复杂条件下湍流通量的观测与分析

随着气候与环境问题的突出,地球生态系统与大气间的CO2、水汽和能量交换引起更大关注。全球通量网和其它研究计划已在不同地区建立了大量通量站;并主要利用涡动相关方法进行通量的观测与分析。许多通量站设在地形起伏、斑块植被地区,且由于长期连续运转,不可避免地会遇到许多不利气象条件。国内各部门应用的涡动相关方法通量观测系统已有数百套。此方法似乎简单,而较准确的有代表性的通量取得却涉及许多问题。国外近10年来有关研究很活跃,国内则显得相对薄弱。仪器和台站很多,却缺乏合乎国际规范的处理程序和质量控制体系,影响到资料共享和合作研究。应根据国际最新进展和部分台站资料,在做成较规范的湍流资料处理程序的基础上,建立包括通量源区分析的质量控制与保证系统。对地形和植被都较复杂的情况,结合国际上几个较典型的通量站和国内祁连山大野口等通量站特点,做了简要介绍。

应用涡旋相关方法对戈壁地区湍流输送特征的初步研究

利用微机技术建立了一个较为廉价的近地层大气湍流数据实时采集处理系统,在1988年黑河预实验中工作良好,取得了一套较为完整的数据。对戈壁沙滩点的风、温、湿湍流脉动数据进行统计分析和涡旋相关方法处理,结果表明近地层大气的湍强特征符合一般规律。通量分析指出,戈壁地区的水汽通量在白天的绝大多数小时都呈负值(向下),而夜间为正。文中对湍流谱的特征也进行了初步分析。

HEIFE戈壁地区近地层大气的湍流结构和输送特征

根据黑河地区地气相互作用实验研究(HEIFE)1988年POP和1990年PIOP实验的观测资料,分析了戈壁地区近地层大气的湍流结构,主要是风速分量和温度方差的相似关系,以及各有关量的功率谱和湍流通量的协谱。1988年POP期间发现的戈壁近地层大气中白天经常出现的水汽由上而下输送等特殊现象,在1990年PIOP中得到进一步的验证。文中分析了有关物理机制,认为这一现象和众所周知的“绿洲效应”是戈壁-绿洲这一地区性中尺度环流影响的两个侧面。

关于地表反照率遥感反演的几个问题

分析了地表反照率对陆面辐射能收支以及区域和全球气候的影响,强调了地表反照率是遥感反演陆面参数时的第一重要参数,地表反照率或多波段遥感中不同谱段的地表反射率的准确反演常常是准确估算其它陆面参数如植被和土地利用/土地覆盖等状况的先决条件。在对当前关于反照率的概念及容易混淆的术语进行阐述和说明的基础上,简述了遥感反演地表反照率的步骤和主要难点的解决方法,进而对常用陆面过程模式计算地表反照率的过程作了分析,并将其结果与MODIS有关产品进行了比较,强调了遥感与陆面过程模式和气候模式的结合。

一种湍流数据采集与实时处理系统

本文介绍了HEIFE近地层观测中应用的大气湍流数据的采集和处理系统。由于采用了较新的微机技术和适当的软件,本系统耗资较低,并实现了外场大量观测数据的实时处理。观测所用的大气湍流传感器包括三维超声风速温度计和红外湿度计等;数据采集和处理中考虑了必要的传感器修正,并利用涡旋相关方法求得近地层各主要量的湍流通量和其他统计特征量,包括各二阶、三阶矩及有关量的功率谱和协谱分布。检查表明,该系统工作可靠,所获数据具有较高质量。

ET的遥感监测与流域尺度水资源管理

在水资源短缺、水环境质量恶化的形势下,为实现流域的真实节水,需要以卫星遥感监测的ET(蒸发蒸腾量)为依据,进行流域水资源的有效管理。这是一个新的理念和方法。文中综述了当前国际上几种较先进的遥感监测ET的方法。其中“陆面能量平衡算法(SEBAL)”,由于物理基础较好,近十多年来在许多国家有成功的业务化的应用,已被“GEF海河流域水资源和水环境综合管理”项目采用,以计算从日到季和年,从每个县每种土地利用到全流域的ET分布。以2002年的预分析为例介绍了有关结果。讨论了SEBAL的不足之处及改善意见。

流域尺度ET的遥感反演

利用多光谱卫星遥感可以反演水文气象模式所需的一些基本地面参数,进而得到整个流域尺度上的蒸发蒸腾量(ET)的分布图像,对流域水资源的管理提供重要依据.首先简述了当前地面观测计算ET采用的一些较新的技术和方法,然后论述了有关遥感反演ET方法的发展,并着重介绍了近年来国际上应用较好的‘陆面能量平衡方法(SEBAL)'.

