黄土高原典型塬区能量和水分过程的观测与数值研究

黄土高原是我国独特的陆地类型，对该地区陆-气能量和水分过程进行观测和研究，是深入认识黄土高原在区域气候变化中作用的前提，对全球陆地能量水分循环和全球变化研究有重要科学意义。目前对该地区陆-气间能量水分耦合过程及其变化和影响机制还缺乏充分的认识，限制了对该地区未来气候情景下陆-气能量水分平衡特征及其对区域经济发展的正确预测。本项目通过对陇东典型黄土塬区陆-气能量水分交换与输送过程和大气边界层结构的观测，研究塬区陆-气能量和水分输送特征；结合陆面过程参数化方案改进和卫星遥感资料，发展适合黄土高原典型下垫面的陆面过程模式，模拟研究塬区陆-气能量和水分输送的主要影响因子，探求陆-气能量和水分交换机制及其与大气边界层热、动力结构演变的关系，加深对陆-气相互耦合机制的认识。本项目的实施对认识黄土高原陆面过程在区域气候变化中的作用，改进天气气候模式在该地区的模拟能力，提高对未来气候预测的准确率有重要意义

对黄土高原陆-气能量和水分过程进行观测和研究，是深入认识黄土高原在区域气候变化中作用的前提。项目通过对典型黄土塬区陆-气能量水分交换与输送过程和大气边界层结构的观测，研究陆-气能量和水分输送特征；结合陆面过程参数化方案改进和卫星遥感资料，发展适合黄土高原典型下垫面的陆面过程模式，研究影响塬区陆-气能量和水分输送的主要因子，加深对陆-气相互耦合机制的认识。主要结果有:1)研究区土壤垂直非均质性明显，使由HM方法计算的土壤热通量比实测值偏小；夏季雨后晴天，农田土壤中的水汽输送及相应的相变过程对土壤热通量有一定影响，考虑土壤水分运动产生的能量通量后，ITHP和TDEC方法估算的土壤热通量与实测值更接近；浅层土壤水分运动主要通过水分相变过程影响土壤中的能量过程。2) 降水量分布是影响研究区地表能量分配的重要因子，受降水影响，能量通量有较大的月际波动和年际变化，农业生产活动对感热和潜热通量季节变化也有影响，研究区冬小麦的蒸腾过程受土壤水分的抑制。3）雨养农田生态系统蒸散发量有较大的年际变化，2011-2013年年蒸散发量为547.4-667.0mm，降水与潜在蒸发的比为0.59- 0.98；月蒸散发量冬季最小，春夏季达全年最大；月时间尺度上，水分供应是影响研究区蒸散发的主要因素，其次是大气水分需要；决定该生态系统年蒸散发量的主要因素为降水分布和年累积净辐射。4）冬小麦田生长季蒸散发量和CO2通量主要受表面导度的控制，其次是光合有效辐射，土壤湿度对蒸散发量也有较强影响，而对CO2通量影响较弱，空气温度和VPD通过调节气孔状态对CO2通量有较强影响，而对蒸散发量的影响较小，风速对二者均无显著作用。5)使用Lobocki通量廓线关系方案可以使CoLM陆面过程模式在研究区的模拟结果有较明显改进，与ERA-Interim/WRF相比,NCEP/WRF能够较准确地模拟出边界层厚度日变化以及边界层结构，Jimenez次网格地形参数化方案能显著改善WRF对风速空间分布特征的模拟；采用高精度且时效性好的陆面资料，WRF模拟的近地面气温准确率可提高15.8%，准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。研究结果对认识黄土高原陆面过程在区域气候变化中的作用，改进天气气候模式在该地的模拟能力，提高对未来气候预测的准确率有重要意义。