黄土高原地表能量平衡分量年际变化及其对气候波动的响应

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料,分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景,讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化,研究了波文比、能量闭合度的年际波动,探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈.结果显示,地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应,但敏感性各有不同,净辐射与气温相关性最强,感热潜热与降水相关性较好.分为冬夏半年讨论后得出,冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好.冬半年中,各分量又与气温有着较高的相关,可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感.波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应,说明干旱程度的加深.能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.     

我国北方不同类型下垫面地表反照率特征

地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着非常重要的作用,本文利用"中国北方协同观测"的资料,分析了不同下垫面10个站点7-9月的反照率变化特征和对降水的响应,并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和锦州站地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系,结果表明:反照率的相对关系是东北干旱草甸西北高寒草甸西北绿洲农田黄土高原自然植被东北半干旱草甸东北农田东北果林,并且反照率基本上和降水对应,降水量大的站点反照率小,降水量小的站点反照率大,反照率的日变化曲线分为早晚对称型,早上比较大、中午下午比较小和晚上最大、早上最小的不对称型三种,选取的6个观测站反照率的谷值一般出现在降水日,峰值一般出现在没有降水、太阳辐射比较强的日子,地表反照率随着太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率基本不变,榆中和通榆农田地表反照率随着土壤湿度增大减小较明显,其次是通榆草地,玛曲、密云和锦州地表反照率随着土壤湿度变化不明显。     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

基于机载平台测量地表反照率的方法

地表反照率是研究陆地辐射收支情况、区域及全球气候、地貌等信息的先决条件,对其进行精确测量是开展相关研究的前提和保证。由于大气层吸收的影响,地表反照率不能进行直接测量。因此,采用测量垂直向下与向上散射光的方法,结合SCIATRAN辐射传输模型获得地表反照率。基于此方法,在机载平台上进行观测实验,获取机载平台上垂直向上和向下的辐亮度值,采用迭代反演方法获得石家庄到保定地区紫外波段350~395nm的地表反照率,并对不同下垫面、不同波段反照率进行比较,对城区中心到边缘过渡变化进行详细分析。结果表明,紫外波段350~395nm地表反照率随波长增大而缓慢升高,结果与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据可达到良好的一致性。不同观测区域结果对比显示,城区地表反照率大于农田,且城区中心比边缘地表反照率大0.014左右,其差异也随波长增大而升高。     

黄土高原地表能量不闭合度与垂直感热平流的关系

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题.本文利用在陇中黄土高原观测的陆面过程资料,分析了气候地表能量不闭合度和短期地表能量不闭合度的分布特征,研究了地表能量不闭合度与垂直速度之间的关系,发现地表能量不闭合与垂直速度具有很好的相关性.并且,估算了近地层垂直感热平流通量,分析了考虑垂直感热平流后的地表能量平衡的特征,发现引入垂直感热平流输送对地表能量不闭合度有明显的改进. 关键词： 黄土高原 非均匀性 垂直感热平流 能量不闭合度     

