A Case Study on the Effects of Heterogeneous Soil Moisture on Mesoscale Boundary-Layer Structure in the Southern Great Plains, U.S.A. Part II: Mesoscale Modelling

The importance of soil moisture inputs and improved model physics in the prediction of the daytime boundary-layer structure during the Southern Great Plains Hydrology Experiment 1997 (SGP97) is investigated using the non-hydrostatic fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research (PSU/NCAR) Mesoscale Model MM5. This is Part II of a two-part study examining the relationship of surface heterogeneity to observed boundary-layer structure. Part I focuses on observations and utilizes a simple model while Part II uses observations and MM5 modelling. Soil moisture inputs tested include a lookup table based on soil type and season, output from an offline land-surface model (LSM) forced by atmospheric observations, and high-resolution ( 800 m) airborne microwave remotely sensed data. Model physics improvements are investigated by comparing an LSM directly coupled with the MM5 to a simpler force-restore method at the surface. The scale of land surface heterogeneities is compared to the scale of their effects on boundary-layer structure.The use of more detailed soil moisture fields allowed the MM5 to better represent the large-scale (hundreds of km) and small-scale (tens of km) horizontal gradients in surface-layer weather and, to a lesser degree, the atmospheric boundary-layer (ABL) height, which was evaluated against observations measured by differential absorption lidar (DIAL). The benefits of coupling an LSM to the MM5 were not readily evident in this summertime case, with the model having particular difficulty simulating the timing of maximum surface fluxes while underestimating the depth of the mixed layer.     

罗布泊地区凝结水对潜卤水资源量评价的影响分析

新疆罗布泊地区属于极端干旱气候地区,大气降水对地下水的补给极其有限,长期以来,众多学者认为凝结水量是罗布泊干盐湖潜卤水的重要补给来源之一。本次通过在罗北凹地地区开展的凝结水试验,较准确地计算了其补给资源量,指出尽管研究区凝结水总生成量较大,但真正能入渗补给到潜卤水饱水带的量却极少,绝大多数凝结水都以难以开发利用的土壤水形式短暂保存,被蒸发散失到大气中,对潜卤水资源量评价影响较小。     

黄河三角洲退化湿地植被与土壤的恢复研究

以黄河三角洲退化湿地人工引水恢复区为研究对象,采用野外植被调查、土壤采样结合室内实验方法,对植被的种类、密度、盖度、频度和重要值以及土壤含水量、pH值、有机质、全氮以及全磷等指标进行分析,旨在探讨人工引水恢复工程对黄河三角洲退化湿地所产生的生态效应。结果表明：随着水分条件的改善,恢复区植被呈现出正向演替;恢复区土壤含水量明显高于未恢复区,pH值则明显降低,土壤有机质含量高于未恢复区,土壤全氮、全磷含量变化不大。可见,引水恢复工程已经使退化湿地的生态环境得到了一定程度的改善,淡水资源仍是制约退化湿地恢复的关键因素。     

2006-2010年下辽河平原地温和土壤热通量变化特征

依据国家沈阳农田生态系统野外研究站2006-2010年监测数据,分析0-100cm 土层8个层次的地温、0-100 cm地温、地温极值、0-20 cm地温与气温的关系和土壤热通量的变化趋势。结果表明：从年际变化看,8个层次地温和地温极值呈下降趋势;0 cm层次地温变化受外界影响较大。研究区域年尺度0-20 cm地温与气温有比较一致的变化规律。作物生长季节,可分为4-7月气温上升和8-10月气温下降两阶段;这两个不同阶段的0-20 cm地温与气温分别做线性拟合,与整个生长季4-10月线性拟合相比,线性相关性可信度更高。土壤热通量受气温和土壤质量含水量影响年际变化较大,年尺度土壤热通量≥0 MJ/m²,该区域地表是热汇。     

丘陵区土壤热通量遥感估算模型适应性分析

利用具有丘陵区典型特征的四川省乐至县气象站的土壤热通量和净辐射观测数据,分析了二者的变化特征,并验证了土壤热通量遥感估算模型的适用性。分析结果表明：晴空土壤热通量G与净辐射Rn存在明显日变化,最大值出现13时左右;其比值G／Rn受土壤湿润程度和地表覆盖的影响,地表湿润、覆盖率高,比值小。在干旱时,瞬时比值可高达0．7,而湿润情况,可低至0．05。对目前广泛使用的G／Rn卫星遥感模型估算结果与实测值的对比分析表明,不同的G／Rn卫星遥感估算模型估算结果存在明显的差异,仅依靠植被指数的模型不适合南方丘陵区。本研究认为Bastiaanssen等的模型较适合丘陵区的土壤热通量遥感估算模型。     

