西北干旱区地表能量初步分析

基于为期1 a(2001-2002年)的"西北干旱区陆-气相互作用试验"(DHEX)大型野外观测数据,对干旱区地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量进行分析,得到一些有关地表能量的新认识.提出并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

SEBS模型在塔克拉玛干沙漠地区地表能量通量估算中的应用

利用SEBS(Surface Energy Balance System)模型,对塔克拉玛干沙漠及周边地区的地表能量通量进行模拟估算。通过修正适合于塔克拉玛干沙漠地表的参数化方案,结合该地区的MODIS遥感数据,将同期同化气象资料输入模型中,模拟出该地区的地表净辐射、地表土壤热通量、感热通量和潜热通量的空间分布。与塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站的实测数据对比,得出:1)SEBS模型在塔克拉玛干沙漠地区具有适用性;2)模型反演的沙漠腹地净辐射约为350W/m~2,感热通量在200W/m~2左右,潜热通量在±20W/m~2之间,其结果均与塔中站实测资料吻合较好。因此利用参数修正后的SEBS模型估计塔克拉玛干沙漠地区能量平衡各分量具有一定精度,可满足区域地表能量通量的计算要求。     

黄河源区玛曲3次积雪过程能量平衡特征

利用中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站2011年12月至2012年3月的观测资料,对比分析了黄河源区玛曲3次积雪过程地表辐射和能量平衡特征,结果表明:受雪面较大反照率的影响,降雪后净辐射减小显著,3次降雪前、后净辐射分别为154、200、210 W·m~(-2)和93、129、130 W·m~(-2)。3次降雪后及融雪后,地—气能量交换受天气条件和土壤冻融状态的影响较大:第1次降雪后较低的气温和地表温度并没有影响冻结土壤原本就较弱的蒸发能力,潜热通量在降雪前、后及融雪后量值较小且相差不大;第2次降雪后的2月18日,较大的风速(≥4 m·s~(-1))和较强的太阳辐射加快了积雪的升华,潜热通量量值较大,日均值高达118 W·m~(-2),风速与潜热通量同步变化,且峰值同时出现(分别为15 m·s~(-1)和300 W·m~(-2)),积雪升华消耗能量使地表温度降低并低于气温,出现负感热通量,日均值为-8 W·m~(-2),峰值达-40 W·m~(-2),融雪后感、潜热通量很快达到降雪前的水平;第3次降雪后的2月29日至3月3日,浅层土壤温度由-1℃逐渐上升并维持在冻土可融化温度-0.18℃左右,冻土壤融化吸收热量,潜热通量与降雪前相比增加不明显,3月4日是积雪融化的最后一天,较湿的土壤和融雪水蒸发释放潜热,潜热通量较3月3日显著增大;积雪融化后,潜热通量受浅层土壤蒸发能力增强的影响较降雪前明显增大。     

荒漠-绿洲芦苇地蒸散量及能量平衡特征

运用波文比-能量平衡法,对荒漠绿洲芦苇地的蒸散量及能量通量进行了连续的测定,并对芦苇地蒸散特点和能量平衡特征进行了分析和探讨。结果表明:①芦苇的蒸散速率日变化表现出明显的昼夜变化,蒸散量随着芦苇的不同生长阶段存在明显的季节变化,生长季芦苇地总蒸散量为252.5 mm,各阶段降水量均不能满足蒸散发的需水要求,需要地下水的补给。②地下水作为干旱区绿洲的主要水源,其对绿洲蒸散发耗水的影响也是极为重要。净辐射是芦苇地蒸散耗水的能量来源和驱动力,气温是蒸散发的主导影响因子。风速在这些主导因子的影响下,起到加速的作用。③荒漠绿洲芦苇地平均感热通量峰值一般在250~300 W/m2之间,潜热通量平均最大值120~230 W/m2,平均土壤热通量峰值约20 W/m2。6月感热通量在地面能量交换中占主要地位,感热通量占净辐射的52.7%,潜热通量占净辐射的42.6%。7月潜热通量占净辐射的55.0%,感热通量占净辐射的40.4%。9月感热通量占净辐射的60%以上,潜热通量仅占净辐射的30%。土壤热通量约占净辐射的8%。     

