黄土高原地表能量闭合特征及土壤通量参数化

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天的湍流、 辐射、 土壤温度和通量梯度观测资料, 确定了晴天土壤热参数, 并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表; 讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响; 建立了计算地表土壤热通量的模型. 结果表明: 黄土高原典型沟壑区夏季晴天平均土壤热容量为1.23×10⁶ J5m^-35K^-1; 能量平衡方程中, 以5 cm 埋深处HFP01SC热流量板观测值 (G₅) 表示土壤热通量时, SACOL站地表能量闭合率为75.7%. 采用温度积分法, 将HFP01SC的直接测量结果校正到地表(G_s)后, 地表能量闭合率可以达到81.8%; 0~5 cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为6.1%. 模型计算得土壤热通量(G_m)与G_s之间的线性回归斜率为0.973(显著性水平为0.1‰). (H+LE)与(R_n-G_m)进行线性回归, 得到地表能量闭合率为81.7%. 表明模型与温度积分法计算计算土壤热通量非常接近, 但通过参数化方法计算时仅需要知道R_n即可.     

青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征

青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少,青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料,依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响,其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后,完全融化阶段持续时间增加,且逐渐接近完全冻结阶段持续时间;在浅层土壤不同冻融状态下,能量闭合率差值较大,其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段;净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段,净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量,在完全融化阶段主要转化为潜热通量,地表土壤热通量在完全融化阶段为正值,在完全冻结阶段为负值。     

青藏高原复杂地表能量通量研究

“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验研究”（GAME/Tibet）和“全球协调加强观测计划（CEOP）亚澳季风之青藏高原试验研究”（CAMP/Tibet）的加强期观测和长期观测已经进行了9年多,并且已取得了大量的珍贵资料。首先介绍了GAME/Tibet 和CAMP/Tibet 试验的情况,并利用观测资料给出了局地能量分布（日变化和月际变化）特征。复杂地表区域能量通量研究是青藏高原地气相互作用研究中的重中之重。卫星遥感的应用成为解决这一问题,即实现GAME/Tibet和CAMP/Tibet试验主要初衷的必不可少的手段。利用卫星遥感观测（Landsat 7 ETM）资料结合地面观测的方法,计算得到了相关地区非均匀地表区域上的地表温度、地表反射率、标准化差值植被指数(NDVI)、校准的调整土壤植被指数（MSAVI）、植被覆盖度和叶面指数(LAI)及能量平衡各分量（净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）的分布图像,所得结果基本可信。为了得到整个青藏高原复杂地表的热通量分布,中国科学院青藏高原研究所正在与其他研究单位一起建立青藏高原地表和大气过程监测系统（MORP）。最后介绍了该监测计划和已建立的3个综合观测研究站及如何利用建立的台站把站点观测的热通量推广到整个青藏高原的途径。     

近地层能量平衡闭合问题——综述及个例分析

近地层能量闭合问题,即测量到的感热和潜热通量之和一般总小于近地层可利用能量(净辐射与土壤热通量之差),是近20年来困扰地气相互作用实验研究的主要难点之一。对国内外有关研究现状做了综述,与解决此问题日益迫切的要求相适应,问题的实质及解决途径近年来已逐渐明朗。"涡动相关方法"应用在复杂的大气湍流通量观测中的局限,特别是对低频较大尺度湍流通量的低估,仍是关键所在。在理论分析的基础上,结合2008年部分"黑河综合实验"资料对有关计算结果做了具体介绍。以阿柔站6天连续资料为例,仔细计算土壤浅层热储存,在涡动相关资料再处理中加上高低频损失修正等,再参考该站大口径闪烁仪(LAS)观测对感热通量的提高,能量闭合率可达到99%,当然这只是个例。许多复杂情况下,较大尺度的涡旋或湍流有组织结构(TOS)会有更明显影响。近地层能量闭合问题的根本解决必须考虑后者的贡献,提高通量观测的时空代表性。     

