海面粗糙度方案的适用性研究

由量纲分析导出海面粗糙度与波龄及海面涌浪的状况有关,并对与波龄和波陡有关的两种海面粗糙度模型方案进行了敏感性测试,得出利用波龄模型方案计算粗糙度的误差比利用波陡模型方案小。基于国际上6个不同水深、风区和海况条件的海气交换试验资料,将其分为两组,一组是纯风海或以风海为主海况条件,另一组是以涌浪为主海况条件,测试波龄、波陡模型海面粗糙度方案在不同试验条件下的适用性。结果得出:在各种海况条件下,波龄模型粗糙度方案比波陡模型具有更好的普适性。在纯风海或以风海为主海况条件下,PS07,DGHQ03方案计算的粗糙度长度与实测资料计算结果最接近,GW06方案次之,O02方案计算结果明显偏高;涌浪为主海况条件下两种模型方案计算的粗糙度长度均偏低,O02方案计算的粗糙度长度误差相对较小,TY01方案误差最大。     

藏北高原那曲地区不同下垫面地表粗糙度的变化特征研究

利用2008年、2010年和2012年藏北高原那曲地区MODIS卫星数据和站点大气湍流观测数据,分别应用Massman反演模型和一种确定地表粗糙度的独立方法,计算并分析地表粗糙度的时空变化特征并对反演模型进行验证,分析Z0m存在着明显的季节性变化特征。2—8月伴随冰雪消融与植被生长,Z0m逐渐增大,站点Z0m最大可达4～5 cm。9月至次年2月由于高原季风的衰退期等原因,Z0m逐渐减小,站点Z0m减小至1～2 cm。异常年份的降雪是Z0m明显低于常年的主要原因。依据Z0m的由小到大可以将下垫面分为冰雪类、稀疏草地类、茂盛草地类、城镇类4类,其中茂盛草地类和稀疏草地类分别占区域62. 49%和33. 74%,为主要类别,其Z0m年变化分别在2～6 cm和1～4 cm之间。两种计算方法得出的结论相关性较好,由于平均滑动作用,反演资料较实测计算结果偏小。整体而言,利用卫星数据反演算法计算的Z0m是可行的,并可应用于改进陆面模式参数,提高模式模拟的准确性,能更好的揭示区域的热通量交换。     

区域气候模式RegCM2对标量粗糙敏感性试验

在地气通量的计算中,一般没有考虑温度、水汽、动量的相应粗糙度之间的不同。本文将标量粗糙度Z0T和Z0q引入区域气候模式RegCM2的陆面过程BATS中,用1991年6月与7月的观测资料作了三组敏感性试验,并同实况进行了比较。结果表明：在区域气候模式RegCM2中引入标量粗糙度后,提高了地气间感热通量与潜热通量的计算精度,改善了地表温度和地表比湿的模拟,进而改变了降水的模拟,表明区域气候模式对标量粗糙是敏感的,并且在晴天状况下更为敏感。     

土壤水分及粗糙度对比辐射率的影响

比辐射率是影响地表温度遥感反演精度的主要因素,是定量热红外遥感领域研究的核心内容,其与土壤质地、土壤成分、土壤水分和土壤粗糙度关系密切。首先通过试验方法初步研究了土壤水分和土壤粗糙度对土壤比辐射率的影响。其次采用傅里叶变换红外光谱仪观测不同水分条件下土壤比辐射率波谱。最后采用基于改变两次环境观测原理的一种主被动漫射式实时比辐射率测定装置观测不同粗糙度条件下8—14μm土壤比辐射率均值的变化。结果表明,土壤比辐射率随土壤水分的增加而增加,其中影响最显著波段范围是3.3—5.3μm,这个波段范围内波段平均比辐射率干土与湿土差异大于0.2;影响最小的波段范围是11—15μm,这个波段范围内波段平均比辐射率干土与湿土差异在0—0.015之间;在热红外波段,8—9.5μm是土壤水分对比辐射率影响最大的波段,干土与湿土比辐射率差异大于0.05;土壤比辐射率随着粗糙度的增加略有增加,干土和湿土都有此规律。     

