中国土壤热通量的时空分布特征研究

利用中国生态系统研究网络(CERN)的17个野外台站2004～2007年的实测土壤表层热通量资料,分析了土壤表层热通量的季节和空间变化规律。土壤热通量从2月份开始由负值转变为正值,9月份左右开始由正值转变为负值,在3～8月份土壤热通量的值都为正值,12月至次年1月土壤热通量都为负值。空间分布上,东北地区和西北地区季节变化明显,年变幅比较大,长江流域地区夏季增加幅度小,年变化幅度也比较小,青藏高原地区四季都相对为低值地区,年变幅比较小,总的空间变化趋势是春夏季北高南低,秋冬季节南高北低。土壤热通量年合计值在东北黑土地地区、西北荒漠地区、黄土高原陕北地区和四川盆地地区是高值区,长江流域下游和黄河流域中下游冲积而成的区域为负值区。研究结果为进一步研究土壤的生态环境形成和变化提供了参考依据。     

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。      

青藏高原地表特征时空分布

通过利用地理信息数据库、卫星反演参数、气象观测数据,分析了我国青藏高原地区地表植被覆盖、地表反照率分布、地表蒸发分布、地表积雪分布.结果显示,随着青藏高原地表年平均气温的显著升高,青藏高原部分区域地表覆盖特征也发生了改变.在青藏高原南缘湿润大区降水充分地区,地表反照率相对较低,潜热蒸发量最大,1982～2000年期间地表植被覆盖呈明显增加趋势.青藏高原地区积雪覆盖在各个气候区域也呈现同步变化特征,自1970～1989期间,降雪量呈持续增加趋势,但之后至2000年期间,全区降雪量呈下降趋势,其中积雪覆盖变化最强烈的时段发生在10月～4月之间,变化幅度最大的区域位于青藏高原的东南部区域.     

青藏高原深层土壤热通量的变化特征分析

青藏高原地表热状况不仅对局地天气和气候变化有重要影响,而且还在次季节到季节尺度上对周边特别是下游地区的短期气候变化产生影响,因此日益受到研究者的关注。土壤热扩散率和土壤热通量是决定土壤热状况的两个重要因素。不同于以往的研究,本文利用青藏高原地区1980—2001年39个气象站0.8 m和3.2 m的土壤温度资料,采用热传导对流法计算了0.8~3.2 m深层土壤热扩散率和土壤热通量,分析了它们的年变化和年际变化特征,并分析了深层土壤热通量和高原季风的相关关系,得到了一些有意义的结论。青藏高原深层土壤温度随深度的增加振幅减小、位相延迟;在1980—2001年间,土壤热扩散率的变化总体呈减小趋势;土壤深层热通量年变化与土壤表层热通量的年变化具有相反的相位;总热通量与对流热通量的变化具有相同的相位;深层土壤热通量月平均值在冬季为负值(定义热流向上为正),夏季土壤热通量都为正值。土壤热通量与高原冬季风指数的变化趋势相反,相关系数为-0.53;而与高原夏季风指数变化趋势一致,相关系数为0.58,都通过了95%的显著性检验。这些结论对于促使我们认识高原陆气相互作用是非常有意义的。     

中国土壤热通量的气候计算及其分布特征

根据北京等6个热平衡站的资料，通过5种方案计算比较得出土壤热通量Qs动的气候计算方法Qs＝2．826·△θs-20＋0．486·△T－0．777这里△θs-20、△T分别为土中5与20厘米温差和地一气温差．该式相关比为0．897，平均拟合误差1．4wm-2。据此计算全国215站的土中热交换量，并分析其时空变化，得出一些有意义的结果。     

青藏高原土壤湿度时空分布特征研究进展

土壤湿度是陆面过程的重要参量,可以通过影响土壤本身的热力性质和水文过程,导致局部大气环流的改变以及区域性短期气候异常。青藏高原作为全球气候变化的敏感区,其地气间的水分与能量交换对亚洲季风和全球大气循环有着极大的影响,且高原地区的土壤水分数据能够为陆-气相互作用和数值模拟等研究提供重要的观测信息和初始输入数据。文中综述了青藏高原土壤湿度观测和研究对气候变化影响的重要性,高原土壤湿度观测站网建设现状,各种土壤湿度替代资料的适用性和评估研究,以及高原土壤湿度时空分布特征对降水的影响与气候变化响应,并提出了今后青藏高原土壤湿度研究着重解决的问题。      

青藏高原汛期降水的时空分布特征

根据1967～2008年青藏高原地区67个气象台站的月平均降水资料,利用线性趋势分析、EOF分解和Morlet小波变换等方法分析了青藏高原地区汛期(5～9月)降水的时空分布特征.结果表明:青藏高原汛期降水存在明显的区域性差异,EOF分解揭示出青藏高原汛期存在3种主要的空间分布型:南北反向型、全区一致型和东南-西北反向型...     