青藏高原地表能量通量的估计

利用1981—2000年逐日气候、植被和土壤基础资料作为输入,以大气—植被相互作用模式（AVIM2）计算了青藏高原0.1°分辨率的年平均地表能量通量的空间分布和季节变化特征。结果显示,年平均地表净辐射通量由高原西南部的100 W/m2减少到东部的70 W/m2左右。高原东南部的林区潜热通量强而感热通量弱,从高原东南向西、向北潜热通量逐渐减少,而感热通量逐渐增大。夏季这种趋势更加显著。冬季除东南部外,高原上广大地区地表能量通量都较低。     

青藏高原地区能量水分循环：地表能量平衡和湍流热通量

文章给出了青藏高原能量水分循环研究的概况和总结，着重估计了能量平衡各分项和湍流热通量等。在能量平衡的计算基础上，尽管能量不平衡的原因解释仍有争论并且没有解决，但我们揭示了GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡现象。我们发现估算的潜热通量比实际观测的要高许多。然而，根据能量平衡假设的计算结果和SEBS的估算一致性很好。在此基础上可以归纳出差异主要由GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡引起，潜热通量的实际观测可能偏小。     

高寒冻土地区草甸草地生态系统的能量-水分平衡分析

为了揭示青藏高原高寒地区土壤冻融过程对地表植被大气三者之间能量水分循环的影响, 在青藏高原风火山左冒孔流域(长江源)开展了不同植被盖度条件下冻土活动层水热状态的野外观测(在30%、 60%、 90%的草甸盖度下观测分层土壤水分及温度)和相关试验. 选取考虑了积雪、植被覆盖及枯枝落叶层对土壤冻融影响的水热盐分耦合模型SHAW为动力学约束模型, 进行参数率定及其模拟计算. 结果表明: 青藏高原地气间的能量交换主要受冻土、植被生长和地表土壤含水量的影响, 并且呈明显的季节性变化;未退化高寒草甸草地对青藏高原冻土具有明显的隔热保温作用, 可以降低冻土对气候变化的响应. 在土壤活动层冻结过程期间, 土壤水分具有向表层和深层两向分流汇聚的特征, 植被覆盖变化对水分运移通量有明显影响.     

不同土壤热通量测算方法的比较及其对地表能量平衡闭合影响的研究

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,对其测算方法的研究对理解能量平衡过程具有十分重要的意义.利用2010年馆陶站土壤热通量等相关观测数据对多种测算土壤热通量的方法:实测土壤热通量和热储存量的结合方法(PlateCal)、热传导方程校正法(TDEC)、谐波分析法(HM)、平均土壤热电偶法(TCAV)、耦合热传导—对流法(ITCC)获取的地表土壤热通量进行了对比分析,并且采用最优方法计算馆陶站2008-2010年的地表土壤热通量,分析了该站土壤热通量日、季节变化特征.主要结论如下:①PlateCal和TDEC法分别为获取土壤热通量的最优观测与计算方法,而HM,TCAV和ITCC法计算结果均不理想;②PlateCal与TDEC法对地表土壤温度均不敏感,而HM法对地表土壤温度则比较敏感,各种地表土壤热通量的观测与计算方法均对土壤湿度敏感;③馆陶站冬小麦、玉米覆盖地表及地表裸露时期的地表土壤热通量均呈现典型的日、季节变化特征,与净辐射变化趋势一致;④考虑热储存后,可将馆陶站2010年各月地表能量闭合率提高4％～11％,对2008-2010年的年能量平衡闭合率提高3％～5％.     

