黄土高原影响LAS观测感热通量的物理因素分析

利用2010年1月和6月黄土高原定西和庆阳两站大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)、辐射观测、梯度塔等观测系统的同步观测资料,分析了不同下垫面LAS和EC观测感热通量的时空差异及其与下垫面净辐射、风向、风速和稳定度等物理量的关系。结果表明,LAS和EC观测感热通量值之间的差异(HLAS-HEC)大小与下垫面的不均匀性有关,相对复杂的下垫面HLAS-HEC较大。净辐射Rn是感热通量的主要驱动因子,HLAS-HEC在生长季大于非生长季,并与Rn成正相关。风向对LAS和EC观测感热通量值有显著影响。对流边界层低频涡旋的存在导致EC通量统计值偏低,HLAS/HEC随着风速的增大而减小,随着稳定度z/L的增大而增大。     

LAS在西北干旱区荒漠均匀下垫面的观测研究

利用“古浪非均匀近地层观测试验”的仪器平行对比观测部分试验数据,首先分析荒漠均匀下垫面大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)光径线上等间距架设的4台涡动相关仪(Eddy Covariance System,EC)观测的摩擦速度和感热通量的一致性.然后,基于4种不同下垫面建立稳定度普适函数分析,利用4台EC观测摩擦速度平均值,计算了LAS观测区域的感热通量,进而比较了LAS和EC两者观测值的差异.结果表明,4台EC观测的摩擦速度与感热通量一致性好,摩擦速度的差别＜10％,感热通量的差别在10％左右.4种稳定度普适函数计算的LAS区域感热通量在白天、夜晚与EC观测平均值变化趋势一致,但计算值偏大;TAG (Thiermann and Grassl)稳定度普适函数计算值与EC观测平均值较接近.其主要原因除不同下垫面试验所得稳定度普适函数的差异外,Kipp&Zonen LAS所测感热通量的系统性偏高不可忽视.     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。     

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。     

洱海湖滨农田下垫面大口径闪烁仪与涡动相关仪测量的湍流热通量对比分析

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,比较分析了两种仪器测量湍流感热和潜热通量的差异特征。结果表明,LAS测得的湍流感热和潜热通量与EC测得的均有较高的相关性,相关系数分别为0.85和0.90。两种仪器测量结果差异均存在显著的昼夜和季节变化。昼夜变化表现为白天时段LAS的平均感热(潜热)通量比EC的偏小15.6 W·m-2(偏大94.6 W·m-2);夜间时段则相反,LAS比EC的偏大9.3 W·m-2(偏小40.6 W·m-2)。季节变化表现为湿季(5-8月、10月)LAS的平均感热通量比EC的偏小6.9 W·m-2,干季(4月)LAS的平均潜热通量比EC的偏小2.1 W·m-2,其他月份则相反,LAS比EC测得的感热(潜热)偏大5.7(18.1)W·m-2。     

黄土高原大孔径闪烁仪观测特征量T*的研究

基于黄土高原定西站2009年9月大孔L径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)和梯度塔的同步观测资料,分析了LAS和EC在测量感热通量过程中的温度特征尺度T*及其差异与近地层气象要素风向、位温梯度和稳定度等的关系.结果表明,黄土高原下垫面LAS测量的T*LAS和EC测量的T*EC有很好的相关性,相关系数达到0.955,拟合的线性趋势系数是1.482.对9月进行风向统计,主风向为NNE和SE,NNE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.960,拟合的线性趋势系数是1.349,SE风向上T* LAS和T*EC的相关系数是0.968,拟合的线性趋势系数是1.619,风向对T*有显著影响.位温梯度与T*呈很好的线性相关关系,T*LAS相较于T*EC与位温梯度有更好的相关性.当稳定度z/L＜1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大雨减小;当z/L＞1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而增大.T* LAS/T*EC的变化范围随着z/L的增大逐渐变小,当z/L增大到4后,T*LAS/T*EC开始保持较小的变化范围.     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

陇中黄土高原植被覆盖和裸露下垫面地表通量和总体输送系数研究

通过对陇中黄土高原地区地表观测资料的分析,研究了该地区地表能量收支各项的平均日变化、小麦不同生长阶段的热通量日变化、总体输送系数平均日变化及其与稳定度的关系。结果表明:该地区白天潜热通量在净辐射通量的分配中所占的份额最大,其次为感热通量,土壤热通量最小;随着小麦的生长,潜热通量在净辐射通量的分配中所占的份额增加,感热通量则呈下降趋势,波文比呈下降趋势;在10m高度处,在小麦地动量总体输送系数Cd的平均值为6.03×10-3,感热总体输送系数Ch的平均值为3.40×10-3;在裸地,动量总体输送系数Cd的平均值为5.18×10-3,感热总体输送系数Ch的平均值为4.08×10-3。在同一观测高度上,Cd小麦>Cd裸地,Ch小麦相似文献   

