黑河实验(HEIFE)──对干旱地区陆面过程的一些新认识

综合介绍“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ＨＥＩＦＥ）”的概况。系统分析干旱地区陆面过程的一些基本问题，它们是：（１）干旱地区地表面热量平衡的基本特征：干旱地区蒸发量很小，地表热量平衡中以感热为主．潜热可以忽略不计。（２）干旱地区陆面过程参数化问题：干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响，否则将造成严重误差。（３）干旱地区一种特殊现象──绿洲与沙漠环境的相互作用：绿洲的“冷岛效应”和临近绿洲沙漠或戈壁的“逆湿现象”是这种相互作用的结果。这些研究结果将加深我们对干旱地区陆面过程的认识。     

SOME NEW UNDERSTANDINGS OF LAND-SURFACE PROCESSES IN ARID AREA FROM THE HEIFE*

The survey for the HEIFE(Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin,Western China) is given in the paper.The following basic subjects for land-surface processes in arid areas are studied:(1) the general characteristics of the energy budget on ground surface in arid areas;(2) the parameterization of the land surface processes;(3) the interaction between oasis and its desert circumstances,a special phenomenon in arid areas.The analysis shows that the sensible heat flux in the surface energy budget is in the majority,and the latent heat flux may be neglected.The influence of atmospheric stratification stability on the turbulent transfer of energy and substance must be considered in parameterization of land surface processes in arid areas.The "cold island effect" phenomenon in oasis and the "humidity inversion" phenomenon in desert near oasis are the result of the interaction between them.The results would improve the understanding of land surface processes in arid areas.     

Numerical simulation of the critical scale of oasis maintenance and development in the arid regions of Northwest China

Oasis is a special geographic landscape among the vast desert/Gobi in Northwest China (NWC). The surface sensitive heat flux and latent heat flux at Zhangye Oasis during 1 to 11 August 1991 are simulated using the NCAR nonhydrostatic mesoscale model MM5 Version 3. The horizontal grid resolution is set as 1km. By comparing the simulation results with HEIFE observations, it is proved that the model can be used to simulate the surface energy and water mass exchange of arid and semiarid regions in NWC.Based on the above results, the influence of different oasis scales on the local atmospheric field near the ground surface, and the critical scale of oasis maintenance, in NWC are studied dynamically. The following conclusion is obtained: the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi is formed in the oasis downstream if the oasis scale is larger than 4 km. This local thermal circulation between the oasis and the desert adjacent to the oasis helps to conserve water vapor over the oasis. At the sametime, it transfers the abundant water vapor from the oasis into the desert/Gobi near to the oasis to supply relatively plentiful water vapor for desert crops to grow on the fringe of the oasis. So, it is advantageous for oasis extension. However, if the scale of the oasis is smaller than 4 km, it is not easy for the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi to take shape. This study provides a new standpoint for oasis maintenance and development.     

降水强迫对戈壁局地气候系统水、热输送的影响

用黑河实验中化音站（戈壁）加强期的湍流脉动场资料对降水强迫影响戈壁局地气候系统水、热输送的过程进行了系统分析。结果表明：降水强迫会使戈壁局地气候系统出现暂时的不平衡状态，要重新回到平衡状态需要通过物质和能量的重新调配来实现。该过程可划分为４个阶段，各个阶段间的感热、潜热和水汽通量均有较大差异。从近地层水、热输送特征看，受降水强迫后非平衡状态的张弛时段大约为４ｄ。在整个张弛期间，地表接收到的降水约有２／３通过地表蒸发后输送到大气，其余部分可能被渗入地下     

河西地区非均匀下垫面的大气变性过程

利用ＨＥＩＦＥ野外观测资料，分析了河西地区黑河流域夏半年下面动力和热力特性的不均匀 ；并以个别具有一定代表性的晴天观测资料为例，客观地分析了绿洲与沙漠或戈壁下垫面突变所产生的近地层大气变性过程；初步解释发绿洲近地层逆温和沙漠或戈壁近地层逆湿的形成机制，同时也讨论了绿洲和沙的水汽输送过程。     

