cha57高原地面總體輸送系數(shù)、地面通量及高原氣象研究進展LASG課件

1、基于AWS資料的青藏高原地面總體輸送系數(shù)和地面通量的研究李國平 成都信息工程學(xué)院第1頁，共47頁。一、引言 本研究利用中日亞洲季風(fēng)機制合作研究計劃的重要組成部分 青藏高原地面熱量和水份平衡觀測試驗（1993.71999.3）在青藏高原獲得的近地層梯度觀測資料和地面常規(guī)觀測資料（包括積雪資料），（1）應(yīng)用近地層通量廓線法計算了高原的地面總體輸送系數(shù)、地面感熱和蒸發(fā)潛熱通量，分析了它們的日變化和季節(jié)變化特征；（2）利用土壤熱通量的實測資料和經(jīng)過訂正的輻射實測資料，對高原地面熱源和熱量平衡問題進行了分析、計算。（3）對比分析了地面感熱、潛熱和凈長波輻射在一個多雪年（1997/1998）和一個少雪年（

2、1996/1997）的變化特征，討論了青藏高原積雪異常對高原地面過程特別是地面加熱的影響。 這些研究結(jié)果將有助于細致了解青藏高原的地面熱源性質(zhì)、構(gòu)成和強度變化規(guī)律，深入認識青藏高原地氣相互作用的物理過程（特別是熱力過程）以及在亞洲季風(fēng)系統(tǒng)中的作用，改進全球氣候模式和天氣預(yù)報模式在青藏高原地區(qū)的陸面參數(shù)化和地面熱量平衡方案。第2頁，共47頁。 圖1 6個自動氣象站在青藏高原的地理位置和海拔高度示意圖第3頁，共47頁。Table 1. The geographic location and background at four sets of AWSStation Lhasa Rikeze Nag

3、qu LingziLongitude (E)9108 8853 9204 9428Latitude (N)2940 2915 3129 2934Altitude (m)3649 3836 4507 2991TopographyValley Basin Plateau ValleyBackground City SuburbsCountryside Countryside第4頁，共47頁。二、資料資料特點：觀測要素齊全，觀測間隔短，資料連續(xù)性好，持續(xù)時間長（高原首次）東部和中部（簡稱東部）：拉薩、日喀則、那曲、林芝， 1993年7月 1999年3月地上部分：挪威產(chǎn)AANDERAA 間隔：10分鐘

4、（1993年7月1994年7月上旬）， 20分種（1994年7月中旬以后） (1) 2.5m,5m和10m高度的平均風(fēng)速,其中5m從1995年7月起移至1.5m(2) 10m高度的風(fēng)向(3) 10m高度的陣風(fēng)風(fēng)速(4) 2.5m,5m,10m高度的氣溫,其中5m從1995年7月起移至1.5m(5) 10m高度的相對濕度(6) 輻射: 太陽短波輻射, 向下總輻射,反射的太陽短波輻射和向上總輻射(7) 降水(8) 地面氣壓第5頁，共47頁。地下部分：日本產(chǎn)LAND SCALE (1993年7月1995年6月 ），日本產(chǎn)KADEC （1995年7月以后） 間隔：30分鐘（1993年7月1994年 7

5、 月上旬）， 1小時（1994年7月中旬以后）(9) 土壤溫度: 拉薩、那曲、日喀則為6層(0, 4, 8, 16, 32, 80cm), 林芝為8層(0, 1.25, 2.5, 5, 10, 20, 40, 80cm)(10) 土壤濕度(015cm和1530cm)(11) 凍土深度和積雪重量(19931998），僅在拉薩、日喀則和那曲三站)。第6頁，共47頁。西部：改則、獅泉河，1997年9月1998年12月 間隔：1小時地上部分： （1）4m風(fēng)向（2）4m陣風(fēng)風(fēng)速（3）1、2、4m的平均風(fēng)速（4）1、2、4m氣溫（5） 1、2、4m空氣相對濕度（6）地面氣壓（7）降雨量（8）地面吸收的短波

