水汽输送对雅鲁藏布大峡谷地.陆—气间水热交换的影响研究_张强.pdf
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1、藏东南地区的雅鲁藏布大峡谷地区(以下简称大峡谷地区)是印度洋暖湿气流输送至青藏高原的重要通道,在高原水分与能量循环过程中具有重要地位。为了揭示不同水汽输送对陆-气间水热交换通量的影响,本文利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品,根据大气中总水汽含量和水汽水平输送通量将大峡谷地区2013年5月20日至7月9日的水汽强度划分为强/弱/极弱三种级别。并利用第五代公用陆面模式(Community Land Model version 5.0,CLM5.0)模拟了水汽输送对大峡谷-大气间水热交换的影响。研究表明:大峡谷地区的南(东)边界为水汽主要的输入(输出)边界,大峡谷南侧河谷存在水汽强输送带。
2、CLM5.0模拟的大峡谷-大气间水热交换通量与实际相比误差较大,通过优选热力学粗糙度参数化方案和土壤属性替代数据集,提高了CLM5.0模拟大峡谷-大气间水热交换通量的精度。其中Zeng and Dickinson(1998)的方案(以下简称Z98方案)效果最优,较CLM5.0默认参数化方案下模拟的小麦站和草地站近地面感热通量均方根误差分别下降18.2%和10.9%。区域模拟结果显示:大峡谷地区近地面潜热通量区域模拟总体分布为东南高而西北低,近地面感热通量则相反,随水汽水平输送强度的减弱,潜热通量大值区向西北延伸面增大,而感热通量大值区则向东南延伸面增大。冰雪覆盖的高海拔地区近地面感热通量维持低
3、值,而潜热通量则相反。整个试验阶段,大峡谷地区降水时长达59%,不同水汽输送条件下近地面有效能量主要以潜热的方式向大气输送,其中在强水汽水平输送条件下的水汽强输送带的近地面感热输送最弱,Z98方案下的感热通量日均值仅为-1.80 W m-2,潜热通量则大于70.0 W m-2。对于大峡谷地区,当水汽维持高值范围时,近地面净辐射降低,但近地面净辐射主要被潜热消化,水汽保温大气的效应使得地-气温差降低,近地面感热输送抑制显著。本研究结果对认识雅鲁藏布大峡谷地区陆面过程及其对水汽水平输送的响应有一定的参考价值。关键词:雅鲁藏布大峡谷;水热交换;水汽输送;CLM5.0;热力学粗糙度文章编号:1000-
4、0534(2023)03-0603-16 中图分类号:P425.2+3 文献标识码:ADOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000911 引言 青藏高原(以下简称高原)东南缘的大峡谷地区位于南迦巴瓦峰横断山脉、喜马拉雅山脉和念青唐古拉山脉的交会处(杨逸畴,1999)。南北走向的横断山脉对全年盛行的西南风具有屏障作用,喜马收稿日期:20220627;定稿日期:20220929资助项目:第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0105);四川省科技计划项目(2021YJ0025);国家自然科学基金项目(41971308);成都信息工程大学科研项目(KYTZ
5、201821)作者简介:张强(1998-),男,吉林松原人,硕士研究生,主要从事地气相互作用研究.E-mail:通信作者:文军(1964-),男,甘肃临洮人,教授,主要从事陆面过程与卫星遥感研究.E-mail:高原气象42 卷拉雅山脉形成的海拔屏障使得水汽从南部难以直接进入高原腹地,气流沿高原南坡爬升,导致对流事件频发(Boos and Kuang,2010),如此地形条件下,高原南侧海洋暖湿气流在季风环流驱动下水汽经狭管地形地貌的大峡谷地区转运至高原腹地,构成了影响高原雨季起始与降水强度的“水汽输送通道”(Xu et al,2008)。徐可飘(2020)利用1979-2018年近40年的欧洲
6、中期天气预报中心第五代再分析数 据 产 品(ECMWF Re-Analyses version5 data,ERA5)研究高原地区水汽通量的时空变化指出,整个高原是水汽的辐合区,高原主体南边界和西边界为水汽的主要输入边界,受季风活动影响,夏季南边界输入的水汽大幅度增加,其净水汽收入为年均的3倍。张文霞等(2016)详细讨论了雅鲁藏布大峡谷地区 1998-2007年夏季平均的水汽收支在三个层次(1000600 hPa、600400 hPa 和 400300 hPa)上的垂直分布。研究指出大峡谷南缘入口处的大量偏南水汽输送使得低层水汽辐合最强,占经向辐合总量的92.6%。大峡谷东西侧的海拔较高,中
