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南极冰盖地表能量平衡的研究进展

极地研究 2021年第1期33卷 99-114页

作者：杨堤益丁明虎邹小伟浙江省海宁市气象局浙江海宁314400 中国气象科学研究院青藏高原与极地气象科学研究所北京100081

南极冰盖地表能量平衡研究,是耦合冰冻圈、大气圈和水圈过程的基础之一,对了解冰盖表面物质平衡过程、提升极地天气气候预报水平有着极其重要的意义。随着近年来极地观测水平的提升,南极冰盖地表能量平衡研究取得了长足的进步,特别是在... 详细信息

南极冰盖地表能量平衡研究,是耦合冰冻圈、大气圈和水圈过程的基础之一,对了解冰盖表面物质平衡过程、提升极地天气气候预报水平有着极其重要的意义。随着近年来极地观测水平的提升,南极冰盖地表能量平衡研究取得了长足的进步,特别是在辐射参数化和有效热传导系数模拟等方面。但在南极广袤的地域和多样的天气条件下,已有的研究大都适用于局地环境,限制了我们的模拟和预测能力。因此,适用于极地特殊环境的传感器的研发、关键气候区的科学试验的开展和基础的气象站网建设,能加深我们对冰/雪-气相互作用过程的理解,进而改进已有的参数化方案,应用于多圈层模式的耦合。

关键词：地表能量平衡研究进展南极冰盖

基于地表能量平衡的厦门岛城市功能区人为热排放分析

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地球信息科学学报 2018年第7期20卷 1026-1036页

作者：刘嘉慧赵小锋林剑艺中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 浙江省地理信息中心杭州310012

人为热排放不仅是城市热岛形成的重要因子,而且是与能源消耗密切相关的指标,对其大小和变化特征进行分析有利于减缓城市热岛与节能减排。本文以厦门岛为研究区,利用2009年多时相的Landsat TM影像和地表能量平衡模型反演出不同季节的人... 详细信息

人为热排放不仅是城市热岛形成的重要因子,而且是与能源消耗密切相关的指标,对其大小和变化特征进行分析有利于减缓城市热岛与节能减排。本文以厦门岛为研究区,利用2009年多时相的Landsat TM影像和地表能量平衡模型反演出不同季节的人为热排放,在此基础上结合IKONOS影像解译的城市功能区,分析不同类型城市功能区人为热排放的时空变化特征。结果表明:不同类型城市功能区的人为热排放均在夏季达到最大,春季最小;工业区的人为热排放一直高于其他类型的城市功能区;工业区人为热排放高值区主要集中厦门岛西部传统的重点工业区,交通区人为热排放高值区的空间分布与厦门岛"三纵四横"的交通干线分布格局相吻合,居住区人为热排放高值区主要集中在旧城区,商业及公共设施区人为热排放高值区主要集中在单体建筑大的商圈和公共设施;总体上厦门岛西部的人为热排放比东部要高。这种时空分布的差异性与用地类型、人口数量与经济发展程度密切相关,而且建筑物的密度、高度和下垫面的材料通过影响其他地表通量来改变人为热排放的大小。通过分析不同城市功能区人为热排放的时空变化特征,可以从更微观的角度理解城市热环境和能源利用现状,为促进城市可持续发展提供理论依据。

关键词：人为热排放时空变化城市功能区地表能量平衡厦门岛

不同城市冠层模式对城市地表能量平衡模拟能力的检验

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南京大学学报（自然科学版） 2018年第3期54卷 637-654页

作者：李聪元杨帆张宁南京大学大气科学学院南京210023

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气... 详细信息

城市地表能量平衡过程是城市大气边界层数值模式的关键过程之一,但对目前不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少.利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式(Single Layer Urban Canopy Model,SLUCM)、局地气象参数化方案(Local-scale Urban Meteorological Parameterization Scheme,LUMPS)、城市能量和水平衡方案(Surface Urban Energy and Water Balance Scheme,SUEWS)以及公用陆面模式城市参数化方案(the Community Land Model Urban,CLMU)这四个模式的模拟结果进行对比分析.分析表明:(1)在能量平衡各项中,各模式对于净辐射的模拟颇好,其均方根误差普遍低于感热项的50%,潜热和储热项模拟较差.(2)各模式对净辐射均有低估,其中SLUCM模式模拟最佳,全年平均偏差约7.7%,其均方根误差10~20Wm-2左右;对于感热通量,SUEWS模式模拟较好,日间偏差低于7%;对于潜热通量,则是CLMU模式更佳,特别是夏秋冬三季,平均偏差约12.5%;对于储热项,SLUCM模拟较优,偏差低于10%,各季均方根误差也普遍低于其他模式的50%.(3)各模式普遍表现为:秋冬两季模拟优于春夏两季,夜间模拟比日间更佳.比较结果为数值模拟中城市冠层模式的选取与改进提供了参考依据.

