基于Noah-MP陆面模式的青藏高原地表感热和潜热通量分布及变化特征

利用中国区域高分辨率数据集作为大气强迫场,驱动修改了热力学粗糙度参数化方案后的NoahMP陆面模式进行了2000-2018年青藏高原地区陆面过程模拟。用野外观测资料校验模拟结果后,分析了地表感热通量（SH）、潜热通量（LH）的分布及变化特征。结果表明,模式能较合理模拟高原地表感热和潜热通量。高原的中、西部为地表感热和潜热通量的年际变率较大区域。模拟的高原中、西部地区感热通量强于东部地区,且绝大部分区域的感热通量是有增强趋势的。对于整个高原,感热通量从2002年前后呈较明显的增强趋势。总体上,四个季节的平均感热都有较明显的增强,特别是在2010年以后。潜热通量在高原东部地区强于中、西部地区。潜热通量的年际变率相对于感热通量的变率要小。中部地区潜热呈减弱趋势,西部和东部都有弱的增强。对于整个高原,潜热通量在2000-2018年呈弱的增强趋势。其中,2000-2003年潜热通量是增强的,2003-2015年呈减弱趋势,主要因素为在夏季潜热通量的减弱。     

西北地区一次沙尘暴过程的地表热通量特征

利用NCEP日平均全球再分析网格点资料,对我国西北地区晴天日与沙尘暴日地表感热通量及潜热通量的差异进行了对比分析.结果表明:沙尘暴爆发前和爆发时,地表感热通量迅速增大,潜热通量急剧减小,地面空气处于一种干热状态,为一热源区,有能量的散失.     

陆面过程与天气研究

利用观测数据和最大熵增（Maximum Entropy Production,MEP）模型,估算了京津冀地区小汤山、顺义和武清3个站的地表感热通量和潜热通量。模型的输入量为地表净辐射、地表温度以及地表比湿,其中地表温度和地表比湿分别通过地表向上、向下长波辐射和相对湿度估算得到。将MEP模型计算结果与涡动相关（Eddy Covariance,EC）观测得到的感热通量和潜热通量进行比较,验证评估MEP模型。此外,将MEP模型计算结果与另一种简化计算方法（M20模型）以及7种再分析资料（NCEP1、NCEP2、MERRA2、ERA-5、ERA-Interim、JRA55、CRA）的日平均地表感热和潜热通量进行比较,对比分析它们在京津冀地区计算地表感热和潜热通量的准确度。结果表明：MEP模型计算的地表潜热通量和感热通量与涡动相关观测结果较为接近,具有相似的日变化、月变化和季变化特征。相比M20方法和再分析资料,MEP模型的计算结果与观测吻合得更好,具有更小的均方根误差和平均偏差。因此,最大熵增模型在京津冀地区计算地表热通量的准确度和可信度较高,在该地区具有较好的适用性。     

陇中黄土高原夏季地表能量平衡观测研究

利用2003年6～8月的实际观测资料,分析了陇中黄土高原夏季地表通量特征。在春小麦下垫面,无论晴天或阴天,能量主要消耗于农田蒸散。在裸地下垫面各能量通量表现出同样的变化特征,但由于降雨量的增加,导致潜热占净辐射的比例比春小麦地的还高。在晴天或阴天地气之间能量传输引起土壤温度变化的深度,主要出现50cm以上,其日变化均呈现准正弦曲线形式,50cm以下的土壤温度不存在日变化。在半干旱区云和降水对地表辐射和能量平衡造成的影响不容忽视。波文比在日出以后逐渐增大,到正午达最大值;春小麦下垫面时的波文比大于裸地时的值,两者的极值分别是1．01和0．75。     

西北半干旱区感、潜热通量特征及近50年来的变化趋势

在对比分析2007年兰州大学SACOL测站观测值和NCEP模式产品的感、潜热等变化特征的基础上,用观测资料和NCEP感、潜热通量资料的误差对1961—2008年的NCEP感、潜热通量资料进行了订正。分析了近50年西北半干旱区感、潜热的年际变化趋势。结果表明:平均而言,在半干旱区,4月感热最大,7月潜热最大;在过去的近50年间,年平均潜热通量大于感热通量。近50年来,潜热通量有减小的趋势,感热通量有增加的趋势。     

