降水条件下的典型干旱区陆面特征模拟验证

利用“我国西北干旱区陆－气相互作用观测试验"在敦煌双墩子戈壁站取得的观测资料及最近的一些研究成果对陆面模式中反照率、相似性函数及地表粗糙度(动量粗糙度,标量粗糙度)3个方面的参数化方案进行了改进,然后对一次典型降水过程的陆面特征及近地层的风、温、湿进行了模拟.结果表明：改进的模式能对降水条件下的干旱区陆面特征进行较好的模拟,其中对辐射、地表温度的模拟相当好,而对能量的模拟虽然还有要改进的地方,但总体结果令人满意;另外改进后的模式对近地层的温度和湿度的模拟也有明显的改善.     

西北地区戈壁局地陆面物理参数的研究

采用2000年8月～2001年9月在敦煌戈壁上观测的陆面过程资料，分析了敦煌地区荒漠戈壁地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系以及土壤热传导率与土壤湿度的关系，初步给出了具有试验基础的戈壁局地反照率和土壤热传导率的多因子参数化公式. 并通过与观测值的比较发现试验资料拟合的参数化公式能够比较好地反映降水等气候因子引起的动态变化.     

综合地球物理在荒漠覆盖区隐伏矿床预测与定位中的应用:以新疆拉伊克勒克铜多金属矿床为例

随着人类对资源的需求的增加,传统的矿产勘探空间已经越来越小,必须拓展新的找矿空间,近年来,全球资源能源勘查已经转向大陆深部和覆盖层之下.中国西部广泛分布的荒漠戈壁区,找矿勘查工作程度相对较低,有着巨大的找矿空间,但由于没有露头地表地质观察无法获取成矿信息,地质理论预测的不确定性大幅增加,制约了隐伏矿预测和定位的效果,亟待加强对荒漠覆盖区隐伏矿勘查技术的研究,探索有效的技术方法体系.本文选择准噶尔盆地东缘琼河坝地区为例,开展荒漠戈壁覆盖区找矿预测实践.首先以高精度地面大比例尺重力和磁力资料为基础,采用多尺度边缘检测技术划分断裂构造.然后结合重磁三维反演和多尺度边缘检测技术,开展了隐伏岩体的三维形态识别.在此基础上,结合区域化探和地质资料,预测了 7处找矿靶区.对其中的拉伊克勒克靶区进行了大比例尺地球物理和钻探查证,从预查到详查,通过地球物理技术的创新组合,在地表没有矿化线索的荒漠戈壁之下,新发现和评价拉伊克勒克大型铜多金属矿,实现琼河坝地区荒漠戈壁覆盖区找矿突破.结果证明我们提出的荒漠覆盖区隐伏矿预测与定位技术,在类似景观区具有一定的借鉴和示范意义.拉伊克勒克大型铜多金属矿的发现,也说明在新疆、内蒙等戈壁荒漠覆盖区找矿工作大有可为.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

基于模拟土壤湿度的中国干旱检测及多时间尺度特征

土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常,对生态环境和天气气候具有重要的影响,土壤干旱的检测和特征认识,有助于理解陆气相互作用及其评估和减缓影响.本文以观测气候资料驱动陆面模式CLM3.5模拟中国区域的土壤湿度,引入土壤孔隙度参数校正土壤湿度模拟的湿偏差,并检测了历史土壤干旱,分析不同时间尺度干旱的空间分布和变化趋势:1951~2008年40%的月份发生了月尺度的干旱,平均影响面积占我国陆地总面积的54.6%;年内干旱月数的变化呈干旱区显著减少,半干旱、半湿润区显著增加趋势,而湿润区减少但趋势不显著.1951~2008年月尺度干旱呈减少和增加趋势的面积之比为77.3%,总体上中国呈干旱加剧的趋势;平均来看月尺度干旱冬季影响范围最广,夏季最小,分别影响了我国54.3%和8.4%的陆地总面积.持续3个月以上的干旱主要发生在半干旱和半湿润区,发生概率51.7%,部分地区甚至77.6%;持续6和12个月以上的干旱主要发生在半干旱和干旱区,概率较小.     

沙漠-绿洲陆-气相互作用和绿洲效应的数值模拟

本文利用一个已发展的陆面过程参数化方案与大气边界层模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面过程及其与大气边界层的相互作用,给出了“绿洲效应”这一自然现象垂直剖面上更为清晰、准确和细致的结构特征.数值模拟的结果与早前的许多观测实验结论相吻合,即“绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”;它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱,具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流.而更加细致地研究这些现象对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.     