关键词：城市冠层模式地表能量平衡数值模拟模式检验

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HJ-1卫星数据估算地表能量平衡

遥感学报 2014年第5期18卷 1048-1058页

作者：矫京均辛晓洲余珊珊周倜彭志晴中国科学院遥感与数字地球研究所遥感国家重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

利用遥感数据估算和监测地表能量平衡的研究和应用一直以来都是学术探索的前沿和焦点,目前针对国际主流卫星数据(如MODIS,Landsat TM等)的算法研究有很多,且在不同的尺度上发展了一系列遥感技术和应用方法。本文以环境一号卫星(HJ-1)数... 详细信息

利用遥感数据估算和监测地表能量平衡的研究和应用一直以来都是学术探索的前沿和焦点,目前针对国际主流卫星数据(如MODIS,Landsat TM等)的算法研究有很多,且在不同的尺度上发展了一系列遥感技术和应用方法。本文以环境一号卫星(HJ-1)数据为主要数据源,研究和分析了地表能量平衡遥感估算方法。在下行短波和长波辐射,以及地表净辐射估算的基础上,重点研究了地表显热和潜热通量(蒸散)的估算方法,针对辐射温度代替空气动力学温度所引起的误差校正,对比分析了基于KB-1系数的热力学粗糙度长度,以及附加阻抗两种方法。使用2010年HJ-1B数据反演得到海河流域地表能量平衡各分量瞬时值,利用3个地面站点的测量数据对反演结果进行验证和误差分析。结果表明下行短波辐射的反演误差是地表净辐射反演误差的主要来源,地表温度的反演精度以及地表粗糙度的模拟精度是影响显热通量反演精度的主要因素。利用两种方法估算的显热通量趋势基本一致,但KB-1系数法的反演结果一般低于附加阻抗法。在下垫面较为复杂的区域,模型结果误差较大,需要更加精细的模型以刻画地表非均匀性的影响。

关键词： HJ-1B卫星地表能量平衡地表蒸散地表粗糙度阻抗

Analysis of observations on the urban surface energy balance in Beijing

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Science China Earth Sciences 2012年第9期55卷 1881-1890页

作者： MIAO ShiGuang DOU JunXia CHEN Fei LI Ju LI AiGuo Institute of Urban Meteorology China Meteorological AdministrationBeijing 100089China National Center for Atmospheric Research BoulderCO 80307-3000USA Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of SciencesBeijing 100029China

1 年(20092010 ) 大小从在一个 325-m 塔的三垂直的层位于闹市区北京的传感器获得的城市的表面精力平衡(SEB ) 被分析。结果显示出那：(1 ) 从 325-m 塔的大小代表位于半潮湿的温暖适度的大陆人季风气候地区的城市的 SEB 特征。在典型... 详细信息

1 年(20092010 ) 大小从在一个 325-m 塔的三垂直的层位于闹市区北京的传感器获得的城市的表面精力平衡(SEB ) 被分析。结果显示出那：(1 ) 从 325-m 塔的大小代表位于半潮湿的温暖适度的大陆人季风气候地区的城市的 SEB 特征。在典型热、多雨的夏天，感冒和干燥冬季，测量鲍恩比率在冬季在夏天和最大值是最小的。在 140 m 测量春天，夏天，秋天，和冬季的鲍恩比率分别地是 2.86， 0.82， 1.17，和 4.16。(2 ) 在 140-m 的高度(在经常的流动层) ，中午反照率是 0.10 夏天， 0.12 为春天和秋天，并且 0.14 为冬季。白天的比率理智的热流动，潜伏的热流动，和捕捞放射的存储热流动是 0.25， 0.16，和 0.59 清楚天空的天，并且 0.33， 0.19，和 0.48 为多云的天分别地。(3 ) 在清楚天空的天下面，夜间理智的热流动是几乎零，但是潜伏的热流动比零大。为多云的天，夜间理智的热流动比在冬季的潜伏的热流动稍微大。向上的热流动是的夜间大概由于人为的版本(为夏天的主要潜伏的热，当时为冬季的潜伏、理智的热) 。

关键词：地表能量平衡观测分析城市北京感热通量潜热通量测量分析季风气候区

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毛乌素湖盆滩地浅埋地下水位下降对近地表温度及地表能量平衡的影响

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毛乌素湖盆滩地浅埋地下水位下降对近地表温度及地表能量平衡的影...