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月）,分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区Monin Obukhov相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下,曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。     

祁连山老虎沟12号冰川消融区不同天气条件下的能量收支特征

冰川表面能量平衡模型建立了冰川与大气之间的联系。为探讨不同天气条件对冰川能量收支的影响, 利用祁连山老虎沟12号冰川海拔4 550 m处的气象资料（2011年8月24日 - 9月6日）, 结合能量平衡模型, 分析了不同天气条件下的能量收支变化特征。结果表明： 受云量影响, 晴天条件下向下短波辐射（318.3 W·m^-2）是多云条件下的1.5倍, 是阴天条件下的3倍。三种天气条件下的向下长波辐射, 晴天（215.4 W·m^-2）<多云（267.4 W·m^-2）<阴天（291.6 W·m^-2）。受固态降水的影响, 阴天条件下冰川反照率（0.50）是晴天时的2倍多。而三种天气下的最大消融耗热, 晴天（739.6 W·m^-2）>多云（582.8 W·m^-2）>阴天（324.5 W·m^-2）。在能量收入项中, 净短波辐射是主要来源（98%）, 但是受天气条件影响, 能量支出各项所占比例有明显差异; 在三种天气条件下, 净长波辐射所占比例分别为35%、 31%和23%, 消融耗热所占比例分别为62%、 64%和75%, 潜热通量所占比例相差不大。     

Limitations and improvements of the energy balance closure with reference to experimental data measured over a maize field

The use of energy fluxes data to validate land surface models requires that energy balance closure conservation is satisfied, but usually this condition is not verified when the available energy is bigger than the sum of turbulent vertical fluxes. In this work, a comprehensive evaluation of energy balance closure problems is performed on a 2012 data set from Livraga obtained by a micrometeorological eddy covariance station located in a maize field in the Po Valley. Energy balance closure is calculated by statistical regression of turbulent energy fluxes and soil heat flux against available energy. Generally, the results indicate a lack of closure with a mean imbalance in the order of 20%. Storage terms are the main reason for the unclosed energy balance but also the turbulent mixing conditions play a fundamental role in reliable turbulent flux estimations. Recently introduced in literature, the energy balance problem has been studied as a scale problem. A representative source area for each flux of the energy balance has been analyzed and the closure has been performed in function of turbulent flux footprint areas. Surface heterogeneity and seasonality effects have been studied to understand the influence of canopy growth on the energy balance closure. High frequency data have been used to calculate co-spectral and ogive functions, which suggest that an averaging period of 30 min may miss temporal scales that contribute to the turbulent fluxes. Finally, latent and sensible heat random error estimations are computed to give information about the measurement system and turbulence transport deficiencies.     

Transitions in the surface energy balance during the life cycle of a monsoon season

In this observational/diagnostic study, we illustrate the time history of some important parameters of the surface energy balance during the life cycle of a single monsoon season. This chronology of the surface energy balance portrays the differential equilibrium state from the preonset phase to the withdrawal phase. This includes an analysis of the time history of base variables such as soil moisture, ground temperature, cloud cover, precipitation and humidity. This is followed by an analysis of the components of the surface energy balance where we note subtle changes in the overall balances as we proceed from one epoch of the monsoon to the next. Of interest here is the transition sequence: preonset, onset, break, revival, break, revival and withdrawal during the year 2001. Computations are all illustrated for a box over central India where the coastal effects were small, data coverage was not sparse and where the semi-arid land mass changes drastically to a lush green area. This region exhibited large changes in the components of surface energy balance. The principal results pertain to what balances the difference among the incoming short wave radiation (at the earth’s surface) and the long wave radiation exhibited by the ground. That difference is balanced by a dominant sensible heat flux and the reflected short wave radiation in the preonset stage. A sudden change in the Bowen ratio going from>1 to <1 is noted soon after the onset of monsoon. Thereafter the latent heat flux from the land surface takes an important role and the sensible heat flux acquires a diminishing role. We also examine the subtle changes that occur in the components of surface energy balance between the break and the active phases. The break phases are seen to be quite different from the preonset phases. This study is aimed to illustrate the major importance of moisture and clouds in the radiative transfer computations that are central to the surface energy balance during each epoch. These sensitivities (of moisture and clouds) have major consequences for weather and climate forecasts     

