水汽输送对雅鲁藏布大峡谷地区陆—气间水热交换的影响研究

藏东南地区的雅鲁藏布大峡谷地区(以下简称大峡谷地区)是印度洋暖湿气流输送至青藏高原的重要通道,在高原水分与能量循环过程中具有重要地位。为了揭示不同水汽输送对陆-气间水热交换通量的影响,本文利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品,根据大气中总水汽含量和水汽水平输送通量将大峡谷地区2013年5月20日至7月9日的水汽强度划分为强/弱/极弱三种级别。并利用第五代公用陆面模式(Community Land Model version 5.0,CLM5.0)模拟了水汽输送对大峡谷-大气间水热交换的影响。研究表明:大峡谷地区的南(东)边界为水汽主要的输入(输出)边界,大峡谷南侧河谷存在水汽强输送带。CLM5.0模拟的大峡谷-大气间水热交换通量与实际相比误差较大,通过优选热力学粗糙度参数化方案和土壤属性替代数据集,提高了CLM5.0模拟大峡谷-大气间水热交换通量的精度。其中Zeng and Dickinson(1998)的方案(以下简称Z98方案)效果最优,较CLM5.0默认参数化方案下模拟的小麦站和草地站近地面感热通量均方根误差分别下降18.2%和10.9%。区域模拟结果显示:大峡谷地区近地面潜热通量区域模拟总体分布为东南高而西北低,近地面感热通量则相反,随水汽水平输送强度的减弱,潜热通量大值区向西北延伸面增大,而感热通量大值区则向东南延伸面增大。冰雪覆盖的高海拔地区近地面感热通量维持低值,而潜热通量则相反。整个试验阶段,大峡谷地区降水时长达59%,不同水汽输送条件下近地面有效能量主要以潜热的方式向大气输送,其中在强水汽水平输送条件下的水汽强输送带的近地面感热输送最弱,Z98方案下的感热通量日均值仅为-1.80 W·m^(-2),潜热通量则大于70.0 W·m^(-2)。对于大峡谷地区,当水汽维持高值范围时,近地面净辐射降低,但近地面净辐射主要被潜热消化,水汽保温大气的效应使得地-气温差降低,近地面感热输送抑制显著。本研究结果对认识雅鲁藏布大峡谷地区陆面过程及其对水汽水平输送的响应有一定的参考价值。

若尔盖高寒湿地-大气间水热交换湍流通量的日变化特征分析

湿地近地面水热交换对陆面过程乃至天气气候变化有着显著影响,准确量化湿地与大气间的水热交换通量具有重要意义。本文利用中国科学院西北生态环境与资源研究院若尔盖花湖湿地陆面过程与气候变化观测场(下称花湖观测场)2017年3月至2018年3月涡动相关系统的观测数据,各季节选取3个典型晴天,分析了若尔盖湿地近地面的感热通量和潜热通量日变化特征,并与鄂陵湖和玛曲草原的观测值进行对比,同时计算了湿地下垫面的能量闭合率。结果表明:若尔盖高寒湿地-大气间的水热交换过程存在着明显的日变化特征。感热通量和潜热通量的日变化过程都为单峰型,在14:00(北京时,下同)-15:00达到最大值,感热通量最大值可达101.7 W·m^-2。潜热通量最大值可达412.6 W·m^-2。寒冷干燥季节的感热通量日平均值比温暖湿润季节大18.0%;而温暖潮湿季节潜热通量日平均值比寒冷干燥季节高68.7%。本文还将湿地水热交换过程与玛曲草原以及鄂陵湖湖面的观测数据进行了对比发现:夏季,若尔盖湿地近地面与鄂陵湖湖面向大气输送的感热和潜热总量相当,但湿地日变化幅度远大于湖面,通常为湖面的4~7倍。玛曲草原夏季感热通量日变幅约为若尔盖湿地的1.5倍,而湿地夏季潜热通量总量约为草原的1.2倍。在地表向上的通量中,能量不平衡所占的比例:春季27.7%,夏季22.7%,秋季15.7%,冬季19.4%。湿地全年主要以潜热的形式向大气输送能量,夏季潜热通量占有效能量的比例可达58.0%。

若尔盖高寒湿地夏季近地面水平热平流对地表能量闭合度的影响研究

近地面能量不闭合问题一直以来都是陆面过程研究的一个重要的科学问题,且在非均匀湿地下垫面的近地面尤为突出。利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站花湖观测场的地面风场和温度场数据,计算了由湿地下垫面热力非均匀性引起的水平热平流,并分析了考虑水平热平流后地表能量平衡的变化。结果表明:2017年夏季若尔盖湿地近地面水平热平流的白天均值为22.9 W·m^(-2),最大值可达58.7 W·m^(-2)。将水平热平流和热储存项引入地表能量平衡方程后,夏季能量闭合度由41.8%提升至67.9%,其中水平热平流的贡献为5.8%,土壤热储存的贡献为20.1%,空气与植物光合作用热储存的贡献为1.0%。若尔盖湿地近地面水平热平流日变化量级与感热通量相当,日变化最大值约为湿地土壤热储存的1/3,对湿地地表能量平衡的影响不容忽视。

