青海省多年地表感热通量的时空变化特征

选取青海省35个气象站观测数据,基于CHEN-WENG感热系数方案,计算了1980—2017年青海省地表感热通量。利用小波分析、Mann-Kendall突变检验和经验正交函数法(Empirical Orthogonal Function,EOF),对感热通量的时空变化特征及其影响因子进行分析。结果表明:(1)1980年以来,青海省全年和各季节感热通量总体上均呈上升趋势,并具有28 a的主周期和约18 a的副周期,冬季的周期变化较为复杂;(2)全年和各季节感热通量与地气温差存在显著相关性,2004—2017年受地气温差增大的影响上升;(3)全年、春季和秋季感热通量与风速存在显著相关性,1980—2004年受风速减小的影响感热通量下降;(4)夏季降水与感热通量呈显著负相关;(5)从空间上看,全年以及春季感热通量呈现出显著的东西分异,秋、冬季表现出一定程度的南北分异。

那曲地区两种空间尺度感热通量的对比分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境研究观测站那曲/BJ观测点2010年涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS)数据,MODIS的地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)产品,结合印痕方法分析了由EC和LAS数据计算得到的感热通量的差异及造成这种差异的可能原因,研究了两种空间尺度下地表温度和土壤含水量对感热通量的影响。结果表明:干季和雨季时,EC与LAS的感热通量(H_EC和H_LAS)总体而言具有较好的一致性,其差异的主要原因是风向造成印痕差异;7月的感热通量与净辐射、风向的时间序列分析表明,云遮蔽导致的净辐射空间分布不均匀是造成H_EC和H_LAS差异的另一个重要原因;EC和LAS的印痕加权LST平均值与两者感热通量的统计分析表明,印痕内加权LST越高,感热通量越大;对雨季时的EC和LAS印痕内加权NDVI平均值表明,印痕加权NDVI越大,感热通量与净辐射之比越小;EC和LAS两种通量结果分析表明,空间尺度对藏北地区半小时尺度和月尺度感热通量结果都有较大影响。

近60年青藏高原地区地面感热通量的时空演变特征

利用NCEP/NCAR地面感热通量再分析格点资料,分析了1951-2010年青藏高原(下称高原)地区地面感热通量的基本气候特征、年际与年代际变化及其空间分布,采用滑动t检验和小波分析研究了高原年平均感热通量变化的突变特征,并分析了影响高原感热变化的因素以及探讨了高原感热的变化对东亚、南亚夏季风的影响。结果表明,就全年平均而言,高原感热通量大部分地区为正值,说明高原为热源;冬季是全年感热通量最小的季节,为负值;其余季节感热均为正值,即由地面向大气输送感热。近60年高原的感热通量出现了不同程度的减少,春、夏季呈现出不显著的下降趋势,秋、冬季和年平均感热通量的下降趋势比较显著,分别为0.94,0.50和0.49 W·m-2·(10a)-1。感热线性趋势的空间分布具有季节性和区域性差异。由于1969年前后的突变,导致高原感热在1970-1981年的下降趋势显著。高原感热的变化与气温呈负相关,与风速和地温呈正相关,与降水的关系不明显。年际尺度上,春季、年平均高原感热的减弱(增强)区域和东亚、南亚夏季风指数有很好的正(负)相关,其显著变化可能会在某种程度上影响东亚、南亚夏季风。

遥感估算绿洲-沙漠下垫面地表温度及感热通量

利用古浪非均匀近地层野外观测试验资料,验证了卫星反演地表温度的局地分裂窗算法在非均匀地区的适用性,进一步给出了提高反演精度的修正方案,并利用修正的反演地表温度算法和改进的空气动力学阻抗算法反演了试验区的感热通量。结果表明,Becker算法最适用于非均匀地区。与近地层野外观测试验观测结果相比,修正后的反演算法反演的地表温度和感热通量更加合理,均方根误差分别为2.38K和23.49W.m-2。地表温度和感热通量的区域分布特征相似,都表现为在绿洲和沙漠区的变化梯度较小,而在过渡区的梯度较大。