积雪与气溶胶粒子混合的光谱反照率模拟研究

积雪中的黑碳气溶胶粒子会导致积雪光谱反射率显著下降,进而引起的气候辐射变化会推迟或提前积雪融化时间,严重影响了干旱区地表径流特征、区域水循环过程,由此引起的干旱区生态水文问题也越来越受到关注。2018年1月在新疆北疆地区开展积雪中气溶胶粒子观测实验,借助ASD地物光谱仪、Snow Folk积雪特性仪与HR-1024外场分光辐射度计等仪器获取原始积雪光谱数据与其他积雪参数,应用Snow,Ice,and Aerosol Radiation model(SNICAR)模型模拟了不同雪粒径下、不同太阳天顶角、不同Black Carbon(BC)浓度下的积雪光谱反照率变化状况,讨论了BC、雪粒径在不同光谱范围内敏感性,结果表明:太阳天顶角对雪面光谱反照率的影响在近红外波段比其他波段表现得更明显,在积雪光谱曲线中太阳天顶角从0°变化到80°,可见光波段600 nm处光谱反照率升高了0.045,近红外波段1000,1200和1300 nm处光谱反照率分别升高了0.16,0.225和0.249;在天顶角为60°时,雪粒径从100μm增大到800μm,对应的光谱反照率减少量最大可达到0.15,且100~300μm范围内的雪粒径比400~800μm范围内的引起光谱反照率的下降量明显增大,雪粒径的增大能使吸光性颗粒物的光吸收效应增强;随着BC浓度的增加,积雪反照率会显著下降,且不同浓度的BC对积雪的反照率的差值不同,随着BC浓度的增加,反照率的差值量越来越小。不同的BC浓度在近红外波段对光谱反照率影响较小,影响较大的范围主要集中可见光波段,在光谱800和1100 nm处,5μg·g-1的BC浓度使光谱反照率减小了0.13和0.04,5μg·g-1的BC可使350与550 nm处的光谱反照率减小0.25与0.23;比较不同粒径下,BC浓度对积雪光谱宽波段反照率的减少情况可发现,在BC存在的情况下,雪粒径的增加会增大BC的光吸收效应,且浓度越高,吸收增加的越多;从光谱指数角度表明BC在可见光波段350~740 nm比较敏感,相关系数较高;雪粒径在近红外波段1100~1500 nm比较敏感,尤其在1000与1300 nm左右,BC与雪粒径在积雪光谱曲线中的敏感波段相关性都较高,R 2高达0.9以上;最后将模型模拟的积雪反照率与实测数据进行验证对比,R 2为0.738,模拟效果较好,可为干旱区积雪光谱反照率的研究奠定数据基础。     

局地零平面位移对非均匀地表有效空气动力学参数的影响

利用最新提出的非均匀地表有效空气动力学参数联合计算方案, 研究了三种非均匀地表情况下局地零平面位移对有效粗糙度和有效零 平面位移影响的统计特征.结果表明, 局地零平面位移对有效粗糙度有增幅作用, 随着局地零平面位移的增加, 有效粗糙度也相应增大, 但局地零平面位移对有效粗糙度的增幅作用随地表粗糙变率增加而略有减小; 有效零平面位移随局地零平面位移的增加而增加, 但总小于线性加权平均值, 且随着地表粗糙变率的增大, 有效零平面位移却有所减小. 关键词： 非均匀地表 局地零平面位移 有效粗糙度 有效零平面位移     

干旱区不同下垫面能量分配机理及对微气候反馈的研究

本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.     

地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响

在卫星短波红外遥感二氧化碳的过程中, 表征地表特征的地表反照率是影响探测精度的重要参数之一. 针对温室气体二氧化碳高精度探测的需求, 本文研究了地表反照率对正演模拟光谱和反演近地面二氧化碳平均柱浓度XCO₂的影响. 模拟计算结果显示, 地表反照率数值增大时, 观察的光谱强度也相应增大, 并且在O₂-A波段造成的光谱差异比1.6 μm波段高出一个数量级, 即地表反照率在O₂-A波段的影响比较大. 选取了两个不同地表类型的实际观测光谱, 仅改变O₂-A波段和1.6 μm波段地表反照率数值, 得出草地点在O₂-A波段地表反照率达到0.25的误差时, 会给XCO₂的反演结果造成大于1%的相对误差, 而1.6 μm波段的地表反照率变化对XCO₂的反演结果造成的误差可以忽略不计, 说明了地表反照率在反演XCO₂过程中的重要性主要来自对O₂-A波段的影响. 此研究表明了地表反照率在卫星遥感温室气体过程中的重要性, 为提高遥感探测二氧化碳的精度提供了重要的理论依据和指导.     

空气热储存、光合作用和土壤垂直水分运动对黄土高原地表能量平衡的影响

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题. 本文利用黄土高原陆面过程试验(LOPEX)资料, 在将垂直感热平流项引入地表能量平衡方程的基础上, 估算了空气热储存和光合作用储存的大小, 并分别用水分守恒关系和两层土壤温度方法计算了浅层土壤水分垂直通量, 考察了空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对地表能量平衡的影响.结果表明: 黄土高原区自然植被下垫面的空气热储存、光合作用储存和土壤水分垂直运动热量输送平均日变化峰值分别达到1.5, 2.0和7.9 W·m^-2; 在能量平衡方程中引入这三项后, 地表能量闭合度由88.1%提高到89.6%. 空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对于改善黄土高原地表能量不平衡状况有一定作用, 研究区域的半干旱气候背景和植被状况是导致各热储存量与其他试验区存在差异的根本原因.     