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响。本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通量不同状态和过程中的变化,以此探究土壤冻融过程中地气间的水热交换特征。研究表明:(1)净辐射通量在完全融化阶段的平均值要普遍大于其他三个阶段,最大值达到了203.7 W·m^(-2),冻融阶段冻土融化,土壤含水量逐渐增加,净辐射比完全冻结阶段明显增大,完全融化阶段净辐射日变化值最大,达到了717.6 W·m^(-2),完全冻结阶段最小,冻融阶段次之。(2)感热通量与潜热通量在完全融化和完全冻结阶段的配置不同。完全融化时,由于降水和土壤含水量等原因,净辐射主要转换为潜热通量,潜热通量日变化最大值为193.7 W·m^(-2),而感热通量只有80.0 W·m^(-2)左右。融冻阶段、冻融阶段与完全冻结时感热与潜热的日平均相差不大,潜热在三个阶段平均值为21.9 W·m^(-2),感热为20.3 W·m^(-2);而感热日变化在三个阶段均大于潜热,土壤发生冻融循环,地气温差较小,含水量产生变化,净辐射在这期间主要转换为感热。(3)土壤热通量在完全融化(冻结)状态下为正(负),表明地表从大气吸收(释放)热量,其日变化幅度大(小)。以上结果说明,土壤冻融状态与过程对近地面陆-气间水热交换过程表现出不同的特征。

黄河源区陆面蒸散量的时空分布特征研究

基于修正的Penman-Monteith(P-M)模型,利用1980~2020年黄河源区的气象台站观测数据和陆-气间水热交换观测试验数据,计算出该区域的陆面参考蒸散量,分析了黄河源区蒸散量的时空演变特征,探讨了影响黄河源区蒸散量变化的原因。结果表明:(1)修正的P-M模型能较准确地估算黄河源区的参考蒸散量,与实际观测的相关系数在0.85以上。(2)黄河源区的蒸散量总体呈上升趋势,但在20世纪80年代中期和90年代中期均呈显著减少趋势;近年来,中部和西部地区的蒸散量呈减少趋势,而东部地区的蒸散量呈增加趋势。(3)黄河源区年蒸散量呈自东向西减小的分布特征,东、中、西部地区分别为473.5~516.0mm、437.6~473.5mm和386.3~437.6mm;四季蒸散量差异明显,夏季最大,春季和秋季次之,冬季最小。(4)黄河源区蒸散量随温度、风速和日照时数的增加而增大,随相对湿度和降水量的增大而减小。

近30年来若尔盖高寒湿地变化及其对区域气候变化的响应

为探究近30年来气候变化对若尔盖高寒湿地面积的影响,利用1987-2016年的5期陆地资源卫星主题绘图仪及陆地资源卫星陆地成像仪观测数据,使用决策树分类的方法提取若尔盖高寒湿地的湿地面积并分析其变化特征;利用1984-2016年若尔盖玛曲、红原阿坝4个气象台站观测数据分析若尔盖区域气候变化特征,探讨湿地面积与气候因子间的相关性。结果表明:1987-2016年,若尔盖高寒湿地呈现板块化,总面积减少约902.16km2;1984--2016年,若尔盖高寒湿地区域气候有显著的变暖趋势(0.64C/10a)。气温与湿地面积的相关性最高,其次是降水和相对湿度,表明气温是影响若尔盖高寒湿地面积变化的主导气候因子。

青藏高原土壤冻融过程关键参量时空分布特征分析

土壤冻融过程是青藏高原陆面过程中最突出的特征之一,量化表征土壤冻融过程的关键参量变化特征对认识青藏高原气候变化、生态和水文过程有重要的科学意义。本文利用青藏高原地区ECMWF/ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts/ERA5)的浅层土壤温度、体积含水量和气温资料,通过线性回归、Mann-Kendall检验法、滑动t检验和相关分析等方法,分析了表征青藏高原土壤冻融过程的三个关键参量-冻结开始时间、融化开始时间和冻结持续时间的时空分布特征,并探讨了其与气温、海拔的相关性。结果表明:青藏高原土壤冻融过程的空间分布特征为由西北到东南存在冻结推迟、融化提前和冻结持续时间缩短的趋势。1979-2018年间,青藏高原整体土壤冻融过程改变显著,冻结开始时间推迟14.0天,变率为0.17 d·a^(-1);融化开始时间提前11.0天,变率为0.07 d·a^(-1);冻结持续时间缩短25.0天,变率为0.23 d·a^(-1)。青藏高原土壤冻融过程整体变化趋势一致,局地变率存在差异。羌塘地区土壤冻结持续时间缩短最为明显,南北部分别缩短47.2天和32.9天。三个冻融过程关键参量与气温、海拔相关性显著。气温每上升1.0℃,冻结开始时间推后5.2天,融化开始时间提早4.5天。在青藏高原高寒气候带,海拔每升高1000.0 m,冻结开始时间提早9.1天,融化开始时间推后4.9天。

青藏高原L波段微波辐射观测与土壤水分反演研究进展

土壤水分是地气间水热交换的重要变量,影响着地表感热潜热划分、水分收支和植被蒸腾等过程,青藏高原土壤水分的研究对于改进高原水分循环和能量平衡的模拟研究具有重要意义。随着SMOS、SMAP等卫星的发射,L波段被动微波遥感技术成为大尺度监测土壤水分的主要手段。分别从L波段星—机—地观测与微波辐射模拟、区域尺度土壤水分观测、卫星产品评估与土壤水分反演算法发展等方面系统回顾和总结了近年来L波段被动微波遥感及其土壤水分反演算法、产品在青藏高原的主要应用与研究进展。在此基础上,归纳了当前高原L波段被动微波辐射模拟与土壤水分反演存在的问题,主要包括缺乏高原尺度的微波辐射模拟评估和改进的卫星土壤水分产品、土壤冻结时期的水分监测产品依然缺失等问题。针对存在的问题,进一步提出了相关建议与展望,建议今后的研究应加强高原尺度的微波辐射模拟评估与土壤水分产品改进工作,并积极拓展土壤水分产品在高原水分循环和能量平衡模拟、植被生长与干旱监测的应用研究。