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行业专项成果综述 -沙漠陆面过程观测试验及参数化方案研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/11/28 14:57:57   标签:   浏览次数:1623

项目编号GYHY201306066

研究周期2013年1月-2015年12月

国拨经费210万元

项目负责人】买买提艾力?买买提依明

项目骨干成员】戴永久 刘永强 陈莹莹 何清 金莉莉 杨帆 李火青 霍文 杨兴华 袁华 张树鹏 上官微 魏楠

项目承担单位中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所

项目协作单位】新疆大学 中国科学院青藏高原研究所 北京师范大学

主要研究成果

         1.沙漠陆面过程观测数据集

塔克拉玛干沙漠作为世界第二大流动沙漠,在该项目执行以前未针对该区域进行系统性陆面过程观测试验。本项目通过在该区域开展陆面过程观测试验,建立了比较全面的野外试验数据集,在国家数据平台上实现共享。

          2.沙漠陆面过程特征

1)地表辐射各分量的月平均日变化结果整体均表现为标准的单峰型日循环形态,其中RsRs变化同步,RlRl滞后Rs0.5 ~ 1 h。同时各分量均表现出夏季高,春秋季次之,冬季低的季节波动性。沙尘暴日,大气长波辐射峰值可增加18%,而总辐射、反射辐射、地面长波辐射和净辐射峰值分别衰减了57.8%54.0%55.8%21.9%。塔中紫外辐射月均值为14.1–37.8 MJ·m -2,平均年累计值为320.7 MJ·m -2。塔中紫外辐射最大值(37.8 MJ·m -26月)。塔中夏季紫外辐射约为冬季紫外辐射的2.3倍。冬季、春季、夏季和秋季日平均紫外辐射值分别为12.217.620.916.3 MJ·m-2

2)塔克拉玛干沙漠地表净辐射6月日平均最大值在400 W·m-2左右,感热通量6月日平均最大值在200 W·m-2左右。土壤热通量从2月开始逐渐增大,8月开始逐步下降,日平均最高值约在120 W·m-2左右。潜热通量数值很小,一般都小于20 W·m-2,但在6-7月在降水作用下可达到50 W·m-2左右;沙漠北缘净辐射7月日平均最大值在400 W·m-2左右,感热通量7月日平均最大值在200 W·m-2左右。土壤热通量各月变化相似,日平均最高值约在120 W·m-2左右。潜热通量数值很小,一般都小于20 W·m-2,但在6-7月在降水作用下可达到50 W·m-2左右。

3)全年塔中地区大气CO2浓度最大值为407.6 ppm,最小值为345.4 ppm,年均值为387.3 ppm。沙漠腹地塔中近地层大气CO2浓度春、夏、秋、冬四季平均值依次为382.3386.5386.2391.1 ppm。沙漠腹地塔中地区土壤40cm深度CO2浓度变化范围为:649.84674.33 μmol·mol-1,平均值为662.73 μmol·mol-1;肖塘地区40cm土壤CO2浓度变化范围:559.86565.86 μmol·mol-1,平均值为562.55 μmol·mol-1。就平均值而言,塔中流动沙漠区的土壤CO2浓度是肖塘地区的1.2倍。肖塘古河床流动沙地与盐碱地土壤呼吸速率Rs分别介于-0.208~0.542 μmol·m-2·s-1-0.277~0.818 μmol·m-2·s-1之间,平均速率依次为5.62×10-3 μmol·m-2·s-118.81×10-5 μmol·m-2·s-1;塔中土壤呼吸速率Rs介于-0.052~0.068 μmol·m-2·s-1,平均速率为-9.44×10-3 μmol·m-2·s-1

    (4)塔克拉玛干沙漠腹地地表反照率年均值0.28,月均值处于0.25 ~ 0.32。塔克拉玛干沙漠腹地地表比辐射率的范围在0.900.91之间,平均值为0.905。动力学粗糙度平均值为3.4×10-3m。肖塘地区动力学粗糙度平均值为5.8×10-3m。新疆沙漠区域的地表比辐射率明显低于周围绿洲和森林,集中在0.850–0.915,变化幅度较小,平均值为0.906。其中,塔克拉玛干沙漠西部和田河两侧的比辐射率最小,在0.850–0.880,在沙漠中部区域,由于地表受到克里雅河水汽输送的影响,地表比辐射率范围在0.900–0.910,靠近绿洲边缘的区域存在过渡带,范围在0.910–0.915。库鲁克库姆沙漠地表比辐射率分布较为均一,范围在0.890–0.910。库木塔格沙漠的地表比辐射率呈现非均匀分布,范围在0.860–0.910。古尔班通古特沙漠地表比辐射率在四个沙漠中总体较高,范围在0.890–0.915

