我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

利用"中国干旱气象科学研究计划——我国北方干旱致灾过程及机理"的观测数据,分析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站2015年8—10月及定西站2016年8—10月地表能量通量变化特征。分析发现,不同下垫面辐射均表现出明显的日变化,相对于向下短波辐射和向下长波辐射,不同下垫面反射辐射和向上长波辐射差异更加明显。塔中站反射辐射和向上长波辐射最大,锦州站和平凉站相对较小。净辐射具有明显的日变化特征,和总辐射相位一致,农田净辐射日峰值相对较大。地表反照率3个月平均从大到小依次为塔中站(0. 27)、定西站(0. 19)、锦州站(0. 16)、奈曼站(0. 15)和平凉站(0. 14)。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型,其中,奈曼站感热通量峰值最大(276 W·m~(-2)),平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量为主,平凉站则以潜热通量为主。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

夏季不同下垫面气象要素的对比分析

对扎龙湿地生态气象站和齐齐哈尔自动气象站2004年6~8月的逐时气温、风速、相对湿度等观测资料进行统计分析,找出了不同下垫面的两站之间不同时次各气象要素的差异,指出两站风速、气温、露点温度、相对湿度、地面温度等的月平均值均存在差异,变化幅度及极值出现时间各有不同;下垫面差异只起到加强或缓和气象要素日变化幅度的作用。所得结果有助于深入了解扎龙湿地的天气变化规律,对未来扎龙湿地气象要素的精细预报以及湿地资源的开发、保护和管理有一定的参考意义。     

南宁市夏季不同下垫面温度特征分析与预报研究

对2000年至2002年4～9月南宁市下垫面表面温度观测资料的分析表明，下垫面温度明显高于百叶箱气温，尤其是日最高温度差异更大。而不同下垫面之间的温度变化，也有较大不同。下垫面温度的变化与其它气象因子密切相关。在上述分析的基础上，应用统计学方法建立了几种下垫面表面温度的预报方程。     

南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析

本文利用2006年2月17日-3月2日在南京市区和郊区测得的辐射、湍流通量和脉动风速资料,定量分析了城、郊不同下垫面辐射收支、热量平衡特征及各分量的变化,结果表明:(1)不同天气条件下辐射平衡特征城、郊有一定差异,在晴天时差异最大,在下雪天时差异最小,但多云时更接近各辐射分量城、郊差异的平均特征;(2)城、郊下垫面感热和潜热分布不均,尤其是潜热城、郊对比有较大差异;(3)观测期间平均波文比(Qh/Qe)市区为7.8,与荒漠干旱地区接近,郊区为1.8.     

高山草甸下垫面夏季近地层能量输送及微气象特征

利用青藏高原东坡理塘站2007年6～8月的观测资料, 分析了高原东坡草甸下垫面夏季近地层气象要素和湍流通量日变化特征, 并用涡动相关法估算地面的曳力系数。结果表明: 水平风速、 动量通量、 摩擦速度等均在下午最大, 早晨最小。二氧化碳浓度表现为早晚高、 中午低的日变化特征, 比湿的最大值出现在早晨。地表辐射、 热量平衡各分量最高值出现在中午, 最低值出现在早晨。地表反照率表现出早晚高中午低的 “U” 型分布, 日平均值为0.164。夏季地面热源强度在白天午后表现为强的热源, 在夜里表现为弱的冷、 热源交替出现。夏季近地层地气热量交换中, 感热输送作用小, 潜热输送占主要地位。     

同辐射条件下不同下垫面温度差异分析

从2006年3月1日开始,嵩县气象局自设了水泥面、草面的温度和最高、最低温度观测项目,通过对探测获得的资料与日常地温场观测资料的统计分析,找出了裸地、水泥地、草地3种不同下垫面之间温度的差异:年均温、年均最高最低温度、年极端最高最低温度.草面均低于水泥面和裸地,而冬季草面平均最高温度和极端最高温度高于水泥面和裸地.     

