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1、 1 西北干旱区陆- 气相互作用试验 及其研究进展 张 强 1 , 2 , 黄荣辉 3 , 王 胜 1 , 卫国安 2 , 曹晓彦 1 , 3 , 侯旭宏2 吕 世华 2 , 胡泽勇 2 , 马耀明 2 , 韦志刚 2 , 聂彦将 2 , 高洪春 2 , 高红 梅 2 , 阎宇平 2 ( 1 . 中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室, 兰州 7 3 0 0 2 0 2 . 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州 7 3 0 0 0 0 3 . 中国科学院大气物理研究所北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘 要 简要阐述了国家重大基础发展规划项目我国重大气候灾害形成机理
2、和预测理论研究支持的我国 西北干旱区陆气相互作用试验N W C - A L I E X的科学意义试验方案和科学目标总结了该试验在最近 几年取得的部分研究进展和研究成果概括叙述了该项目在地表辐射平衡和热量平衡总体输送系数陆 面过程参数湍流通量参数化和地表水分循环以及对陆面过程模式的改进和对陆面过程的模拟等许多方面 的重要发现和一些新的认识最后提出并讨论了在干旱区陆面过程方面需要进一步研究和思考的一些重 要科学问题 关键词 我国西北干旱区陆气相互作用试验科学目标研究进展科学问题 引言 陆面过程是气候系统或地球系统各个圈层的纽带也是各个圈层之间进行物质和能 量交换的桥梁以及发生相互作用的必然环节 正
3、是由于陆面过程的作用才使陆地上各圈层不 是孤立的 而是共同组成了一个有机的 协调演化的完整系统 陆面过程能够影响到从 0 . 1 m 到全球的空间尺度和从 0 . 1 s 到年际甚至更长时间尺度的大气运动不仅全球气候变化对生 态环境和水资源的影响以及它们对全球气候的反馈作用通过陆面过程来实现 而且人类活动 对自然界的干预和强迫也通过陆面过程的传递而变得更加深刻而广泛 比如 一些地方的森 林和草场退化虽然表面上看只是地表植被状况的恶化 事实上这一变化将会通过陆面过程调 整大气环流形势进而严重影响到的气候和水资源特征 目前 对气候系统各种物理过程以及物质能量运动规律的研究有不少是通过气候模式的 模
4、拟来完成 并且人们还寄希望于用气候系统模式来预测未来气候和环境的变化趋势 然而 气候系统模式的发展水平至今还不能完全达到人们的实际需要和要求 所以 近几十年来发 收稿日期2 0 0 4 - 0 2 - 1 6 修回日期2 0 0 4 - 0 7 - 0 2 基金项目国家重点基础研究发展规划项目 我国重大气候和天气灾害形成机理和预测理论的研究 编 号 G 1 9 9 8 0 4 0 9 0 4 2国家自然科学基金项目利用现有观测资料确定西北干旱区陆面过程参数 ( 编号 4 0 1 7 5 0 0 4 ) 资助 第一作者简介张 强1 9 6 5男汉族甘肃靖远人研究员博士生导师主要从事大气边界层 陆
5、面过程绿洲气象学中尺度数值模拟和城市大气环境等领域的研究 E - mail: zhangq .qzhang 2 展和改进数值模式的工作就一直没有停止过 随着计算能力的迅速提高 如今发展和改进模 式的主要方向已由过去克服计算能力的限制转到了完善物理过程和各圈层的耦合方面 D i c k i n s o n 1 曾在美国国家地球物理国际协会报告中指出改进和完善与大气模式相耦合的 陆面过程模式是提高大气模式模拟和预报能力的两个主要方面之一 H e n d e r s o n - S e l l e r s 等 2 对国际上比较流行的2 5 个陆面过程模式的对比试验也表明: 陆面过程模式之间的不一致性