        3.沙漠陆面过程参数化方案

(1) 动力学粗糙度(z0m),塔中地区动力学粗糙度平均值为3.4×10-3m,导致其变化的主要因素为风速(U),并得到参数化方程。

(2) 热力学粗糙度(z0h),存在较大的日起伏变化,变化范围1.53×10-6—1.31×10-3,平均值为1.44×10-5。在CoLM模型中引入阳坤等发展的考虑热力粗糙度日变化特征的参数化方案,显著改善了地表传热过程模拟精度。

(3) 地表比辐射率(ε),根据塔克拉玛干沙漠地表比辐射率观测值,利用MODIS热红外区域第293132波段和可见光区域第7波段数据,建立地表宽波段比辐射率的参数化方程,并且得到整个沙漠地区的地表比辐射率分布特征。

(4) 地表反照率(α),利用已有的观测资料,根据每年的总天数n,得到地表反照率参数化方程:。基于塔克拉玛干沙漠腹地四分量辐射和土壤湿度观测数据,得到反照率太阳高度角和土壤湿度双因子参数化方案:肖塘地表反照率与太阳高度角参数化拟合方程为:

(5) 在分析实测砂土剖面导热率曲线的基础上,重新考虑砂和石英含量关系,改进了土壤导热率参数化方案,有效改善了砂含量高土壤导热率容易被高估的问题。

          4. CoLM陆面属性数据集

针对全球GRAPES陆面分量模式,我们建立了全新的CoLM陆面属性数据集 (2 )。值得特别提及的是我们建立了土壤水力学和热力学土壤转换函数集,集合不同函数计算的参数,有效避免单一转换函数的局限性问题。

改进 CoLM,包括CoLM陆面属性数据集外,我们在土壤水文、光合-气孔导度、湖泊、河川径流和洪泛等陆面过程参数化, CoLM程序结构等进行重大的改进。初步实现了新版CoLM与全球GRAPES耦合

5.沙漠陆面过程观测试验设备自动清洗装置—野外红外光路自动清洗装置

    针对沙漠地区如何获取高质量水热通量观测数据的需求,研制涡动相关系统CO2/ H2O分析仪自动清洗装置,实现气候恶劣无人区观测系统的自动维护,得到了较高质量的数据集。


成果应用情况

1)本项目获取的野外观测试验数据集为国家自然科学基金面上项目(41175140-塔克拉玛干沙漠大气CO2通量及土壤碳呼吸观测研究(2013/01-2015/12),国家自然科学基金地区项目(41265002)—基于观测试验的塔克拉玛干沙漠腹地陆面过程参数化方案的发展及模拟(2013/01-2016/12),国家自然基金青年基金(41305107)塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地局地气候观测研究(201401-201612),国家自然基金主任基金(41641045)—塔克拉玛干沙漠热力作用及其对周边绿洲气候的影响研究(2017.01.01-2017.12.31),国家自然科学基金面上基金(41675011)—塔克拉玛干沙漠陆面过程参数化和地表能量通量的遥感反演及数值模拟(2017/01-2020/12),国家自然基金青年基金(41605008塔克拉玛干沙漠能量闭合观测及其对陆面特征参数的影响研究(2017/01-2019/12, 国家自然基金青年基金(41801019-遥感与地面观测数据联合优化干旱区陆面关键参数(2019/01-2021/12)、国家自然基金面上项目(41975010)—沙漠腹地人造绿地不同功能单元陆气通量定量拆分与变异研究(2020/01-2023/12)等多个国家自然科学基金项目的执行奠定了坚实基础,同时该数据集在国家冰川冻土沙漠数据中心汇交共享。

2)本项目确认和遴选的地表动力学和热力学粗糙度参数化方案以及地表反射率、比辐射率参数化方案应用于GRAPES全球模式中。同时改进了该模式的土壤水运动过程计算方案。本项目中建立的全新的CoLM全球高分辨率陆面属性数据集用以得到全球所有沙漠地区的土壤水热特征物理参数。新的参数化方案在一定程度上改善了GRAPES模拟的土壤湿度和地表温度。以上研究成果在中国气象局GRAPES全球模式的全球陆表关键过程、机制和趋势的精细刻画和模拟能力方面有一定正效果。

    (3)本项目资助研发的发明专利“一种野外分析仪光路自动清洗装置及其清洗方法”在中国科学院西北生态环境研究院,六安气象局应用。

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