藏北高原地表反照率的初步研究

基于中日合作项目“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)在藏北高原D105站、Amdo站、MS3478站以及BJ站的观测数据资料,分析了该地区地表反照率的时空分布特征。结果表明:藏北高原地区的地表反照率具有明显的日变化和月/季节变化特征。冬、春季的日变化曲线呈“U”形,且曲线形状的变化不如夏、秋季大。6~9月的月平均反照率在全年中最低,5月份月平均反照率波动较大。从季节平均值来说,冬季>春季>秋季>夏季。该地区的平均地表反照率为0.2457;反照率的空间分布很不均匀,其值的大小、曲线的形状在不同站点都很不一样,这与站点的地理位置有关,但天气状况和下垫面属性也起了很大的作用。     

青藏高原不同地区辐射特征对比分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)在藏北高原的BJ站、NPAM站及中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、纳木错多圈层相互作用综合观测研究站和藏东南高山环境综合观测研究站2007年的辐射观测资料,分析了这些地区不同下垫面地表辐射各分量及地表反照率的日变化和月际变化特征。结果表明,向下短波辐射受太阳高度角的影响存在明显的日变化和月际变化;向上短波辐射的月际变化基本与总辐射一致,在个别月份由于高原积雪造成地表反照率较高,从而使晴天向上短波辐射全年较高;向下长波辐射存在基本的季节变化,最大值出现在天空总云量较多的夏季(6～8月),最小值出现在冬季(12月和1月);向上长波辐射基本上都是夏季为全年最大,冬季为全年最小。这与地表温度的年变化情况相一致。高原不同地区各季节晴天地表净辐射存在差异,NPAM站和藏东南站由于下垫面植被覆盖较好,净辐射值各季节均高于其它各站;NPAM站、纳木错站和珠峰站地表反照率日变化曲线呈"U"型,BJ站和藏东南站日变化相对复杂,藏东南站全年月平均地表反照率较小且变化不大,其他各站存在基本的年变化趋势。     

青藏高原地表感热通量变化特征及其对气候变化的响应

选取中国气象局在青藏高原(下称高原)地区常规气象观测站点中85个资料连续性较好的站点资料,基于CHEN-WENG感热交换系数方案计算了1981-2014年地表日均感热通量,并用M-K检验法分析了季节平均感热通量和年均感热通量的年际变化特征,结合经验正交函数法EOF(Empirical Orthogonal Function)、Pearson相关法,分析了年均感热通量的时空演变及异常分布特征以及不同地区站点感热通量与气候因子的相关性。结果表明,1981年以来,高原地表感热通量无论在年尺度还是季节尺度上的年际变化都表现为先下降后上升的趋势,其中春季和冬季由下降转变为上升的年份早于夏季和秋季,且夏季上升的幅度是四季中最弱的;1981-2003年间感热通量下降主要与地气温差和平均风速的减小有关,而2004-2014年间感热通量的上升主要与地气温差的显著增大有关。空间上,各站点感热通量的上升或下降并不同步,但存在一定的相互联系,感热通量上升的站点主要位于青海省;感热通量与各气候因子的相关性有明显的时空差异,整体上受地表温度影响显著,与地表温度变化呈正相关;与降水、日照时数、风速等气候因子的相关性在年尺度上存在较大的空间差异,在季节尺度上,感热通量与气象因子的季节相关性较好,尤其是夏季,感热通量与降水呈反相关,与日照时数、风速和气温呈正相关,其次是春季,秋、冬季相关性较差。     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

ASTER数据地表温度产品精度评价

以北京市为研究区,基于ASTER热红外波段数据反演的地表温度及地面气象站地表温度,利用绝对误差和相对误差开展了精度验证研究,分析了地表温度空间分布。结果表明:ASTER数据反演的夜间地表温度在热岛强度高的冬季精度高于其他热岛效应弱的季节,而ASTER数据反演的白天地表温度在热岛强度高的夏季与其他热岛效应弱的季节精度相当; ASTER数据反演的地表温度小于气象站地表温度观测值。ASTER数据反演的地表温度与气象站观测地表温度空间分布一致,且夜间冬季的热岛强度高于秋季,白天夏季的热岛强度高于秋季;夜间的热岛强度高于白天。     

