藏东南地区复杂下垫面能量收支特征分析

利用公益性行业（气象）科研专项项目＂藏东南地区复杂下垫面地气交换观测研究＂在藏东南地区进行的地气交换观测实验数据,分析典型晴天和阴天条件下不同下垫面能量过程的特征及其差异。结果表明：在典型晴空状态下,不同下垫面的地表净辐射均具有明显的日变化特征,在典型阴天的情况下,不同下垫面地表净辐射日均值显著减小;在典型晴空天气下,4种类型下垫面上潜热均随着净辐射的增加而表现为增加的趋势,在典型阴天的情况下,潜热通量明显比晴空天气小;不同下垫面感热通量的日变化存在显著的差异,不同下垫面感热的变化特征在典型晴空和阴天条件下的差异不明显;不同下垫面土壤热通量与净辐射的变化趋势基本一致,阴天夜晚土壤热流的交换与晴天夜晚的差异不大,四种下垫面土壤均存在能量损失,土壤处于降温状态。     

兰州市南山绿化地裸地冬季地表辐射及能量收支对比

利用2005年12月7~29日在兰州市皋兰山顶获取的地气相互作用观测资料,对比分析了冬季典型晴天和平均状态下绿化地与裸地地表辐射、能量收支及土壤温、湿度的日变化特征。结果表明:绿化地和裸地太阳总辐射、大气长波辐射很接近,地表短波和长波向上辐射因不同下垫面特征不同而差异较大;地表能量平衡绿化地、裸地均以感热输送为主,土壤热通量和潜热输送很小,尤其是潜热通量,峰值往往不超过10 W.m-2;观测发现绿化地感热比裸地高,这一反常现象值得进一步研究证实;观测期平均特征与晴天比较接近,表明云和降雪的扰动影响有限;绿化地、裸地地表日平均反照率相对稳定,绿化地日平均反照率在0.20~0.28之间变化,裸地在0.25~0.31之间变化,平均值分别为0.21和0.29。     

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

黄土高原典型塬区冬小麦地表辐射和能量平衡特征

利用2006年4～7月黄土高原陆气相互作用试验实际观测资料,分析了黄土高原典型塬区冬小麦生长过程中不同天气条件下的地表通量特征。发现在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。地面向上长波辐射在晴天、阴天、降水天时依次减小,到达峰值时间约滞后总辐射峰值到达时间1 h左右。大气向下长波辐射与地表向上长波恰恰相反,晴天量值最小,基本稳定在300 W·m-2左右,阴天和降水天依次增大。潜热是能量通量的主要消耗项,在夜间也大于零,夜间感热则为负值。土壤热通量达到峰值时间滞后于净辐射峰值到达时间约1.5 h,其日平均值晴天为正,阴天约为零,降水天则为负值。日平均波文比阴天大于晴天和降水天。植被覆盖度高时,土壤植被系统截留的总辐射也高。     

半干旱地区吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验

简单介绍了吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验,该实验站同时也是国际协同加强观测计划(CEOP)的地面观测站.分析了2002年10月～2003年3月(CEOP-EOP3)非生长季观测到的近地面层微气象及能量通量资料.结果表明,在非生长季,半干旱地区农田和退化草地下垫面近地面层能量收支基本一致;感热通量占主要地位,占净辐射通量的70%左右;潜热通量及地热流都很小,通常小于30 W m-2.土壤温度日变化主要集中在地表以下20 cm土壤层,20 cm以下土壤温度日变化很小,但存在明显的季节变化.在非生长季,土壤表层10 cm厚度内,草地下垫面土壤体积含水量比农田大;20 cm以下深度土壤体积含水量的日变化很小,同样存在季节变化.     