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。

干旱区热力学粗糙度特征及对感热通量估算的影响

利用HEIFE的实测资料估算了黑河实验区几个沙漠戈壁表面上的热力学粗糙度 (以附加阻尼κB- 1的形式 ) ,发现在任一测站κB- 1值的变化范围较大。同时分析了附加阻尼项在估算感热通量时的作用 ,而忽略该附加阻尼将会导致对感热通量的明显高估 ,提出在利用阻尼型公式计算感热通量时 ,不能采用简单的z0m =z0h的假设 。

春季青藏高原感热通量对不同海区海温强迫的响应及其对我国东部降水的影响

本文利用在青藏高原适用性较好的ERA-interim地表感热通量资料,研究了1981-2010年青藏高原春季地表感热通量的年际变率与前期不同海区海温强迫的联系,以及这种联系对我国东部降水可能造成的影响。结果表明,春季青藏高原地表感热通量的年际变化有两个主要的模态,分别与前期太平洋以及印度洋海温有密切联系。与冬季ENSO事件相应的赤道中东太平洋海温强迫可以激发一个向极向西的波列,通过改变青藏高原南侧的环流和降水异常,形成一个纬向偶极型分布的高原感热第一模态,其对应的时间序列主要表现为准5a的振荡,与ENSO事件的周期较为吻合;而春季印度洋的三极型海温分布可以强迫出一个跨越南北半球的波列,使青藏高原主体表现为东风异常,减弱背景西风,从而形成一个青藏高原主体与周围反相关的回字形感热第二模态,其主要呈现5~7a的振荡周期。ENSO事件以及印度洋海温分布分别与青藏高原春季感热两个主模态相联系,并且冬春季海温与高原春季感热主模态对我国东部春季降水有协同影响,对于我国北方降水异常而言,高原的贡献相对海洋更重要。

春季亚洲中东部地表感热通量的变化特征及其与中国夏季降水的关系

采用1951～2000年NCEP/NCAR再分析资料中的逐月感热通量资料,分析了亚洲中东部春季近50年地表感热通量的气候分布特征,结果表明:亚洲中东部春季地表感热通量的高值区位于华北、西北和印度地区;低值区主要位于东北、江南和蒙古国北部;青藏高原、中国东部30°N附近地区和印度中部地区是感热通量年际变幅最大的区域。运用旋转经验正交展开(REOF)方法分析了亚洲中东部地区地表感热的时空演变特征及其与中国主要区域夏季降水的关系,结果表明:中国东部30°N附近地区的春季感热与黄淮地区的夏季降水为负相关,而夏季长江中下游流域降水与青藏高原春季感热和印度中部地区春季感热异常则为较显著的正相关。运用非绝热加热理论和合成分析,进一步分析了与春季地表感热通量异常相对应的同期和后期大气环流场的异常,结果表明:对应于中国东部30°N附近地区春季的感热通量异常,中国东南部和西南部地区存在着显著的环流场异常,伴随着春季江南地区西南风强度的改变,进而引起东亚夏季风强度及我国夏季降水的异常;印度中部地区春季地表感热通量的异常则会影响到后期印度夏季风的强弱,进而通过印度季风和东亚夏季风环流的遥相关关系,导致东亚夏季风强度变化,进而影响到中国夏季降水的异常。

黄土高原影响LAS观测感热通量的物理因素分析

利用2010年1月和6月黄土高原定西和庆阳两站大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)、辐射观测、梯度塔等观测系统的同步观测资料,分析了不同下垫面LAS和EC观测感热通量的时空差异及其与下垫面净辐射、风向、风速和稳定度等物理量的关系。结果表明,LAS和EC观测感热通量值之间的差异(HLAS-HEC)大小与下垫面的不均匀性有关,相对复杂的下垫面HLAS-HEC较大。净辐射Rn是感热通量的主要驱动因子,HLAS-HEC在生长季大于非生长季,并与Rn成正相关。风向对LAS和EC观测感热通量值有显著影响。对流边界层低频涡旋的存在导致EC通量统计值偏低,HLAS/HEC随着风速的增大而减小,随着稳定度z/L的增大而增大。