6、 很大 它们之间表面感热和潜热通量的平均差别大约高达 1 7 W / m 2 目前的陆面过程参数方案 对地表热量平衡和辐射平衡的估算并不理想 3 这种地表通量的不确定性对大气模式计算结 果的影响将是非常可观的 4 全球干旱荒漠地区包括沙漠干旱和半干旱草地占到陆地表面的 1 / 4 几乎分布于 各大洲是具有全球性的陆面类型在我国干旱和半干旱地区约占到国土面积的 4 0 % 5 几 乎占去半壁江山 干旱荒漠地表有着特殊的陆面物理过程 该类型地表的陆面过程对全球气 候和大气环流的贡献都十分明显 我国西北干旱区沙漠戈壁面积广泛 该地区的陆面过程无 疑对我国季风环流和西北干旱气候的形成有着深刻的影响 并
7、且在沙尘暴等西北主要灾害性 天气的发生和发展过程中也扮演着重要角色 所以对西北干旱荒漠区陆面过程的研究在我国 目前的地球科学研究领域显得相当重要 目前 陆面过程模式中参数的给定还有相当的随意性 通过野外观测试验研究加深对陆 面过程物理规律的认识 尤其是确定出更符合实际的陆面参数是改进和完善陆面过程模式的 重要方面在国际上荒无人迹的干旱区和高寒地区由于资料稀少对其陆面过程物理规律 的认识还比较有限 大部分陆面参数也未能很好地确定 甚至部分参数还根本没有任何观测 依据 最早在我国开展的干旱区陆面过程试验是 1 9 8 8 年1 9 9 2 年中日两国合作在我国西北干 旱区的甘肃黑河流域进行的黑河地
8、区地气相互作用野外观测试验研究 6 它也是国际上 首次干旱区陆面过程观测试验 受到了国家自然科学基金委员会和中国科学院以及日本文部 省的大力支持 那次试验对西北干旱区陆面过程提出了一些新的理解和认识7 11 但从整体 研究结果看 那次试验的主要研究结果集中在对荒漠和绿洲等不同下垫面陆面过程特征的描 述和荒漠与绿洲相互作用过程的分析 而对大气数值模式所需要的这一区域网格上陆面过程 参数化方案的研究则明显不足 1 试验方案 中国国家科技部首批启动的国家重点基础研究发展规划项目之一我国重大气候和 天气灾害形成机理和预测理论的研究 项目在我国气候形成和演变起关键作用的区域规划了 陆上和洋面两大野外试验
9、 其中在跨甘肃和青海两省的西北广大干旱和高寒地区开展了 西 北干旱区陆气相互作用野外观测试验The Field Experiment on Interaction between Land and Atmosphere in Arid Region of Northwest China, NWC-ALIEX”12 14 如图 1 所示该试验 在甘肃的敦煌和临泽以及青海的五道梁各设有一个常年微气象观测站该试验从 2000 年 5 月开始计划 2004 年结束为期 5 年 图 1 西北干旱区陆气相互作用野外观测试验F E I L A R N C 观测站的地理分布图 Fig. 1 The sketc
10、h map of geographic location and environment of “Field Observational Experiment on Land-Atmosphere Interaction in the Arid Region of Northwestern China” in Dunhuang 敦煌观测站在塔克拉马干沙漠的东端位于 4010N 和 9431E海拔 1150 米 该地区干旱少雨地表干燥年平均降水大约为 39mm但蒸发力极强其年蒸发潜力高达 3 3400mm温度日较差较大白天有记录的最高地表温度接近 60有记录的最高气温高达 43.6最低气温曾达-
11、28.5天空少云太阳辐照强日照充分无霜期长度 178 天该 地区多风为沙尘暴多发区之一由于其盆地地形大尺度盛行西风在其西侧安西县境内受 阻回旋所以该地区主要以东风为主东风一般占到 50以上临泽观测站在巴丹吉林沙 漠南缘位于 3926N 和 10012E海拔 1391m也属于干旱气候区其年平均降 水量在 150mm 左右 五道梁观测站在青海和西藏分界处的昆仑山上 位于 3513N 和 93 0E海拔 4612m属于高寒气候区有常年的冻土带存在 图 2 敦煌核心试验区三个观测站分布示意图 Fig.2 the distribution map of three observational stati
