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《中国气象科学研究院》 2011年
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中国北方地区陆面过程特征和参数化及其与气候关系

曾剑  
【摘要】:我国北方干旱、半干旱区占我国陆地面积的40%左右,以往的工作者对该区的陆面过程作了许多?的研究,但对于陆面过程的气候区域特征和陆面过程对气候的相关特征的研究还很少,对不同天气和不同下垫面陆面过程的特征差异也缺乏总结。为此,本文利用“中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究”提供的资料(观测时段为2008年7月‐9月),按气候类型和地理位置将我国北方干旱‐半干旱地区划分为西北干旱区、黄土高原区和东北冷(凉)区三个区域,综合分析了北方干旱‐半干旱地区陆面过程的气候区差异特征、不同天气的差异特征、不同下垫面的差异特征,总结了陆面过程对不同干燥程度气候的相关特征,而且对陆面过程参数化进行了初步的分析,希望为干旱‐半干旱区陆面过程区域尺度的参数化工作提供一些有意义的参考。主要的结论如下:? (1)陆面过程的空间特征? ?受夏季风的影响,总辐射和反射辐射从东南向西北两者逐渐增大;北方东、西部的向下和向上长波辐射随着纬度增加变化不一致,这可能的原因是东西部控制长波辐射的因子不同;净辐射在黄土高原区出现了极小值中心而在西北干旱区和东北冷区为极大值中心,各区的净辐射自南向北递减。反照率表现出随着纬度的升高而增大的趋势。感热和潜热通量随着纬度的增加而表现出相反的趋势,土壤热通量在各区也出现极值中心。波文比沿着纬度递增,表现出区域气候特征。? (2)陆面过程的气候区差异特征? ?陆面过程的辐射和能量过程都表现出明显的区域特征,这与不同区域大气和土壤中可利用水分差异有关。除了总辐射受纬度的影响较大外,其他辐射过程分支以及能量过程对气候背景和相应的下垫面特征比较敏感。如反射辐射在东北冷区最小而在西北干旱区最大;向下长波辐射在东北冷区最明显而在黄土高原区最弱,地表长波辐射在西北干旱区最强而在黄土高原区最弱。地表能量过程的区域差异更加明显:西北干旱区可利用能量大部分用于加热大气;黄土高原区可利用能量中用于加热大气的能量占30%,蒸发水分的消耗能量约50%;东北冷区接近一半的能量用于蒸发,另一半大部分左右消耗于加热大气。黄土高原区和东北冷区同属半干旱区,能量分配有一定的相似性,但差异还是存在的,而这依然是地表可利用水分差异造成的。? (3)不同天气下陆面过程的差异特征? ?晴天状态下的陆面过程特征与非晴天的特征有明显的差异,而阴天和降水天的差异不太明显。晴天状态下的陆面过程日变化特征明显;阴天的陆面过程随时间呈波动式的日变化;降水天的陆面过程日变化相对阴天稳定,但不如晴天的明显。另外,不同天气下的陆面过程差异还表现出区域特征。? (4)不同下垫面陆面过程的差异特征? 不同下垫面的总辐射和向下长波辐射差异不太明显,地表长波辐射表现出类似于地表的温度特征,但受冠层的影响较大。地表短波反射辐射和地表反照率与下垫面的光学和水热性质相关,高寒森林的反射能力最弱,其次为农田、草地,荒漠裸地的反射特性最强。荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。感热所占比例最高的是荒漠沙地,其次为草地、农田,最小为高寒森林;潜热所占的比例大小在各下垫面中排列顺序和感热的相反;同类下垫面的感热和潜热相对比例随着可利用水分的不同而变化,并且表现出区域气候特征。地表能量闭合率荒漠沙地最高,其次草地、农田,高寒森林闭合率最低。闭合率与潜热通量的测量误差和下垫面的非均匀程度有关。 (5)陆面过程对气候的相关特征 陆面过程受气候的影响很大,除了总辐射、向下长波辐射、反照率和土壤热通量对干湿指数的相关强度较低外,其他辐射过程和能量过程变量以及土壤和大气的水热特性变量对气候的相关强度都通过显著性检验。 (6)陆面过程的参数化在各种下垫面中,草地下垫面的动力学粗糙度最小,其次为 农田下垫面,而果园和森林下垫面的动力粗糙度最高。植被高度较小的下垫面的粗糙度随风速的变化不敏感,而植被较高的下垫面的粗糙度随着风速的增大而减小。不同下垫面的热力和潜热粗糙度基本处于10‐3的量级,低于模式参考值,这可能会导致模式中感热和潜热的模拟偏差。荒漠沙地和草地下垫面的动力输送系数CD量值相当,且都小于其他的下垫面;农田下垫面的CD在稳定和不稳定条件下都处在1×10~(‐2)~3 10~(‐2)之间;高寒森林的CD最高,约5×10~(‐2)。各种下垫面的热量输送系数CH在1×10‐3~2 10~(‐2)之间。在不稳定大气的条件下,CD和CH随着风速的增大而减小,而在稳定条件下,CD和CH随着风速的增大而增大,并且随着的风速的增大,C_D和C_H趋向中性大气条件下的量值。本文尝试对反照率进行了区域尺度上的参数化分析,主要的思想是把反照率分为两部分,其中一部分是由于区域(长期)因子影响的反照率,另一部分是日变化因子影响的反照率。草地和森林下垫面的热传导率基本小于1,热扩散率在10~(‐7)量级内变化。不同的农田下垫面的热传导率在0.5~2之间变化,扩散率基本上处于10~(‐6)量级内;而东北果园的热传导率达3.2,扩散率约10~(‐6)。
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P461

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