6、輻射,地面反射的短波輻射,長波逆輻射,地面放出的長波輻射地下部分：（9）6層土壤溫度（0，5, 10, 20, 40, 80cm）（10）015和1530cm土壤相對濕度（11）地下2.5和7.5cm土壤的熱通量第7頁，共47頁。三、計算方案總體輸送系數(shù)的計算（廓線通量法）： 第8頁，共47頁。根據(jù)層結(jié)穩(wěn)定、強穩(wěn)定、不穩(wěn)定，采用3種不同形式的廓線函數(shù)關(guān)系式。對穩(wěn)定、不穩(wěn)定層結(jié)，采用Byun 得出的用總體理查森數(shù) Rib表示的莫寧奧布霍夫(Monin-Obkhu)穩(wěn)定度參數(shù)的解析解。 對強穩(wěn)定層結(jié)，采用迭代法計算Monin-Obkhu穩(wěn)定度 參數(shù)?？傮w理查森數(shù)Rib采用對數(shù)差分方案計算。 第9頁

7、，共47頁。選取風(fēng)向處于開闊地帶 、較大風(fēng)速、中性層結(jié)的原始資料，對四層平均風(fēng)速按照最小二乘法確定出各季節(jié)的地面粗糙度。 Table 2 Surface roughness lengths at four AWS stations (unit: cm) Station Number of used data Spring (Mar.-Apr.) Summer (May-Aug.) Autumn (Sep.-Oct.) Winter (Nov.-Feb.)Lhasa 66 3.02 7.11 4.67 1.10Rikeze 308 4.46 8.22 5.29 2.38Nagqu 3157 2.

8、78 3.21 3.31 2.58Lingzi 2895 1.90 3.49 3.18 1.17第10頁，共47頁。Table 3 Seasonal mean of the bulk transfer coefficients at four stations (unit: 10-3)Station Spring (Mar.-Apr.) Summer (May-Aug.) Autumn (Sep.-Oct.) Winter (Nov.-Feb.) CD CH CD CH CD CH CD CHLhasa 4.66 6.28 6.33 8.52 4.77 6.34 2.94 3.91Rikeze

9、 5.26 7.06 6.51 8.73 4.20 5.50 3.15 4.12Nagqu 4.66 6.30 4.97 6.74 4.95 6.70 4.48 6.04Lingzi 4.14 5.60 5.15 6.98 5.05 6.84 3.46 6.67第11頁，共47頁。地面三通量的計算 （總體公式法） ： 土壤濕度有效因子或蒸發(fā)系數(shù)表示為土壤濕度的升函數(shù)。 第12頁，共47頁。四、地面總體輸送系數(shù)和地面通量1. 中、東部Table 4 Mean bulk transfer coefficients and surface fluxes at four AWS stationsSta

10、tion Lhasa Rikeze Nagqu LingziWind speed at 10m height ( m/s ) 1.77 1.63 2.83 2.30Momentum transfer coefficient (10-3) 4.63 4.75 4.73 4.44Heat transfer coefficient (10-3) 6.20 6.30 6.40 6.02Momentum flux (10-2 N/m2) 1.39 1.29 3.18 2.29Sensible heat flux (W/m2) 47.70 20.09 53.73 52.18Latent heat flux

11、 (W/m2) 50.15 73.23 56.54 43.10第13頁，共47頁。Fig.2 Relations between bulk transfer coefficients ( unit:10-3) and bulk Richardson number at Rikeze (in autumn)第14頁，共47頁。Fig. 3 Diurnal variation of heat transfer coefficient (10-3) solid line: July (composed) dashed line: January (composed)第15頁，共47頁。Fig. 4

12、Diurnal variation of sensible heat flux (W/m2) solid line: July (composed) dashed line: January (composed)第16頁，共47頁。 Fig. 5 Diurnal variation of latent heat flux (W/m2) solid line: July (composed) dashed line: January (composed)第17頁，共47頁。 Fig.6 Composed monthly variation of bulk transfer coefficient

13、 for momentum ：Lhasa ：Rikeze ：Nagqu ：Lingzi第18頁，共47頁。 Fig. 7 Composed monthly variation of sensible heat flux (W/m2) : Lhasa : Rikeze : Nagqu : Lingzi第19頁，共47頁。Fig. 8 Composed monthly variation of latent heat flux (W/m2) : Lhasa : Rikeze : Nagqu : Lingzi第20頁，共47頁。2. 西部 Table 5 Surface parameters and