青藏高原复杂下垫面能量和水分循环季节变化特征分析

为深入认识青藏高原能量和水分循环季节变化,利用GSWP(Global Soil Wetness Project)、GLDAS(Global Land Data Assimilation System)、AMSR-E(Advance Microwave Scanning Radiometer-EOS)土壤湿度以及台站观测资料等多种数据,采用滑动t检验初步分析高原下垫面各物理量季节变化特征。结果表明:各物理量季节变化特征明显且联系密切。高原下垫面净短波辐射和感热通量在1月中旬显著开始增加,5~6月达到全年最高值。净长波辐射5月表现为高值,夏季表现为低值。地表潜热通量在1月显著开始增加,在夏季达到全年最高值。表层土壤3月开始输送热量到大气,9月大气开始向土壤表层传递热量;融雪3~5月加快,雪盖减少。降水和1 cm植被含水量在2月显著开始增加,1 cm土壤显著开始加湿,5~6月降水陡增,1 cm土壤湿度表现为峰值。1 cm植被含水量、植被蒸腾、总蒸散与降水在7~8月达全年最高值,1 cm土壤湿度在7月表出现为谷值,9月达全年第二峰值。10月下垫面温度转冷后,雪盖增加,土壤湿度逐渐减小。     

基于Landsat TM/ETM＋数据的北京城市热岛季节特征研究

利用1988—2006年20景LandsatTM和ETM＋数据分析了北京市城市热岛的季节变化特征。通过反演地表温度,建立统一的城市和农村区域,计算了城市热岛强度,并采用多项式拟合获取了城市热岛强度的季节变化曲线;同时,分析了热岛强度季节特征与气候因子的关系。另外利用4景2005—2006年不同季节Landsat TM影像,分析了不同季节城市热岛的空间变化特征,并选择穿越北京城区的两条不同方向剖线（SE-NW和SW-NE）,分析了沿剖线方向城市热岛与地表类型的关系。结果显示,北京城市热岛具有明显的季节变化特征,与总云量的季节变化关系显著。最大热岛强度出现在夏季,呈现片状发散和零星热岛并存的空间分布特征。冬季为冷岛特征,其空间分布与夏季热岛一致。春秋两季热岛强度最小,但春季热岛空间差异较大。在相同季节,城市热岛强度和空间尺度在不同剖线方向具有明显的差异,这与不同地类的空间分布有关。     

1997/1998年青藏高原西部地区辐射平衡各分量变化特征

利用中日亚洲季风机制研究计划1997年9月~1998年10月在青藏高原西部改则和狮泉河2个站点自动气象站辐射平衡的观测资料,分析了高原西部2个地区辐射平衡各分量在不同季节的季节平均日变化和年变化特征,并且还与1979年5~8月第一次青藏高原气象科学实验的辐射观测资料和1982,1983年青藏高原辐射平衡观测实验的结果进行了比较分析。结果发现:高原西部辐射平衡各分量的变化不仅有季节之间和年际的差异,高原西部的不同地区之间的变化也有较大的差异:(1)总辐射在春夏两季相差很小,改则春季(3~5月平均)日变化的极大值甚至比夏季(6~8月平均)还大;(2)地表反照率的年际变化及两地之间的差异均可能较大;(3)大气逆辐射日变化、年变化特征与其他辐射分量明显不同,其日变化、年变化的位相均晚于其他分量;(4)两地之间地面辐射平衡的年变化似乎有一个位相差,改则的月平均最大值和最小值均较狮泉河晚了约1个月,因此从冬季到夏季的大部分时间里,改则的地面辐射平衡是小于狮泉河的,而在从夏季到冬季的大部分时间里,改则是大于狮泉河的。     

重庆城市不同下垫面温度的多时间尺度变化特征

利用重庆市巴南区2014年1月1日至2017年12月31日逐小时草地、泥土、砾石、石板、水泥、沥青等6种不同下垫面的特种温度观测资料,通过扩展经验正交分解(EEOF)、概率密度分析(PDF)等气候统计方法,分析了不同下垫面温度的多时间尺度变化规律,进一步探讨了水泥和草地下垫面温度差异的变化特征。结果表明:不同下垫面的温度存在明显的多时间尺度变化特征。月平均变化上,石板、水泥和沥青的表面温度明显高于泥土、草地和砾石,且温度差异夏季大于冬季。日变化上,石板、水泥和沥青白天的表面温度高于泥土、草地和砾石,晚上不同下垫面温度差异较小;不同下垫面温度的日变化差异在春季和夏季明显强于冬季和秋季。石板、水泥和沥青表面出现45℃以上极端高温的概率多于其他下垫面,且出现这些高温的时间集中在14:00—15:00之间。水泥和草地的温度差异也表现出明显的多时间尺度变化(季节变化和日变化)特征。一天中,温度差异最大值出现的时间集中在14:00—16:00,其次是19:00—20:00。温度差异的日变化幅度也在夏季达到最大。     