Evaporation and heat exchanges between the sea and the atmosphere in the Gulf of Trieste during 1988

Summary Daily mean values of meteo-oceanographic parameters are used to compute evaporation and heat fluxes between the sea and the atmosphere in the Gulf of Trieste during 1988. Incoming solar radiation, long-wave radiation, latent and sensible heat fluxes are considered in the total heat budget. The contribution of the single parameters entering each formula is examined and a comparison between the results from different evaporative formulae is performed. The total heat budget for the year considered gives a net loss of energy of 21 W/m² which must be supplied by the heat transported by marine currents. The balance is positive for the sea surface from April to July, negative for the remaining period. Long-wave radiation accounts for the 45% of the total heat loss, latent heat for 53% and sensible heat for 2%. Computed annual mean evaporation is 1058 mm, with high peaks of more than 15 mm/day during strong Bora wind events. Evaporation slightly prevails on precipitation giving a net water loss of 30 cm. A comparison with what is found in the literature shows these results representative of the entire North Adriatic Sea. They confirm that this basin represents a sink of heat whose role in the general Mediterranean circulation consists in trasforming surface warmer waters coming from South in denser ones.     

季风与极涡的异常配置下中国夏季大尺度旱涝分布

从冷暖系统配置的角度,选取东亚夏季风(EASM)和7月亚洲区极涡面积(APVA),分析了二者的气候特征与中国夏季降水分布之间的关系.在此基础上,将1951—2010年EASM和APVA的异常配置分为四种类型:A:季风强、极涡大;B:季风强、极涡小;C:季风弱、极涡大;D:季风弱、极涡小.研究发现,二者的异常配置下,中国夏季大尺度旱涝分布在季尺度上表现出多面性特征:A型年,夏季整体偏旱;B型年,夏季南涝北旱;C型年,夏季北涝南旱;D型年,夏季整体偏涝.由此可见,中国夏季旱涝总体分布除了与EASM有关外还与APVA密切相关,二者异常的不同配置下,夏季降水多寡和旱涝分布表现出了显著的差异和规律性,这对夏季降水总体趋势预测有一定的指示意义.此外,通过研究不同配置关系对应大气环流异常特征,并分析不同要素在夏季风和极涡关系变化中的作用,发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置,其中西太副高和中高纬阻塞形势起主导作用.     

黄土高原半干旱区地表能量不闭合及其对二氧化碳通量的影响

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University, SACOL) 2008年资料分析了SACOL代表的黄土高原半干旱区稀疏草地下垫面上的能量平衡闭合情况. 不同季节, 白天总体能量平衡比率在0.80左右. 夜间只有0.20左右. 选取不存在局地环流的资料, 考虑土壤热存储和垂直感热平流后, 白天能量平衡比率在85%以上, 春夏秋三季夜间也达到70%, 但冬季夜间能量闭合度仅为29.4%. 白天, 涡动相关系统对湍流热量通量观测的偏差存在季节差异, 冬季低估最多, 秋季次之, 春夏季观测相对较理想; 夜间, 涡动相关系统对湍流热通量严重低估. 湍流热量通量的低估通过空气密度效应修正传递对CO₂通量产生影响, 造成长期净碳交换的不确定性. WPL修正引入的湍流热量误差导致涡动相关系统错误地高估下垫面吸收存储CO₂能力, 全年NEE估计偏高41.2%. 关键词： 黄土高原 涡动相关 能量闭合 密度效应修正     

Environmental magnetism and climate change

A major and pressing problem is to understand how, and how fast, the Earth's climate has changed in the past, with and without human influences on the global carbon cycle. Magnetic, remanence-acquiring, minerals, mostly iron oxides and sulphides, occur ubiquitously in sediments. They can act as sensitive recorders of past climates, because as climate has varied (from glacial to interglacial, for example), the mineralogy, magnetic domain state, composition and source of these minerals has varied. Here, the magnetic properties of windblown dust and interbedded soil layers of the Chinese Loess Plateau are used to calculate rainfall for the last million years, identifying the waxing and waning of the Southeast Asian summer monsoon. Comparison of our magnetic rainfall record on land with environmental records from the deep-sea shows that summer monsoon intensity is linked with growth and decay of continental-sized ice sheets, in turn reflecting changes in the Earth's orbit around the Sun.