14、 means of bulk transfer coefficients and surface fluxes in 1998 at two stations Station Elevation (m) Z0 (cm ) CD (10-3) CH (10-3) FM (10-2 N/m2) FH (W/m2) FL ( W/m2 ) Gaize 4415 2.72 4.83 6.58 3.4 73.1 15.4 Shiquanhe 4278 2.90 4.75 6.44 1.8 67.2 2.9 第21頁，共47頁。 圖9. 獅泉河1998年1月(虛線)和7月(實線)CD (10-3)的合成日

15、變化 第22頁，共47頁。 圖10 改則1998年FH和FL的合成日變化 *：FH (7 月) + ：FH ( 1月) - - - ： FL (7月) 第23頁，共47頁。 圖11 獅泉河1998年FH和FL的合成日變化 *：FH (7 月) + ：FH ( 1月) - - - ： FL (7月) 第24頁，共47頁。日變化中、東部： 無論冬夏，高原中、東部地面的熱量輸送在白天表現(xiàn)得非常明顯，在午后1213時（當(dāng)?shù)貢r）達到最大值，其強度比平原地區(qū)同期的同類值大許多，這反映出高原地面熱力作用的強大和重要。西部： 高原西部地區(qū)的情形為：改則和獅泉河兩站地面感熱通量的日變化無論冬夏也都十分明顯，并且

16、夏季的日變幅明顯大于冬季。白天一般為正值，感熱向上輸送，最大值出現(xiàn)在世界時08時（即當(dāng)?shù)貢r14時），大約是平原地區(qū)同類值的三倍，由此可見高原地面感熱作用的重要性；最小值出現(xiàn)在世界時14點左右（即當(dāng)?shù)貢r20時），并且為負值，此現(xiàn)象在改則尤為明顯（圖10）。 潛熱通量日變化的位相特征與感熱相同。 第25頁，共47頁。圖12 改則(實線)和獅泉河(虛線)FH的月平均值第26頁，共47頁。圖13 改則(實線)和獅泉河(虛線)FL的月平均值第27頁，共47頁。季節(jié)變化 地面西部兩站感熱通量的強度和季節(jié)變化趨勢基本一致，一般在5、6月達到最大值（約為122 W/m2）。1月，兩站感熱通量達到最小值，其平均

17、值為13 W/m2（圖11） 。 地面蒸發(fā)潛熱通量的季節(jié)變化與降雨量有很好的對應(yīng)關(guān)系；由于西部是高原雨量最小、濕度最小的地區(qū)，則潛熱通量明顯小于同期感熱通量。 高原西部感熱和潛熱的季節(jié)變化特征可結(jié)合起來理解為：地面感熱加熱在5月首先達到最大值，這有利于高原季風(fēng)的建立。6月份隨著高原西部雨季的開始，一方面使地表降溫，使感熱在7月后迅速減?。涣硪环矫嬗捎诮涤暝龆嗍雇寥罎穸仍龃?，土壤蒸發(fā)加大，則潛熱加熱在79月出現(xiàn)最大值，10月份隨著高原西部雨季的結(jié)束，潛熱加熱很快減小并趨于零。 第28頁，共47頁。五、地面熱源 高原西部地面全年均為熱源，地面熱源強度具有明顯的的季節(jié)變化，兩站地面熱源強度在7月達到

18、最大值，12月或1月出現(xiàn)最小值。兩站地面熱源強度的年平均值分別為82.5W/和68.2W/ 。 青藏高原西部地面熱源中以感熱加熱為主，潛熱只在高原雨季（810月）有較明顯的貢獻，這與高原中、東部地面熱源構(gòu)成中感熱和潛熱兩者大體相當(dāng)?shù)那樾斡忻黠@區(qū)別。第29頁，共47頁。圖14 改則（實線）、獅泉河（虛線）站地面熱源強度的月平均值第30頁，共47頁。六、高原積雪異常對地面熱通量和地面加熱的影響目的：研究高原積雪通過地氣間通量交換影響區(qū)域大氣的過程和機制，因為雪蓋的低導(dǎo)熱率可以改變地氣之間的熱量交換 。 積雪作為一種重要的陸面強迫因子，對大氣具有冷卻作用，其機制為：積雪初期，雪蓋對太陽短波輻射的反射