青藏高原西部地表热通量输送的低频特征

以1997年9月-1998年10月青藏高原西部改则地区自动气象站(AWS)近地层连续观测的梯度资料为基础,计算了高原西部地面感热通量、蒸发潜热通量及地面热源强度,应用Marr小波变换重点分析了地表热通量输送以及与此相关的降水量、土壤湿度和土壤热通量的周期振荡特征.结果表明:地面感热具有明显的30～60天低频振荡,并且在夏季存在准8天的中期振荡;蒸发潜热和降水量以准双周振荡为主.土壤热通量以30～50天低频振荡为主,夏季还存在准8天的中期振荡;土壤湿度在冬季呈现明显的30～50天低频振荡,夏季则为20～30天的低频振荡.     

南海地区热通量的时空变化特征

本文利用美国 NCEP1958-1998 年高斯网格月平均再分析资料,分析了南海及周边地区(0～20°N,100～125°E)热通量(包括潜热通量和感热通量)的时空变化,结果表明该潜热通量、感热通量具有明显的季节转换特征.南海中部海区是潜热通量、感热通量季节变化最剧烈的关键区,南海季风对潜热、感热输送均有影响,并且蒸发潜热输送大于感热输送.EOF 分析表明,风速对潜热、感热输送贡献较大,另外气温和相对湿度对潜热输送有贡献,而水温与气温差对感热输送有贡献.整个南海地区潜热通量、感热通量具有明显的年际变化特征,潜热通量存在5～8 a 以及 2 a 左右的周期振动,而感热通量只有 5～8 a 的周期振动.     

青藏高原中东部地区地表感热通量的时空变化特征

基于1970—2015年青藏高原地区78个站点的观测资料,应用物理方法计算了高原中东部地区的感热通量。利用小波分析、相关性分析等研究了高原中东部感热通量的时空特征和影响因子。结果表明,高原年平均和春夏季节,感热通量周期为3~4 a,而秋冬季节为2~3 a;感热通量的变化趋势为,1970—1980年和2001—2015年感热通量呈增加趋势,而1981—2000年呈减小趋势;高原年平均和各季节的最强感热加热中心均位于高原南坡E区（除冬季外),最弱加热区域位于高原西北部A区（夏季除外);高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布且梯度相反,夏季呈现自东到西的梯度;春季、夏季及秋季,高原感热通量和降水呈负相关;高原10 m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。     

不同土壤类型的热通量变化特征

利用2004—2007年中国科学院中国生态系统研究网络(CERN)生态站实测土壤热通量、辐射等资料,分析了不同土壤类型表层热通量的日变化和季节变化,以及不同土壤类型的热通量与总辐射、净辐射的关系。结果表明,由于导热率越大,热量传输就越快;热容量越小,热量传输也越快,造成土壤热通量的日较差和年较差较大,所以黄绵土和紫色土的表层热通量日较差最大(220～280 W.m-2),高寒草甸土和水稻土最小(55W.m-2);季节变化中土壤表层热通量的年较差变化范围在12～28W.m-2之间,灰漠土最大,为28W.m-2,热通量年较差从大到小依次为灰漠土、黄绵土、盐碱潮土、红壤土、紫色土、沼泽土、水稻土和高寒潮土,高寒潮土最小,为12W.m-2。不同土壤类型的热通量与总辐射、净辐射呈正相关关系,但不同土壤类型的土壤热通量在12:00(地方时)所占净辐射的比例各不相同,高寒草甸土最小,约为8%;黄绵土最大,为38%,多数土壤的热通量占净辐射的比例在15%～20%之间,这充分表明不同土壤类型表层热通量的传输存在很大差异。     