论地表能量不平衡的原因及其解决办法

地表能量不平衡问题一直是困扰地-气相互作用的难点之一。总结国际和国内一些观测试验不同下垫面的能量平衡状况,介绍了表征地表能量平衡状况的常用统计方法,并对能量不平衡的不同因素进行了探讨。浅层土壤热储存,由气温变化、光合作用和植被热储存等引起的地上热储存,以及垂直平流都会影响地表能量平衡。此外,由于不同能量分量足迹的差异,不均匀下垫面会影响通量观测的代表性和准确性,而且还会诱发中尺度环流和大尺度涡旋等复杂大气运动,不平稳的大气状态和夜间非充分混合的湍流,同样会困扰湍流通量的观测。为此,在对湍流通量严格质量控制的基础上,从单点涡动相关（简称EC）系统的平流热通量修正、多点EC的通量空间平均和大孔径闪烁仪（简称LAS）等通量足迹较大的通量修正等方面,对能量不平衡问题提出解决办法。建议在湍流混合不充分时,利用Penman-Monteith公式计算地表潜热;并对EC水汽通量与蒸渗计观测的真实地表蒸散进行了简单讨论,提出了大型蒸渗计算地表潜热通量的可能试验方法。
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北麓河地区多年冻土地表能量收支分析

青藏高原地表能量影响高原生态环境的演变、水资源利用及地表工程的稳定性.以青藏高原北麓河气象站2012年10月～2013年10月气象资料和浅层地热流为基础,分析了北麓河地区地表能量收支和平衡特征.结果表明:1)北麓河多年冻土区能量平衡各分量冬季较小,夏季较大,净辐射、潜热、感热和地表土壤热通量年平均分别为72W/m2、24.6W/m2、65.5W/m2和-18.3W/m2;2)月平均感热大于潜热,年平均地表土壤热通量为负值,天然地表多年冻土处于相对稳定的状态,与五道梁、西大滩和唐古拉地区有明显区别;3)夏季降雨作用时间短暂,潜热影响有限,但降雨入渗引起的液态水分对流传热、水汽对流和扩散潜热对地表能量收支分析和土壤内部水热动态变化的影响不可忽略.     

黄土塬区麦田能量平衡特征

以黄土塬区冬小麦田为研究对象,基于涡度相关数据分析麦田能量平衡的日变化、季节变化和能量分配特征及其主控因子。结果表明,长武塬区麦田全年获得的净辐射(Rn)为2.56×103MJ·m-2·a-1,涡度相关系统的能量闭合度达到0.72。冬小麦生育期内,越冬期和灌浆期麦田主要能量支配项为感热通量(H),最大值出现在6月,为7.09 MJ·m~(-2)·d~(-1);其他生育期和休闲期,主要能量支配项为潜热通量(LE),最大值出现在5月,为10.71 MJ·m~(-2)·d~(-1)。波文比(β)在生育期平均值为0.57,休闲期为0.46。土壤热通量(G)年总量为-15.26 MJ·m-2·a-1,日总量最大值出现在6月,为1.85 MJ·m~(-2)·d~(-1),10月至次年1月为负值,表现土壤释放热量。     

塔里木河下游河岸带水热传输过程模拟研究

选择在塔里木河下游生长的胡杨(Populus euphratica)为供试材料,应用土壤-植被-大气传输(SVAT)系统的水热耦合模型,在野外观测试验的基础上,以常规气象站的基本观测要素和土壤剖面水热观测数据为模型的初始输入,对塔里木河沿岸胡杨林的蒸腾过程、土壤剖面水热的变化过程、根系吸水过程、胡杨林冠层-土壤层-大气层之间水热交换与能通量过程进行较小时间尺度上的野外定点研究。结果表明,土壤水分与温度的模拟值对观测值的平均相对误差分别为3.9%和7.1%。可见,土壤剖面水热的模拟值与观测值表现出较强的相关性。相比之下,能通量的日内观测与模拟效果相差很小,蒸腾潜热、感热、地热通量的观测与模拟的平均相对误差分别为16.7%、12.4%和20.6%。能量支出项主要是潜热,其次是感热,而土壤能量支出项主要是感热,总的感热支出要大于潜热支出,且感热变化起伏较大。研究结果对干旱区水循环模拟具有一定的参考价值。     

塔克拉玛干沙漠北缘夏秋冬季地表能量平衡闭合特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘陆—气相互作用观测站2014年7—12月的陆面通量数据,通过最小二乘法(OLS)和能量平衡比率法(EBR)研究该地区能量平衡闭合特征。结果表明:能量通量各分量均呈倒"U"形单峰变化趋势,除潜热通量外,均有明显的季节变化特征,表现为:夏季秋季冬季。能量平衡闭合程度:全天白天夜间,且具有逐月递减的变化趋势。地表以下5 cm处土壤热通量下的能量闭合程度明显高于地表土壤热通量下的能量闭合程度。能量闭合率在日出日落时段波动剧烈,夜间为负,且下午明显高于上午。不同天气下的能量闭合程度表现为:晴天阴天沙尘暴降雨。     