作者：肖平长安大学

学位级别：硕士

毛乌素湖盆滩地位于干旱半干旱地区,属温带季风气候。近年来,随着地下水资源过度开采、畜牧业扩张和人口数量增长,该区面临着区域地下水位下降、生态环境恶化和土壤荒漠化等问题。研究毛乌素湖盆滩地地下水位下降对近地表温度与地表能... 详细信息

毛乌素湖盆滩地位于干旱半干旱地区,属温带季风气候。近年来,随着地下水资源过度开采、畜牧业扩张和人口数量增长,该区面临着区域地下水位下降、生态环境恶化和土壤荒漠化等问题。研究毛乌素湖盆滩地地下水位下降对近地表温度与地表能量平衡是对气候演化规律与地下水环境的有利补充,研究成果对于该区域地下水资源的开发利用与生态环境的保护具有重要的科学与实践意义。本文以毛乌素湖盆滩地植被冠层到地下水位剖面作为研究对象,以渗流理论、土壤水动力学和土壤物理学等基本理论为指导,采用原位数据监测、室内试验、数理统计分析和数值模拟等技术手段与方法,分析了研究区土壤水分和土壤温度变化特征及近地表温度和地表能量平衡的影响因素,利用构建的水分、热量耦合模型,探讨了在季节和昼夜时间尺度上地下水位埋深对近地表温度和地表能量平衡组分的影响,并确定影响埋深边界。得出主要结论如下:（1）典型天气（阴天和雨天）土壤温度的日变化幅度较小,测深达到87cm时,土壤温度基本保持不变;剖面土壤温度随季节的变化呈正弦特征,不同测深温度峰值出现的时间存在滞后现象,其中测深10cm和20cm比测深5cm分别滞后2h和4h;研究区测深0-40cm为水势剧烈变化带,测深40-87cm为水势季节变化带,测深87cm以下为水势稳定带;气象要素、地下水位埋深和植被覆盖是影响剖面土壤温度变化的重要因素。气象要素的影响程度随着测深的增加而逐渐减小;地下水在夏季降低地表温度,在冬季增加地表温度;植被能够降低土壤温度的变化幅度。（2）使用SHAW模型模拟,结果表明各测点含水量、土壤温度和总的蒸发量的模拟值与实测值的变化趋势一致,且误差在一定范围模型基本满足适用性要求。（3）基于SHAW模型模拟结果,地下水位埋深变化对近地表温度及地表能量平衡的影响的根本原因是改变了剖面土壤的含水率分布。地下水位下降,净辐射通量和潜热通量变小;感热通量在冬季,随着地下水位埋深变大而减小,在夏季,则明显增大;土壤热通量在冬季,随着地下水位埋深变大减小,在夏天,则可能增大。（4）冬季无雨日和夏季湿润日地下水位埋深的变化对地表温度、湿度、净辐射通量、潜热通量、感热通量和土壤热通量的影响都较小,区别在于冬季无雨日太阳辐射低,而夏季湿润日潜热蒸发所需要的水分得到满足。（5）在研究区风积沙土壤介质下,地下水位埋深对近地表温度及地表能量平衡影响范围的上边界确定为0.2m,其下边界为1.8m。

关键词：浅埋水位水热耦合模型近地表温度地表能量平衡毛乌素湖盆滩地

土地覆被变化过程中叶面积指数与降水量对地表能量平衡的贡献——基于SiB2的模拟结果

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地理研究 2014年第7期33卷 1264-1274页

作者：刘凤山陶福禄肖登攀张帅王猛张贺柏会子中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049 河北省科学院地理科学研究所石家庄050011

土地覆被变化过程中,叶面积指数(LAI)是地表能量平衡重要的影响因素,且与降水等多种因素存在交互作用。以2003年中国东北地区农田、森林和草地三种覆被类型和三种LAI月变化过程为研究对象,着重分离出土地覆被变化过程中LAI对地表能量平... 详细信息

