中国北方陆面热通量的格点数据集构建及其对大尺度气候信号的响应研究

Northern China is one region of strong coupling between land and atmosphere in the world. The surface energy budget (SEB) over northern China greatly influences the regional climate in China, and atmospheric circulation in East Asia. However, at present it lacks gridded datasets for accurately charactering the spatial and temporal distribution of energy exchange over northern China. The knowledge of the evolution regularity of land surface flux on large scale is also insufficient. Based on multi-source data including ground measurements, reanalysis data sets and off-line land surface model simulations, the project intends to inter-compare and evaluate of land surface heat fluxes over northern China in several reanalysis/modeling products. In addition, this study attempts to determine the SEB over northern China by integrating information from multi-source datasets. Based on the SEB dataset, the project tries to understand the response features of regional land-atmosphere interactions to the annual and decadal variability of the summer monsoon system and ENSO events, identifies the hotspots with strong effects of large-scale climate signals on land surface energy exchange and reveales the feedbacks between land surface energy exchange and the regional climate influenced by summer monsoon and ENSO. The project will provide a new data basis for the study of regional land-atmosphere energy exchange and deepen the understanding in the response features of regional land-atmosphere interactions to large-scale climate signals.

中国北方是全球范围内陆气耦合强烈的区域之一，此区域陆-气能量交换影响着区域气候和东亚大气环流，但目前缺乏准确度高的格点通量数据集，同时缺少陆面通量在大的时空尺度上演变规律的认识。在集成点尺度的陆面观测资料以及格点尺度的再分析资料和离线陆面模式模拟等多源数据的基础上，比较和评估现有陆面通量格点资料在中国北方的适用性，并融合多源数据集构建一个能更准确反映中国北方陆气能量交换特征的通量数据集。以此为基础，针对中国北方气候区特点和大尺度气候因子的变化规律，研究该区域陆-气相互作用对季风强度、ENSO事件在年际和年代际等多个时间尺度上的响应规律，寻找大尺度气候信号对陆面过程能量交换影响的关键区域，揭示季风和ENSO等气候因子驱动下区域气候与陆面能量交换过程之间的互馈机制。该课题会为区域上陆-气相互作用提供基础数据支撑，丰富陆面能量交换对季风和ENSO事件等大尺度气候因子响应规律的认识。

陆气间水热交换是气候系统内部的一个重要过程，陆面通量的强度取决于局地大气和地表状况，它的时空分布很大程度上受到区域乃至大范围天气和气候的影响。本研究评估了现有格点通量产品在中国区域的适用性，构建了一个中国北方区域尺度上的陆面通量数据集，分析了陆面通量交换对大尺度气候信号（如ENSO和东亚夏季风）的响应关系及可能的联系机制。. 总的来说，所有再分析和模拟产品都较好地了反演陆面热通量的季节变化和空间分布，但是不同产品之间存在很大差异。在所有干湿气候条件下，离线陆面模式比再分析产品将更多的地表可利用能量转化为感热通量。基于一个打分系统，结果表明ERA-Interim和JRA-25的通量模拟性能较好。综合包括中国北方通量观测和多种格点资料，在筛选具有优良下垫面代表性站点的基础上，利用多元回归模型构建了一套受观测资料约束的月平均感热、潜热和净辐射数据集。交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高，最大程度上消除了原始格点资料的系统偏差。. 在此构建的地表通量数据集的基础上，获得了陆面通量年际变化对ENSO事件响应的基本特征。La Nina事件对中国北方陆面通量交换没有显著影响，EP型 El Nino显著影响中国东北地区北部的感热和潜热交换，而CP型 El Nino与EP型 El Nino影响相反，但程度较弱。研究发现东亚夏季风的年际波动强烈控制着夏季风过渡区陆面能量分配和湍流热通量，但对陆面辐射过程的影响很弱。湍流热通量在年际时间尺度上与夏季风持续时间指数呈现近似二次函数/对数关系。集合经验模式分解（EEMD）方法分析表明，东亚夏季风活动主导了夏季风影响过渡区湍流热通量的准两年和多年代际变化，这可能是通过热带海气相互作用准两年振荡和太平洋年代际涛动（PDO）信号向东亚中纬度输送来实现的。. 本研究为区域陆气相互作用提供了重要的数据基础，同时丰富了陆面水热交换与大尺度气候信号联系的认识。