GLDAS资料驱动的Noah-MP陆面模式青藏高原地表能量交换模拟性能评估

使用Noah-MP陆面模式,在GLDAS数据的驱动下,对青藏高原不同区域6个观测站点的感热通量和潜热通量进行了模拟,并与实测值进行了对比分析。研究结果表明:使用默认参数化方案选项模拟的感热通量除在珠峰站冬春季偏高而夏秋季偏低以外,在其他站点均偏高;潜热通量的模拟在不同站点和不同季节存在较大差异,在藏东南站模拟结果较好,在珠峰站偏高,在慕士塔格站偏低,在纳木错站秋冬季偏低、在阿里站春季偏高、在那曲站夏季偏低。通过进一步分析模拟结果对各个参数化方案选项的敏感性,选出了更适合各站点感热通量及潜热通量模拟的参数化方案选项组合,提高了模式对各个站点全年整体模拟水平,使得模拟结果和站点观测相比具有更小的均方根误差和更高相关系数,但对一些站点部分季节的模拟可能会带来更大的误差。本研究为这些站点的陆面及耦合模式的模拟提供了参考,同时也能对青藏高原热源变化的模拟提供更准确的地气交换信息。     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论，计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe，ωo和g，考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响，以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。     

南海西南季风爆发前后海-气通量交换系 数研究

动量交换系数(CD)、感热交换系数(CH)和潜热(或水汽)交换系数(CE)是气候模式中参数化海-气通量必需的参数,不同地区、天气、海况的试验中计算结果各异。文章利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第3次南海海-气通量观测试验资料,使用涡旋相关法和TOGA COARE2.5b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海-气界面动量、感热通量、潜热通量等的湍流交换系数,讨论了各通量交换系数的变化特征及其与气象要素变化的关系。结果表明:西南季风爆发前后,随着风向、风速、云量、降水、湿度及海面状态等变化,通量交换系数也发生变化:中性条件动量交换系数(CDn)在季风爆发前数值略小,季风爆发后数值增大;中性条件感热交换系数和潜热交换系数(CHn,CEn)对天气变化的反应不够敏感。动量交换系数主要受风速影响,但在不同风速区间相关关系有异。(CH)与海-气温差呈现正相关关系,和气温有明显的负相关关系。CE与风速的关系密切,但当风速>12 m/s,CE随风速的变化趋向一个稳定值。另外当海-气温差大约<2℃时,CE随着海-气温差增大相应增大,反映了通量交换系数不仅与风影响下的下垫面特性有关,而且还与稳定度参数有关。各通量交换系数与气象要素变化的关系可以拟合为多项式或者简单的线性关系式。     

农田和草地下垫面上附加阻尼kB~(-1)变化特征的分析

利用2010年阿柔站(草地)和馆陶站(农田)的观测资料,运用阻尼法估算不同下垫面的热传输附加阻尼(kB-1),分析日变化特征,探讨用一个固定kB-1值来估算感热通量,最后将估算值与M_1958、M_1963、M_1982、M_1989、M_1998、M_2002和M_2007七种参数化方案进行比较。结果表明,在不同下垫面上,kB-1变化明显。除玉米下垫面、玉米和裸地混合下垫面外,其余下垫面kB-1均有抛物线型日变化,与地气温差具有相关性。在植被下垫面,可用中值或均值的kB-1计算感热通量。将不同参数化方案计算的感热通量与观测值之间进行比较发现,在裸地下垫面,与观测值最接近的参数化方案是M_1998方案;在混合地表则为M_1958、M_1963和M_2007方案。     