青藏高原地表温度的变化分析

利用青藏高原86个气象观测站建站～2001年历年各月地面0cm温度资料,在分析高原冬季、夏季和年平均地表温度基本气候特征的基础上,通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法,对高原地表温度异常变化的空间结构和时间演变趋势作了诊断研究。结果表明：高原地表温度主要受海拔高度与纬度的影响,海拔越高温度越低,纬度越高温度越低。年平均温度最高值在雅鲁藏布江河谷的察隅为14．9℃;夏季平均温度最高值在柴达木盆地的格尔木为23．0℃。高原外围的南疆盆地南缘,川西温度更高,但其中心不在高原。高原地表温度最低值在中部的托托河、五道梁,年平均温度为-0．2℃,冬季更低,平均为～14．2～-15．8℃;夏季平均地表温度最低值在清水河为9．8℃,7月平均温度为10．7℃。高原地表温度第一载荷向量除南部小范围为负值外,大部分地方为一致的正值,即第一空间尺度表现为整体一致性;第二空间尺度有南正(负)北负(正)之差异。第一主分量在近30年中表现为明显的上升趋势,主要反映了高原主体偏北和东北部地区地表温度显著升温趋势,而第二主分量的缓慢下降说明高原中部和东南部地表温度呈下降趋势。代表站温度变化表现出准3年和准6年的周期振荡。铁路线北段和南段线性升温率较大,在0．42～0．58℃／10a之间;铁路线中段的高海拔地区升温率较小,为0．32～0．39℃／10a。     

热带海水温度多时间尺度变化特征分析

利用高时间分辨率热带海洋浮标站点观测资料,分析热带区域海水温度多时间尺度变化特征,研究海水温度的日变化、季节变化和季节内变化。结果表明:热带海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)具有不对称性的日变化特征。SST日较差与天气状况关系密切。有降水日的SST日平均值和幅度均低于无降水日,其不对称性具有区域性差异。在不同ENSO位相年份下的SST日平均值和振幅变化具有区域性,太平洋西部(Western Pacific,WP)的平均值和振幅差距较小,太平洋东部(Eastern Pacific,EP)和印度洋(Indian Ocean,IO)区域在El Niňo年的日平均值和振幅均大于La Niňa年。SST随季节变化具有区域性特征,WP区域SST的日平均温度和振幅在秋季最大,冬季最小;而EP和IO区域的日平均温度和振幅在春季最大,夏季最小。且SST日变化幅度随季节变化显著,主要受太阳短波辐射、降水和风速随季节变化的调制。此外,在季节内振荡时间尺度上,海水温度在200 m深度内随时间呈周期性变化,海水温度出现最大变率的中心位于100～150 m的深度范围内。不同区域由于温跃层深度不同,最大变率位置也有所差别。对海水温度变化特征分析可以为海—气耦合模式提供观测依据,以便准确地评估模式对海水温度的模拟效果。     

近30年BCC-CSM(m)模拟高原积雪状况评估及其对夏季降水的影响

为了得到适用于青藏高原积雪研究的高分辨率、长时间序列的区域尺度资料,利用近30年逐月区域气候系统模式BCC?CSM(m)模拟的1. 125°×1. 125°积雪深度资料、卫星遥感反演的0. 25°×0. 25°积雪深度资料、ERA?Interim 0. 75°×0. 75°地面感热再分析资料和中国气象数据网提供的0. 5°×0. 5°降水资料,评估了BCC?CSM(m)模式对高原积雪深度时空演变的模拟性能及其对高原感热和我国夏季降水的影响,为夏季降水预测提供参考依据。结果表明,BCC?CSM(m)模式能够较好再现冬季高原积雪的时空变化特征,在缺少有效实测积雪资料的高原地区不失为一种分辨率高、时间序列长的代用资料。冬季高原积雪和春季地表感热之间存在反相变化,而且两者的空间分布型存在显著的负相关关系。冬季高原积雪与我国夏季降水存在一定的相关关系,即:与长江中下游地区、四川地区、新疆北部地区、东北东部和高原南部夏季降水呈显著正相关关系,而与华南和东北北部地区呈显著负相关关系。冬季高原积雪存在全区多雪型、全区少雪型、东南少西北多型和东南多西北少型4种空间分布模态,而且不同高原积雪模态对我国夏季降水的影响不同。     