19、增加，使地表吸收的能量減少；積雪融化時，融雪也要吸收融化熱；積雪融化后，融水導(dǎo)致的濕土壤和大氣發(fā)生長期相互作用，地表向大氣輸送潛熱，同時將使地表面冷卻，導(dǎo)致地表向大氣熱輸送的感熱減少。第31頁，共47頁。根據(jù)近十年高原降雪和積雪資料，選取1996/1997為少雪冬季（或稱少雪年），選取1997/1998為多雪冬季（或稱多雪年）。冬季： 多雪年的感熱通量出現(xiàn)程度不同的減小，在積雪異常顯著的多雪年凈長波輻射也明顯減少，例如那曲和林芝。但總體而言，高原地面熱通量（即地面向大氣輸送的熱量總量感熱通量潛熱通量凈長波輻射通量）在積雪明顯異常的地區(qū)（如藏北的那曲）是顯著減少的。 第32頁，共47頁。 圖15

20、 少雪年（左邊空白柱）和多雪年（右邊網(wǎng)格柱） 高原冬季地面向大氣輸送的熱量總量的對比 Lhasa:拉薩 Nagqu:那曲 Rikeze:日喀則 Lingzi:林芝第33頁，共47頁。 春季： 多雪年與少雪年春季感熱通量的差異非常顯著，高于冬季的同類值； 多雪年春季地表潛熱通量隨著融雪所致的土壤濕度和地表蒸發(fā)的增加而增大，尤其在冬季積雪異常顯著的地區(qū)；多雪年的春季凈長波輻射是明顯減少的。但總體而言，多雪年春季地面向大氣輸送的熱量總量是明顯減少的，并且多雪年與少雪年地面向大氣輸送的熱量總量的差異在春季明顯大于冬季。 因此，青藏高原冬季積雪異常的影響在隨之而來的春季表現(xiàn)得更加清楚，也更加顯著（時間后

21、延效應(yīng)或滯后效應(yīng)）。第34頁，共47頁。圖16 少雪年（左邊空白柱）和多雪年（右邊網(wǎng)格柱）高原春季地面向大氣輸送的熱量總量的對比Lhasa:拉薩 Nagqu:那曲 Rikeze:日喀則 Lingzi:林芝第35頁，共47頁。七、已正式發(fā)表的主要論著(1996-2009)（1）李國平,青藏高原動力氣象學(xué),北京:氣象出版社,2002年4月 （2） Li Guoping,Duan Tingyang,Shigenori Haginoya,Chen Longxun. Estimates of the bulk coefficients and surface fluxes over the Tibeta

22、n Plateau using AWS data. Journal of the Meteorological Society of Japan, 2001,79(2), 625-635 （3）Li Guoping,Duan Tingyang,Gong Yuanfa.The bulk transfer coefficients and surface fluxes on the western Tibetan Plateau. Chinese Science Bulletin,2000,45(13): 1221-1226 .中文版：李國平,段廷揚,鞏遠發(fā).青藏高原西部地區(qū)的總體輸送系數(shù)和地面通

23、量.科學(xué)通報,2000,45(8): 865-869 （4）Li Guoping,Lu Jinghua,Jin Bingling,Bu Nima.The effects of anomalous snow cover of the Tibetan Plateau on the surface heating.Advances in Atmospheric Sciences,2001,18(6), 1206-1214 第36頁，共47頁。（5） Li Guoping,Duan Tingyang,Wan Jun,Gong Yuanfa.Determination of the drag coeff

24、icient over the Tibetan Plateau. Advances in Atmospheric Sciences,1996,13(4): 511-518 （6）李國平, 趙邦杰,盧敬華.青藏高原地面總體輸送系數(shù)的研究.氣象學(xué)報,2002,60(1), 60-67 （7）李國平, 段廷揚,鞏遠發(fā),盧會國. 青藏高原近地層通量特征的合成分析.氣象學(xué)報,2002,60(4) , 453-460 .英文版：Li Guoping, Duan Tingyang, Gong Yuanfa,Lu Huiguo, a composite study of the surface fluxes