青藏高原大气蕴含潜热时空分布特征研究

利用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)月平均比湿资料,通过直接对比湿q进行多年平均计算、气候倾向率分析、EOF分解等,研究了1979-2015年青藏高原(下称高原)地区大气蕴含潜热的时空分布特征及年际、年代际变化特征。结果表明,高原大气蕴含潜热从低层向高层逐渐减少,且夏季蕴含潜热最多,其次为春、秋,且两季分布特征大致相似,冬季蕴含潜热最少,各季大值均集中在高原东南部及南部;蕴含潜热整体呈增长的趋势,夏季增长最快,冬季最慢;高原西部和云贵高原地区大气蕴含潜热均有不同程度的减小,夏季减小最快,冬季减小最慢;EOF分析中,各积分层以及整层[地表到500 hPa积分(第一积分层);500~400 hPa积分(第二积分层);400~300 hPa积分(第三积分层);地表到300 hPa积分(整层)]在第一模态下均大致呈正分布;在第二模态下均呈“正-负”的偶极子分布(其中第一积分层和整层为西南—东北“正-负”分布,其余两层为东—西“正-负”分布),说明蕴含潜热在这两种分布状态中的变化趋势均存在反相关系);在第三模态下均在西北—东南方向为“正-负-正”的分布。各积分层以及整层除第二模态年际变化相对明显外,其他两个模态年际变化均不明显。     

青藏高原大气甲烷浓度时空分布变化特征

利用瓦里关大气本底站甲烷观测数据对美国Aqua卫星的AIRS观测结果进行对比分析,并分析研究了2003~2012年青藏高原对流层大气甲烷的时空分布特征,结果表明:1)AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致,存在显著的正相关关系,突变时间比较一致,可以用于青藏高原区域的甲烷浓度特征分析。2)青藏高原对流层甲烷浓度在空间分布上存在显著的西北—东南走向的低值带及其南北侧存在4个固定的高值中心,分别位于阿里、那曲、山南和玉树。3)青藏高原甲烷浓度呈现显著随高度而降低的趋势,年平均甲烷浓度分别为1.810ppm(1 ppm=10-6)、1.797 ppm和1.781 ppm。在对流层中层和中上层,甲烷浓度基本呈现低值带最低、南北侧均高的山谷型分布特征。在对流层层顶,以低值带为分界线,呈现明显的南高北低特征。4)青藏高原甲烷浓度随时间呈缓慢上升趋势,平均速度为0.0018 ppm/a,夏季上升最快,秋季上升最慢。5)青藏高原甲烷存在明显的单峰型季节变化特征,夏秋季高,冬春季低,与东部地区冬、夏双峰型特征不同,随着高度上升季节变化更为明显。     

青藏高原土壤冻融过程关键参量时空分布特征分析

土壤冻融过程是青藏高原陆面过程中最突出的特征之一,量化表征土壤冻融过程的关键参量变化特征对认识青藏高原气候变化、生态和水文过程有重要的科学意义.本文利用青藏高原地区ECMWF/ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts/ERA5)的浅层土壤温度、体积含...     

青藏高原近地表土壤冻融状况的时空变化特征

利用青藏高原(下称高原)87个气象台站的日最低地表温度和气温资料,通过线性回归和相关分析法,分析高原1980-2015年近地表土壤冻融状况变化趋势及其与气温、海拔和纬度的相关性。利用M ann-Kendall检验对其进行突变分析,并探讨其空间变化特征。结果表明:近36年,高原近地表土壤冻融状况发生显著变化。冻结起始时间推迟约26天,其变化速率为0.72 d·a~(-1),冻结结束时间提前约14天,速率为0.40 d·a~(-1);冻结持续时间和冻结天数分别缩短约41天和33天,其变化速率分别为1.13 d·a~(-1)和0.93 d·a~(-1)。高原冻融状况变化整体表现一致,局部地区略有差异。高原中东部地区冻结起始时间较早,结束时间较晚;而在东南部地区则存在相反的变化特征,这是由于该地区海拔较低,且全年土壤温度较高导致。就冻融状况变化速率而言,东部地区变化最快,西部适中,变化较慢的站点零星分布在中部和南部地区。气温对近地表土壤冻融状况有重要影响,但气温对土壤冻融循环存在一定的滞后作用。此外,高原近地表土壤冻融状况与海拔呈极显著相关,随海拔的降低,冻结起始推迟,冻结结束时间提前,冻结持续时间和冻结天数显著减少。     