基于TVDI的西藏“一江两河”地区干旱监测研究

利用MODIS合成产品数据集MOD11A2和MOD13A2获取的归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST)来构建Ts-NDVI特征空间。依据特征空间设计的温度植被干旱指数(TVDI)作为干旱监测指标,对2000~2011年夏季"一江两河"地区旱情进行监测分析,并利用研究区气象站地面温度数据进行相关度分析。结果表明:2000~2011年夏季"一江两河"地区重旱区主要分布在南部和沿江河谷一带,北部干旱程度较轻,大部分地区TVDI≥0.6,处于干旱区域;近12年TVDI值变化趋势为下降,年际变化显著;TVDI空间分布特征与降水空间分布非常一致,与传统气候干旱监测结果总体上表现一致;实测地表温度与TVDI两者具有较好的线性正相关性。由此可见,温度植被干旱指数(TVDI)作为高原地区大范围干旱监测反演模型具有一定的科学性和参考性。     

青藏高原不同海拔地表感热的年际和年代际变化特征及其成因分析

利用1961-2014年中国气象观测站逐日常规资料,分析了在不同季节和不同海拔上,青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响,并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征;最后定量研究了表面风速与地气温差在年际和年代际时间尺度上对地表感热变化的相对贡献。结果表明,使用实际密度和常热量拖曳系数的总体动力学公式计算的地表感热最为合理;总体来说高原地表感热随着高度上升而增加,春季最大,秋季与冬季最小;空间分布上,春季高原东南部大北部小,夏季南部小北部大。春季年际、年代际地表感热经验正交函数分解第一模态空间型分别具有高原南北反向分布和高原主体与其东北反向分布的特征,夏季与之相似。高原整体而言,20世纪60-70年代末(春季)或70年代初(夏季),地表感热增加,其后至21世纪00年代初地表感热下降,之后又上升。在显著下降的1979-2003年间,春夏两季地表感热变化趋势分布均呈一致性的减弱,其中南部减弱最为显著。平均而言,在年际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献与地气温差对地表感热的贡献大小相当;而在年代际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献大于地气温差对地表感热的贡献。     

基于ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ ＋数据的北京城市热岛季节特征研究

利用１９８８—２００６年２０景ＬａｎｄｓａｔＴＭ和ＥＴＭ＋数据分析了北京市城市热岛的季节变化特征。通过反演地表温度,建立统一的城市和农村区域,计算了城市热岛强度,并采用多项式拟合获取了城市热岛强度的季节变化曲线;同时,分析了热岛强度季节特征与气候因子的关系。另外利用４景２００５—２００６年不同季节ＬａｎｄｓａｔＴＭ影像,分析了不同季节城市热岛的空间变化特征,并选择穿越北京城区的两条不同方向剖线（ＳＥ ＮＷ 和ＳＷ ＮＥ）,分析了沿剖线方向城市热岛与地表类型的关系。结果显示,北京城市热岛具有明显的季节变化特征,与总云量的季节变化关系显著。最大热岛强度出现在夏季,呈现片状发散和零星热岛并存的空间分布特征。冬季为冷岛特征,其空间分布与夏季热岛一致。春秋两季热岛强度最小,但春季热岛空间差异较大。在相同季节,城市热岛强度和空间尺度在不同剖线方向具有明显的差异,这与不同地类的空间分布有关。     

基于多种资料的青藏高原地表感热的对比分析

青藏高原地表感热通量是高原热源的主要分量之一,对高原局地天气系统、我国天气气候以及亚洲季风等都有着重要影响。选取1980～2016年青藏高原的站点资料和ERA-Interim、NCEP1、NCEP2再分析资料,计算高原地表感热通量的分布状况和时间变化特征并对不同资料得到的结果进行比较分析,结果表明:4种资料在夏季的空间分布、年际变化,高原中部的年际变化,以及长期变化趋势上具有较好的一致性,其中ERA-Interim感热资料较优于其他两种再分析资料。青藏高原的地表感热通量分布呈西高东低的特征,年均最大值出现在柴达木盆地,最小值位于贡山;区域平均值春季最大,冬季最小。感热逐月变化呈单峰型分布,不同分区的年际变化均在2001年或2003年由减弱趋势转变为增强趋势。      

