我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征
周 甘 霖１，李 耀 辉１，孙 旭 映１，张 铁 军１，赵 采 玲１，２
（１．中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干ຫໍສະໝຸດ Baidu气候变化与减灾重点实验室， 中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，西北区域数值预报中心，甘肃 兰州 ７３００２０； ２．中国科学院西北生态环境资源研究院，中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃 兰州 ７３００００）
摘 要：利用“中国干旱气象科 学 研 究 计 划———我 国 北 方 干 旱 致 灾 过 程 及 机 理 ”的 观 测 数 据，分 析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站 ２０１５年 ８—１０月及定西站 ２０１６年 ８—１０月地表能量通量变 化特征。分析发现，不同下垫面辐射均表现出明显 的 日 变 化，相 对 于 向 下 短 波 辐 射 和 向 下 长 波 辐 射 ，不 同 下 垫 面 反 射 辐 射 和 向 上 长 波 辐 射 差 异 更 加 明 显 。 塔 中 站 反 射 辐 射 和 向 上 长 波 辐 射 最 大 ，锦 州 站 和 平 凉 站 相 对 较 小 。 净 辐 射 具 有 明 显 的 日 变 化 特 征 ，和 总 辐 射 相 位 一 致 ，农 田 净 辐 射 日峰值相对较大。地表反照率 ３个月平均从大到小依次为塔中站（０．２７）、定西站（０．１９）、锦州站 （０．１６）、奈曼站（０．１５）和平凉站（０．１４）。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型，其中，奈曼站感热 通量峰值最大（２７６Ｗ·ｍ－２），平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量 为主，平凉站则以潜热通量为主。 关键词：能量通量；地表反照率；下垫面；中国北方 文章编号：１００６－７６３９（２０１９）０４－０５７７－０９ ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１９）－０４－０５７７ 中图分类号：Ｐ４２６ 文献标志码：Ａ
不同的下垫面及不同植被覆盖状况对地表能量 分配过程有非常重要的调节作用［１７］。近年来，国内 外学者对不同下垫面能量和辐射平衡做了大量相关 研究，结果表明不同下垫面能量和辐射特征表现出 显著差异 ［１８－２８］。沙 漠 地 区 地 表 辐 射 各 季 节 潜 热 通 量占净辐射比例较小，白天主要以感热通量为主；地 表反照率相对较高且较为稳定，具有冬季高、夏季低
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干 旱 气 象
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的季节波动性［２９－３０］。荒漠区能量闭合率较高，感热 通量所占比例较大，净辐射较小［２］。与荒漠区不同 的是，在黄土高原，相对于短波辐射，其长波辐射与 气候要素的相关性更高［３１］。在半干旱区，草地和农 田辐射也表现出显著差异。退化草地与农田辐射和 能量平衡对比表明其辐射、能量平衡具有很强的日 变化和季节变化，但辐射平衡各分量年际变化不大， 其差异受当年的气候背景影响较大，且主要受降水 影响 ［３２］。草原、农 田 潜 热 通 量 几 乎 始 终 为 正，年 平 均最 大 波 恩 比 为 １．０～２．５，比 干 旱 区 小 １个 量 级［３３］。相对于干旱区其他下垫面，荒漠区湿地潜热 通量在能量支出中所占比例较高，波文比也小于干 旱区平均值 ［３４］。 通 过 再 分 析 资 对 东 亚 典 型 极 端 干 旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区 ４个区域夏季 感热通量的变化趋势及年代际变化特征分析表明， 不同气象要素（净辐射、降水和风速）对感热通量的 贡献在不同区域有所差异［３５］。
从 ２０世纪 ８０年 代 起，国 内 外 陆 续 开 展 了 陆 气过程实验研究 ［３－４］，如第一 次 国 际 卫 星 陆 面 过 程气 候 计 划 野 外 试 验 （ＦＩＦＥ）［５］、北 半 球 气 候 变 化陆 面 过 程 试 验 （ＮＯＰＥＸ）［６］、加 拿 大 北 部 生 态
系统 －大气研 究 试 验 （ＢＯＲＥＡＳ）［７］、青 藏 高 原 试 验（ＧＡＭＥ－Ｔｉｂｅｔ）［８］、淮 河 流 域 能 量 与 水 分 循 环 试验（ＨＵＢＥＸ）［９］、内蒙古半干旱草原土壤 －植被 －大气相互作用试验 （ＩＭＧＲＡＳＳ）［１０］、黑 河 综 合 遥 感联合试验（ＷＡＴＥＲ）［１１］、西北干旱区陆 －气相互 作用观测 试 验 （ＮＷＣ－ＡＬＩＥＸ）［１２］等。 这 一 系 列 试 验获得了大量有价值的观测数据，在陆气之间能量交 换、水分循环特征、不同下垫面参数观测及计算、优化 陆面过程参数化方案等方面取得了较大进展［１３－１６］。
引 言
地表辐射和能量平衡交换过程集中反映了地气 耦合过程的能量纽带作用。陆气之间感热通量和潜 热通量交换是陆气耦合最重要的方面之一，研究陆 气相互作用能够更加合理地解释物质和能量交换过 程，对天气预报改进等具有重要意义［１］。地表能量 和辐射过程综合反映了地表的各种物理变量特征及 其变化；不同下垫面水热性质不同，陆气能量物质交 换特征也不同，因此，地表辐射和能量过程也会随着 下垫面的不同而变化。不同下垫面地表辐射和能量 差异主要来源于下垫面的光学特性、水热特性及可 利用水分的不同［２］。
收稿日期：２０１８－１０－２１；改回日期：２０１８－１２－０３ 基金项目：中 国 干 旱 气 象 科 学 研 究 计 划 （ＧＹＨＹ２０１５０６００１）和 中 国 科 学 院 寒 旱 区 陆 面 过 程 与 气 候 变 化 重 点 实 验 室 开 放 基 金 项 目
（ＬＰＣＣ２０１６００３）共同资助 作者简介：周甘霖（１９８６— ），男，硕士，助理研究员，主要从事区域天气、气候变化和数值模式研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｇｌ＠ｉａｍｃｍａ．ｃｎ。 通信作者：李耀辉（１９６７— ），男，博士，研究员，主要从事干旱模拟及数值模式研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｈ＠ｉａｍｃｍａ．ｃｎ。
第 ３７卷 第 ４期 ２０１９年 ８月
干 旱 气 象
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．４ Ａｕｇｕｓｔ，２０１９
周甘霖，李耀辉，孙旭映，等．我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征［Ｊ］．干旱气象，２０１９，３７（４）：５７７－５８５，［ＺＨＯＵＧａｎｌｉｎ，ＬＩＹａｏｈｕｉ， ＳＵＮＸｕｙｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳｕｒｆａｃｅＥｎｅｒｇｙＦｌｕｘｅｓｏｖｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＴｙｐｅｓｏｆＵｎｄｅｒｌｙｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ， ２０１９，３７（４）：５７７－５８５］，ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１９）－０４－０５７７