25、on the tibetan plateau, Acta Meteorologica Sinica ,2003,17(2).（8）李國平,段廷揚,吳貴芬,青藏高原西部的地面熱源強度及地面熱量平衡,地理科學(xué),2003,23(1) 第37頁，共47頁。（9）李國平， 陶紅專. 高原降雨天氣過程中總體輸送系數(shù)的變化特征. 高原氣象,2005，24(4)：577-584（10）李國平，肖杰.青藏高原西部地面反射率的日變化以及與若干氣象因子的關(guān)系.地理科學(xué)，2007，27（1）:63-67（11）張鵬飛，李國平. 青藏高原西部地區(qū)地表反射率的合成分析.山地學(xué)報，2007，25（6）：649-654（12

26、）劉曉冉，李國平.青藏高原前期冬春季地面熱源與我國夏季降水關(guān)系的初步分析.大氣科學(xué)，2008，32（3）：561-571（13）李國平，張澤銘，劉曉冉.青藏高原西部土壤熱量的傳輸及其參數(shù)化計算方案.高原氣象，2008，27（4）：719-726（14）張鵬飛，李國平，尹建昌. 青藏高原西部地表熱通量輸送的低頻特征.高原氣象，2009，28（3）：556-563第38頁，共47頁。第39頁，共47頁。 謝謝！第40頁，共47頁。 2000年以來青藏高原氣象學(xué)研究概述一、高原邊界層及其對流活動（熱點研究方向）方法：高原試驗資料分析1、高原中部PBL中的對流活動TIPEX，Doppler聲雷達：對流

27、泡、湍流大渦旋、對流云、對流云團系（海洋環(huán)境中心：周明煜，氣科院：徐祥德）2、高原對流云團東移發(fā)展與長江流域大暴雨TBB（氣科院：徐祥德）3、高原對流云、中尺度對流系統(tǒng)與長江流域暴雨TBB、水汽分布(衛(wèi)星中心：江吉喜)4、高原PBL觀測分析與動力學(xué)特征（氣科院：徐祥德，海洋環(huán)境中心：周明煜）5、青藏高原上中尺度對流系統(tǒng)東移傳播成因 (香港中大 :過仲陽 )第41頁，共47頁。二、高原地面熱力過程及地面熱源 （高原試驗的重點研究方向）方法：高原試驗資料計算1、高原地氣過程動力、熱力結(jié)構(gòu)（海洋環(huán)境中心：周明煜，氣科院：徐祥德）2、高原中東部的地面總體輸送系數(shù)及地面加熱通量（成信院：李國平）3、高原

28、西部的地面總體輸送系數(shù)及地面加熱通量（成信院：李國平，大氣所：洪鐘祥）4、高原北部地表粗糙度及近地層能量輸送（寒旱所：王介民、馬耀明）第42頁，共47頁。三、高原要素的氣候變化方法：高原常規(guī)資料和衛(wèi)星資料分析1、高原衛(wèi)星資料分析地表熱狀況、總云量、積雪、土壤濕度（衛(wèi)星中心：王可麗、劉玉潔）2、高原氣溫、降水、積雪的空間分布、年際變化、年代際變化（寒旱所：韋志剛；西藏局）3、高原東側(cè)地區(qū)云、日照、氣溫的氣候分析（高原所：李躍清）4、高原O3，CO2，近地表層地溫等要素分析（寒旱所：西藏局）5、高原平均反照率的遙感反演（大氣所：徐興奎）第43頁，共47頁。四、高原天氣、氣候診斷分析（熱點研究方向）方法：天氣過程統(tǒng)計，天氣、氣候診斷分析1、高原低值系統(tǒng)與長江上游致洪暴雨高原渦、切變線（氣象中心：楊克明）2、高原低值系統(tǒng)（切變線、高原低渦）活動與四川暴雨GMS云圖、TBB（高原所： 郁淑華）3、高原低渦東移過程的水汽圖像（高原所：郁淑華）4、高原地面加熱與高原環(huán)流及其東側(cè)旱澇、高原東側(cè)邊界層