基于Noah-MP陆面模式的青藏高原地表感热和潜热通量分布及变化特征

利用中国区域高分辨率数据集作为大气强迫场,驱动修改了热力学粗糙度参数化方案后的NoahMP陆面模式进行了2000-2018年青藏高原地区陆面过程模拟。用野外观测资料校验模拟结果后,分析了地表感热通量（SH）、潜热通量（LH）的分布及变化特征。结果表明,模式能较合理模拟高原地表感热和潜热通量。高原的中、西部为地表感热和潜热通量的年际变率较大区域。模拟的高原中、西部地区感热通量强于东部地区,且绝大部分区域的感热通量是有增强趋势的。对于整个高原,感热通量从2002年前后呈较明显的增强趋势。总体上,四个季节的平均感热都有较明显的增强,特别是在2010年以后。潜热通量在高原东部地区强于中、西部地区。潜热通量的年际变率相对于感热通量的变率要小。中部地区潜热呈减弱趋势,西部和东部都有弱的增强。对于整个高原,潜热通量在2000-2018年呈弱的增强趋势。其中,2000-2003年潜热通量是增强的,2003-2015年呈减弱趋势,主要因素为在夏季潜热通量的减弱。     

春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。     

夏季青藏高原地表能量变化对高原低涡生成的影响分析

利用1986-2015年夏季一日4次的ERA-Interim再分析资料,统计分析了近30年来夏季青藏高原地表感热、潜热通量以及高原低涡的时空分布特征,同时选取夏季高原低涡生成的关键区,利用相关性分析,合成分析等方法探讨了夏季高原地表感热、潜热通量与高原低涡生成频数之间的可能联系。结果表明,从时间变化特征来看,1986-2015年夏季高原低涡共出现915次,其中关键区内共出现697次,占总数的76. 18%,且其出现次数呈明显的下降趋势,在关键区内,30年间地表感热通量总体呈下降趋势,而潜热通量则呈较弱的上升趋势;从空间变化特征来看,低涡生成的关键地区恰好对应于地表感热通量平均值的较大值区以及地表潜热通量平均值的较小值区。当处于夏季高原低涡偏多年和偏少年时,关键区内地表能量的分布有明显差异:当关键区内地表感热通量偏强时,容易产生高原低涡;而当关键区内地表潜热通量偏强时,则不易产生高原低涡。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

5月青藏高原5套地表感热通量资料的对比分析

基于1979-2017年5月青藏高原地区149个站点观测资料计算的地表感热通量（OBCH）和4套再分析资料提供的地表感热通量,对比分析了青藏高原地表感热通量的时空变化特征。结果表明：5月各地表感热再分析资料在高原主体部分（3 000 m以上部分）的气候平均值均为正值,说明高原主体5月为同一热源,且均呈高原西部（90°E为界）感热通量偏大,东部偏小的特征。5月高原主体各套平均地表感热通量均呈减弱趋势,除ERA感热表现为增强外,其余3套再分析资料在高原西部均表现为减弱,减弱趋势显著;5套资料在高原东部均表现为减弱趋势,除OBCH资料外,均表现为显著减弱。EOF分析发现,除了ERA-Interim资料,其余4套资料在高原主体第一模态主要表现为一致性变化,第二模态空间分布呈明显差异。从各套资料与OBCH资料的时间相关来看,ERA-Interim资料与OBCH资料相关系数可达0.70,说明二者在5月具有较好的年际变化一致性特征,而NCEP2资料与OBCH资料相关系数仅为0.33,说明二者具有较大的年际变化差异。     

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。     

中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征

基于1979—2017年ERA再分析资料地表潜热和感热通量数据,采用经验正交函数(EOF)和功率谱方法对中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征进行分析。结果表明:(1)中国西南地区,春季感热通量比夏季大;而潜热通量则是夏季大、春季小。春夏季感热通量在2000年以后有明显减弱;而春夏季的潜热通量从2000年以后显著增强。(2)春季感热通量主要存在3种模态空间型,表现为东西反向、全区一致和"-+"偶极子分布;夏季感热通量主要存在2种模态空间型,表现为空间分布一致型。相应的时间系数表征了夏季感热通量显著的年代际变化特征。春季潜热通量存在3种模态空间型,主要表现为全区一致、东西反向和由中心向外递减分布;夏季潜热通量主要存在2种模态空间型,主要表现为全区一致型和由西北向东南呈梯形逐步增强的趋势。相应的时间系数表征了潜热通量显著的年际和年代际变化特征。(3)春夏季感热通量主要有3 a左右的年际变化和10 a以上的年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。春夏季潜热通量主要存在10 a以上的年代际变化特征。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

青藏高原不同地区湍流输送特征及其与气象因子的关系

利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据,对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析,并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明:（1）高原各站之间感热和潜热的差异性较大,但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区,降水极少,全年感热都远大于潜热,波文比年平均值可达到20.0;湿润的比如站和嘉黎站潜热在4～10月均显著大于感热,波文比在4～10月的数值范围在0.27～0.88。（2）高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系,高原中部的感热通量在3～5月达到最大值,而高原西部则在4～6月最大,可能与高原季风的活动有关。（3）通过与气象要素的相关分析表明,高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著,全年的相关系数可以达到0.905,在4个季节相关系数也均大于0.79,这可能与下垫面是裸地有关;高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著,比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显,而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。     

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。     

青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响

根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因.得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势.其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降.地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点.高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势.地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后.夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当.地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强.地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变.根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期.低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变.夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关.因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期.本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性.     