甘肃中部旱作农田地表能量收支特征分析

利用在甘肃中部旱作农田多年积累的波文比能量平衡及辐射观测资料,分析了平均气候状态及不同天气状况下旱作春小麦农田不同生育期的辐射能量变化特征。结果表明:1)在晴天状况下的旱作春小麦农田,能量平衡各分量、总辐射、直接辐射、大气透明度系数P2等项中,每个要素在不同生育期的日变化趋势都是相同的,但是在量值上却存在差别,一般都是随着春小麦生育进程的变化而逐渐增大;2)在春小麦各生育期内,晴天波文比的日变化趋势相同。波文比值夜间大于白天,白天上午又相对大于下午,一日中波文比的最小值出现在下午3～4时左右。从整个生育期来说,波文比随生育进程的变化而逐渐增大,但是潜热交换一直居于主导地位,而感热输送只是处于从属地位,白天波文比总是<1;3)晴阴天不同天气状况下,农田地表获得的能量在量值上存在差别,阴天时总辐射、净辐射的日总量值一般为晴天时的30%～40%,可利用能量的分配规律在不同天气状况下不同,晴阴天潜热与感热的变幅约在15%。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

黑河下游鼎新戈壁近地层能量输送及微气象特征

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的"绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究"野外试验2005年5月16~21日的加强期观测资料,计算并分析了鼎新戈壁下垫面地表辐射平衡、地表能量平衡、地表空气动力学粗糙度、地表反射率以及动量、热量总体输送系数等物理量的变化特征,得到了鼎新戈壁下垫面近地层能量输送及微气象特征:(1)在5月份晴天天气下,太阳辐射各分量表现出了标准的地表辐射平衡的日循环形态,总辐射峰值可达1000 W.m-2以上;净辐射峰值达到526 W.m-2。(2)能量平衡各项都具有明显的日变化规律;白天感热通量最大值可达到400 W.m-2,潜热通量比感热通量小两个量级,地热流量峰值可达100 W.m-2以上;在下午和夜间存在负的水汽输送现象。(3)在中性条件下:z0=1.44×10-3m,CDN=2.1×10-3,CHN=1.8×10-3。(4)5月份地表反射率为0.217,反射率日分布大致呈"U"型。     

南疆沙漠腹地夏季晴天与沙尘日小气候观测对比分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2006年8月13-31日近地层微气象资料以及常规地面观测资料,选取晴天与沙尘日个例,采用波文比能量平衡方法,对比分析了晴天与沙尘日沙漠腹地的小气候和地表能量平衡特征.结果表明,晴天气温、地温日变化幅度均大于沙尘日,各深度地温极值出现时间滞后于沙尘日;晴天夜间近地层存在逆温,沙尘日具有等温性;晴天夜间比湿较大,白天较小,沙尘日夜间比湿变化平缓,在沙尘暴发生时,比湿急剧增大,并有弱的逆湿现象存在;沙尘日总辐射、反射辐射、净辐射和感热通量比晴天明显偏小,向下长波辐射却大于晴天,但潜热变化差异不太明显.     

藏北高原地面加热场的季节变化

利用五道梁１９９３年９月～１９９５年８月的辐射收支资料，分析了该地区地面加热场的季节变化特征，结果表明：春，秋季地面加热场强度有明显的急增加减过程，正是加热场的这种突变引起了季节的明显转换，冬季地面积雪多的年从那面加热场强度较弱，第二年夏季加热场强度则较强；地面加热场强度的季节变化明显，夏季强，冬季弱；冬季地面积雪时间较长时，由于地表反射率增大，地中释放的土壤热通量较无雪时减少，可能造成该地区地面     

Vertical Heat Transfer in the Lower Atmosphere over the Arctic Ocean During Clear-sky Periods

