贴地层风沙流结构研究

利用微梯度集沙仪在塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区实测的2014年7—8月贴地层输沙量梯度观测资料(观测高度区间0~5 mm、5~15 mm、15~35 mm、35~85 mm),对沙尘天气过程贴地层风沙流结构进行了研究。结果表明:(1)沙尘天气(沙尘暴和扬沙)过程中,随着风速的增大,各高度层输沙量也随之增大。沙尘暴天气中,风速7.5 m·s~(-1)时,15~35 mm处的百分含量超过5~15 mm处的百分含量,风速7.5 m·s~(-1)时,15~35 mm处的百分含量达到最大,其余各高度含量变化不明显。扬沙天气中,风速8.0 m·s~(-1)时,百分含量最大值出现在35~85 mm高度处,占48.9%,风速8.0 m·s~(-1)时,大小依次为:15~35 mm(49.5%)35~85 mm(31.7%)0~5 mm(12.7%)5~15 mm(9.2%)。(2)两种天气过程中,沙粒的平均粒径在垂直高度上均呈现先减小后增大的趋势。粒径峰值均处在125~250 um,极细砂含量最高,细砂次之。与扬沙天气相比,沙尘暴天气过程中极细砂、细砂、中砂在各高度层上的含量略微下降,粉尘含量有所升高。     

黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数.研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响.降水正常年份的总体粗糙度为0.009 m,偏干年份总体粗糙度为0.006 m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大.对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近.分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式.总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关.通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强.最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式.     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

塔克拉玛干沙漠地表发射率及分布变化特征

通过利用便携式傅立叶变换热红外光谱仪,对冷热黑体辐射和漫反射金板辐射校正,测量波长在8–14 μm的热红外大气窗口的地表辐射光谱,计算出地表的发射率光谱,再转换成地表的发射率值(ε)。为获得塔克拉玛干沙漠精确的ε,沿着沙漠公路,从南至北穿越沙漠,平均每50 km进行一次测量,获得了沙漠地表发射率的分布变化特征。结果表明：靠近绿洲的地表发射率值最高,达到0.93,绿洲与沙漠过渡带的值为0.91–0.92,沙漠其它地区的值为0.90–0.91,而沙漠中心区接近0.89。     

塔克拉玛干沙漠腹地近地层春季铅直湍流的小波分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层10m高度处快速响应探测系统的湍流资料,对春季晴天和沙尘暴天气下不同稳定层结的铅直湍流脉动进行小波变化及其方差分析,以期了解铅直湍流的尺度结构特征。结果表明,不稳定层结条件下,春季晴天近地层的铅直湍流脉动以12—17S的周期为主,最小周期为1-1．5s;春季沙尘暴时最主要的周期则为6-10s,最小周期为0．4—0．6s。沙尘暴时不稳定层结的湍流尺度总体上小于晴天,较小尺度波动振荡更加明显,湍流运动比晴天更加频繁。稳定层结条件下,春季晴天以10—16S的周期振荡为主,最小周期为1．3-1．8s;春季沙尘暴则以11—20s的周期振荡为主,最小周期为0．5—0．8s。晴天稳定层结时的铅直脉动比沙尘暴时周期小,小周期的湍流运动更明显一些,但周期更小的波动在沙尘暴天气时则多一些。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴发生条件分析

利用塔中气象站1997—2002年的气象资料, 从沙尘源丰富程度、风动力条件和空气稳定度等方面分析了塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴的成因。结果表明:在塔克拉玛干沙漠腹地, 沙尘源极为丰富, 为沙尘暴发生提供了必要条件, 降水基本不能改变沙面的湿润状况, 沙尘源丰富度不是沙尘暴发生的限制因子; 风动力是沙尘暴发生的重要条件, 而月平均风速和大风日数是风动力的重要定量表征指标; 空气稳定性也是沙尘暴发生的重要条件, 温度和天气过程是其重要标志, 沙尘暴发生与温度呈正相关, 沙尘暴多发生在夏季和午后; 降水是沙漠腹地天气过程的重要指标, 月降水日数和降水总量与沙尘暴日数呈正相关; 20世纪90年代以来沙尘暴逐年减少, 这种变化趋势可能与全球气候变化有关。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

塔克拉玛干沙漠腹地的长波辐射变化特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站(塔中站)实测的长波辐射资料,分析了流动沙漠区的长波辐射特征.结果表明:地表长波辐射能具体地反映地表失去热能的状况.在沙漠区,由于地表层的湍流运动较强以及下垫面温度与空气温度的差值较大,使得地表向大气传输的热通量较大,所以地面长波辐射值较大,有时接近于总辐射,最小值出现在日出前,最大值出现在15:00左右;由于大气中的水汽含量及云量较少,而沙尘气溶胶含量较高,所以大气长波辐射较大,沙漠区有效辐射也较大,为我国有效辐射年总量最高的地区之一.地表放射的净长波辐射在太阳总辐射中所占的比例小于地表反射辐射,只有在春、夏季两者较接近,且以反射辐射大些.区域气候变化过程中,沙漠加热场的强度是沙漠局地天气气候变化的主要影响因素之一.     