7、高层的偏西水汽输送依然很强。鉴于此,本研究重点关注大峡谷地区特别是河谷地区,虽然沿河谷两侧地势陡峭,但沿河流方向地形起伏不大。因此,本研究选取整层水汽输送进行分类,综合体现深厚气层中的流场和湿度场,可以有效地显示出大尺度的环流系统,和明显的水汽输送特性的低空气流(周军,1998),在此基础上研究其与近地面水热交换的互馈过程。大气水汽的辐射强迫作用制约着地-气温差和地表蒸散发过程,充沛的水汽和热带山地环境使得大峡谷地区形成独特的“水热交换格局”,在藏东南乃至整个高原的水热平衡中占有重要地位(徐祥德等,2002;Monteith,2010;赖欣等,2021;王澄海等,2021;张强等,2022)。
8、梁宏(2012)研究指出,青藏高原主体的水汽对太阳辐射吸收的月平均值995 W m-2,占太阳总辐射的2%13%,大气水汽向下发射的长波辐射1078 W m-2,占地表向下长波辐射的6.0%25.0%。大峡谷地区被誉为“高原水汽和热量的烟囱”,下垫面具有较强的非均匀性(Xu et al,2008;赵阳,2019)。开展大峡谷地区陆-气相互作用研究是揭示复杂天气条件和非均下垫面陆-气相互作用机理的挑战和机遇,对边界层物理过程的研究同样具有重要的科学价值(张强等,2017)。陆-气间能量交换是陆面影响区域气候变化的纽带。陆面模式能够刻画陆-气间水热交换过程,对量化和预测不同下垫面特别是生态脆弱的高
9、海拔地区气候变化至关重要(李茂善等,2019)。Yang et al(2007)评估了协调增强观测周期(Coordinated Enhanced Observing Period,CEOP)七种陆面过程模式的模拟性能,指出陆面模式严重高估了干旱和半干旱区近地面感热通量午后的峰值并低估了地-气温差,但对近地面潜热通量的模拟效果较好。Wang et al(2014)指出,CLM4.0低估了稀疏植被地区日间的地表温度,夜间则相反。通过优选采用 Zeng et al(2012)的热力学粗糙度参数化方案,CLM4.0显著提升了模拟该地区地表温度的能力。随后Wang and Ma(2019)研究表明,美国
10、国家大气研究中心陆面模式(NCAR Land Surface Model,LSM)模拟的近地面感热通量对热力学粗糙度参数化 方 案 的 选 择 敏 感,其 中 Zeng and Dickinson(1998)方案下的模拟效果最好。苏有琦等(2020)利用CLM 4.5模式对青藏高原高寒草甸的三个观测站陆-气间水热交换通量进行数值模拟研究。该工作模拟的感热和潜热通量季节变化趋势与实际基本一致。其中高原东北部的玛曲站近地面感热和潜热通量CLM4.5单点模拟值与实测值的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为24.1 W m-2和 20.1 W m-2。在替换了玛曲
11、站实测土壤属性数据后,近地面感热和潜热通量模拟值与实测值的 RMSE 分别降低 15.0%和 14.6%。Dai et al(2019)研究表明,全球土壤属性数据集(Global Soil Dataset for Earth System Model,GSDE)(Shangguan et al,2014)的准确性优于CLM5.0自带的IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)(Task,2014)和 WISE30sec(Harmonized Soil Property Values for Broad-scale Modelling)(B
12、atjes,2016)土壤属性数据。陆面模式模拟结果的不确定性来源于模式所选参数化方案在模拟地区的科学性和适用性,也来源于大气强迫场的质量控制。热力学粗糙度(Z0h)作为计算陆-气间热传输阻抗的关键参数,现有的参数化方案均是根据“有限地区”观测资料统计或半经验理论发展和评估的。测试与评估不同Z0h方案下CLM5.0对大峡谷地区-大气间水热交换通量的模拟性能,优选出合适的Z0h方案,以达到有效降低模拟误差的目的,为探究水汽输送对研究区域陆-气间水热交换过程的影响具有借鉴意义。鉴于此,本研究利用“国家青藏高原科学数据中心”(http:/)的中国区域地面气象要素驱动数据集再分析数据(China Me