沈阳市新城子铬渣堆存区土壤铬污染分布及形态研究

采用 Tessier A连续提取法研究分析了沈阳市新城子铬渣堆存区土壤中重金属铬的污染分布和迁移转化规律。结果表明：土壤中重金属铬的5 种形态分布, 主要以残渣态和碳酸盐结合态为主,分别占总量的49.74%和21.40%,而有机结合态含量最低,占总铬含量的6.25%。不同的功能区域铬的形态分布有所不同。总体的分布特征是残渣态大于碳酸盐结合态大于交换态大于铁锰氧化态大于有机态。     

半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对能量平衡的影响

利用2008年7月兰州大学半干旱气候与环境观测(SACOL)站的观测资料,对比分析了地表土壤热通量的三种计算方法,即谐波法、温度预报校正法(TDEC法)以及结合自校正热通量板(HFP01SC)测量的温度积分法(ITHP法);进而分析了三种不同方法的计算结果对地表能量平衡的影响。比较5cm深度处谐波法和TDEC法的计算结果与HFP01SC的实测结果,三者的相位基本一致,相互之间均具有很好的线性关系;谐波法与TDEC法的计算值较为接近,但分别比HFP01SC的实测值偏大了2%和6%(主要发生在夜间)。对于地表的土壤热通量(G0),谐波法与TDEC法两者的计算结果仅偏差约1%;TDEC法与ITHP法的计算结果之间也具有很好的线性关系(R2=0.99),但偏差达到9%左右。相对于HFP01SC的实测结果,由谐波法和TDEC法计算的G0可将SACOL站的地表能量闭合率分别提高6%和7%左右;利用温度积分法将HFP01SC的实测结果校正到地表后,地表能量闭合率也提高了约6%。因此,在对涡动相关通量做了常规订正的情况下,当充分考虑了土壤热存储后,SACOL站的地表能量闭合率可提高6%～7%,达到82%～83%左右。     

GLDAS和CMIP5产品的中国土壤湿度-降水耦合分析及变化趋势

利用GLDAS同化产品和12个CMIP5模式的输出结果,从土壤湿度对降水影响的两个中间环节出发,通过分析陆面耦合指数ILH、潜热通量—抬升凝结高度耦合指数ILCL以及抬升凝结高度ZLCL间接研究中国区域土壤湿度与降水间耦合特征,并对1958~2013年及RCP4.5辐射强迫情景下50年(2006~2055年)的4个代表性区域夏季耦合强度的年代际变化特征进行分析。研究发现:1958~2013年期间,内蒙古阴山山脉附近、新疆和青海的部分地区为夏季中国土壤湿度与降水耦合的最强区域;陆面耦合指数ILH变化幅度从高到低依次出现在华北、华南、内蒙古中部和西北地区,并在20世纪70年代中到80年代中发生转折。2006~2055年的平均而言,预估内蒙古阴山山脉附近仍为耦合最强区;与历史时期(1958~2005年)比较,新疆中部和内蒙古阴山山脉附近的耦合指数ILH增大,而广西和广东地区的则减小;对于耦合指数ILH的年代际变化(2006~2055年),2026~2035年间华北最大而华南最小,西北地区变化不大,而内蒙古中部地区的耦合强度逐渐增大。     

中国区域多源土壤湿度数据的比较研究

利用中国区域1992~2010年的土壤湿度观测资料,对欧洲航天局(European Space Agency)的卫星遥感反演(以下简称ESA)和欧洲中期天气预报中心(European Centre of Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-Interim(ECMWF Reanalysis-Interim,以下简称ERA)两套再分析土壤湿度数据在典型区域的可靠性进行了评估。结果表明:两种土壤湿度均能较好的描述观测区域的总体土壤干湿变化,但均值和趋势一致性存在时间和空间差异。ESA、ERA资料都能较好的描述中国区域春、夏、秋3个季节土壤湿度的干、湿分布格局。在干湿程度上,ESA在北方地区较观测偏干,在江淮和西南较观测偏湿;ERA在北方和西南地区较观测偏湿,在江淮较观测偏干;在江淮、华北部分区域,ERA与观测数据的相关性要高于ESA。ESA、ERA与观测在秋季时相关性最好(大部分站点大于0.7);在全国大部分区域,ESA偏差要小于ERA且在大部分地区都表现出与观测一致的变化趋势。在空间上,ERA在东北、华北、西南变干的范围明显大于观测;然而,ERA能更好的体现观测土壤湿度的年际变化。相对于西部地区,东部地区ERA与观测的一致性最好,而ESA在受降水、植被、地形等因素影响较小的时段或区域与观测的一致性更好,对秋季土壤湿度的描述比春、夏季更准确。     

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。