空气热储存、光合作用和土壤垂直水分运动对黄土高原地表能量平衡的影响

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题. 本文利用黄土高原陆面过程试验(LOPEX)资料, 在将垂直感热平流项引入地表能量平衡方程的基础上, 估算了空气热储存和光合作用储存的大小, 并分别用水分守恒关系和两层土壤温度方法计算了浅层土壤水分垂直通量, 考察了空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对地表能量平衡的影响.结果表明: 黄土高原区自然植被下垫面的空气热储存、光合作用储存和土壤水分垂直运动热量输送平均日变化峰值分别达到1.5, 2.0和7.9 W·m^-2; 在能量平衡方程中引入这三项后, 地表能量闭合度由88.1%提高到89.6%. 空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对于改善黄土高原地表能量不平衡状况有一定作用, 研究区域的半干旱气候背景和植被状况是导致各热储存量与其他试验区存在差异的根本原因.     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

黄土高原地表能量平衡分量年际变化及其对气候波动的响应

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料,分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景,讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化,研究了波文比、能量闭合度的年际波动,探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈.结果显示,地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应,但敏感性各有不同,净辐射与气温相关性最强,感热潜热与降水相关性较好.分为冬夏半年讨论后得出,冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好.冬半年中,各分量又与气温有着较高的相关,可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感.波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应,说明干旱程度的加深.能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.     

陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料,系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律,发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感,不仅对降水量波动响应显著,而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动,而是随有效降水量增加而增大;陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱,地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大.夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小,但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显,而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且,降水量越小,陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过,陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动,并没有突破气候约束,能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律,这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.     

黄土高原半干旱区地表能量不闭合及其对二氧化碳通量的影响

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University, SACOL) 2008年资料分析了SACOL代表的黄土高原半干旱区稀疏草地下垫面上的能量平衡闭合情况. 不同季节, 白天总体能量平衡比率在0.80左右. 夜间只有0.20左右. 选取不存在局地环流的资料, 考虑土壤热存储和垂直感热平流后, 白天能量平衡比率在85%以上, 春夏秋三季夜间也达到70%, 但冬季夜间能量闭合度仅为29.4%. 白天, 涡动相关系统对湍流热量通量观测的偏差存在季节差异, 冬季低估最多, 秋季次之, 春夏季观测相对较理想; 夜间, 涡动相关系统对湍流热通量严重低估. 湍流热量通量的低估通过空气密度效应修正传递对CO₂通量产生影响, 造成长期净碳交换的不确定性. WPL修正引入的湍流热量误差导致涡动相关系统错误地高估下垫面吸收存储CO₂能力, 全年NEE估计偏高41.2%. 关键词： 黄土高原 涡动相关 能量闭合 密度效应修正     

拓展傅里叶幅度敏感性检验(EFAST)在陆面过程模式中参数敏感性分析的应用探索

本文旨在探讨拓展傅里叶幅度敏感性检验(EFAST)在陆面参数敏感性分析中的应用. 基于2008年吉林通榆观测值站的退化草地观测资料,针对通用陆面过程模式(CoLM)的关键陆面参数, 使用地表感热通量、潜热通量作为检验变量,尝试将EFAST方法运用到陆面过程模式参数敏感性试验中. 在充分考虑单个参数敏感性的基础上,将参数间的耦合作用考虑进来, 研究了相互影响制约下的多参数变化对非线性系统的影响,并且对这种非线性影响进行了定量分析. 敏感性分析结果表明:土壤砂土比例、最小水分透过孔隙度为影响地表感热通量与潜热通量的关键参数, 验证了EFAST方法在陆面过程模式参数敏感性分析方面的可行性.本项研究对于外场观测试验的设计 和发展陆面模式物理过程参数化方案具有积极的指导意义. 关键词： 陆面过程模式 陆面参数 EFAST方法 参数敏感性     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

平流涡度方程及其在2006年Bilis台风分析中的应用

推导得到气压坐标中的动量叉乘形式的垂直涡度方程,这个动量叉乘形式的涡度方程包含了水平风的平流旋转效应,可称为平流涡度方程.由于水平风场的平流作用可由等压面天气图直观分析得到,因此平流涡度方程可方便用于实际天气分析.对2006年的Bilis台风移动过程中由经典涡度方程和平流涡度方程计算得到的垂直涡度倾向进行对比分析发现,二者计算得到的垂直涡度倾向变化的分布形式接近,但平流涡度方程计算得到的倾向的数值明显大于经典涡度方程的数值,正负涡度倾向区也更集中.对Bilis移动过程中的垂直涡度方程和平流涡度方程中各项的计算分析表明,水平风场的平流旋转作用是Bilis发展移动过程中垂直涡度变化的一个主要因素,是造成垂直涡度增强并发展的主要原因.因此,当水平风场平流旋转效应较强时,平流作用对垂直涡度倾向变化起主导作用,可直接用平流项来近似分析Bilis台风的涡度变化.而平流涡度方程中地转涡度和散度项的变化趋势与Bilis台风的移动路径有较好的一致性,这一项对台风的移动路径预报有更好的指示意义.     