北太平洋海气界面湍流热通量的年际变化

本文采用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的1958～2006年月平均的湍流热通量及相关气象场数据, 利用EOF分析、小扰动方法、线性回归、相关分析等方法研究了北太平洋海气界面湍流热通量年际变化的时空特征、 影响因子及其与大气环流的关系。结果表明, 北太平洋湍流热通量的年际变化在冬季最为显著。我国东部海域及其向中东太平洋的延伸部分为冬季潜热通量和感热通量年际变化的关键区。冬季潜热通量的年际变化在副热带太平洋和菲律宾海域主要受风速变化影响, 在北太平洋的高纬和低纬海域尤其是赤道中太平洋主要受比湿差变化影响, 而冬季感热通量的年际变化在整个北太平洋都主要受海气温差变化影响。受大尺度环流影响, 异常低压中心的东 (西) 侧海气比湿差和海气温度差偏小 (偏大), 所以异常低压中心的东 (西) 侧潜热输送和感热输送偏弱 (偏强)。     

鄱阳湖地区地表通量特征及影响因素

利用2013年7月1日—2014年6月30日鄱阳湖东岸70 m铁塔的涡动相关观测资料,统计分析了风、温度、通量足迹的分布,重点分析了湍流通量的变化及其影响因素,结果表明:1)鄱阳湖地区夏季主要以南风、西南偏南风和东南偏南风为主,冬季风向多变,主要以西北风、西北偏北风等偏北风为主.秋季风速较强,春季次之,夏季最小.通量足迹在南、北方向密集,在西南和东北方向稀疏.2)动量通量表现为夏、秋季较大,冬、春季较小.感热通量表现为秋季最大,春季次之,夏季最小;秋季整体的变化幅度都较大,夏季整体较小.潜热通量夏季最大,冬季最小;潜热通量夏季整体的变化幅度较大,冬季整体较小.3)随着下垫面粗糙度的增大,摩擦速度和动量通量显著增大.潜热通量与水的相变密切相关,来自湖面的潜热通量较大,而来自陆地的较小;感热通量与大气稳定度有关,在稳定状态时为负,在不稳定状态感热通量显著增大.     

利用区域尺度气象模式模拟黑河地区地表能量通量的研究

应用中尺度区域模式RAMS (the regional atmospheric model system), 在40余组不同参数的条件下模拟中国干旱半干旱黑河地区的地表能量通量和土壤温度特征, 并以此探索模式在干旱半干旱地区的适用性。为了证明模拟结果的准确性和模式的稳定性, 模拟连续运行30天, 其中包含晴好和阴雨的天气过程。模拟结果表明: 即使使用较为可靠的NECP再分析气压层资料和实地探测资料, 进行初始场和参数的输入, RAMS的默认设置也很难较为合理地反演出地表能量通量, 只有合理地调整好其土壤特征参数, RAMS才能得到与实测资料符合得较好的结果。土壤特征参数对模拟结果影响较大, 影响因子的重要性依次为: 土壤含水量、 土壤层总厚度、 土壤温度。     

印度洋海气热通量交换研究

基于综合海洋大气资料集(COADS)资料的研究表明,热带印度洋的海气热通量交换具有明显的区域性特征,在部分海域,如冬季热带印度洋的中东部、夏季的热带西印度洋和北印度洋,它主要表现为海洋对大气的强迫.海洋对大气的这种强迫,主要是通过潜热加热实现的.与潜热加热相比,感热加热尽管是一个小量,但感热异常与表层海温的显著相关,较之潜热明显超前.无论冬季还是夏季,热带印度洋都存在大面积海域,其SST变化难以通过海气热通量交换来解释.     

基于不同陆面参数化方案的高温天气数值模拟

基于3种不同的陆面过程方案(SLAB、NOAH和RUC方案)利用WRF模式对2009年7月发生在江苏沿江及苏南地区包括沪宁高速公路在内的一次高温天气过程进行了对比模拟和分析.结果表明:①WRF模式中耦合陆面参数化方案后的试验结果更接近实况,且模拟的高温天气过程对不同陆面方案的选择较为敏感;②SLAB、NOAH、RUC ...     