内蒙古中西部地面感热通量影响沙尘暴的观测分析

利用内蒙古中西部不同地表类型的16个测站2005—2006年3—5月逐小时地面观测资料和逐日沙尘暴资料,计算了地面感热通量、地面位温并分析它们与沙尘暴的关系,结果发现:在内蒙古中西部春季地面感热通量表现为净加热,且沙尘暴发生次数多的年份净地面感热加热强度反而较小。在沙尘暴发生前,沙漠区和高平原区地面感热通量达到最大,而丘陵和平原地区反而开始降低。对于沙尘暴发生前12h累积的地面感热加热强度及导致的地面位温上升幅度,高平原和丘陵平原区要强于沙漠区。但相对而言,沙漠和高平原地区地面感热加热影响沙尘暴的"效率"更高。

北亚洲大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响

利用1979—2008年NCEPⅡ月平均地表感热通量再分析资料、江苏省气象台整编的江淮出入梅日期和全国753个测站逐日降水资料,分析了亚洲北部(60°～135°E,32°～75°N,简称北亚洲)大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响及其可能机制。结果表明,北亚洲大陆地表在冬季总体为感热冷源,对大气起到强冷却作用。通过定义WSH指数来表征北亚洲大陆冬季地表感热冷源的强度,该指数值越小,冷源越强;反之,冷源越弱。当冬季北亚洲大陆地表感热冷源偏强时,夏季梅雨锋北侧的冷空气强度大范围加强,东北冷涡增强,且冷空气向南输送增强;7月高空副热带西风急流位置偏南,南亚高压呈青藏高压型;江淮流域上升运动增强,且该流域上空高层变干、低层变湿,大气层结的不稳定度增加,对流活动增强,有利于梅雨降水,出梅偏晚。冬季地表感热冷源偏弱时,情况则相反。因此,冬季北亚洲大陆地表感热通量的异常对汛期江淮梅雨的预测具有一定的指示意义。

青藏高原4月感热通量异常对长江以南夏季降水的影响

基于1980—2015年青藏高原、长江以南地区的站点资料,利用EOF、小波分析等方法,分析了青藏高原及各分区4月的感热通量和长江以南地区夏季降水特征,以及它们之间的相关性。结果表明:喜马拉雅地区(关键区) 4月感热通量可以作为长江以南地区夏季降水的预报因子之一;青藏高原4月感热通量和长江以南地区夏季降水均存在4 a主周期和8 a副周期,在1998年、2011年前后出现转折;高原整体、E区、G区4月感热通量均与长江以南地区夏季降水呈负相关;高原关键区4月感热通量偏弱时,长江以南地区高空(850 hPa)处于深槽槽前,西部配合有切变线系统,斜压性很强,空气相对湿度很大,利于长江以南地区降水,反之亦然。

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原(以下简称高原)气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率(逐小时)综合观测数据集(2005~2016)、国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979~2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.

青藏高原中东部地区地表感热通量的时空变化特征

基于1970—2015年青藏高原地区78个站点的观测资料,应用物理方法计算了高原中东部地区的感热通量。利用小波分析、相关性分析等研究了高原中东部感热通量的时空特征和影响因子。结果表明,高原年平均和春夏季节,感热通量周期为3~4 a,而秋冬季节为2~3 a;感热通量的变化趋势为,1970—1980年和2001—2015年感热通量呈增加趋势,而1981—2000年呈减小趋势;高原年平均和各季节的最强感热加热中心均位于高原南坡E区(除冬季外),最弱加热区域位于高原西北部A区(夏季除外);高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布且梯度相反,夏季呈现自东到西的梯度;春季、夏季及秋季,高原感热通量和降水呈负相关;高原10 m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。

膜下滴灌棉田潜热和感热通量分配特征分析

膜下滴灌棉田获得的辐射热量比常规灌溉棉田稍高,以潜热通量的方式消耗的热量花蕾期约占净辐射的61.0%、吐絮期为42.3%,沙漠下垫面条件下产生的干而热的空气块在天气系统运动作用下,经过棉田使潜热通量增加,但膜下滴灌棉田比常规灌溉棉田花蕾期低7%左右,且后期差距加大,使得膜下滴灌棉田的感热通量、波恩比比常规灌溉棉田分别高4.8%～6.4%、0.1～0.2,其小气候条件优于常规棉田。

