半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

利用光谱资料估算土壤热通量与净辐射的比值

由于缺乏庞大的水文测量系统,难于得到地表能量平衡各分量的准确空间平均值.本文旨在建立一种利用遥感方法估测不同作物冠层状况下地表能量平衡分量之一的土壤热通量的方法,以用于区域地表能量平衡研究.在亚利桑那州靠近菲尼克斯城的Maricopa农业中心,连续几天测定了裸地、苜蓿地及棉田的净辐射(Rn)和土壤热通量(G),并利用多波段辐射仪测得地面反射率.结果表明:中午土壤热通量和净辐射的比(G/Rn)与简单比及标准化差植被指数呈线性相关.棉田的G/Rn估算值实际上与不同太阳天顶角和方位角得到的光谱资料所引起的植被指数变化没什么关系,因此多波段光谱资料可为区域能量平衡研究提供一种能准确计算土壤热通量区域平均值的方法.     

HEIFE非均匀陆面上区域能量平衡研究

卫星遥感在研究非均匀陆面上地－气间能量和水循环过程时有其独到的作用。本文介绍了一种利用陆地资源卫星ＴＭ资料进行非均匀陆面上区域能量平衡研究的参数化方案。以两个景的ＴＭ资料（１９９１年７月９日,夏季;１９９１年１０月２９日,近冬季）为个例,结合“黑河实验”（ＨＥＩＦＥ）期间的地面观测资料分析研究了实验区非均匀陆面上地表特征参数（地表反射率、标准化差值植被指数和地表温度）及能量平衡各分量（地表净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）的区域分布及季节差异,同时将所得的结果与地面观测的“真值”作了比较。结果表明：（１）由于黑河实验区下垫面状况十分复杂,戈壁、沙漠与绿洲交错分布,故在整个实验区内各地表特征参数及能量平衡各分量的分布范围亦比较宽;（２）地表特征参数及能量平衡各分量在实验区的绿洲、戈壁及沙漠上各有其特定的代表值;（３）地表能量平衡各分量的区域平均值在整个实验区内基本平衡;（４）夏季与近冬季的地表特征参数及能量平衡各分量的分布特征存在着显著差异。所得的这些结果与地面观测的“真值”和局地研究的结论基本一致。这些分析对非均匀下垫面中尺度模式陆面过程参数化方案的建立以及模式预报效果的检验都具有不可缺少的重要意义。     

黑河下游鼎新戈壁近地层能量输送及微气象特征

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2005年5月16~21日的加强期观测资料,计算并分析了鼎新戈壁下垫面地表辐射平衡、地表能量平衡、地表空气动力学粗糙度、地表反射率以及动量、热量总体输送系数等物理量的变化特征,得到了鼎新戈壁下垫面近地层能量输送及微气象特征:(1)在5月份晴天天气下,太阳辐射各分量表现出了标准的地表辐射平衡的日循环形态,总辐射峰值可达1000 W.m-2以上;净辐射峰值达到526 W.m-2。(2)能量平衡各项都具有明显的日变化规律;白天感热通量最大值可达到400 W.m-2,潜热通量比感热通量小两个量级,地热流量峰值可达100 W.m-2以上;在下午和夜间存在负的水汽输送现象。(3)在中性条件下:z0=1.44×10-3m,CDN=2.1×10-3,CHN=1.8×10-3。(4)5月份地表反射率为0.217,反射率日分布大致呈"U"型。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站——塔中站2014年30 min步长实测数据,系统分析塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征及小气候特征。结果表明:塔中地区辐射平衡和能量平衡各分量均表现为春、夏季较大,秋、冬季较小,并具有明显的日变化特征,峰值出现在12:00(地方时,下同)左右。该地区地表能量通量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)中,净辐射、感热通量和土壤热通量均在08:00开始上升,至14:00左右达到峰值,而潜热通量变化很小。感热通量为能量的主要消耗形式,春、夏、秋、冬四季分别占净辐射的百分比为44. 6%、68. 1%、55. 2%和55. 3%,其次为土壤热通量,仅有很少能量用于水的相变。云和沙尘对能量通量各分量有明显削弱作用。近地层空气温度白天随高度的增加降低,夜晚则随高度的增加升高,空气相对湿度也呈明显变化规律。近地层水平风速随高度增加明显增大,风向以东北风为主。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

青藏高原东南部云状况与地表能量收支结构

采用不同区域边界层综合观测系统,从地表能量收支平衡的视角,探讨青藏高原与四川盆地能量平衡各分量结构特征,进一步认识云状况对能量平衡分量的影响问题。研究表明,青藏高原东南部大理、林芝、温江各站地表通量感热、潜热与有效能源两项相关特征明显,即存在能量闭合基本特征,但能量收支仍存在不闭合离散现象,尤其随着近地层地表通量与有效能源的增大,其非闭合特征更加明显。青藏高原东南部(大理、林芝)春、夏季低云量与感热呈显著负相关,潜热则呈不确定特征。对于春季低云量与感热相关性,高原东南部(大理、林芝)远比四川盆地(温江)相关更为显著,高原区域低云量对上述近地层"能量收支"起"冷却"作用,且低云量与向下长波辐射呈显著的正相关,此研究结果描述了低云量对陆面辐射强迫的"加热"反馈效应,即高原区域低云量状况亦可用边界层通量塔向下长波辐射量来间接表征。观测分析结果亦表明平原该站低云量对向下长波辐射影响远不如高原区域。研究结果表明,青藏高原区域与低云量有关的向下长波辐射高值区可能是出现近太阳常数现象的重要因素之一。     