干旱地区绿洲和沙漠辐射收支的季节变化

本文利用ＨＥＩＦＥ中绿洲（张掖）和沙漠两个测站１９９１年取得的观测资料，分析了两种不同下垫面太阳辐射能收支及其季节变化特征，结果表明：绿洲地区反射率明显小于沙漠区，季节变化明显；地面有效辐射绿洲小于沙漠，沙漠地区季节变化明显，绿洲则季节不明显；地表净辐射绿洲大于沙漠，不论冬，夏季该地区地面均为热源。     

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。     

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。     

河西戈壁（化音）小气候和热量平衡特征的初步分析

本文分析了1988年9月在甘肃省临泽县城西南侧戈壁获得的近地面层微气象观测资料。结果表明:白天晴空一般都是超绝热不稳定状态,并存在一种逆湿现象,造成向下输送的水气通量。这可能是由于戈壁地表极其干燥,没有蒸发,上层大气湿度反而比近地面层高,致使水汽从上往下输送。这时在地表面热量平衡过程中,潜热可以忽略不计,感热占绝对优势。     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲\_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

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。这些结果揭示了绿洲和沙漠环境相互作用的较完整图像     

临近绿洲的沙漠上空近地面层内水汽输送特征

1991年7月在HEIFE实验区沙漠站进行了一次水汽输送观测实验。观测发现近地面层内比湿廓线常常出现极小值，该极小值高度为零水汽通量面的高度。这个高度以上水汽向下输送，廓线呈逆湿特征，这个高度以下水汽向上输送，廓线呈蒸发特征。沙漠上空近地面层内水汽不是常通量，在一个固定高度上观测到的水汽通量和“潜热通量”不能代表地面的蒸发量和潜热通量。     

黑河地区绿州和沙漠地面辐射收支的若干特征

利用HEIFE中在绿州和沙漠两个测站所取得的资料。分析了两种不同下垫面辐射收支及其季节变化特征。结果表明：绿州区地表反射率明显小于沙漠区,季节变化明显;地面向上长波辐射绿州小于沙漠,地面有效辐射绿州小于沙漠。且季节变化明显;地表净辐射绿州大于沙漠,其能量以潜热为主输入大气;干旱地区的绿州光合有效辐射年总量大于河北、山声等地。光合有效辐射资源极为丰富。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差     

新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至的生态脆弱区，具有丰富的太阳能资源。利用红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料，分析东疆黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征。结果表明：（1）地表辐射及能量收支各分量日变化均为单峰型。就不同季节而言，太阳总辐射和净辐射为夏季>春季>秋季，反射短波辐射为春季>夏季>秋季，地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。（2）能量收支各分量季节变化明显，感热通量为春季>夏季>秋季，潜热通量为夏季>秋季>春季，地表土壤热通量为秋季>夏季>春季；能量分配在不同季节均以感热为主，地表土壤热通量次之，潜热通量极其微弱。（3）地表反照率日变化均为“U”型，在不同季节表现为春季>秋季>夏季，依次为0.29、0.27、0.26。东疆黑戈壁地表反照率整体较高，这是下垫面为黑色砾石所致。     

Water and Heat Transport in the Desert Soil and Atmospheric Boundary Layer in Western China

In order to understand the exchange and transferprocesses of water and energy in the desert soil andthe atmospheric boundary layer (ABL), we have developeda coupled model, in which a desert soil modelincluding water movement of both liquid and vapourphase, and an ABL model based on a non-local transilientturbulence closure scheme, are coupled together. Withthis model, the evolution of potential temperature andspecific humidity, the distribution of net radiationamong sensible, latent and soil heat fluxes, and thewater and heat flux profiles both in the soil and ABLhave been simulated. The HEIFE (HEIhe River Basin FieldExperiment) observational data are used to calibrate calculation of the water and heat flux both in thesoil and the ABL. The sensible and latent heatfluxes warm and moisten the bottom grid box (100m) of theABL. In this way the ABL model and the desert soil model are coupled together.The simulated results show that when the flux of watervapour in the soil is neglected, the evaporation rateand the flux profiles of specific humidity in the ABLshow great changes, hence the importance of watervapour movement in the desert soil for the calculationof specific humidity in the ABL. In the upper 5cm of thesoil, which is called an active layer, water andheat transport are more effective than in the substrate(soil below 5 cm).     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。