不同下垫面大孔径闪烁仪观测数据处理与分析

大孔径闪烁仪是近年兴起的测量大尺度（500 m~10 km）地表通量的仪器。北京师范大学等单位分别于2002年、2004年在北京昌平小汤山开展了大孔径闪烁仪短期观测实验, 2006年6月又在北京密云建立了长期观测站。利用这些数据, 对大孔径闪烁仪观测数据进行处理与分析, 结果表明:闪烁仪光径高度和风速是影响观测显热通量的关键因子。当地表粗糙元的高度变化相对于光径高度不可忽略时, 零平面位移需要精确确定。波文比在湿润地表需要准确确定, 而气温、气压和动力学粗糙度则为不敏感因子。计算中所需的大气稳定度可用理查孙数判断, 也可借助日出日落时间或净辐射观测值确定。稳定条件下的普适函数目前无统一表达式, 可采用仪器说明书推荐的函数。通过几个站点闪烁仪观测显热通量与涡动相关仪测量值的比较表明:大孔径闪烁仪在均匀和非均匀地表都能得到合理的显热通量观测值。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。     

Evaluating Soil Moisture Predictions Based on Ensemble Kalman Filter and SiB2 Model

Soil moisture is an important variable in the fields of hydrology, meteorology, and agriculture, and has been used for numerous applications and forecasts. Accurate soil moisture predictions on both a large scale and local scale for different soil depths are needed. In this study, a soil moisture assimilation and prediction based on the Ensemble Kalman Filter(EnKF) and Simple Biosphere Model(SiB2) have been performed in Meilin watershed, eastern China, to evaluate the initial state values with different assimilation frequencies and precipitation influences on soil moisture predictions. The assimilated results at the end of the assimilation period with different assimilation frequencies were set to be the initial values for the prediction period. The measured precipitation, randomly generated precipitation,and zero precipitation were used to force the land surface model in the prediction period. Ten cases were considered based on the initial value and precipitation. The results indicate that, for the summer prediction period with the deeper water table depth, the assimilation results with different assimilation frequencies influence soil moisture predictions significantly. The higher assimilation frequency gives better soil moisture predictions for a long lead-time. The soil moisture predictions are affected by precipitation within the prediction period. For a short lead-time, the soil moisture predictions are better for the case with precipitation, but for a long lead-time, they are better without precipitation. For the winter prediction period with a lower water table depth, there are better soil moisture predictions for the whole prediction period. Unlike the summer prediction period, the soil moisture predictions of winter prediction period are not significantly influenced by precipitation. Overall, it is shown that soil moisture assimilations improve its predictions.     

Momentum and Heat Transfer over Urban-like Surfaces

Momentum and heat transfer was examined for the urban-like surfaces used within the Comprehensive Outdoor Scale MOdel (COSMO) experiments. Simultaneous and comparative meteorological measurements were made over a pair of scale models with different block geometries. These data were analyzed to investigate the influence of height variations, obstacle elongation, and packing density, λ _p , of blocks on the aerodynamic properties. In addition, the robustness of theoretical expressions of bulk transfer coefficients for momentum and heat with respect to geometric parameters was examined. Our analyses showed: (1) the theoretical framework for the bulk transfer coefficient for momentum, C _m , and that for heat, C _h , was applicable for homogeneous building arrays, (2) the sensitivity of C _h to the surface geometry was smaller than that of C _m , (3) the transfer coefficients were increased by variations of block heights, but not by elongation of blocks, (4) first-order approximations of C _m and C _h for an array of blocks with two different heights can be made by applying simple theoretical assumptions to include the effects of height variation, and (5) variations of block heights increased the momentum flux significantly, but caused little change in the sensible heat flux. This can be explained by the feedback mechanism of aerodynamic– thermal interaction; aerodynamic mixing decreased both the advective velocity and the vertical temperature gradient.     

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响.本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通...     

一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用

简要介绍了一个植被模式（Simplified Simple Biosphere Model）的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的HAPEX-Sahel观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识,对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中,着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中,尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区,但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示,这将是一个有很大发展潜力的新领域。     

夏季水汽输送特征及其与中国降水异常的关系

利用1958－1999年NCEP／NCAR再分析资料研究了水汽输送特征，表明：全球纬向水汽输送在南北半球中高纬度由西向东，在低纬由东向西，分别与中纬度西风带和热带东风带一致，经向输送在夏季由南半球向北半球输送，冬季则刚好相反，就全年来说水汽也是从南半球向北半球输送。南北半球副热带地区是大气水汽源，热带和中高纬是大气水汽汇，夏季中国大部分地区也是水汽汇。讨论了中国夏季3类雨型与异常水汽输送的关系，结果表明中间型雨带对应中国东部有一支东北异常水汽输送和另一支西南异常输送在长江流域辐合；南方型雨带对应一支东北异常输送和另一支来自西太平洋副高西北侧的西南异常输送在华南辐合，北方型雨带对应中纬度西风异常输送与副高西北侧的西南异常常输送在华北辐合。     

