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中国黄土高原地区陆面过程时空变化特征的观测与模拟研究

黄菁  
【摘要】:黄土高原的陆面过程对我国生态环境格局的形成以及东亚地区气候和大气环流的影响有十分重要的作用,在全球具有一定的独特性。以往的工作者对该地区的陆面过程做过一些初步的分析,但对于这一地区陆面过特征的认识还十分有限。为此,一方面,本文利用“黄土高原陆面过程观测试验(LOPEX)”区内的定西陆面过程综合试验观测站(DOLSP)的平行对比观测资料(观测时间2009年)分析了LOPEX试验的仪器精度和观测误差;然后,进一步利用LOPEX试验区内的榆中半干旱气候与环境观测站(SACOL)的历史观测资料(观测时间段2007年1月~2010年12月),分析了陆面水分过程的特征以及气候条件对其的影响。观测试验为陆面过程的研究提供了可靠的资料,但往往其在时长和时间连续性上不能满足需求,所以陆面模式在陆面过程的研究中发挥了无法替代的作用。另一方面,本文对CLM、Mosaic、Noah和CABLE在半干旱区SACOL站进行了模拟检验与对比;然后,选择CLM模拟分析了黄土高原地区陆面过程的长期变化和空间分布的特征。主要的结论如下: (1)观测试验的仪器精度和误差分析在大多数情况下,A301P型风杯风速计和HMP45D型温湿传感器对风温湿的观测偏差分别不超过±0.10m/s、±0.16oC和±1.00%;107型和109型温度传感器对土壤温度的观测偏差分别不超过±0.1oC和±0.03oC;HFP01型热通量板对土壤热通量的观测偏差不超过±11W/m2;涡动协方差系统(CAST3+Li7500)观测计算得到的感热、潜热和动量通量的偏差分别不超过±8W/m2、±8W/m2、±0.02kg/(ms2)。试验对于大气风速、温度、相对湿度、土壤湿度和温度、地表辐射以及地表通量这些要素的观测,相同型号仪器之间的数据都很一致;并且,不同型号仪器进行对比观测风速、土壤温度、净辐射、向下长短波辐射和土壤热通量,得到的结果也较一致;基本能够满足陆面过程观测的要求。 (2)陆面水分特征气候偏干年陆面蒸散量与降水的年变化趋势非常一致,蒸散量对降水的变化最敏感,两者呈现强正相关;而气候偏湿年只在干季陆面蒸散量与降水的年变化趋势比较一致,两者呈现弱正相关。陆面蒸散与气温都呈正相关,且相关性都较大,即气温高时,蒸散大,气温低时,蒸散小。但降水和气温对蒸散的综合影响远远大于降水或气温对蒸散的的单独影响。2007年陆面水分不平衡问题十分突出,全年不平衡度高达24.8%左右,而2008~2010年水分不平衡问题相对不明显,可能原因是降水未迅速蒸发而下渗转化为了土壤湿度。至于土壤湿度,在降水比较少的干季,上层土壤湿度持续比较低;夏季开始降水增多,土壤湿度也迅速增加,并且整个雨季土壤湿度都较高,一直到秋末土壤湿度开始逐渐减小;而深层土壤湿度的年变化趋势相对比较平坦;夏半年的土壤湿度更多地受降水影响,而与温度的关系不大;而冬半年土壤湿度的变化相对夏半年复杂,降水和温度的共同作用对土壤湿度的影响比单独降水或温度的影响更大。 (3)模拟资料检验分析两类模式都可以较好地模拟出该地区陆气间能量通量的年变化和季节变化。但模式间还是有差异的,一方面由于模式本身对物理过程处理的差异以及土壤分层的不同,不同模式在该地区的模拟性能有较大的差异;另一方面,驱动模式的强迫资料不同也造成了模式模拟的差异。对比CLM、Mosaic和Noah三个模式对该地区陆面过程的模拟性能可知:除了对反射短波辐射的模拟,CLM次于Noah;对于地表温度、出射长波辐射、净辐射以及感热和潜热通量的模拟,CLM表现最好。CABLE与上述三个模式的驱动资料不同,对比两类模式的模拟结果可知:对于地表温度、出射长波辐射、反射短波辐射、净辐射和潜热通量的模拟,CABLE的模拟值比前三个模式模拟值更接近观测值;考虑到CABLE和CLM对以上几个物理量的处理方法相似,初步推测造成两者差异的很大一部分原因是驱动资料不同。而CABLE对冬季感热的模拟的有问题,可能是其对冬季土壤冻结过程的描述不够准确造成的。 (4)陆面过程特征的模拟分析在地表通量的年际变化方面,该地区感热通量的气候平均值几乎是潜热通量的2倍,感热通量在地表热量平衡中起主导作用;春季和夏季感热通量的年际变化比较相似,从20世纪80年代开始,感热通量一直较小;90年代末开始,感热通量有增强的趋势;秋季感热通量没有明显的规律;冬季感热通量在80年初期比较大,80年代中期开始持续减弱。在地表通量的空间变化方面,潜热通量呈现从东南到西北随纬度增加而减少,而感热通量呈现从西南到东北随纬度增加而增大;另外,潜热通量在105.5°E以东随经度的增加而有增加的趋势,感热通量在108.5°E以东随经度的增加而有减小的趋势。在地表通量与降水的关系方面,两者的空间分布相关比年际变化相关更一致。


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