湍流输送的非线性热力学性质

湍流输送是一种热力学不可逆过程,本文利用非线性热力学研究了湍流输送的特征. 将热力学流对热力学力以平衡态作为参考态进行Taylor展开,可以得到湍流输送系数是系统宏观参量梯度的Taylor级数. 线性湍流输送系数是Reynolds湍流闭合方案的K闭合湍流输送系数;而湍流输送系数非线性项则是系统偏离热力学平衡态所造成的热力学非线性效应. 湍流输送系数这一热力学性质提供了一种热力学湍流闭合方案. 线性湍流输送系数是正定的,湍流输送只能使系统宏观参量均匀化;而在远离平衡态的热力学非线性区,可能导致湍流输送系数负黏性现象. 在最小熵产生态的条件下,热力学流对热力学力Taylor展开的各级系数间存在一种递推关系. 利用这种递推关系大大减少了由实验确定的Taylor级数的系数个数.     

沙漠绿洲地区夏季地表能量收支的数值模拟

本文在MSPAS(Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme)的基础上,引入了一个有效的晴天大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地模拟陆气相互作用及其反馈机制的二维模式MLAIM（Modified Land Atmosphere Interaction Model）.本文利用HEIFE实验的观测资料对MLAIM的模拟结果进行了检验,对其中不合理的部分进行了分析,指出了在干旱半干旱区陆面过程参数修正的必要性,对干旱半干旱区土壤水分传输以及大气近地面层湍流输送的参数化方案进行了改进.改进后的模式能够较好地模拟夏季连续晴天条件下沙漠的地表能量收支,因此,本文利用MLAIM研究了绿洲对其周围沙漠地表能量收支的影响,并对地表能量收支各分量之间的相互作用进行了分析.结果表明,绿洲向其下风向沙漠的水汽输送是导致其上下风向沙漠间地表能量收支差异的最重要的因子.     

绿洲和戈壁近地面层热量和物质输送特征对比

利用甘肃金塔绿洲和戈壁10 m涡旋相关法的观测资料对比研究温度、湿度和二氧化碳浓度(CO₂)的平流和湍流通量特征.结果表明,在典型绿洲-戈壁复杂下垫面上,热量和物质的平流通量比湍流通量的值大1到2个量级;在绿洲和戈壁,受平流输送影响和下垫面强迫,不同性质标量湍流的水平和垂直通量分布具有不同的特征.     

基于简化参数方法的蒙古干旱区土壤湿度被动微波遥感

卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm³/cm³, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料.     

巢湖对冬季陆面辐射和热量过程的影响

从物理气候学的观点出发,分析了湖泊对水体和陆地辐射平衡和热量平衡各分量的影响。以巢湖地区冬季观测资料为例,揭示了在晴稳天气湖陆风环流对陆面显热输送的影响,以及在冷平流天气,湖泊对上下风方陆面显热输送的影响。     

植被变化对西北地区陆气耦合强度的影响

西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响进行了分析研究,并且找出适于增加植被以缓解西北地区荒漠化趋势的最具成效的地区.本文利用美国国家大气科学研究中心(NCAR,National Center for Atmospheric Research)研制的通用大气模式CAM3(Community Atmosphere Model Version 3)对西北地区植被变化的影响进了数值模拟.本文共设计了三个试验,使用正常地表植被覆盖的参考试验,地表下垫面变为裸土的去植被试验和植被增加的生态环境好转试验.首先,本文对西北地区植被变化对于当地降水量、地表水分盈余量、径流量、地表土壤含水量等地表水文变量的影响进行了分析研究.然后对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度的影响进了分析研究,陆气耦合强度是衡量局地陆气相互作用强弱程度的一个新标准,基于计算年降水量与蒸散量的协方差与降水量方差之比而得到.它利用观测数据或模式输出数据,计算起来简便容易,物理意义明确清晰,陆气相互作用越强烈的地区,其陆气耦合强度也越高.最后,本文计算了一个蒸散-水汽通量散度指数来衡量植被变化对局地蒸散与大气水汽通量散度的影响,其在一定程度上反应了植被变化对局地陆气相互作用和大尺度大气环流输送作用的影响,也可以视为一个评估人为生态环境工程效果的指标.西北地区陆气耦合强度由东南向西北递增.去植被之后,西北地区降水与蒸发普遍减少,其中在东南部区域,地表径流增加约10~40mm,渗流量与地表土壤含水量分别减少约40~80mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度上升,这有可能导致水土流失,不利于当地植被的恢复.生态环境好转之后,内陆地区降水与蒸发明显增加,但地表盈余水分有所减少,主要原因是蒸散量相较于降水量增加的更多.其中在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部,渗流量与地表土壤含水量分别上升约5~20mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度降低,蒸散-水汽通量散度指数较高,这可能主要是由于植被变化对局地陆气相互作用的改变而造成的.植被对于西北地区地表水文过程有着明显的影响,植被的存在能加速西北地区地表水文循环过程,减小陆面蒸散的变化,降低陆气耦合强度.在有限的人力与财力条件下,集中力量在在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部适当种植灌木与青草并防止过度放牧,能有效降低当地陆气耦合强度,缓解西北地区荒漠化加剧的趋势.本文下一步还需考虑如模式地表植被数据与真实情况的差异性,海洋因素变化对于植被变化的反馈,以及进行集合实验来增加研究结果的可靠性.     