黑河下游绿洲地表辐射平衡及小气候特征分析

利用额济纳绿洲2004年5~10月微气象站观测资料,分析了该地区地表能量平衡及小气候特征.结果表明:在绿洲内太阳总辐射、光合有效辐射、净辐射有明显的季节变化及日变化,日峰值及月总量在7月份达到最高.地表能量平衡季节变化显著,5、8、9、10月份,地面能量交换基本以感热通量为主,Bowen比值在日间>4;6、7月份,潜热蒸发是能量平衡的主要部分,Bowen比基本<1.5~10月土壤热通量值始终较小,约占净辐射的15%~20%.绿洲内近地层风速基本在0~5 m·s^-1之间,夜间风速变化很小,日间风速较大.随着土壤深度的增加,土壤温度变化趋势越来越缓慢,地表温度波动变化最大,而在40 cm深处土壤温度日变化很小.     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究

基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测,研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化,确定观测期内沼泽湿地总蒸散量,并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明,沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征,总体看来,潜热通量是湿地的主要能量支出项,占净辐射的45.5%,感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9%和26.7%。2006年5~10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm,月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm,占总蒸散量的71%左右,植被蒸腾量则约占总蒸散量的29%,湿地蒸散发以水面蒸发为主。     

On the measurement of the surface energy budget over a land surface during the summer monsoon

The measurement of surface energy balance over a land surface in an open area in Bangalore is reported. Measurements of all variables needed to calculate the surface energy balance on time scales longer than a week are made. Components of radiative fluxes are measured while sensible and latent heat fluxes are based on the bulk method using measurements made at two levels on a micrometeorological tower of 10m height. The bulk flux formulation is verified by comparing its fluxes with direct fluxes using sonic anemometer data sampled at 10Hz. Soil temperature is measured at 4 depths. Data have been continuously collected for over 6 months covering pre-monsoon and monsoon periods during the year 2006. The study first addresses the issue of getting the fluxes accurately. It is shown that water vapour measurements are the most crucial. A bias of 0.25% in relative humidity, which is well above the normal accuracy assumed by the manufacturers but achievable in the field using a combination of laboratory calibration and field intercomparisons, results in about 20W m⁻² change in the latent heat flux on the seasonal time scale. When seen on the seasonal time scale, the net longwave radiation is the largest energy loss term at the experimental site. The seasonal variation in the energy sink term is small compared to that in the energy source term.     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

玛曲高寒草甸夏季近地层微气象和CO2通量特征分析

利用2015年夏季玛曲高寒草甸观测资料,从中选取7月10个连续完整的观测日,分析了近地层气象要素、地表辐射和能量传输以及CO₂通量日变化特征。结果表明：夏季玛曲地区气温和比湿昼夜差异较大,最大温差为19.2 ℃,平均风速为2.7 m?s^-1,风向以东风为主。晴天条件下向下短波辐射可达1 200 W?m^-2左右,平均地表反照率为0.22,均大于藏北那曲地区。净辐射峰值可达850 W?m^-2左右,陆-气间能量传输以潜热输送为主。10 d能量闭合度平均值为0.61,能量不平衡程度较大。夏季玛曲高寒草甸表现为“碳汇”,CO₂通量平均值为-0.20 mg?m^-2?s^-1,晴天碳吸收最大速率为-14.05 mg?m^-2?s^-1,显著大于阴天,最大碳吸收时长为13 h,CO₂密度平均值为530.7 mg?m^-3。     

压气储能浅埋地下储气库性能试验研究

利用地下岩穴进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。压缩空气地下储存库建设的核心任务是保证储气库的密封性和洞室结构安全性。为了验证浅埋地下储气库的可行性,在湖南平江抽水蓄能电站勘探平硐的花岗岩地层内建造了国内第1个硬岩浅埋衬砌地下储气室,并进行了10次完整的压缩空气充放气循环试验。试验结果表明：储气室内压缩空气温度场呈现出显著不均匀分布的特性,温控系统可以有效地控制储气室的温度变化过程。长时高压储气条件下,试验库的漏气率约为充气率的3.2%,试验库密封性能良好。在8.7 MPa的内压作用下围岩的最大变形量只有0.35 mm左右,高内压引起的变形影响区在10 m范围内,围岩变形安全性良好。试验成果有助于全面深入地认识高压地下储气库的工作性能,并为压气储能地下储气库的设计提供有益参考。