中国干旱半干旱区陆气相互作用及其对区域气候的影响

摘要

地气之间的能量和水汽交换对气候变化有重要的影响。中国干旱半干旱区水资源短缺、生态脆弱、沙尘天气频发，人类活动、下垫面和气候变化三者之间相互作用强烈，研究该区域的陆气相互作用及其对区域气候的影响对改善区域气候模拟效果、预测区域气候变化、选择区域可持续发展战略具有重要的意义。干旱半干旱区观测站点分布较少，限制了该项研究的进行，同时关于下垫面条件改变对气温和降水影响的研究仍存在一些争议和不确定性。本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）湍流观测资料，分析了不同坐标旋转方法在复杂地形上的适用性，总结出一套适用于SACOL站的总体湍流特征参数化方案，从而获取了较高质量的湍流通量数据，为后续的陆气相互作用研究提供基础，同时对比分析了SACOL站、通榆农田及退化草地观测站土壤湿度、净辐射、水汽压差三者对能量分配的影响差异和机制。利用改变土壤湿度、地表发射率、植被覆盖度三组WRF模拟实验，结合观测数据、卫星数据研究中国干旱半干旱区土壤湿度和植被覆盖度对日温差（DTR）的影响。对比分析了中国干旱半干旱区和湿润半湿润区土壤湿度和水汽通量辐合对降水的影响强弱和影响方式。 （1）经过超声虚温订正、坐标旋转、空气密度脉动订正以及平稳性检验、总体湍流特征检验、总体质量分级处理，摩擦速度（u*）、感热通量、潜热通量、CO2通量高质量数据所占比例分别为45%-62%、66%-68%、62%-65%、52%-54%。采用二次坐标旋转得到的高质量数据比例与采用平面拟合相比：u*提高了17%，后三种通量略降低2%-3%。平面拟合和分风区平面拟合两种结果的差别主要体现在u*上，只考虑主导风向数据二次坐标旋转得到的u*质量仍最好。综合兼顾数据质量和计算工作量，在复杂地形上处理湍流观测资料的最优坐标旋转方法是二次坐标旋转。 （2）在土壤较干情况下，波文比随着土壤湿度的增加迅速降低；当土壤变湿之后，波文比对土壤湿度的变化不敏感。净辐射和水汽压差会影响波文比对较干土壤湿度的敏感性和达到稳定波文比时的土壤湿度阈值。波文比随着净辐射增加而增加，但在净辐射的高值区，尤其是土壤湿度较干时会出现波文比降低的情况。降低土壤湿度，有助于提升净辐射和水汽压差对有效能量分配的影 响。水汽压差对波文比的作用是非线性的，主要依赖于不同土壤湿度和净辐射条件下水汽压差对潜热通量的正负影响强弱。 （3）土壤湿度分别通过调节白天的有效能量分配和夜间地表发射率而影响日最高温（Tmax）和日最低温（Tmin），土地干旱化对Tmax和Tmin都有增温作用，对DTR的影响取决于对Tmax和Tmin影响的相对强弱。利用SACOL站和沙坡头观测站（SPD）的观测资料验证了土壤湿度对白天有效能量分配的影响要强于夜间通过地表发射率对向上长波辐射的影响，土壤湿度每增加0.1 m3/m3，SACOL站的Tmax降低3.77℃，Tmin降低2.10℃，DTR降低1.67℃，而SPD站Tmax降低6.50℃，Tmin降低3.52℃，DTR降低2.98℃。土地干旱化导致DTR增加，相反土壤湿度增加导致DTR减小。植被覆盖度的改变对地表辐射和能量收支有重要影响。由于白天对流边界层的影响，Tmax相对Tmin受辐射和能量收支影响较小，增加的植被覆盖度通过增加地表发射率和减少土壤的加热作用而减小Tmin，因此DTR增加。土壤湿度和植被覆盖度对Tmax 和Tmin的影响是一致的，但二者对DTR存在相反的作用。 （4）中国干旱半干旱区和湿润半湿润区的降水受水汽传输影响强于局地蒸散。水汽传输主要影响降水效率，局地蒸散主要影响循环效率。湿润地区的降水效率和循环效率都高于干旱地区。将降水的变化分解为直接作用（影响提供降水所需水汽的能力）和间接作用（影响降水效率）。两个区域的土壤湿度对降水的影响都是间接作用明显。在湿润半湿润区的高水汽通量辐合时期土壤湿度对降水的影响最强。土壤湿度一方面通过直接和间接作用影响降水，另一方面通过影响大气中水汽传输过程而影响降水。干旱区、湿润区的水汽通量辐合对降水的影响主要体现为直接影响和间接影响；而半干旱区水汽通量辐合对降水的影响主要体现为间接影响，半湿润区水汽通量辐合对降水的影响主要体现为直接影响。

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