A diagnostic study of heat transfer within the lower atmosphere and between the atmosphere and the surface of the Arctic Ocean snow/ice pack during clear-sky conditions is conducted using data from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA) field experiment. Surface heat budgets computed for four cloudy and four clear periods show that, while the net turbulent heat fluxes at the surface are small during the cloudy periods, during the clear-sky periods they are a considerable source of surface heating, balancing significant portions of the conductive heat fluxes from within the snow/ice pack. Analysis of the dynamics and thermodynamics of the lower atmosphere during the clear-sky periods reveals that a considerable portion of the heat lost to the surface by turbulent heat fluxes is balanced by locally strong heating near the atmospheric boundary-layer (ABL) top due to the interaction of subsiding motions with the strong overlying temperature inversions surmounting the ABL. This heat is then entrained into the ABL and transported to the surface by turbulent mixing, maintained by a combination of vertical wind shear and wave-turbulence interactions. The frequency of stable, clear-sky periods, particularly during the winter, combined with these results, suggests that the downward transfer of heat through the lower atmosphere and into the surface represents an important component of the heat budgets of the lower atmosphere and snow/ice pack over the annual cycle     

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。      

Heat flux parameterization for sparse and dense grasslands with the analytical land-atmosphere radiometer model (alarm)

The dependence of radiometric surface temperature (_s) on view angle and the unclear definition of the aerodynamic temperature, which is the temperature that gives the correct sensible heat flux estimate at a specified roughness length, bring about a challenge in estimating sensible heat flux from _s. An analytical-land-atmosphere-radiometer model (ALARM) has been developed to convert _s taken at any zenith view angle to a clearly defined equivalent isothermal surface temperature, _i, at a defined scalar roughness length. ALARM is an analytical model based on K-theory that links the foliage temperature profile to the radiometric surface temperature and the temperature felt by the turbulent lower atmosphere. ALARM has previously been applied with slightly different values of its parameters to several grassland sites of varying canopy density. Our objective in this study was to apply ALARM to these and to one additional dataset with a single parameterization. When compared to the reference (measured) values of sensible heat flux H, ALARM estimates of H had root mean square errors of about 35 W m^-2. These results were comparable to those from two other simple canopy models also tested with these datasets.     

城市热岛时空特征及其影响因素

城市热岛强度呈周期性和非周期性交叉性时间变化,水平分布呈现单中心式、多中心、条状、辐射状、格网状等多种格局形式,同时具有明显的立体空间分布特征。城市热岛的形成原因及影响因素诸多,主要归纳为人为热量释放、下垫面性质和结构、植被减少、大气污染、城市格局、天气状况等。     

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原（简称高原）及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19～21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明：此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。     

Towards Closing the Surface Energy Budget of a Mid-latitude Grassland

Observations for May and August, 2005, from a long-term grassland meteorological station situated in central Netherlands were used to evaluate the closure of the surface energy budget. We compute all possible enthalpy changes, such as the grass cover heat storage, dew water heat storage, air mass heat storage and the photosynthesis energy flux, over an averaging time interval. In addition, the soil heat flux was estimated using a harmonic analysis technique to obtain a more accurate assessment of the surface soil heat flux. By doing so, a closure of 96% was obtained. The harmonic analysis technique appears to improve closure by 9%, the photosynthesis for 3% and the rest of the storage terms for a 3% improvement of the energy budget closure. For calm nights (friction velocity u _* < 0.1 m s⁻¹) when the eddy covariance technique is unreliable for measurement of the vertical turbulent fluxes, the inclusion of a scheme that calculates dew fluxes improves the energy budget closure significantly.     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

五道梁地区的辐射特征

本文分析了1986年中美联合考察期间五道梁站的地面辐射平衡的气候学特征。五道梁地区夏季直接太阳辐射强,空气洁净,大气透明度好。太阳辐射在大气中的削弱以分子散射和臭氧吸收为主。总辐射中以散射为主。光谱反射率中太阳短波反射率为0.13,太阳红外反射率为0.25,雪面上二者接近;反射率受土壤湿度影响明显,在太阳高度角较小时,各波段反射率有不同的变化趋势。地表比辐射率约为0.90。地表净辐射和地面热源强度大。太阳紫外辐射大,占总辐射的比例也大。