长白山哈尔巴岭气象塔湍流局地相似性研究

利用长白山脉哈尔巴岭气象塔高频率湍流梯度观测数据,分析了2007—2009年间2月和7月2 m、30 m和100 m 3个观测高度湍流统计特征,对复杂下垫面局地相似理论适用性进行了检验,求出了无量纲风速标准差、无量纲温度和湿度标准差与稳定度关系的经验公式,发现了该地域湍流统计特征的新现象。结果表明:(1)冬季和夏季对流条件下2 m、30 m和100 m高度上无量纲风速标准差与稳定度Z/L之间能较好的满足1/3幂律,但夏季能更好地满足1/3幂律,且变化趋势明显,而冬季变化趋势平缓,接近直线。通过和其他学者的研究结果进行比较,发现了一些差异。(2)冬季无量纲温度、湿度标准差观测值随稳定度分布十分离散,但总体变化趋势基本满足-1/3幂律,而夏季观测值分布集中,变化趋势较好地满足-1/3幂律,反映出该地域无量纲温度、湿度标准差与稳定度关系随季节变化十分明显,且夏季对流强于冬季。(3)在30 m和100 m高度上,摩擦速度具有明显的日变化,但2 m高度上摩擦速度的变化比较特异,出现了夜间高于日间的情况,通过研究三维风速的脉动资料,发现夜间的风速脉动资料明显偏大,是导致夜间摩擦速度u*取值较大的直接原因,这种现象的发生可能是由该地域地形效应和下垫面特征引起的。     

昆明城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其影响的研究

以低纬度高原城市昆明市为对象,利用城市庭院内1月（冬季）和7月（夏季）不同高度气温实测资料和不同下垫面（球场、草地和屋顶）气温的实测资料,分析了城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其的影响。得出：城市庭院气温垂直分布在不同时间（季节、昼夜）具有不同特征;在后半夜和下午,庭院气温垂直变化程度大于时间变化;而上午和前半夜时间变化程度大于垂直变化;在冬季屋顶面对屋顶高度附近的庭院气温具有较强的加热作用,使得庭院气温在屋顶高度附近形成逆温,导致垂直分布曲线发生改变;混凝土结构的下垫面,对庭院近地层大气具有加热作用,而草地则具有冷却作用,其效应在冬季明显。     

青藏高原地表反照率时空分布与统计回归计算

本文在利用NOAA/AVHRR数据反演得到1982～2000年青藏高原地区地表反照率时空分布的基础上,分析了地表反照率的时空变化及其与温度和降水之间的关系,得到地表反照率与温度和降水之间的统计方程,并用此方程计算了青藏高原地区地表反照率的时空分布。研究结果表明：青藏高原地区年均地表反照率的分布与高原自然地理带的分布特征大致吻合;地表反照率与温度和降水均有较好的相关性,相关性因下垫面植被类型的不同而有较大的差异,滞后1个月的温度和滞后2个月的降水的综合作用与地表反照率的相关性最好;月均地表反照率与温度和降水之间的二元曲线回归方程可以比较好的统计回归计算出青藏高原地区地表反照率的空间分布,该模型的系统偏差比较小,回归计算的效果比较好。     

ERA-Interim地表温度资料在青藏高原多年冻土区的适用性

地表温度综合反映了大气和地表植被、土壤等局地因素相互作用的能量交换状况,是许多冻土分布模型和寒区陆面过程模式的上边界条件,对多年冻土分布和活动层厚度估算具有重要意义。为了检验ERA-Interim再分析地表温度资料在青藏高原(下称高原)多年冻土区的适用性,综合比较了2011年1月1日至2012年12月31日期间高原不同类型多年冻土区3个综合观测场的观测地表温度和ERA-Interim再分析资料之间的偏差、均方差、相关系数、解释方差、均方根误差和平均绝对误差。结果表明,ERA-Interim再分析资料能较好地再现高原多年冻土区3个综合观测场地表温度的基本特征,并能较好地描述高原地表温度的季节变化。但ERA-Interim再分析年平均地表温度比观测值偏低,西大滩、五道梁和唐古拉站依次偏低1.7,1.0和0.9℃;地表温度的再分析值和观测值之间的相关系数和解释方差都较高,均方差也相近。ERA-Interim再分析地表温度资料对观测站点相对稀少且空间分布不均匀的高原多年冻土区具有较好的适用性,可以作为地表温度的有效代用资料。