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。     

半干旱区农田和草地与大气间二氧化碳和水热通量的模拟研究

集成生物圈模型(IBIS)是目前最复杂的基于动态植被模型的陆面生物物理模型之一。通过应用该模型对国际协调强化观测计划(CEOP)半干旱区基准站之一的吉林通榆观测站(44°25′N,122°52′E)草地和农田生态系统2003年全年的CO2和水、热通量变化进行模拟,并将结果与涡度相关法测定的观测值进行了对比分析,以检验IBIS模型在半干旱区的模拟能力。对比结果表明:除CO2通量模拟结果不够理想外,IBIS模型较好地模拟了通榆观测站的感热通量和潜热通量。模拟与观测比较的相关系数均通过了0.05以上显著性水平的信度检验。总体上看,模型对农田生态系统模拟的偏差小于对退化草地的模拟。     

黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数.研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响.降水正常年份的总体粗糙度为0.009 m,偏干年份总体粗糙度为0.006 m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大.对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近.分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式.总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关.通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强.最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式.     

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速。温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m^-2,月平均值为220W·m^-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m^-2,月平均值为230W·m^-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m^-2,平均值为27W·m^-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0．063W·m^-2,夏季动量通量的平均值为-0．091W·m^-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09-10时（地方时）出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。     

盘锦湿地芦苇生态系统长期通量观测研究

针对2004年5月26日-2005年10月15日盘锦湿地芦苇生态系统碳通量、感热通量和潜热通量资料进行分析。结果表明:芦苇湿地具有较强的碳汇作用;2005年芦苇湿地固定二氧化碳为13.32 t/hm2,日平均感热通量和潜热通量分别为2 464 kJ/m2和3 880 kJ/m2。2004年和2005年6～9月的日累积值波文比平均值均为0.15。芦苇湿地碳通量、感热通量和潜热通量的日动态呈单峰单谷型变化,极值出现在中午前后,夜间线形平直。芦苇生长季白天通量绝对值远较夜间大,白天碳吸收,夜间碳排放。CO2浓度年平均日变化曲线亦为单谷单峰型,夜间浓度较高且逐渐升高,直到日出前达到峰值;日出后急剧下降,傍晚又开始逐渐增加。芦苇湿地感热通量昼正夜负,潜热通量与林地不同,全天为正。各通量季节变化明显,冬季CO2通量日变化不明显,趋近于零;感热通量总体向上输送,春季数值较大,生长季数值较小;潜热通量冬季最小,接近0,春季开始显著增加,生长季达到最大。     

陆气双向耦合模式中全球感热和潜热通量的时空特征模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)含有动态植被过程的海-陆-气耦合模式AVIlVI-GOAIS的积分结果,与ERA-40再分析资料的感热和潜热通量场进行对比分析,结果表明:AVIM-GOALS模拟的感热和潜热通量的气候态、季节变化等特征和ERA-40一致,其中感热通量的纬向分布为双峰型,而潜热通量从1～7月...     

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。     

耦合不同陆面过程对江西南部一次暖区特大暴雨过程的模拟试验

利用WRF V模式耦合4个陆面过程对2015年5月18—19日江西南部暖区特大暴雨进行了模拟,以检验陆面过程对暴雨过程的影响;在此基础上,又进行了地表通量敏感性试验,以检验地面扰动通量对降水的影响。结果表明,各方案模拟的降水范围、雨带走向以及降水中心位置与实况都比较相似,但是降水强度大小与陆面过程的选择存在一定的差异。其中,WRF模式耦合NOAH方案模拟的降水中心、降水强度和累积降水量均能够较好地反映这次暴雨过程的发展。感热和潜热通量在暖区暴雨中是维持降水持续的主要能量输送,对暴雨中心强度和位置变化的影响,潜热通量比感热通量发挥了更重要的作用。来自地面水汽蒸发所释放的潜热以及水汽抬升和辐合释放的潜能为维持暴雨强度提供了重要的能量支撑。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

西太平洋热带海域厄尔尼诺年和非厄尔尼诺年期间湍流通量输送的不同特征

本文根据海洋科考船“实验三号”1986—1989年在西太平洋热带海域、使用系留气艇探测系统观测的140多次温度、湿度和风等廓线资料,利用Monin-Obukhov相似理论的半经验通量-廓线关系,计算给出该海域的动量通量M(特别是曳力系数C_D)、感热通量H_S和潜热通量H_L以及海表温度T_S和Richardson数Ri.结果表明:它们有明显的年际变化;感热通量H_S和潜热通量H_L与海表温度T_S呈明显正相关;曳力系数C_D与风速和Richardson数Ri也有明显相关关系,当风速一定时,C_D值随着Ri值的减少(Ri<0时的不稳定情况)而增加,而当Ri值不变时,C_D值随着风速值的增加而增加.