华南地气感热通量交换系数的估算

利用2009年东莞市气象台涡动能量平衡观测系统的观测数据和常规观测数据,利用一元线性回归的方法对感热交换系数进行估算。结果表明,感热交换系数具有明显的季节变化,春季的感热通量交换系数相对较大,而夏、秋两季的感热交换系数则相对较小。近地面风速越大,感热交换系数越小。华南地区感热交换系数一般在(3.26±1.55)×10-3的范围。

关于棉田感热通量和潜热通量的几种计算方法

根据棉田的实测资料，选用四种常用的计算感热通量和潜热通量的方法进行分析，发现空气动力学方法Ⅰ和伯温比－能量平衡法的计算结果较一致，梯度扩散法略小，而布德科方法计算的潜热通量偏高、感热通量过低。因此得出结论：在计算棉花等作物的冠层通量时，选用空气动力学方法Ⅰ最合适，其次是梯度扩散法。

东亚典型干旱、半干旱区夏季感热通量的年代际变化特征

基于1901—2010年ERA-20C地表感热通量和其他气象要素逐月资料,利用Lanczos低通滤波、多元逐步回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,分析东亚典型极端干旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区4个区域夏季感热通量的变化趋势及年代际变化特征。结果表明:(1)近110 a,东亚干旱、半干旱区4种类型区域的夏季感热通量变化趋势不尽相同,极端干旱区无明显变化趋势,而其他3个区域均呈显著上升趋势,且随着地表湿润度的增加上升趋势越大;半干旱区和湿润偏干区夏季感热通量在显著上升趋势上还叠加了明显的年代际特征,均在1960年代发生由偏低向偏高的突变,而干旱区夏季感热通量突变时间在1950年代中期。(2)各气象要素对夏季感热通量变化的贡献在东亚干旱、半干旱区不同区域有显著差异。极端干旱区和干旱区夏季感热通量的变化主要由地表净辐射和降水贡献,而半干旱区和湿润偏干区则主要由地气温差和10 m风速贡献,且突变后期的贡献均高于突变前期。(3)大气环流异常对东亚夏季感热通量变化有重要作用。突变前期,东亚干旱、半干旱区大部高空200 hPa为东风异常,低层850 hPa为东南风异常,配合500 hPa正涡度异常,导致辐合上升气流偏强,有利于维持夏季感热通量偏低;反之突变后期,200 hPa为西风异常,500 hPa为负涡度异常,低层850 hPa为西北风异常,导致辐合上升气流偏弱,有利于维持夏季感热通量偏高。

基于LAS观测的城镇感热通量时空特征及影响因素

利用2018年4月—2019年4月南京盘城大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测数据,分析了城镇感热通量的时空变化特征及影响因素。结果表明:1)南京城镇感热通量呈单峰型日变化特征,白天明显大于夜间,且白天晴天明显大于阴天,夜间晴天略小于阴天,晴、阴天小时感热通量年平均分别在2.25~200.53 W·m^(-2)、13.10~132.52 W·m^(-2)波动。2)城镇感热通量夏季明显大于冬季,8月昼、夜分别为112.19、23.54 W·m^(-2),2月昼、夜分别为35.57、11.57 W·m^(-2)。3)晴天白天条件下,不同风向(通量贡献源区)城镇感热通量存在显著差异,即随着不透水层占比的增加,净辐射分配到感热通量的比例明显提高,当占比大于60%时提高趋势不明显。4)以莫宁-奥布霍夫长度判断大气稳定度为标准,C^(2)_(n)法在计算感热通量的5种大气稳定度判断方法中的误判率较低且数据源于LAS,是比较适宜城镇夜间大气稳定度的判断方法。5)在影响城镇感热通量的地表参数中,有效高度变化的影响最大,风速变化的影响较大特别在秋冬季节更为明显,波文比变化对城镇感热通量的影响较小,温度、地表粗糙度和零平面位移变化的影响可忽略不计。