随机平衡设计傅里叶振幅敏感性分析方法和拓展傅里叶振幅敏感性分析方法在陆面过程模式敏感性分析中的应用探索

探讨了随机平衡傅里叶振幅敏感性分析方法(RBD-FAST)和扩展傅里叶振幅敏感性分析方法(EFAST)在陆面过程模式参数敏感性研究中的应用. 试验中使用通用陆面过程模式(CoLM)和通榆退化草地2008年夏季观测资料, 针对陆气相互作用中重要的要素: 感热通量(SH)、潜热通量(LH)、地表温度(ST), 2 m气温(T2m)和2 m湿度(Q2m), 分析了11 个参数(土深、1–5层黏土比率、孔隙度、最大露水厚度、50%植物根深、地表空气粗糙度和冠层下土壤拖曳系数)的敏感性大小. 结果表明, RBD-FAST和EFAST对参数的一阶敏感性检验结果较为一致且与之前的研究结果类似, EFAST方法还可以得到考虑了参数间相互作用的整体敏感性. RBD-FAST的优势主要表现为在极大地减少了计算消耗机的同时, 一次取样即可计算所有参数的一阶敏感性, 而EFAST的优势则在于通盘考虑了参数之间的相互影响, 可以得到更为合理的整体敏感性序列. 针对不同需求, 选择使用这两种敏感性分析方法, 有助于提高陆面过程模式参数化方案的改进效率.     

斜压二层模式框架下的准地转理论及其应用

准地转理论是短期天气预报的理论基础.针对中纬度大尺度运动得到的准地转运动方程组是准地转理论的核心.在斜压二层模式框架下,由准地转运动方程组得出的准地转位势倾向方程和准地转垂直运动方程,可以更为明确地解释高空和地面天气系统的移动和发展.结果显示:500 hPa高空槽的移动取决于本层的涡度平流,500 hPa高空槽的发展取决于本层的涡度平流和250与750h Pa层的微差温度平流;地面气旋系统的移动和发展取决于500hPa的正温度平流,250与750 hPa层的微差涡度平流.由实际天气过程对上述应用进行的分析表明,在斜压二层模式框架下得到的准地转位势倾向方程及准地转垂直运动方程,可以更好地确定中纬度天气尺度斜压发展系统的特征,并有助于对天气系统发展客观规律的了解和对数值预报产品内含的物理依据的认识.     

半干旱草原下垫面动量和感热总体输送系数参数化关系研究

本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、 温平均梯度观测资料, 分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征, 建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温的关系. 中性条件下, 半干旱草原植被下垫面动量总体输送系数与近地层大气动力状态之间存在明显的相互作用, 总体输送系数与近地面层风速之间满足二次曲线拟合关系; 风速较小时, 大气动力特征对地表粗糙度长度的改变不是很明显, 动量总体输送系数随气流增强而增大; 而当风速较大时, 强风速会使植被高度发生改变, 动量总体输送系数随气流增强而减小. 另外, 感热总体输送系数与近地层气温之间也存在二次曲线关系. 动量总体输送系数与近地层风速之间的关系、感热总体输送系数与近地层气温之间关系的建立为总体输送系数参数化提供了重要途径, 同时该方案避免了对动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度的求解. 关键词： 总体输送系数 参数化 湍流通量 相似性函数     

干旱区不同下垫面能量分配机理及对微气候反馈的研究

本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.     

强对流降水过程动力因子分析和预报研究

利用对流涡度矢量垂直分量,湿热力平流参数和波作用密度等动力因子对2009年7月8日发生在我国华北南部地区的强对流降水过程进行诊断分析,结果表明,这些动力因子能够综合描述降水系统水平风场垂直切变,涡度扰动以及位温平流和广义位温(及其扰动)的经向梯度等动力学和热力学特征,在降水区对流层中低层表现为强信号,在非降水区表现为弱信号.利用美国NCEP/NCAR 0.5度GFS的6 h,12 h,18 h和24 h预报资料计算分析2009年6月2日至10月1日动力因子对观测降水的指示预测作用,结果表明,动力因子对观测 关键词： 对流涡度矢量垂直分量 湿热力平流参数 波作用密度     

Turbulent passive scalar transport under localized blowing

The effect of blowing through a localized slot on the wall turbulence dynamics and heat transfer process is analyzed by direct numerical simulations in a fully developed turbulent channel flow. The severity parameter is mild and there is no flow separation induced by the blowing. The shear stress transport and temperature energy budget is discussed in detail. The wall shear and flux decreases immediately downstream the slot in a similar manner but the Reynolds analogy does not hold over the slot. The physical process is governed by the production and pressure redistribution over the slot in a complex manner. The turbulent transport and especially the advection play an essential role in the heat transfer mechanism.