人工模拟戈壁风沙流与风程效应观测

风程效应是研究土壤风蚀和风沙流的一个重要概念,它影响土壤风蚀和风沙流的发生发展过程.对风程效应的研究有助于进一步认识风沙运动机制,为完善风沙物理和土壤风蚀研究提供科学依据.本文选择腾格里沙漠东南缘的中国科学院风沙综合观测场人工模拟戈壁为研究对象,利用多路方口集沙仪对戈壁不同风程长度的风沙流进行观测,旨在说明戈壁风程效应与风沙流的关系.研究表明,风程对风沙流通量具有明显的影响,风沙流通量的拟合系数和相对递减率均随风程增加先减小后增加.风程不同,输沙率不同,总体表现为输沙率随风程增加先增加后降低,地面以上部分最先达到最大值,风程长度为34m左右,随后降低;随高度增加,最大输沙率所对应的风程长度有增加趋势.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

绿洲和戈壁复杂下垫面平流对湍流特征的影响

利用绿洲和戈壁近地面层湍流实验资料对比研究表明,在不稳定层结条件下,绿洲和戈壁中温度归一化方差满足φθ（z／Λ）=αθ（-z／θ）^-1/3,而绿洲湿度和CO2归一化方差都满足φs（z／Λ）=αs（1-βsz／Λ）^-1/3;受平流影响,绿洲温度归一化方差量值较大,而戈壁CO2方差相对M-O函数关系有一定程度的偏离,湿度方差则完全背离了方差M-O关系;对上述结果分析表明,平流条件下,湿度方差满足关系式σsm^2=D^2σsA^2＋σsB^2;其方差M-O关系由平流输送标量方差值的相对大小所决定。对于湿度和CO2等标量,如果平流输送的标量方差比局地标量方差大得多,则该标量方差观测值就会背离方差M-O关系,当平流输送的标量方差接近或小于局地标量方差时,标量方差观测值基本满足方差M—O关系。     

中国沙漠元素地球化学区域特征及其对黄土物源的指示意义

沙漠释放的矿物尘是大气气溶胶的重要组分之一.中国北方干旱半干旱沙漠、沙地和中国北方戈壁及邻近的蒙古国戈壁(下文简称戈壁)是亚洲风尘的潜在源区.然而,矿物尘源区常量元素特征缺少系统研究.本研究采集中国北方12个沙漠(地)及中蒙边境戈壁310个流动或半流动沙丘地表沙样,结合前人发表的数据,系统分析了中国沙漠表层样品常量元素特征,结果表明中国沙漠常量元素存在明显的区域差异性,可分四个区:(1)西部的塔克拉玛干、库姆塔格、柴达木沙漠;(2)中西部的巴丹吉林、腾格里、库布其和毛乌素沙漠;(3)东北的呼伦贝尔、浑善达克和科尔沁沙地;(4)戈壁和古尔班通古特沙漠.中国沙漠的SiO_2和CaO含量变化较大,SiO_2平均含量总体上呈现西低东高的变化趋势,CaO平均含量呈现西高东低的变化趋势(SiO_2和CaO平均含量在西部沙漠分别为64.5%和7.8%;戈壁为71.3%和2.2%;中西部沙漠77.6%和2.1%;东北沙地85.7%和0.8%).沙漠常量元素含量变化主要受控于两个方面:源区岩石的组成和新鲜物质的供给.西部沙漠新鲜物质供应充分,SiO_2/(Al_2O_3+K_2O+Na_2O)低,源岩具有高铁镁质和高碳酸盐物质的特征;而东北沙地缺少新鲜物质供应,SiO_2/(Al_2O_3+K_2O+Na_2O)高,原岩含钾长石等花岗岩物质,表现高SiO_2和K_2O含量特征.通过SiO_2/10-CaO-Al_2O_3、(K_2O+Na_2O)-CaO-Fe_2O_3和CaO-Na_2O-K_2O等三角图解可较好地将各个区域的沙漠加以区分.黄土丰富的碳酸盐矿物,结合Fe_2O_3/Al_2O_3和K_2O/Al_2O_3等其他元素地球化学特征,我们认为西部与中西部沙漠可能是黄土高原黄土潜在的物源区.     