3个陆面过程模式对一次暴雨前后的模拟性能检验与对比

利用内蒙古微气象观测蒸发试验所获得的近地层资料,驱动陆面过程模式Noah、SHAW和CLM4.0,对干旱区沙漠-草原过渡带一次罕见暴雨过程前后的陆面过程各参数进行了单点数值模拟试验,用对比分析法检验了3个陆面模式对沙漠-草原过渡带暴雨过程前后各半个月中陆面各参数的模拟性能。结果表明:3个模式都能模拟出干旱区暴雨前后湍流通量、辐射通量、土壤温湿的变化趋势。除对土壤温湿的模拟之外,Noah模拟效果最好,尤其是对潜热通量的模拟,相关系数达0.99,均方根误差仅7.89 W·m-2。3个模式对于感热通量、向上长波辐射、净辐射的模拟性能在暴雨过后有所提升,而对土壤温度的模拟性能在暴雨过后有所下降,说明3个模式更适于模拟暴雨过后较为湿润下垫面的感热、向上长波、净辐射和没有降水过程的土壤温度,且3个模式在土壤温度模拟方面考虑暴雨影响时间过短。     

卫星遥感结合地面观测估算中国西北区东部地表能量通量

采用定西麦田微气象观测站和试验区其它地区36个自动气象站、91个常规气象站资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料,用地表能量平衡算法(SEBAL)推导中国西北区东部4~8月的日平均地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度和波文比的区域分布特征,并按土地覆盖类型的不同分别统计沿黄灌区、冬春小麦雨养农田、草地、森林和沼泽草甸等不同地表的能量通量特征。结果显示:作物不同生育期,自南向北由湿润的常绿林区经半干旱雨养农业区直到干旱的荒漠地带,地表能量输送存在巨大的地区差异。计算结果与实测值之间的平均绝对百分误差为4%~21%,两者基本相符,该方法在算法上解决了用卫星资料反演地气温差的难点问题,提高了感热通量区域分布的计算精度。     

塔克拉玛干沙漠北缘夏秋冬季地表能量平衡闭合特征北大核心CSCD

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘陆—气相互作用观测站2014年7—12月的陆面通量数据,通过最小二乘法（OLS）和能量平衡比率法（EBR）研究该地区能量平衡闭合特征。结果表明：能量通量各分量均呈倒＂U＂形单峰变化趋势,除潜热通量外,均有明显的季节变化特征,表现为：夏季〉秋季〉冬季。能量平衡闭合程度：全天〉白天〉夜间,且具有逐月递减的变化趋势。地表以下5 cm处土壤热通量下的能量闭合程度明显高于地表土壤热通量下的能量闭合程度。能量闭合率在日出日落时段波动剧烈,夜间为负,且下午明显高于上午。不同天气下的能量闭合程度表现为：晴天〉阴天〉沙尘暴〉降雨。     

荒漠土壤成分对陆面过程的影响研究

采集塔克拉玛干沙漠北缘肖塘观测站附近的土壤，应用Mastersizer-2000激光粒度仪测定土壤粒径，按照伍登-温德华粒级标准进行土壤成分分类，发现土壤类型并非均质沙土，在0~30 cm深度的浅层存在10%~24%的黏土,根据土壤成分比例对Noah陆面模式的土壤参数重计算，然后利用肖塘站2011年3月22日至7月25日的观测数据驱动Noah模式，对比修正土壤参数前后的模拟效果。结果表明：更新土壤参数后10 cm土壤温度模拟偏差减少0.62 ℃，土壤热通量偏差减小10.47 W·m-2，感热通量偏差减少7.02 W·m-2，地表净辐射偏差减少5.48 W·m-2，且效率系数达到更高的接受程度。通过泰勒图分析了土壤参数修正对Noah模拟效果的整体作用，表明修正土壤参数后的模式中热量传输扩散有一定的优化作用，10 cm土壤温度和热通量土壤温度模拟效果得到改进。     

荒漠土壤成分对陆面过程的影响

采集塔克拉玛干沙漠北缘肖塘观测站附近的土壤,应用Mastersizer-2000激光粒度仪测定土壤粒径,按照伍登-温德华粒级标准进行土壤成分分类,发现土壤类型并非均质沙土,在0~30 cm深度的浅层存在10%~24%的黏土,根据土壤成分比例对Noah陆面模式的土壤参数重计算,然后利用肖塘站2011年3月22日至7月25日的观测数据驱动Noah模式,对比修正土壤参数前后的模拟效果。结果表明:更新土壤参数后10 cm土壤温度模拟偏差减少0. 62℃,土壤热通量偏差减小10. 47 W·m^-2,感热通量偏差减少7. 02 W·m^-2,地表净辐射偏差减少5. 48W·m^-2,且效率系数达到更高的接受程度。通过泰勒图分析了土壤参数修正对Noah模拟效果的整体作用,表明修正土壤参数后的模式中热量传输扩散有一定的优化作用,10 cm土壤温度和热通量土壤温度模拟效果得到改进。     

吉林省LUCC对地表能量分配的影响

地表能量分配是土地利用/覆被变化(LUCC)调控气候的关键过程.以吉林省1990年、2000年、2005年和2010年四期土地覆被数据为基础,利用SiB2分析过去20年LUCC对地表能量分配的影响.结果表明:1)地表能量分配各分量与土地利用类型有良好的空间对应关系,森林获得的净辐射、显热和潜热较多,农田和草地的净辐射、显热和潜热通量较小;2)LUCC过程中,叶面积指数是净辐射的重要影响因素,冠层导度主要调节潜热分配;3)吉林省土地利用变化以“森林和草地转换为农田”过程为主,造成年均净辐射降低了0.22W m-2,潜热增加了0.56W m-2,显热减小了0.83W m-2,且均存在季节变化特征.     

