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

The reason of the energy imbalance is a hot and difficult problem in the land surface process research. The energy unclosed degree was usually 10-30% in the hinterland of the Taklimakan Desert, while Xiao Tang in the northern marginal of Taklimakan Desert was even more. In view of this, the project takes the Taklimakan Desert study area—The world's second largest mobile desert, to analyze the energy closure and its effect on estimating surface parameters of land surface processes and land surface processes simulation. To develop fine observation experiment in Tazhong, where is the hinterland of the Taklimakan Desert, as so as Xiaotang and Hade which in the northern marginal of the Taklimakan Desert for surface energy closure based on soil temperature and soil moisture detectors, soil heat flux plates, vortex dynamic system, large aperture scintillometer (LAS), temperature detector and four-component radiometer. Combining the observation data, to analyze the different time scales characteristics for energy closure and its influencing factors, and improve the energy closure. To analyze the effect of energy closure on surface parameters of land surface processes. Discuss the effects of energy closure on land surface processes simulations. Then, modified the effects of energy unclose on land surface processes model. It is expected to provide support for the regional land surface processes simulation.

能量不闭合原因是目前陆面过程研究的热点和难点问题之一，其中，塔克拉玛干沙漠腹地能量不闭合率为10-30%，而北缘肖塘地区更明显。鉴于此，本项目针对世界上第二大流动性沙漠-塔克拉玛干沙漠能量闭合及其对陆面特征参数估算、陆面过程模拟的影响等问题，在现有陆气相互作用观测基础上，利用土壤温度和土壤湿度探测器、土壤热通量板、涡动相关系统、大孔径闪烁仪（LAS）、气温探测器和四分量辐射传感器，在塔克拉玛干沙漠腹地塔中、北缘肖塘和哈德开展能量闭合精细化观测试验。分析不同时间尺度能量闭合特征，探讨能量不闭合的原因，提高能量闭合率；分析能量闭合度对陆面特征参数估算的影响，讨论能量闭合度对陆面过程模拟的影响，修正能量不闭合对陆面模式产生的影响。可望为区域的陆面过程模拟改进提供支撑。

塔克拉玛干沙漠是中国最大也是世界第二大流动沙漠（流动沙丘占沙漠面积 85%），地形起伏，动力和热力非均匀性使得该地区陆面过程具有多层次性。以往研究认为平坦荒漠地区能量几乎闭合，然而，初步研究表明，塔克拉玛干沙漠能量不闭合率约 10～30%，沙漠北缘能量不闭合率更大。针对这一问题，本项目揭示了塔克拉玛干沙漠能量不闭合的主要原因：一是沙子流动对土壤温度、土壤湿度和土壤热通量观测造成误差，进而使得反算到地表的土壤热通量误差较大；二是沙丘的起伏、稀疏植被等空间异质性使得通量资料不能完全适用于莫宁-奥布霍夫相似性理论；三是夜间湍流通量被低估。本项目通过校正土壤热流量，可提高白天地表能量闭合率17～50%，夜间40%以内。湍流通量偏低或偏高对估算陆面关键参数有较大影响，需要结合风向（NNE-ESE）修正沙漠北缘通量资料。优化参数后的CoLM模式基本上能较好地模拟地表通量变化特征，只是在日峰值及其峰值出现时间的模拟上不理想；误差统计值Bias、SEE、NSEE表明优化参数后的CoLM模式使得净辐射（Rn）的模拟误差被降低4.21%（SEE），感热通量（H）的模拟误差被降低25.19%（Bias），地表温度（Tg）的模拟误差被降低33.33%（Bias）、10.45%（SEE）和25%（NSEE）。塔克拉玛干沙漠北缘土壤参数并非均质沙土，根据土壤成分比例对Noah陆面模式的土壤参数重计算，更新土壤参数后，Noah-MP模式模拟的土壤温度偏差减少0.62 ℃，土壤热通量偏差减小10.47 W•m-2，感热通量偏差减少7.02 W•m-2，地表净辐射偏差减少5.48 W•m-2，且效率系数达到更高的接受程度。通过Taylor图分析了土壤参数修正对Noah模拟效果的整体作用，表明修正土壤参数后的模式中热量传输扩散有一定改进作用，土壤温度模拟效果改进明显。