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。     

上海秋冬季地表能量平衡及CO2通量特征分析

利用2012年11月11日至2013年1月20日上海秋冬季涡动相关通量观测资料,对比分析地表能量平衡和CO₂通量在不同天气条件下的日变化特征。结果表明：2012-2013年上海晴天和多云天气条件下,最大能量通量为储热项,其次为感热项;用于蒸发的潜热通量项最小,低于50 w·m^-2。储热项日峰值出现在11时,出现时间早于净辐射通量,而在日落前转为负值。感热项日变化曲线并不以12时为中心呈对称分布,日落后感热项仍为明显正值。中午至日落时波文比值为3以上。感热通量受风向影响最大,在主导风向为西北风时,感热通量日峰值从其他风向的175 w·m^-2左右减小至120 w·m^-2左右。霾和云对短波辐射均表现为衰减作用,云的衰减作用明显大于霾。云使地表向上长波辐射和净长波辐射明显减少,而使大气逆辐射增加。晴天条件下,全天表现为CO₂排放源,且日变化呈双峰型,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上峰值。     

A Case Study of the Impacts of Dust Aerosols on Surface Atmospheric Variables and Energy Budgets in a Semi-Arid Region of China

The authors present a case study investigating the impacts of dust aerosols on surface atmospheric variables and energy budgets in a semi-arid region of China. Enhanced observational meteorological data, radiative fluxes, near-surface heat fluxes, and concentrations of dust aerosols were collected from Tongyu station, one of the reference sites of the International Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project (CEOP), during a typical dust storm event in June 2006. A comprehensive analysis of these data show that in this semi-arid area, higher wind velocities and a continuously reduced air pressure were identified during the dust storm period. Dust storm events are usually associated with low relative humidity weather conditions, which result in low latent heat flux values. Dust aerosols suspended in the air decrease the net radiation, mainly by reducing the direct solar radiation reaching the land surface. This reduction in net radiation results in a decrease in soil temperatures at a depth of 2 cm. The combination of increased air temperature and decreased soil temperature strengthens the energy exchange of the atmosphere-earth system, increasing the surface sensible heat flux. After the dust storm event, the atmosphere was dominated by higher pressures and was relatively wet and cold. Net radiation and latent heat flux show an evident increase, while the surface sensible heat flux shows a clear decrease.     

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...     

Simulation of the Bare Soil Surface Energy Balance at the Tongyu Reference Site in Semiarid Area of North China

The performance of a 1-D soil model in a semiarid area of North China was investigated using observational data from a cropland station at the Tongyu reference site of the Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) during the non-growing period, when the ground surface was covered with bare soil. Comparisons between simulated and observed soil surface energy balance components as well as soil temperatures and water contents were conducted to validate the soil model. Results show that the soil model could produce good simulations of soil surface temperature, net radiation flux and sensible heat flux against observed values with the RMSE of 1.54oC, 7.71 W m-2 and 27.79 W m-2, respectively. The simulated volumetric soil water content is close to the observed values at various depths with the maximal difference between them being 0.03. Simulated latent heat and ground heat fluxes have relatively lower errors in relative to net radiation and sensible heat flux. In conclusion, the soil model has good capacity to simulate the bare soil surface energy balance at the Tongyu cropland station and needs to be further tested in longer period and at more sites in semiarid areas.     

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。     

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明:新型的超声风温仪虽然带有雨滴防护沙网, 但雨滴对超声观测的误差影响显著, 尤其是对u, w方向。雨天情况下与z/L相关系数很低, 湍流强度与稳定度不存在1/3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近, 感热、潜热通量相关系数分别达到0.8699和0.8633, 两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻, 即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值, 其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Q_h+Q_e普遍偏小, 与可用能量R_n-Q_g多数情况下存在能量不平衡, 说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征, 但夏季的潜热大于感热, 而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程, 尔后上升到12月份浓度最高, 总体浓度值在350×10-6~400×10-6之间变化。     

内蒙古奈曼流动沙丘下垫面湍流输送特征初步研究

分析了2000年7月21日～8月10日在内蒙古奈曼流动沙丘下垫面取得的近地面层湍流及辐射观测资料,讨论了无量纲湍流方差与稳定度参数z/L的关系,发现无量纲速度分量方差及无量纲温度、湿度脉动方差在不稳定层结下,均满足莫宁-奥布霍夫相似理论;同时还讨论近地面层能量的收支.发现流动沙丘下垫面感热通量与地表热通量最大值分别为170 W m-2及100 W m-2;潜热通量通常小于50 W m-2;流动沙丘净辐射最大值为400 W m-2左右.(Hs+Hl),与(Rn-G)的比值在晴天白天平均值为0.78左右,流动沙丘下垫面近地面层能量不平衡现象存在,其原因有待进一步研究.     

敦煌绿洲-戈壁过渡带地表辐射与能量特征分析

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验"2002年在敦煌加强期的资料, 分析了敦煌绿洲-戈壁过渡带的地表辐射和能量特征.研究表明 白天, 绿洲-戈壁过渡带的地表温度和近地层大气温度很高, 和戈壁的地表温度接近;在多数晴天夜晚, 绿洲-戈壁过渡带的地表温度和近地层大气温度要低于戈壁的值.总辐射, 反射辐射和地表长波辐射的值都很接近荒漠戈壁的值, 日积分通量分别为24.48, 6.1, 41.42 MJ*m+-2*d.绿洲-戈壁过渡带的感热、潜热和地表热通量的日积分值分别为6.58, 1.60和0.38 MJ*m+-2*d.同时, 在绿洲-戈壁过渡带有较强的水平湍流输送.     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。