气温升高对黄土高原半干旱区陆面特征影响的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5,设计控制试验及敏感性试验,模拟分析气温升高对黄土高原半干旱区陆面特征的影响状况。结果表明:气温升高后,该地区地-气温差基本上是减小的;土壤表层温度受影响较大,深层受影响较小;感热、潜热通量及地表热通量均是减小的;长波辐射受影响较复杂,短波辐射基本是减少的;边界层高度白天降低,减小了昼夜高度差,进而减小了该层能量传输与转换。总体来讲,气温升高使边界层能量传输减小。     

额济纳绿洲柽柳灌丛辐射特征与热量平衡研究

根据黑河下游额济纳绿洲柽柳灌丛波文比-能量平衡法的实测资料,分析了该地区的辐射特征,研究了热量平衡各分量的变化特征及热量平衡规律。在绿洲内部,其太阳辐射、净辐射具有明显的日进程和季节变化规律;太阳辐射月总量最大值(2133325.0kW.m-2)出现在6月份,最小值(133325.0kW.m-2)出现在10月份;在柽柳灌丛生态系统的热量平衡中潜热通量占能量支出量的62.85%,感热通量占32.85%,土壤热通量占4.44%。在日变化中,潜热在上午大于感热,在下午,由于湍流加剧,感热交换大于潜热。     

荒漠下垫面陆面过程模式中重要参数的修正及模拟效果分析

通过对内蒙古阿拉善左旗荒漠下垫面观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模式Co LM中的重要参数值和参数化方案,并按照不同的组合方式设计了控制实验和敏感性实验,对比分析重要参数对该下垫面陆气相互作用的敏感性。主要结论有:(1)基于Monin-Obukhov相似性理论的最大频数法,优化了地表动力学粗糙度,重新计算和选择符合研究区域地表热力学粗糙度和土壤热导率的参数化方案;(2)参数优化和参数化方案修正后,提高了Co LM模式对土壤温度,感热通量和地表净辐射的模拟能力;(3)改善前后Co LM模式的模拟值与观测值对比表明,地表动力学与热力学粗糙度和土壤热导率分别在春夏季和秋冬季对地表温度影响较大,感热通量在夏半年主要对地表动力学粗糙度敏感,而土壤热导率对其影响很小。     

陇中黄土高原半干旱区对流降水的边界层特征

采用2006—2011年的降水、探空和陆面资料,分析了对流降水时的边界层和陆面过程特征,发现在对流降水前3 d至后1 d的最大混合层厚度逐日变化中,在降水之前基本呈现出逐渐增厚并在降水前日达到最大,说明边界层热力对流环境很可能是对流性天气发展的重要能量基础。基于此,又重点分析了陆面通量的角色和作用,发现对流降水发生时段不同,陆面热通量也存在明显差异,傍晚对流降水的感热通量累积值是最大的,而午后对流降水的潜热通量最小;按降水量分类对比,感热通量与降水量存在较明显的正相关关系,而潜热通量则与降水量的关系复杂;当前1 d最大混合层厚度超过3 000 m或当日的感热通量累计值超过2 000 W·m~(-2)时,则在当日发生降水量超过17 mm的对流性降水的概率较大。综合分析表明,陆面热力作用对对流天气形成,尤其是对傍晚时段的对流降水具有重要作用,而局地蒸发对局地水循环的形成还不足以对对流降水产生实质性的贡献。     

应用EOS-MODIS卫星资料推算西北雨养农业区能量通量

应用定西地区的气象资料和4次EOS-MODIS卫星资料,对典型的西北半干旱雨养农业区的基本地表特征参数进行反演,并在此基础上对各能量通量进行估算,进而分析了各通量的季节变化。结果表明,应用卫星数据估算的通量与净辐射之比与实际观测值基本接近,绝对误差在10%以内,其空间分布基本反映了当地的实际情况;土壤热通量、显热通量以及潜热通量的季节变化基本表现为冬季最小,其次是秋季,夏春两季最大;通量四季变化也呈现出不均匀的分布特性,频率分布范围较宽,体现了该区域的地形、地貌以及下垫面复杂的特征。