13、teorologi604张强等:水汽输送对雅鲁藏布大峡谷地区陆-气间水热交换的影响研究3 期cal Forcing Dataset,CMFD)(He et al,2020)和两个野外站点(草地站和小麦站)的观测资料驱动CLM5.0。优选出最佳的Z0h方案,并利用GSDE替换模式的默认数据集,验证与评估GSDE和Z0h优选方案对陆面模式模拟结果的改善。利用ERA5再分析资料划分大峡谷地区水汽水平输送级别,通过分析不同水汽输送级别下大峡谷地区-大气间水热交换模拟结果,以期望揭示大峡谷地区非均下垫面和复杂天气条件下大气水汽对陆-气间水热交换过程的影响机制,为复杂条件下陆-气相互作用研究提供科学参考。
14、2 研究区域和数据介绍 2.1研究区域概况本文研究区域位于青藏高原东南部雅鲁藏布江大拐弯处。大峡谷的地形为东西向的喜马拉雅山脉与南北向的横断山脉的融合(图1)。南北向的大峡谷地区存在两座迎风的山脊,其中南北走向的横断山脉对全年盛行的西南风具有屏障作用,而大峡谷地区则是印度大陆向高原内陆输送水汽的通道。利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)第 六 版(MCD12Q1_v06)土地利用类型产品绘制出大峡谷地区 2013年土地利用类型图(图 1)。雅鲁藏布江(以下简称“雅江”)两侧低矮山谷下垫面主要被针叶林和阔
15、叶林等森林所覆盖,河谷深处存在被冰雪覆盖绵延的山脉,雅江围绕形成的“几”字形大转弯即为“雅鲁藏布大峡谷”,它是地球上最大、最深的峡谷,全长504.6 km,最深处6009.0 m,平均深度2268.0 m左右,地处北半球热带的最北端,年平均气温高达18.0 以上,年平均空气相对湿度70%80%,被称为“热带绿山地”(高登义,2008)。由于高原主体的阻挡、分流和引导作用,使得西风带气流和印度洋丰沛的暖湿气流阻隔抬升至海拔低于高原主体的藏东南大峡谷地区,造就其成为全球第二大降水带,可达4000.0 mm以上。中国科学院大气物理研究所和中国气象局成都高原气象研究所于2013年5月20日至7月9日开
16、展了大峡谷地区6个野外站点的观测试验,本文选择观测数据完整性较好的草地站和小麦站作为分析对象,草地站(29.449N,94.691E;海拔 2973.0 m)和小麦站(29.446N,94.698E;海拔 2960.0 m)位于雅鲁藏布江两侧,地势平坦。草地站下垫面为草地,附近有稀疏灌丛,草本高度为0.1 m,灌丛高度约为 0.9 m。小麦站位于田垄上,田地中为小麦,田垄上为草,试验初期小麦高约0.5 m,后期约为0.9 m。两站地理位置见图1黄色和绿色的实心点(李宏毅等,2018)文中涉及的所有地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2016)2885 号的标准地图
17、制作,底图无修改。2.2数据介绍草地站和小麦站主要的观测仪器包括:(1)自动气象站(AWS),观测要素为常规气象要素;(2)涡动相关系统(EC),包括三维超声风温仪、红外CO2/图1雅鲁藏布大峡谷地区地理位置、地形(上)和土地利用类型以及观测站点小麦站和草地站(下)蓝色曲线为雅鲁藏布江Fig.1Geographical location,topography(up),land use type and observation sites of wheat station and grassland station in the Yarlung Zangbo Grand Canyon(down)
18、.The blue curve is the Yarlung Zangbo River605高原气象42 卷H2O气体分析仪和CR3000数据采集器。原始湍流脉动观测数据采样频率均为10 Hz,根据涡动相关计算方法(Eddy Covariance technique,EC)每30 min输出湍流通量;(3)辐射观测设备为HUKSEFLUX NR01四分量辐射传感器,自动站和辐射观测资料的时间分辨率均为10 min,时间范围为2013年5月20日至7月9日。采用 ERA5再分析资料的逐时比湿场(q)、纬向风分量(u)、经向风分量(v)、地面气压场(ps),空间分辨率为0.25,垂直积分取地面至3