塔克拉玛干沙漠腹地一次风蚀起沙观测试验

风蚀起沙对生态环境、人类健康及社会经济等具有很大的负面效应。利用美国Sensit公司生产的H11-LIN型风蚀传感器及贴地层风速梯度探测仪,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区一次风蚀起沙过程进行了监测。结果表明：（1）风蚀起沙与微气象是一个互相影响互相制约的变化过程;（2）在此次观测试验过程中,我们观测到的最小起沙风速为6.0 m/s左右,同时发现起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势,最小的起沙风速出现在风蚀开始发生的时候;（3）近地表风速廓线受沙粒运动影响明显,随着起沙量的增加,风速随高度变化的幅度增大,此时的风速廓线已不再遵循对数分布规律;（4）利用风蚀传感器测得塔中地区沙粒的临界起动摩擦速度为0.25 m/s,该值与经验公式估算的0.24 m/s非常接近,表明风蚀传感器在塔中地区具有较好的适用性;夏季塔中地区地表土壤湿度对风蚀起沙的阻碍作用可以忽略不计。 ?     

塔克拉玛干沙漠腹地1961-1998年逐月平均气温序列的重建

 利用塔里木盆地周边27个气象站1961-2006年逐月平均气温和塔中气象站1999-2006年逐月平均气温资料,同时选取1961-2006年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°经纬度距地表2 m的月平均气温再分析格点资料,分别用逐步回归分析、EOF分解和NCEP资料3种方法对塔中气象站1961-1998年历年逐月平均气温序列进行了恢复与重建,分析了误差,并与周边气象站的变化特征进行对比。结果表明,逐步回归和EOF法都能够作为重建塔中逐月平均气温的方法,但相对而言,逐步回归法重建的序列误差更小,平均拟合绝对误差为0.3℃,最大绝对误差为1.9℃。而NCEP/NCAR资料由于冬季存在明显的系统性误差,数值显著偏高,不能用于塔中气温序列的重建。     

秋季南疆沙漠塔中边界层O_3浓度及影响因子分析

利用2008年10月11～17日的系留气艇探空资料,分析了塔中边界层O3浓度的变化特征及其与气象因子的关系。结果表明:塔中秋季边界层O3浓度均值为48.7×10-9。在边界层内中午O3浓度随高度升高几乎没有变化;深夜和清晨O3浓度从地面随高度的升高逐渐增大;傍晚O3浓度最大,随高度的升高缓慢减少,达到一定高度后变化均很小。O3浓度随高度变化明显,从1m到700m高度的O3浓度变化分为不稳定型、过渡型和稳定型。根据廓线变化方式分为深夜清晨型、中午型、傍晚型。分析表明,秋季O3浓度与温度、相对湿度、比湿、风速有关。在深夜和清晨出现逆温层,在逆温层内O3浓度较低。O3浓度与相对湿度呈负相关,02:00和08:00的相关性最显著。在深夜和清晨比湿与O3浓度基本上是呈反相的关系。O3浓度与风速的相关性除了深夜相对较高外(R=0.699,n=33,p0.001),其余时间均不太明显。     

塔克拉玛干沙漠腹地逐日太阳总辐射模拟计算 -以达理雅博依绿洲为例

基于塔克拉玛干沙漠腹地面积最大的天然孤立绿洲达理雅博依2015年1月—2016年2月太阳总辐射观测资料,运用H.L.Penman经验公式模拟计算了该地区2015年逐日总辐射累计量,模拟值与实测值的误差分析显示:本气候学方法成功模拟了沙漠腹地总辐射的年内变化趋势。使用模拟值估算得到达理雅博依绿洲2015年太阳总辐射累计量约为5 332.23 MJ·m-2。又以相同方法模拟了塔中气象站2015年3—5月总辐射变化,结果较达理雅博依的模拟更接近实测值,说明本模拟在塔克拉玛干沙漠腹地不同地点结果有效。