陆面过程实验和地气相互作用研究——从HEIFE到IMGRASS和GAME-Tibet/TIPEX

８０ 年代中开始的国际大型陆面过程实验和地气相互作用研究，现在正向更加深入广泛的方面发展。中国科学院兰州高原大气物理研究所主持了８０ 年代后期开始的中日合作“黑河地区地气相互作用观测实验研究”（ Ｈ Ｅ Ｉ Ｆ Ｅ） ，接着积极参与组织了“内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用”（ Ｉ Ｍ Ｇ Ｒ Ａ Ｓ Ｓ） 和“全球水分能量循环亚洲季风实验—青藏高原陆面物理过程研究”（ 中日合作 Ｇ Ａ Ｍ Ｅ Ｔｉｂｅｔ 和 Ｔ Ｉ Ｐ Ｅ Ｘ） 等几个项目，取得大量珍贵资料和一系列研究成果，从而在国际陆面过程（ Ｌ Ｓ Ｐ） 研究中居于领先地位。本文介绍了近年来国际 Ｌ Ｓ Ｐ 研究以及国内由 Ｈ Ｅ Ｉ Ｆ Ｅ 到 Ｉ Ｍ Ｇ Ｒ Ａ Ｓ Ｓ 和 Ｇ Ａ Ｍ Ｅ Ｔｉｂｅｔ／ Ｔ Ｉ Ｐ Ｅ Ｘ 的进展。

卫星遥感在HEIFE非均匀陆面过程研究中的应用

卫星遥感的应用对了解尺度为１０￣４ｋｍ￣２的陆面特性及地一气间能量和水分交换过程具有不可缺少的重要意义。在“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究”（ＨＥＩＦＥ）大量地面观测资料的基础上，介绍了引入ＬａｎｄｓａｔＴＭ等卫星遥感资料进行复杂地表陆面过程分析的基本方法；并以夏天一个景的ＴＭ资料为个例，分析了整个“黑河实验区”的地表反射率、植被指数以及地表温度和能量平衡各分量的分布及定量统计特征，这种分析为复杂下垫面中尺度模式参数化方案的建立以及模式预报结果的检验提供了坚实基础。有关方法仍处于发展的初始阶段，对此做了讨论。

山谷城市的近地层大气湍流谱特征

山谷城市地区的大气湍流结构研究至今报道很少.本文根据兰州市一次观测实验,对各风速分量谱、温度谱以及动量和感热通量的协谱进行了分析.结果表明,尽管仪器的安装高度较低(6.45m),湍谱特征仍与平坦均匀下垫面得到的一些典型结果基本一致,从而认为,在类似地区进行湍流通量等的直接观测时,对观测高度和地点的选择,可以不必象一些文献要求的那样高.

青藏高原草甸下垫面湍流强度相似性关系分析

利用“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验 (GAME/Tibet)” 1998年加强期 (IOP)的观测资料 ,分析研究了青藏高原草甸下垫面上的无量纲风速、温度及湿度方差相似性 ,并与HEIFE戈壁沙漠和绿洲及海洋下垫面作了比较 ,得到了一些有关青藏高原草甸下垫面上动力及热力学参数的有益的结论。

藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征

利用 ＧＡＭＥ／Ｔｉｂｅｔ １９９８年ＩＯＰ观测资料，分析研究藏北高原草甸下垫面近地层的地面加热场、地表能量平衡、地面阻曳系数ＣＤ及感热通量整体输送系数ＣＨ等特征，得到了一些有关藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征结构的新认识。

黑河实验（HEIFE）的一些研究成果

本文回顾了黑河实验（ＨＥＩＦＥ）的执行情况，总结了到目前为止的主要研究成果。得到了干旱地区陆面过程地表参数、地表能量平衡特征和湍流通量参数化的结果。同时得到了干旱地区陆面过程的物理机制同湿润地区有质的差异这一认识：同湿润地区不同，干旱地区地表蒸散和植被过程并不是地表能量平衡中的控制因子，因为感热并不输送到自由大气仅是大气边界层的强迫因子；而潜热输送给自由大气并且潜热的释放是大气环流的主要能源，但干旱地区很少或没有水汽和潜热输送到自由大气，所以干旱地区自由大气不能从地面得到热能；地表反射率大和向上长波辐射强致使净辐射亏损大；基于以上原因，干旱地区可能是一个水汽输送和热能的“汇”。这些结果使我们能更好地理解干旱地区的陆面过程。黑河实验的结果以系统的观测事实证实了绿洲的冷岛效应，临近绿洲沙漠的逆湿现象，即夏季白天常常是绿洲有感热向下输送，临近绿洲的沙漠有水汽向下输送。