浮冰遥感全球导航卫星系统反射信号的势

全球导航卫星系统（GNSS）的地面反射信号已成为人们关注的遥感方法。对浮冰,大穿透能力和大规模表面覆盖的L波段信号能打开类似累积速率的积雪特征的新局面。文章在理论上研究了来自浮冰的全球定位系统（GPS）信号的反射,导出反射信号模型。结果表明,信号尽管复杂,但对雪面（和交界面）粗糙度和类似累积速率的永久积雪参数有意义。对来自复杂信号的极具价值的信息,导出卫星持续接收期间聚焦在地面区域的过程。从测量原则上应该能分别推导表面和积雪参数。     

大气模式中表面水热通量计算的一些问题

对现有的大气模式中计算海面和大气间水、热通量的通量-廓线关系式进行了评论,提出一个理论上较完整的通量-廓线关系式。其中考虑了水汽对M－O参数的影响,并引进相应于虚位温的标量粗糙度。MoanaWave的实测资料表明,由于该资料相应于温度的粗糙度zoh和湿度粗糙度zoq相差不大,使现有的公式计算结果与文中提出的公式差别不大。当zoh,zoq差别大时,两种公式结果有一定的差别。而文中公式理论上更为合理。还将不稳定状态下计算通量的简化方法推广到海面。     

黄河源高寒湿地-大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究

湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地-大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式（Community Land Model,简称CLM）模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:（1）暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;（2）温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00（北京时,下同）下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;（3）土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;（4）麻多高寒湿地动力学粗糙度Z_0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z_0m=0.0143 m;（5）提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼kB-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。     

非均匀地表类型有效粗糙度的计算和特征分析

利用湍流通量相等原理和ECMWF的总体湍流输送系数参数化方案,研究了气候数值模式中非均匀地表类型的有效粗糙度计算问题。结果表明,当存在两种地表类型且粗糙变率为2.3时,有效粗糙度比通常采用的对数加权平均值大40％左右,相应的总体湍流输送系数大16％左右,光滑地表类型和粗糙地表类型所占面积百分比分别为60％和40％时,有效粗糙度及相应的总体湍流输送系数和相应的对数加权平均值之差最大,并且有效粗糙度对大气层结不敏感,因而在气候模式中有实用价值。     

北京市1993—2011年风速变化与下垫面粗糙特性关系研究

北京市近年来雾霾频发,大气污染物的扩散与风场环境及下垫面粗糙特性具有极大的相关性。本文首先利用1993—2011年的我国地面国际交换站气象观测资料对北京市地面风速风向年际变化特征进行了分析。结果表明,1993—2011年北京市平均风速呈现下降趋势,且自2006年来北京市风速下降尤为明显,北风出现频率明显下降。在此基础上,本文利用2007—2011年的ALOS PALSAR数据和夜晚灯光数据提取分析了北京市城镇用地扩展情况,进而结合下垫面粗糙特性的时空演变特征分析了北京市地区风速风向变化与下垫面粗糙特性的关系。分析结果表明,城市扩张造成的下垫面粗糙度的增加阻碍了北方来风,导致了北京市风场分布的变化及平均风速的减小。     

青藏高原总体输送系数的特征

利用中日亚洲季风机制合作研究计划设在西藏的 4个自动气象站（AWS）获得的5a多（199年7月～1998年12月）时次密集、观测连续的近地层梯度资料,以最小二乘法确定出相应站点各季节的地表粗糙度,并应用廓线-通量法计算了4站逐日的总体输送系数,分析了其随时间的变化特征。结果表明:青藏高原动量输送系数的多年平均值为3.53×10-3～4.99×10-3,热量输送系数为4.67×10-3～6.73×10-3,并且两种输送系数都存在明显的日变化和季节变化,部分站点还存在较明显的年际变化。另外,还讨论了总体输送系数与近地层大气层结稳定度、地表粗糙度以及地面风速等因子的关系,初步建立了可用常规气象站地面观测资料计算青藏高原总体输送系数的拟合公式。