19、00 hPa共20层,时间范围为2013年5月20日至7月9日。关于ERA5 数据在高原的适用性问题,徐可飘(2020)研究表明ERA5较好地描述了高原水汽含量时空变化特征,与大峡谷地区的林芝站探空资料的相关系数达 0.950,均方根误差为 7.55 mm。Yan et al(2020)将高原分为含大峡谷地区的独立的四部分,分别评估了 ERA5 和 ERA-Interim 等 4 种降水数据集的适用性,研究指出ERA5的月降水量数据集与实测值偏差最小,为-5.4 mm,相关系数达0.97。利用 CMFD 再分析资料作为 CLM5.0 对大峡谷地区区域模拟的大气强迫场。CMFD 数据集通过遥感产
20、品、再分析资料和台站观测数据同化而得到,数据集的日期跨度为1979-2018年,时间分辨率为3 h,空间分辨率为0.1,CMFD数据集提供了2 m气温(单位:K)、地表气压(单位:Pa)、比湿(单位:kg kg-1)、10 m 风速(单位:m s-1)、向下短波辐射(单位:W m-2)、向下长波辐射(单位:W m-2)和降水率(单位:mm h-1)。CMFD融合了中国地面气象站逐小时观测资料(http:/ 0.942、0.873 和 0.934,小麦站为 0.884、0.864 和 0.941。CMFD资料中气温变量与两站点实测值误差最小,其与草地站实测值的均方根误差仅为1.7 K,小麦站为2
21、.0 K。Gao et al(2020)分别对比了2013年10月至2014年5月的CMFD的降水数据集、热带降雨测量任务降水数据集(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)(Huffman and Bolvin,2013)和 NOAA 气候预测中心卫星反演降水资料(Climate Prediction Center Morphing Technique,CMORPH)(Joyce et al,2004)在大峡谷地区的适用性,研究指出CMFD较其他降水数据集准确估计了大峡谷地区 的 降 雨 量 和 降 水 强 度,CMORPH 次 之,而TRMM完全低
22、估了降雨量和降水强度。陆面模式利用土壤属性数据集得到土壤水力和热力属性参数等,从而模拟陆-气间水热交换过程。梁晓和戴永久(2008)研究指出土壤粒径不同的黏土和砂石等,其颗粒热传导系数、颗粒热容量、最大水力传导度和饱和土壤水分含量等存在显著差异,准确量化研究区域土壤属性数据集是评估陆面模式模拟性能的前提。为了检验土壤质地对陆面模式模拟精度的影响,本文采用中山大学科研团队发展的土壤数据集(GSDE)中砂粒、黏粒和有机 质 数 据 集 替 换 CLM5.0 中 默 认 数 据 集,将CLM5.0原土壤数据集的12层替换为GSDE的第1层,36层替换为GSDE的25层,78层替换为GSDE 的第 6
23、 层,910 层替换为 GSDE 的第 7 层。CLM5.0 中原数据集中土壤有机物含量的单位为kg m-3,与GSDE中的单位不同 单位:g (100g)-1,通过式(1)进行单位转换。om,i=mom,i/Vi=m*om,i100dry,i(1)式中:om,i为土壤第i层有机质密度(单位:kg m-3);Vi为样品中有机物的体积(单位:m3);mom,i和m*om,i为土壤第i层有机物的质量百分比;dry,i为干土壤的密度(单位:kg m-3)。3 研究方法和模式介绍 3.1CLM5.0陆面过程模式介绍CLM5.0是由美国国家大气研究中心开发的第三代陆面模式,是当前最为完善和最广泛使用的陆
24、面模式之一(Dickinson et al,2006)。它涵盖了生物地球物理、水文循环、生物地球化学和动态植被四个子模块,并且可作为公用地球系统模式(Community Earth System Model,CESM)的陆面模块与大气、海洋、海冰等模块耦合使用。CLM5.0 是CLM4.5的升级版本,其更新了植物光合作用和气孔导度方案,对植被繁茂的大峡谷地区近地面水热交换通量的模拟极具积极意义。有关CLM5.0的详细介绍及其较CLM4.5在模拟土壤水热传输性能上的差异见Deng et al(2020)的研究。本文将重点检验热力粗糙度优选方案和土壤质地替代方案下CLM5.0的模拟精度。3.2热力
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