干旱区陆面过程模型参数优化和地气相互作用特征的模拟研究

依据干旱区陆地下垫面观测结果, 对陆面过程模式Common Land Model (CoLM) 中反照率、 粗糙度长度和土壤热力性质3个方面的参数进行了优化, 并按照不同的参数组合形式设计了为加深理解干旱区地气相互作用的控制试验和研究重要参数影响的敏感性试验, 对敦煌戈壁2000年5月～2004年7月的陆面过程进行了离线 (off-line) 数值模拟分析。控制试验结果表明: 优化参数的模式在干旱区得到了更好的模拟性能, 对地表和深层土壤温度、 净短波辐射、 净长波辐射以及感热通量的模拟能力较原模式有了明显的提高。敏感性试验的结果表明: 地表温度在全年对反照率都比较敏感, 春季和夏季更为显著; 粗糙度长度和土壤热力性质分别在春夏和秋冬对地表温度有较大影响; 感热通量对反照率和粗糙度长度在夏半年比较敏感, 而土壤热力性质对感热通量的影响并不明显。对敏感性试验的结果进一步分析发现: 原模式在计算地表温度、 净辐射和感热通量的过程中存在不同形式的误差抵消的现象, 这就会掩盖模式的模拟误差, 优化参数的模式可以更好的反映干旱区地气相互作用的物理过程。针对模式输出的感热通量和地表热通量的分析发现: 感热通量的季节变化明显, 全年都有由地表向上的感热通量输送, 夏季尤为显著; 相对于感热通量而言, 潜热通量量级很小可以忽略不计。夏季, 净辐射的能量大部分以感热通量的形式返回大气, 其余的能量以地表热通量的形式进入土壤并贮存, 夏季土壤为热汇; 冬季, 夏季贮存的能量又由土壤返回大气, 此时土壤为热源。     

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 ,讨论了参数化非均匀大气的网格平均的次网格通量的一些新的想法及相关问题     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

青藏高原西部土壤热量的传输及其参数化方案

青藏高原土壤热通量虽然在热源强度或热量平衡总量中所占比例不大,但它是地面热量平衡方程闭合的一个重要因子。以1997年9月至1998年12月青藏高原西部改则和狮泉河两个自动气象站(AWS)连续观测的地下2.5 cm和7.5 cm深度的土壤热通量,分析了浅层土壤热通量、土壤温度梯度和土壤热储存量的月变化和季节变化特征,并对一整年的这3个量进行了日变化的合成分析。进一步利用土壤热通量与同期不同深度土壤温度进行了拟合分析,得出了高原西部利用地温计算土壤热通量的参数化公式。     

塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量比较

选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区和北缘过渡带肖塘地区2个观测站,2013年土壤热通量观测资料,初步分析了两地区不同下垫面的土壤热通量变化特征。结果表明:(1)在日变化尺度上,2个站都有明显的日变化特征,1月塔中站土壤热通量日平均变化幅度小于肖塘站,4月2个站的土壤热通量变化幅度较为接近;7、10月塔中站土壤热通量变化幅度明显高于肖塘站。(2)不同天气条件下,2个站的土壤热通量变化都有很大差异。晴天,塔中站和肖塘站土壤热通量变化都呈现出单峰型,变化幅度较一致,日较差分别为119.7 W·m~(-2)和119.1 W·m~(-2);沙尘暴天气,土壤热通量受云层的影响,变化波动较大,塔中站变化幅度小于肖塘站,日较差分别为83.6 W·m~(-2)和133.1 W·m~(-2);降水天气,塔中站和肖塘站变化幅度都很剧烈,日较差分别为70.6 W·m~(-2)和66.6 W·m~(-2)。(3)年变化尺度上,塔中站和肖塘站土壤热通量都在7月达到最大值,分别为7.7 W·m~(-2)和4.2 W·m~(-2),在11月出现最小值分别为-5.3 W·m~(-2)和-10.2 W·m~(-2)。塔中站和肖塘站土壤热通量年总量差异很大,塔中站为16.8 W·m~(-2),能量由大气向土壤传递,土壤为热汇,而肖塘站则为-34.9 W·m~(-2),能量由土壤向大气传播,土壤表现为热源。     

漂浮通量箱法和扩散模型法测定内陆水体CH_4和N_2O排放通量的初步比较研究

采用漂浮通量箱法和扩散模型法同步地观测了模拟内陆水体在不同条件下的CH4和N2O的水-气交换通量,旨在比较两类方法取得结果的异同。结果显示:这两类方法所测得的绝大多数CH4排放通量都与水中溶解氧呈显著线性负相关(显著性系数P0.001)。同时N2O排放通量与表层水温及水中铵态氮、硝态氮、溶解碳和溶解氧的关系可用包含所有上述水环境因素的Arrhenius动力学方程来表达,这些因素可以共同解释86%~90%的N2O通量变化(P0.0001),且不同方法测定的N2O通量的表观活化能和对表层水温的敏感系数分别介于47~59 kJ mol-1和1.92~2.27之间;扩散模型法所获得的CH4和N2O通量分别是箱法测定值的13%~175%和15%~240%,差异程度因模型而异;不同模型取得通量间相差20%~1200%,平均相差2.3倍。上述结果表明:仅用一种模型方法来取得CH4或N2O排放通量易形成较大偏差;不同扩散模型法和箱法测定的通量在反映CH4和N2O排放的内在规律方面具有一致性,但它们对真实气体通量的测量是否都存在不同程度的系统误差,尚需进一步研究。     