黄土高原半干旱草地生长季干湿时段环境因子对陆面水、热交换的影响

利用黄土高原陆面过程观测试验研究(LOPEX)资料,分析了榆中半干旱草地生长季主要干湿时段陆面水、热过程的差异及环境因子的影响特征.研究发现,干湿时段陆面温、湿特征变化差异明显,干旱时段日平均归一化温度垂直分布结构整体"前倾",湿润时段则呈"后倾"状;干旱时段,20 cm以上浅层土壤是温度的活跃层,干湿时段土壤中热量的传递速率明显不同.干旱时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤温度之间满足线性关系;湿润时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤温度为非线性关系,日尺度上陆面水、热交换趋势发生转变的临界土壤温度为16℃.干旱时段H/Rn和LE/Rn与土壤含水量之间满足线性规律;湿润时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤含水量之间呈非线性变化,0.21 m3 m?3是日尺度上陆面水、热交换趋势发生转变的临界点.干旱时段,饱和水汽压差小于0.7 k Pa时,H/Rn随饱和水汽压差的增大而增大,LE/Rn随饱和水汽压差的增大而减小,而当饱和水汽压差大于0.7 k Pa时,H/Rn和LE/Rn均趋于常数;湿润时段,H/Rn随饱和水汽压差的增大而增大,LE/Rn随饱和水汽压差的增大而减小.上述特征直接体现了陆面环境因子的差异在水、热交换过程中的作用,也间接反映了云降水过程对陆面水、热交换过程的影响.     

7种气象干旱指数的中国区域适应性

作为干旱问题的基础,干旱指数的确定一直是干旱研究的难点之一,至今尚没有统一的干旱指数能适用于广泛的干旱研究,因此研究干旱指数的区域适用性具有重要的科学意义.本文使用Gravity Recovery And Climate Experiment(GRACE)反演的陆地水储量、观测的土壤湿度和径流数据,评估了Palmer干旱指数(PDSI)、基于中国台站观测数据的修正PDSI(PDSI CN)、自矫正PDSI(scPDSI)、地表湿润指数(SWI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)和气象观测数据驱动的陆面数值模式模拟的土壤湿度(CLM3.5/ObsFC)共7种干旱指数在中国的区域适用性.结果表明:scPDSI在中国地区的适用性最优,但其数值范围明显小于PDSI和PDSI_CN,需要制定新的旱涝等级分级标准.由于经验参数的代表性差,PDSI和PDSI CN在中国干旱区和湿润区的应用会存在一定的问题.SPI和SPEI在湿润地区的适用性较好,而在干旱半干旱地区的适用性较差.这是因为在干旱半干旱地区,SPI没有考虑气温异常的影响,因此结果偏湿;当采用Thomthwaite方法计算潜在蒸散时,SPEI会高估气温变化的影响,因此结果偏干.2000年之前,CLM3.5/ObsFC在中国区域的适用性较好,但2000年之后在干旱半干旱地区的适用性较差.在检测年尺度的干湿变化上,SWI与其他干旱指数表现出基本一致的年际与年代际演变特征.对于中国区域干湿变化的长期趋势,7种干旱指数的检测结果一致,均显示出明显的阶段性变化特征.但在量值上,不同干旱指数的检测结果存在明显的差异.这种差异既与指数自身的定义有关,也有气候变化有关.     

赛里木湖孢粉记录的亚洲内陆西风区全新世植被与气候变化

通过对西风区新疆赛里木湖沉积岩芯的精确定年和孢粉、炭屑分析,重建了该地区全新世以来的植被和气候环境演化历史.结果表明,~9.6cal.kaBP前的早全新世,研究区以荒漠植被为主,A/C比值和第一主成分样品得分所指示的有效湿度明显偏低,第二主成分样品得分所指示的气温回升,气候干旱.9.6~5.5cal.kaBP的中全新世湖区为典型的荒漠草原/草原植被,区域有效湿度明显增加,气温较高,为温暖时期.其中6.5~5.5cal.kaBP期间,研究区植被由荒漠草原/草原迅速转变为荒漠,有效湿度明显降低,同时温度升至最高,可能是一次千年尺度的高温干旱事件.5.5cal.kaBP以来的中-晚全新世,研究区呈现出典型的草原/草甸景观,有效湿度相对较高,温度大幅降低,气候温凉湿润,相对较为适宜.赛里木湖孢粉、炭屑记录的温度和湿度变化与区域其他湖泊记录对比的一致性表明,太阳辐射是造成区域温度变化的主要驱动因素,同时温度变化影响了区域的有效湿度变化.该地区早全新世气候干旱,中-晚全新世气候相对湿润的气候环境演化特征与季风影响区有着明显的差异.早全新世干旱是中纬度西风减弱和上风向蒸发减少的环流背景下局地温度高蒸发强烈的结果.