稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会“十五”重点项目“稀疏植被下垫面与大气相互作用研究”的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析。研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性线效应：干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策,主要结果表明：（1）揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。（2）发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。（3）发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;提示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性抗干扰能力的生态环境建设对策。（4）发展了强沙尘暴发展的动力学模式,揭示了强沙尘暴发展辐射冷却的正反馈机制。展示了强沙尘暴预报的良好前景。     

闽西北盛夏异常旱涝的环流特征及其诊断分析

通过对闽西北盛夏异常旱涝年份的环流特征对比分析得知,闽西北盛夏的异常旱涝与同期西太平洋副热带高压活动、欧亚中高纬度西风带环流特征等密切相关。进一步分析结果表明,春季(3~5月)的西太平洋副高强度、东亚槽强度等对盛夏异常旱涝有一定指示意义。     

陆面网格尺度变换时植被类型处理方法的探讨

针对陆面模式与大气模式耦合, 对比分析了模式网格点上多种植被并存和单一植被两种情况下的计算结果, 同时给出了网格元上地表有效温度、地表有效感热和潜热通量等的计算方案。试验使用SSiB陆面模式并以HAPEX-MOBILHY资料作为气象强迫场。试验结果表明:如果将网格元上多种植被类型归类成同一种植被类型, 模式对有效地表温度、感热和潜热通量等的计算结果与考虑多种植被类型的结果有很大差异。根据实际情况, HAPEX-MOBILHY试验区40%为森林, 60%为混合农业区, 如果根据一般的植被类型归类法, 将该试验区全部看作草地, 其积分结果与将该试验区看作40%为落叶针叶林和60%为草地的积分结果也存在一定的差别; 虽然有些植被类型在网格元上所占的覆盖面积较小, 但它却对网格元上地表通量的计算有较大的贡献。该研究对今后陆面模式耦合工作有一定的指导意义。     

从空间探测平流层上层臭氧长期趋势的方法

从沿轨道运行的遥测传感器探测平流层上层臭氧长期趋势的中心问题涉及到把仪器漂移从实际的地球物理变化中区分出来.航天飞机上携带的太阳后向散射紫外辐射仪(SSBUV)的定期飞行将使得检测业务卫星携带的光学特性相同的传感器(SBUV/2)的漂移成为可能.对SSBUV和SBUV/2数据集的详细模拟确定了从轨道上进行校准的程序所能达到的准确度.SSBUV从一次飞行到下一次飞行的校准的可重复性是分析中最关键的变量.约±1%的可重复性对于检测和订正SBUV/2辐射率测量中的漂移是必要的.模拟结果表明,在SSBUV每年约飞行一次、并对整个十年的SBUV/2数据集进行精确校准订正的情况下,人们可以推论出后向散射辐射率的真实地球物理趋势,其准确度可达约±1.0%/10年.     

陆面模式SSiB耦合TOPMODEL对流域水文模拟影响的数值试验

为了检验陆面模式SSiB耦合TOPMODEL模型对流域水量平衡模拟结果的影响,用原始SSiB与TOPMODEL按饱和区和非饱和区两种方案耦合的耦合模型(下称SSiBT)进行长江下游青弋江流域水文的数值试验,通过耦合模型与原始SSiB模式模拟结果的比较,并利用流域实测逐日流量和水量平衡资料,揭示了流域水文模拟结果对SSiB耦合TOPMODEL的响应和原因.结果表明:(1)与原始SSiB的模拟结果相比,SSiBT增加了土壤湿度的模拟结果和各层土壤湿度之间的差异,流域蒸散发增加而总径流减小.(2)原始SSiB不能准确地将径流在地表径流和基流之间分配,对于较小的土壤饱和导水率,原始SSiB产生过多的地表径流和洪峰流量;对于较大的土壤饱和导水率又产生过多的基流和明显偏小的洪峰流量.(3)即使土壤饱和导水率大到不会产生超渗产流,由于饱和区的存在,SSiBT在洪水期间也能产生足够大的地表径流,从而形成洪峰流量.由于考虑了地形引起的土壤湿度空间非均匀形成的饱和区产流,SSiBT改善了雨季逐日流量的模拟结果.     

从红外太阳透过率反演大气可降水量的研究

从红外波段太阳透过率测量中可以反演大气可降水量#AW#a。我们在近、中红外波段选取了三对波长，用LOWTRAN 7辐射传输模式，主要研究了散射和气溶胶对这三对波长反演#AW#a算式的影响。结果表明，通常采用近红外波长对（即0.9422～0.862 μm）反演#AW#a并非最佳选择，因为其反演算式受到大气状态（混浊度）的很大影响；而在稍远段两对波长（1.47～1.55 μm和3.704～3.067 μm）对应的算式较为稳定。     

京津冀地区人体舒适度的时空特征

利用1960-2005年京津冀地区66个地面气象站气候资料日值数据集,基于人体舒适度指数和风寒温度模型分析京津冀地区人体舒适度时空特征,计算了京津冀地区春、夏、秋、冬季各站逐日人体舒适度指数和冬季风寒温度。通过人体舒适度指数聚类分析得出人体舒适度指数分区,在此基础上探讨各分区具有代表性站点的各级舒适日数比例和冬季人体舒适度的时空特征及空间分布的主导因素。结果表明：京津冀地区人体舒适度空间分布大致可以分成3种类型,即热舒适平原山地区、冷舒适滨海区、冷不舒适高山区;依据风寒温度京津冀地区冬季人体舒适度分为冀北、冀南两区,整个地区风寒温度增大趋势显著;京津冀地区人体舒适度与高程、纬度变化均存在显著负相关,其空间分型的主导因素为高程、纬度的变化。     

高云与高层垂直速度关系的个例研究II·动力学分析

观测表明,高云的夏季块状分布和冬季带状分布,与低层赤道辐合带的夏季与冬季的形状十分相似;并且卷云和卷层云可以独立于深对流单独存在。作者对这两个观测分析结果进行动力学分析,结论如下:1)由于印度洋北面是青藏高原与亚洲大陆,夏季不能在北面副热带地区形成反气旋,从而印度洋赤道北面为西南气流,导致了赤道辐合带在该地区断裂并且相应的深对流在亚洲季风区的块状分布。2)利用斜压超长波理论,将Rodwell等的亚洲季风单向模型(即非绝热加热导致季风形成)作了修改,扩展为双向闭合模型。印度洋跨赤道偏南风产生大范围水汽辐合,其与地形的共同作用,产生了降水云系的高层加热,由于Sverdrup涡度平衡关系,导致了低层的偏南风而形成了一个相互作用的闭合过程,从而表明了亚洲夏季风是准定常的。3)通过详细分析涡度方程,证明除了恰好在赤道上之外,赤道辐合带上的水平辐合均会产生涡,并且这些涡由点涡(涡度的奇异部分)与各种尺度的涡(涡度的正则部分)组成。正涡度对应于云区,负涡度对应于晴空区,与赤道辐合带(ITCZ)的观测结果一致。4)由于辐合和切变产生涡,得到赤道辐合带和深对流的带状准定常维持的动力机制,即:由于赤道辐合带的辐合,其南北风辐合与东西风切变将产生涡,其与水汽的共同作用产生了深对流的上升降水云系,而降水云系的潜热诱导上升,进一步加强了水平辐合,从而表明了赤道辐合带的带状准定常维持的中介是不同尺度的涡。5)卷云和卷层云可以独立于深对流的原因是热带卷云和卷层云与流场是可以互相激发的,深对流不是其唯一的源。