Interannual Variability of Late-spring Circulation and Diabatic Heating over the Tibetan Plateau Associated with Indian Ocean Forcing

The thermal forcing of the Tibetan Plateau(TP) during boreal spring,which involves surface sensible heating,latent heating released by convection and radiation flux heat,is critical for the seasonal and subseasonal variation of the East Asian summer monsoon.Distinct from the situation in March and April when the TP thermal forcing is modulated by the sea surface temperature anomaly(SSTA) in the North Atlantic,the present study shows that it is altered mainly by the SSTA in the Indian Ocean Basin Mode(IOBM) in May,according to in-situ observations over the TP and MERRA reanalysis data.In the positive phase of the IOBM,a local Hadley circulation is enhanced,with its ascending branch over the southwestern Indian Ocean and a descending one over the southeastern TP,leading to suppressed precipitation and weaker latent heat over the eastern TP.Meanwhile,stronger westerly flow and surface sensible heating emerges over much of the TP,along with slight variations in local net radiation flux due to cancellation between its components.The opposite trends occur in the negative phase of the IOBM.Moreover,the main associated physical processes can be validated by a series of sensitivity experiments based on an atmospheric general circulation model,FAMIL.Therefore,rather than influenced by the remote SSTAs of the northern Atlantic in the early spring,the thermal forcing of the TP is altered by the Indian Ocean SSTA in the late spring on an interannual timescale.     

高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

利用苏州地区2011年12月20日—2012年8月13日的湍流观测资料对不同季节、高温、台风强天气过程下的湍流特征进行分析。结果表明:城市地区不同季节动量通量、感热通量、潜热通量日变化明显,各通量的夏季平均值、最大值均高于冬春季,夏季感热通量日最大值为160.2 W·m^-2,感热在城市地表能量平衡中的作用大于潜热,各季节潜热通量平均值仅为感热通量的40%~45%。降水量和植被覆盖度影响地表能量平衡,尤其影响地表热量在感热和潜热之间的分配。在高温天气过程中,感热通量增加明显,其峰值约是夏季平均的1.93倍。由于水汽较少,潜热通量明显减少,约为夏季日平均值的60%。速度三分量谱中u谱与w谱在低频区存在两个峰值,说明在城市复杂下垫面里,湍流激发机制中存在低频过程的影响。在台风天气过程中,动量通量大且变化快,感热输送弱,潜热输送波动大。速度谱w基本不符合"-5/3"次律,惯性子区最小且向高频移动,这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。     

东亚夏季风边缘摆动区陆面能量时空分布规律及其与气候环境的关系

东亚夏季风边缘摆动区既是气候敏感区,也是生态脆弱区和农牧交错带,其特殊陆面能量空间分布格局和演变特征对理解该区域天气和气候变化有重要意义。然而受限于陆面观测资料缺乏,对这部分陆面特征的认识仍非常有限。通过对34 a陆面模拟集成产品的分析,发现夏季风边缘摆动区内潜热和感热通量在空间上表现出明显的过渡特征,由摆动区外的相对均衡状态进入到摆动区内的“突变转换”;陆面能量平衡具有明显的区域特征,能量平衡各分量在纬向和经向都表现出了“阶梯型”的变化。就演变而言,区域平均感热和潜热没有表现出规律性的递减或递增趋势,波动幅度在±20%以内,但在20世纪末存在一个较为明显的摆动相位转换:1997年之前夏季风边缘摆动区夏季风相对活跃,潜热通量总体高于其气候值而感热通量则低于其气候值,之后出现了相反的现象。此外,区内感热和潜热通量对气候环境干湿性质非常敏感,两者存在明显的线性关系。      

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。     

Using MODIS and AVHRR data to determine regional surface heating field and heat flux distributions over the heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau

In this study, a parameterization methodology based on Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR), Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), and in situ data is proposed and tested for deriving the regional surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux over a heterogeneous landscape. In this case study, this method is applied to the whole Tibetan Plateau (TP) area. Four sets of AVHRR data and four sets of MODIS data (collected on 17 January 2003, 14 April 2003, 23 July 2003, and 16 October 2003) were used in this study to make comparisons between winter, spring, summer, and autumn values. The satellite-derived results were also validated using the “ground truth” as measured in the stations of CAMP/Tibet (Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) and Asia–Australia Monsoon Project on the Tibetan Plateau). The results show that the surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux in the four seasons across the TP are in close accordance with its land surface status. These parameters range widely due to the strongly contrasting surface features found within the TP region. Also, the estimated surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux all agree with the ground truth data, and usually, the absolute percentage difference between the two sets of data is less than 10 % at the validation stations. The AVHRR results were also in agreement with the MODIS data, with the latter usually displaying a higher level of accuracy. We have thus concluded that the proposed method was successful in retrieving surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux values using AVHRR, MODIS, and in situ data over the heterogeneous land surface of the TP. Shortcomings and possible further improvements in the method are also discussed.