卫星遥感敦煌地区地表特征参数研究

卫星遥感在研究沙漠化地区非均匀地表特征参数时有其独到的作用。本文提出了一个基于Landsat-7TM资料推算沙漠化地区地表特征参数的方案,并把其用于中国西北地区"我国重大气候和天气灾害形成及预测理论的研究"的敦煌试验区,并且利用3个景Landsat-7TM资料进行了分析研究,得到了一些有关沙漠化地区非均匀地表区域地表特征参数(地表反射率、地表温度、修正的土壤调整植被指数MSAVI和植被覆盖度)的新概念。

涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明:野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。

藏北高原地面辐射收支的初步分析

利用"全球能量与水循环亚洲季风之青藏高原试验"GAME/Tibet(GEWEXAsianMonsoonEx perimentintheTibetanPlateau)1998年加强期(IOP)观测资料,分析研究了藏北高原地区草甸下垫面在季风前、季风中、季风后的太阳短波向下辐射、大气长波向下辐射、地面长波向上辐射、地面短波向上辐射、净辐射及地表反射率等特征,得到了藏北高原地区草甸下垫面辐射特征的新认识。

青藏高原五道梁地区湍流输送特征的研究

根据１９９４年６—７月在青藏高原五道梁地区的湍流脉动观测资料，分析了该地区近地层能量平衡、感热和潜热的日变化及湍流强度和湍流谱特征。结果表明：晴天该地区近地层能量基本平衡，各能量分量的日变化与常见情况相同；白天感热通量的输送占主导地位，潜热通量占次要地位，符合半干旱地区的一般特征。湍流强度和湍流谱分析表明：在近中性条件下该地区纵向和横向的湍流强度均明显高于平坦下垫面上的，垂直湍流强度符合一般规律。各风速分量谱在高频段满足理论上的－２／３次幂规律，纵向和横向速度谱的峰值频率均明显高于在典型平坦下垫面上得到的结果，垂直速度谱与其它实验结果相一致。

近22年来西北不同类型植被NDVI变化与气候因子的关系

为了研究气候变化对西北地区不同类型植被的影响，利用NASA GIMMS 1982～2003年逐月归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）数据集和西北地区138个气象站点同期的气温和降水资料，计算了各站22年月平均气温和降水与NDVI的相关系数。同时，选西北地区森林、草原、绿洲和雨养农业4类有代表性的植被类型为研究区，对各类植被NDVI与气温和降水的相关关系进行分析。研究结果表明：除无植被的戈壁沙漠地区外，西北地区NDVI与气温和降水均有较好的相关性。除祁连山中部地区外，西北地区NDVI与气温的相关系数大于降水。天山、阿尔泰山和秦岭的NDVI与气温相关系数最高，而青海东北部NDVI与降水相关系数最高。西北地区各种类型植被对气候变化反映敏感。其敏感度因植被类型不同和同类植被所处的地理位置不同而有差异；纬度较高的新疆林区与温度相关性最高，高寒草甸次之。在植被生长最旺盛的夏季（6—8月），22年来西北地区各林区的NDVI均呈下降趋势。其中西北东部林区下降趋势显著，与这些地区的降水减少和气温增加有关。草原区植被以上升趋势为主，高寒草甸和盐生草甸上升趋势最为显著，气温升高是这些地区植被生长加速的原因之一。西北绿洲是NDVI增加极为显著的地区，以新疆绿洲NDVI上升趋势最大。气候变暖是近年绿洲NDVI增加的主要驱动力之一，绿洲面积扩大、种植结构调整和种植品种变化等人为因素对绿洲NDVI增加的作用不可忽视，这种作用在新疆表现的尤为突出。雨养农业区NDVI年际间波动较大，各区域间变化不太一致。NDVI的波动与降水变化有很好的正相关，与气温变化有很好的负相关，近年来西北东部气温升高和降水的减少是雨养农业区NDVI下降的原因，农业措施的实施也改变了植被生长对气候条件的依赖性。

南沙海域近海层大气湍流结构及输送特征研究

本文根据南沙群岛渚碧礁的一次大气湍流观测资料，分析研究南沙海域的湍流热通量输送、方差相似性、风速各分量谱、温度谱及各湍流通量协谱等大气湍流结构和输送特征，并与陆地下垫面上的结果作了比较。