青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征

利用1958~2001年ECMWF资料, 根据Wei公式估算了青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶的质量通量 (CTF), 分析了CTF的时空分布特征。分析结果表明: (1) CTF分布呈现纬向型, 在副热带西风急流北侧即对流层顶断裂带中存在东西向的TST (对流层向平流层输送)[CD*2]STT (平流层向对流层输送)[CD*2]TST的波列结构 (水平输送项决定), 而南侧分布决定于垂直输送项。 (2) 在80°E~105°E范围内, 冬春季节, 青藏高原南部及其以南区域为TST, 北部为STT; 夏秋季节, 整个区域几乎由TST所控制。西风急流南侧的CTF主要决定于垂直项, 而北侧主要决定于水平项, 再往北, 垂直项与水平项贡献相当。 (3) 青藏高原与孟加拉湾区域平均CTF在所有季节均为TST, 即有从对流层到平流层净的向上输送, 2月强度最大, 7月为另一个极大值; 两个极大值有不同的产生机制, 后者决定于垂直项, 而前者由水平项决定。 (4) 青藏高原 (及孟加拉湾) 区域年平均CTF在1958~2001年之间的变化趋势在1982年左右出现一个转折: 1982年之前, CTF为递减过程; 而之后CTF为相对较强的增长。上述结果表明: 尽管冬季高原上空为下沉气流, 但高原上空的水平输送项有很强的向上贡献, 这与丛春华等 (2003) 得出的STT不一致。但需要指出的是, 根据Wei公式计算的CTF, 〖JP2〗尤其在急流附近, 对资料中存在的误差十分敏感 (Gettleman等, 2000), 因此青藏高原主体上空在冬季是STT还是TST, 有待于进一步的分析研究。     

青藏高原近地层通量特征的合成分析

利用中日亚洲季风机制合作研究计划 ,设置在青藏高原东部地区的拉萨、日喀则、那曲和林芝 4地 1993年 7月～ 1999年 3月近 7a的自动气象站 (AWS)近地层梯度观测资料 ,确定出分季节的高原地表粗糙度和逐日的地面总体输送系数 ,以此为基础用总体输送公式对地面动量、感热和潜热通量进行了计算 ,并用合成方法分析了 1993～1999年高原近地层通量夏季、冬季的日变化和月变化特征     

棉田土壤热通量的计算

本文在两年棉花田间试验观测的基础上,利用土壤中热传导方程模拟5cm层土壤温度的时间变化,进而推算出其它层次的土壤温度,与实测值相比,模拟均方误最大为0．14,最大温度绝对误差为0．7℃．通过对温度方程求深度上的偏导数获得土壤热通量的计算公式,计算值与实测值比较,均方误最大为0．006,效果较好。本文还通过2cm层土壤热通量与棉花冠层净辐射之间的关系,结果表明土壤热通量与冠层净辐射有着很好的相关性。     

1989年夏季青藏高原西北侧高空温度的时空分布特征

采用1989年夏季ECMWF客观分析的700hPa和500hPa温度资料,对夏季青藏高原西北侧高空温度的时空分布进行了研究,结果表明:夏季青藏高原西北侧高空温度与东半球其它地区高空温度变化存在显著的相关关系,即它们是泰米尔半岛到拉普帖夫海、青藏高原西北侧及黑海南边到里海的正相关区。并且随时间的变化,北半球的相关中心也象春季一样有西退的趋势。另外得到夏季青藏高原西北侧高空温度存在四种基本分布类型。     

1989年春季青藏高原西北侧高空温度的时空分布特征

采用1989年春季ECMWF客观分析的700hPa和500hPa温度资料，对春季青藏高原西北侧高空温度的时空分布进行了研究，结果表明：春季青藏高原西北侧高空温度与东半球其它地区高空温度变化存在显著的相关关系，即它们是新西伯利亚群岛北边的北冰洋区、中亚、中太平洋的马绍尔群岛、赤道南侧印度尼西亚西边境到东边的太平洋区以及莫斯科南边的东欧正相关区，在马尔加什北边的印度洋区存在一负相关区。并且随时间的变化，北半球的相关中心有西退的趋势。另外得到春季青藏高原西北侧高空温度存在四种基本分布类型。