基于LAS观测的城镇感热通量时空特征及影响因素

利用2018年4月—2019年4月南京盘城大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测数据,分析了城镇感热通量的时空变化特征及影响因素。结果表明:1)南京城镇感热通量呈单峰型日变化特征,白天明显大于夜间,且白天晴天明显大于阴天,夜间晴天略小于阴天,晴、阴天小时感热通量年平均分别在2.25～200.53 W·m^-2、13.10～132.52 W·m^-2波动。2)城镇感热通量夏季明显大于冬季,8月昼、夜分别为112.19、23.54 W·m^-2,2月昼、夜分别为35.57、11.57 W·m^-2。3)晴天白天条件下,不同风向(通量贡献源区)城镇感热通量存在显著差异,即随着不透水层占比的增加,净辐射分配到感热通量的比例明显提高,当占比大于60％时提高趋势不明显。4)以莫宁-奥布霍夫长度判断大气稳定度为标准,C²_n法在计算感热通量的5种大气稳定度判断方法中的误判率较低且数据源于LAS,是比较适宜城镇夜间大气稳定度的判断方法。5)在影响城镇感热通量的地表参数中,有效高度变化的影响最大,风速变化的影响较大特别在秋冬季节更为明显,波文比变化对城镇感热通量的影响较小,温度、地表粗糙度和零平面位移变化的影响可忽略不计。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站——塔中站2014年30 min步长实测数据,系统分析塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征及小气候特征。结果表明:塔中地区辐射平衡和能量平衡各分量均表现为春、夏季较大,秋、冬季较小,并具有明显的日变化特征,峰值出现在12:00(地方时,下同)左右。该地区地表能量通量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)中,净辐射、感热通量和土壤热通量均在08:00开始上升,至14:00左右达到峰值,而潜热通量变化很小。感热通量为能量的主要消耗形式,春、夏、秋、冬四季分别占净辐射的百分比为44. 6%、68. 1%、55. 2%和55. 3%,其次为土壤热通量,仅有很少能量用于水的相变。云和沙尘对能量通量各分量有明显削弱作用。近地层空气温度白天随高度的增加降低,夜晚则随高度的增加升高,空气相对湿度也呈明显变化规律。近地层水平风速随高度增加明显增大,风向以东北风为主。     

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。     

上海秋冬季地表能量平衡及CO2通量特征分析

利用2012年11月11日至2013年1月20日上海秋冬季涡动相关通量观测资料,对比分析地表能量平衡和CO₂通量在不同天气条件下的日变化特征。结果表明：2012-2013年上海晴天和多云天气条件下,最大能量通量为储热项,其次为感热项;用于蒸发的潜热通量项最小,低于50 w·m^-2。储热项日峰值出现在11时,出现时间早于净辐射通量,而在日落前转为负值。感热项日变化曲线并不以12时为中心呈对称分布,日落后感热项仍为明显正值。中午至日落时波文比值为3以上。感热通量受风向影响最大,在主导风向为西北风时,感热通量日峰值从其他风向的175 w·m^-2左右减小至120 w·m^-2左右。霾和云对短波辐射均表现为衰减作用,云的衰减作用明显大于霾。云使地表向上长波辐射和净长波辐射明显减少,而使大气逆辐射增加。晴天条件下,全天表现为CO₂排放源,且日变化呈双峰型,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上峰值。     

青藏高原地表感热通量变化特征及其对气候变化的响应

选取中国气象局在青藏高原(下称高原)地区常规气象观测站点中85个资料连续性较好的站点资料,基于CHEN-WENG感热交换系数方案计算了1981-2014年地表日均感热通量,并用M-K检验法分析了季节平均感热通量和年均感热通量的年际变化特征,结合经验正交函数法EOF(Empirical Orthogonal Function)、Pearson相关法,分析了年均感热通量的时空演变及异常分布特征以及不同地区站点感热通量与气候因子的相关性。结果表明,1981年以来,高原地表感热通量无论在年尺度还是季节尺度上的年际变化都表现为先下降后上升的趋势,其中春季和冬季由下降转变为上升的年份早于夏季和秋季,且夏季上升的幅度是四季中最弱的;1981-2003年间感热通量下降主要与地气温差和平均风速的减小有关,而2004-2014年间感热通量的上升主要与地气温差的显著增大有关。空间上,各站点感热通量的上升或下降并不同步,但存在一定的相互联系,感热通量上升的站点主要位于青海省;感热通量与各气候因子的相关性有明显的时空差异,整体上受地表温度影响显著,与地表温度变化呈正相关;与降水、日照时数、风速等气候因子的相关性在年尺度上存在较大的空间差异,在季节尺度上,感热通量与气象因子的季节相关性较好,尤其是夏季,感热通量与降水呈反相关,与日照时数、风速和气温呈正相关,其次是春季,秋、冬季相关性较差。     

珠峰复杂地表区域能量通量的卫星遥感

珠峰地区地表状况十分复杂,既有冰川(雪山)、高寒草垫,又有裸露山地及荒漠戈壁.如何确定这样复杂下垫面上的地气间的区域能量通量,一直是困扰国内外科学家的难题.本文提出了一个利用卫星遥感资料结合地面观测求取珠峰地区区域地表特征参数(地表反射率与地表温度)、植被参数(NDVI、植被覆盖度、修正的土壤调整植被指数MSAVI及叶面指数LAI)和地表能量通量(净辐射通量、土壤热通量、感热通量及潜热通量)的参数化方案,并讨论了此方案的优缺点.     

沙坡头人工植被区和流动沙丘上热量平衡观测研究

采用流动沙丘上人工植被和裸露流动沙丘下垫面近地层微气象实测资料，应用波文比法，计算了近地层感热和潜热通量＾２），并与作者在防风林干旱裸田和湿润小麦植被农田的结果进行比较分析。结果表明：在雨季的沙坡头地区流动沙丘人工植被上净辐射通量较强，可达６００Ｗ。ｍ＾－２以上，而净辐射的７０％左右的能量用于地表的蒸散，而感热散失和土壤贮存能量各占１５％左右；裸露流动沙丘上由于地表反射率大而净辐射通量小于植被区，     

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。     

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。