干旱及半干旱区土壤水热传输模式研究

本文发展了一个干旱地区土壤中水分及热量传输模式。首先从土壤孔隙内水汽运动研究入手,阐明了在土壤深层孔隙中水汽压与液面饱和值之间处在平衡态,而土壤表层则处在非平衡态,因而必要在计算表层蒸发的公式中引入必要的土壤表层阻力,才可使模式简单实用。在此基础上建立了考虑液态水及汽态水运动耦合的多层模式,并用HEIFE沙漠站的资料对模式进行了验证,结果表明此模式较好地再现土壤内及地气界面上的水热交换过程,并且也表明干旱地区土壤中水蒸汽输送对水分平衡及蒸发的计算是重要的。这种模式很易推广到气候研究的干旱土壤下垫面的模式中去。     

西藏高原汛期水汽输送特征与降水异常

利用1979—2006年NCEP/NCAR再分析资料计算垂直积分的整层水汽输送通量及水汽通量散度,分析西藏高原汛期5—9月水汽输送特征。结果表明：两藏高原汛期主要有两条水汽输送带,印度季风输送带和中纬度西风输送带;印度季风对汛期水汽输送起着决定性的作用,决定高原汛期开始时间和雨带的推进,水汽通量向北输送达到30 kg·m~（-1）·s~（-1）时,该经度上的测站将从南到北逐渐进入汛期;在水汽的空间分布上,高原南部边缘的3个水汽输送散度场中心恰好对应着高原的水汽输送通道,其形成与西藏高原的地形直接相关;西藏高原汛期降水主要可以分为3种雨型：全区型、东西型和南北型,并分别对应着不同的水汽输送异常：全区型时索马里越赤道急流水汽输送异常较强,高原区为水汽辐合区;东西型时西藏东南部为东北向输送异常,东南部水汽供应较常年偏弱;南北型时东南部水汽输送充足而错那以西地区水汽输送不足。     

Constraints on 2-Way Transport across the Arctic Tropopause Based on O3, Stratospheric Tracer (SF6) Ages, and Water Vapor Isotope (D, T) Tracers

Based upon airborne trace gas and isotope observations in the winter months 1991/1992 to1994/1995, transport pathways across the mid-latitude and Arctic tropopause areinvestigated. A powerful set of contrasting transport tracers are examined, such asdeuterated water vapor (HDO) which is shown to trace the passage of water vapor from thetroposphere into the lowermost stratosphere (LS), or the `SF₆ age' defined as theresidence time of an air parcel within the stratosphere since its entry at thetropopause. Cross-tropopause transport in both directions was found near mid-latitudecyclones (at baroclinic flanks of troughs in the polar front), in which about 80% of thestratosphere-to-troposphere flux proceeded along potential temperature ()surfaces of 300 ± 10 K. As these isentropes are the lowest which reach into the LS(in winter), a mixing zone just above the Arctic tropopause (at least 1.5 km thick) isformed. Here, upwelling tropospheric air is mixed with downwelling LS air which isaffected by air from higher altitudes, the surf-zone and the polar vortex. The observedelevated D/H isotope ratio of water vapor within the mixing zone can be explained byinjection of subtropical water vapor that is transported to the tropopause by the warmconveyor belt associated with mid-latitude cyclones. Downward vertical transport ofArctic LS air, which may be influenced by ouflowing chemically disturbed polar vortexair, into the Arctic troposphere was found to be small.     

西太平洋暖池和北京地区大气水特征的地基遥感测量

近十多年来,用地基双波长(0.85、1.35 cm)微波辐射计(和雨强计)分别在西太平洋暖池和北京地区对大气水做了多次高时间分辨率长时间连续监测,本文是这些资料的分析总结.文中定量给出了大气水汽(和云液水)的日、季节内、季、年、年际的变化和变化的地理差异;定量给出了大气三水(水汽、云液水和雨水)的季节统计分布特征和地理差异;得到了大气三水之间的定量比例,并得到了降水概率、降水效率和云中水循环次数等与降水过程有关的参量与多种大气水参量之间的统计关系,在一定程度上揭示了大气水循环特征.