大尺度瞬变涡旋经向热量和水沟通量在纬向平均气流形成中的效应

在一个纬向平均模式中加入大尺度瞬变涡旋经向热量和水汽通量参数化方案。模拟出涡动通量的空间分布和时间变化。实验表明，涡动通量在中高、纬地区大气能量输送过程中起重要作用。应用上述参数化方案提高了模式的模拟能力。     

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究 Ⅱ:三种积云方案的积云对流活动及MFS方案相关参数的敏感性试验

作者在“修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究I方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟”论文中提出的质量通量方案成功地植入区域气候模式RegCM2的基础上，对比分析质量通量方案MFS，Kuo方案和Grell方案对积云对流活动的模拟，结果表明质量通量方案较好地模拟了积云对流活动过程。针对质量通量方案中的一些参数，如云水向雨水的转换率、混合卷入率、混合卷出率和下沉气流的强度等进行了一系列的敏感性试验，试验结果表明积云对流活动对这些参数比较敏感，因此提高这些参数的准确性是改进积云对流参数化方案的重要内容之一。     

青藏高原深层土壤热通量的变化特征分析

青藏高原地表热状况不仅对局地天气和气候变化有重要影响,而且还在次季节到季节尺度上对周边特别是下游地区的短期气候变化产生影响,因此日益受到研究者的关注。土壤热扩散率和土壤热通量是决定土壤热状况的两个重要因素。不同于以往的研究,本文利用青藏高原地区1980—2001年39个气象站0.8 m和3.2 m的土壤温度资料,采用热传导对流法计算了0.8~3.2 m深层土壤热扩散率和土壤热通量,分析了它们的年变化和年际变化特征,并分析了深层土壤热通量和高原季风的相关关系,得到了一些有意义的结论。青藏高原深层土壤温度随深度的增加振幅减小、位相延迟;在1980—2001年间,土壤热扩散率的变化总体呈减小趋势;土壤深层热通量年变化与土壤表层热通量的年变化具有相反的相位;总热通量与对流热通量的变化具有相同的相位;深层土壤热通量月平均值在冬季为负值(定义热流向上为正),夏季土壤热通量都为正值。土壤热通量与高原冬季风指数的变化趋势相反,相关系数为-0.53;而与高原夏季风指数变化趋势一致,相关系数为0.58,都通过了95%的显著性检验。这些结论对于促使我们认识高原陆气相互作用是非常有意义的。     

长江流域一次暴雨过程的模拟对行星边界层参数化的敏感性研究

用MM5对长江流域的一次暴雨进行模拟考察其对行星边界层参数化的敏感性。不同的边界层参数化表现在不同的地表通量和垂直混合设计上，本文分析了MM5中4个主要方案地表通量和垂直混合参数化方案的不同以及它们对降水强度、落区和时间的影响。研究还发现，地表通量对暴雨模拟结果的影响比垂直混合方案要大。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较

基于2002年南海夏季风期间西沙海气通量观测试验, 采用梯度廓线法计算了观测期间的动量通量、潜热通量、感热通量及其相关要素, 并进行了分析与对比.结果表明: 南海夏季风爆发前后, 南海北部海气通量及其相关要素等都存在显著差异, 不同天气形势下也有较大变化; 南海北部海域在全球海气相互作用中的影响可能不如西太平洋显著; 平均而言, 三次试验的南海北部海气通量变化较小, 感热通量与潜热通量之间存在比较稳定的比例关系, 鲍恩比(Bowen Ratio)维持在大约0.05.     

塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量变化比较

选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区和北缘过渡带肖塘地区2013年土壤热通量观测资料,初步比较分析了塔克拉玛干沙漠两种下垫面的土壤热通量变化特征。结果表明：(1)在日变化尺度上,两个站点都有明显的日变化特征,1月份塔中站土壤热通量日平均变化幅度小于肖塘站,日较差分别为58.9 W.m2和72.4 W.m2,4月份两站土壤热通量变化幅度较为接近,日较差分别为88.1W.m2、100.1 W.m2。7、10月份塔中站土壤热通量变化幅度明显高于肖塘站,日较差分别为99.0 W.m2、53.7W.m2,100.3 W.m2、73.3W.m2。(2)不同天气条件下两个站点土壤热通量变化都有很大差异。晴天,塔中站和肖塘站土壤热通量变化都呈现出单峰型,变化幅度较一致,日较差分别为119.7 W.m2、119.1 W.m2。沙尘天和雨天受云层或降水的影响土壤热通量变化波动较大,沙尘天塔中站变化幅度小于肖塘站,日较差分别为83.6 W.m2、133.1 W.m2;雨天塔中站和肖塘站变化幅度都很剧烈,日较差分别为70.6 W.m2、66.6 W.m2。(3)年变化尺度上,塔中站土壤热通量在7月份达到最大值(7.7 W.m2),在11月出现最小值(-5.3 W.m2),肖塘站7月份出现最大值(4.2 W.m2),11月份出现最小值(-10.2 W.m2)。塔中站和肖塘站土壤热通量年总量差异很大,塔中站为16.8 W.m2,能量由大气向土壤传递,土壤为热汇,而肖塘站则为-34.9 W.m2,能量由土壤向大气传播,土壤表现为热源。     

青海南部冻融区高寒草地土壤温度变化及热量传输特征

为进一步了解高寒地区草地土壤冻融期（5—9月为融期,10月—翌年4月为冻期）能量收支平衡及不同剖面物理属性过程,采用热传导对流法、振幅法和相位法就该区不同深度土壤热通量分别进行了计算,并初步分析了不同年际间土壤热力学参数的变化特征。结果表明,热传导对流法能较好地描述高寒地区不同深度土壤热通量的变化特征。不同深度土壤温度的多年平均值由地表向深层土壤逐渐呈滞后效应,地表温度（T_0cm）最高值出现在7月份左右,而深层土壤T_160cm和T_320cm的最高值出现时间分别为8月和9月,且随着土壤深度的增加,其振幅减小,相位滞后。中间层土壤温度实测值与模拟值的拟合效果最佳,回归校正系数分别为0.9361、0.9509和0.9133;土壤总热通量与对流热通量相位的变化趋势一致,而与传导热通量相反。因此,季节变化是影响该区土壤剖面热量传递过程和传输方向的主导因子。     

青藏高原西部地表通量的年、日变化特征

利用青藏高原西部地区改则和狮泉河两个自动观测气象站1998年全年每天24个时次的风速、温度和湿度等梯度观测资料,采用湍流相似理论．计算了改则和狮泉河的动量通量、感热通量以及潜热通量。结果表明：改则和狮泉河两地的地表湍流通量都具有明显的季节变化和日变化,且其季节变化的相同点表现在感热通量均在5月份最大,1月份最小：而潜热通量均在8月份最大。不同点表现在改则的潜热通量在12月份最小,狮泉河1～5月平均潜热通量为负,以凝结为主,改则的月平均蒸发及全年的蒸发总量比狮泉河的要大。而其感热通量比后者的都小。日变化幅度随季节变化明显,表现在夏季地表通量的日变化幅度大,冬季要小得多。     

中国西部干旱地区太阳直接辐射通量密度与大气质量的关系

本文根据中国西部干旱地区大气物理状态(大气可降水量和大气浑浊度)的变化范围,利用太阳直接辐射通量密度的理论计算公式,计算了各种大气透明系数状况下的太阳直接辐射通量密度。计算结果表明,大气质量m=2时的透明系数P_2和m相同时,由于水汽和气溶胶的含量配置不同而引起太阳直接辐射通量密度的差异,在辐射日变程的主要时段(m=1-3)内并不大。于是得到各种透明系数P_2状况下太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的平均关系。不同海拔高度比较,当透明系数P_2相同时,各自的大气物理状态虽然不同,但m相同时的太阳直接辐射通量密度基本相同。现有的表征太阳直接辐射通量密度值和大气质量联系的关系式都不能很好地描述计算结果。根据太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的特性,我们提出了新的关系式。最后,整理了不同拔海高度和不同地理景观的四个日射站(西藏那曲、青海格尔木、甘肃敦煌和民勤)的多年观测资料。经验计算结果与观测值比较,一致性良好。