12、ons at core experiment zone in Dunhuang 表 1 传感器的型号和性能概况 Table 1. The Specifications and Performances of the Sensors 传感器 型 号 产地厂家 主要技术指标 铁塔风向计 FXI 中国 天津气象 仪器厂 1 . 0 铁塔风速计 1 0 2 2 8 美国 Belfort 风速范围0.21 . 3 m / s 2 2 . 0 m / s 5 1 . 0 m / s 精度值0 . 1 1 m / s , 0 . 2 2 m / s , 0 . 5 5 m / s 铁塔气温度 计 T h e
13、 r m a f i l m 1 0 0 W 3 0 英国 M a t h e y e l e c t r o n i c 铂电阻灵敏度0.385/ 响应时间3 s 精度0 时0 . 0 50 . 0 8 标定误差0 .1 铁塔气湿度 计 H M P 3 5 A 芬兰 V a i s a l a 湿敏电容测湿范围0 1 0 0 % RH 精度2%RH(09 0 % R H , + 2 0 ) 3%RH(90%1 0 0 % R H , + 2 0 ) 土壤温度计 P t 1 0 0 / A 中国自加工 精度: 0 .1 土壤湿度计 TDT 美国 出厂精度1 % 通过订正温度梯度精度达到 0 .
14、 1 % 土壤热流板 C N - 8 1 日本 E K O 导电率= 0 . 2 3 W-1 - 1 短波辐射计 M R - 2 1 日本 E K O 精度3% 红外辐射计 P I R 美国 E p p l e y 精度1% 净辐射计 C N - 1 1 日本 E K O 精度3% 超声风温计 K a i j o - D e n k i D A T - 3 0 0 日本 红外湿度计 K a i j o - D e n k i A H - 3 0 0 日本 最大估计误差在 2 0 % 内 小球气压计 中国 精度0 . 1 H P A 小球温度计 中国 精度0 . 4 小球湿度计 中国 精度3 %
15、 R H 测风雷达 中国 精度风速是1m / s 风向是 0 . 6 4 系留气球风杯 中国 精度0 . 5 - 1m/s 系留气球干湿 温度计 中国 精度0 . 4 甘肃敦煌是该试验的核心试验区 在该核心区除了在敦煌绿洲西面的双墩子戈壁上设置 了一个与临泽和五道梁一样的微气象观测站而外还在绿洲内设置了 PAM (Portable Atmospheric Mosonet) 站在绿洲西部靠近戈壁的过渡带设立了自动气象站它们的分布如 图 2 所示 敦煌绿洲西侧的双墩子戈壁观测点距敦煌绿洲边缘的最近距离大约为 7km 其距 偏南方的鸣沙山大约 2030km 同时该试验还于 2000 年 5 月 25
16、 日至 6 月 17 日和 2002 年 8 月 10 日至 9 月 10 日在这个核心区进行了两个加强观测期 IOP第一个加强期 2000 年 5 月 25 日至 6 月 17 日 在双墩子戈壁观测点上增加了超声脉动观测和系留气球观测 在 敦煌绿洲观测点上增加了小球探空观测第二个加强期2002 年 8 月 10 日至 9 月 10 日 除与第一个加强期同样的观测项目外 还在敦煌绿洲北面稀疏植被区增加了一个超声脉动观 测点(并配备有空气温度空气湿度地表红外辐射温度土壤温度土壤湿度土壤热通 量 辐射等气象要素观测) 以及配合卫星过境在双墩子戈壁周围 100 km 空间尺度上进行的 流动地表对照观测 该试验的观测项目非常丰富 包括加强观测试验在内 在双墩子戈壁微气象观测点的观 测项目主要包括铁塔的风温湿梯度观测地表各辐射分量观测地表和土壤温度观测 土壤空隙的气湿观测, 土壤湿度观测( 2 0 0 0 年 8 月 1 9 日起) 和土壤热流量观测 还有超声观 测的风温湿脉动量系