土地覆被变化过程中,叶面积指数(LAI)是地表能量平衡重要的影响因素,且与降水等多种因素存在交互作用。以2003年中国东北地区农田、森林和草地三种覆被类型和三种LAI月变化过程为研究对象,着重分离出土地覆被变化过程中LAI对地表能量平衡的作用,认清覆被和LAI变化对地表能量平衡的相对作用。利用SiB2模型研究不同降水条件下土地覆被和LAI变化对地表能量平衡的影响。结果表明:①覆被变化对净辐射的影响最大,年均14.5W?m-2左右。②LAI主要改变净辐射对潜热和显热的分配,对农田和草地而言,LAI增加明显提高(减小)潜热(显热)分配比例;对森林而言,LAI对潜热和显热分配的影响较弱。③降水对净辐射的分配起重要作用,降水增加,潜热增加。④表层土壤水分受降水和LAI调控,与潜热有相反的变化趋势。

关键词： LAI 地表能量平衡土地利用和覆被变化 SiB2 土壤水分潜热

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城市扩张对地表能量平衡的影响:以厦门为例

环境科学与技术 2018年第S1期41卷 336-344页

作者：刘嘉慧赵小锋林剑艺中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建厦门361021 中国科学院大学北京100049 浙江省地理信息中心浙江杭州310012

城市扩张与城市地表能量平衡的关系是研究城市气候的关键问题之一。该研究利用2000、2005、2011和2015年4期Landsat数据和对应卫星过境时刻的气象数据,借助土地利用转移矩阵方法,开展了厦门市近15年来城市扩张对地表能量平衡影响的分析... 详细信息

城市扩张与城市地表能量平衡的关系是研究城市气候的关键问题之一。该研究利用2000、2005、2011和2015年4期Landsat数据和对应卫星过境时刻的气象数据,借助土地利用转移矩阵方法,开展了厦门市近15年来城市扩张对地表能量平衡影响的分析。结果表明:(1)研究区近15年来耕地数量持续减少,林地和建设用地数量持续增加;裸地最容易变为其他土地利用类型,同时其他土地利用类型也最容易撂荒;建设用地主要由耕地转化而来,耕地主要转化为林地和建设用地。(2)地表通量的分布和大小与土地利用类型密切相关,其中水体和林地具有较高的净辐射和潜热通量,建设用地具有较高的显热通量、土壤热通量和人为热排放。(3)城市扩张引起地表反照率、地表粗糙度、热容量和透水能力等等的变化,使得潜热通量减少,而显热通量、土壤热通量和人为热排放增加。除了裸地以外,2000-2015年间其余4种土地利用类型变为建设用地时,净辐射是减少的。当裸地变为建设用地时,净辐射一直是增加的。

关键词：地表能量平衡城市扩张土地利用转移矩阵厦门市

南京大学仙林校区SORPES站地表能量平衡与地气交换特征

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南京大学仙林校区SORPES站地表能量平衡与地气交换特征

作者：姜啸峰南京大学

学位级别：硕士

本文利用南京地区2012年仙林SORPES观测站和2013年溧水观测站的涡动相关观测数据,分析了南京地区复杂下垫面和草地下垫面的地表能量平衡,能量闭合情况,地气交换特征以及近地层特征。地表能量平衡特征方面,分析了湍流通量和辐射通量的时... 详细信息

本文利用南京地区2012年仙林SORPES观测站和2013年溧水观测站的涡动相关观测数据,分析了南京地区复杂下垫面和草地下垫面的地表能量平衡,能量闭合情况,地气交换特征以及近地层特征。地表能量平衡特征方面,分析了湍流通量和辐射通量的时间分布和垂直高度上的分布。闭合状况分析方面,运用多种统计方法对能量平衡特征进行了分析,对仙林SORPES观测站和溧水观测站的能量平衡闭合状况进行了综合评价,给出了能量平衡闭合程度的时间变化和各物理量对闭合程度的影响。地气交换特征方面,利用仙林站塔上的通量数据,分析了湍流通量(动量通量,感热通量,潜热通量)在近地层的时空分布。同时,对二氧化碳通量(CO2)的时空分布特征和影响因素进行了分析。近地层分析部分,评估了相似理论通量-梯度关系在复杂下垫面下的适用性,并进行了局地化。另外,对夜间边界层内的湍流特征在HOST(Hockey-Stick Transition)假设的基础上进行了分析,讨论了仙林站的HOST特征。研究表明:(1)仙林SORPES站的观测结果代表了南京地区亚热带季风气候的地表能量特征,即夏季炎热多雨,波文比(即感热通量与潜热通量的比值)最小,冬季寒冷干燥,波文比最大。(2)仙林站的观测存在能量不闭合,白天能量平衡比率EBR为0.72,夜间为0.32;在晨昏转化期间EBR由于相位差存在跳变。相较于深水均匀平坦下垫面,仙林站复杂下垫面的能量闭合情况类似。(3)所有的湍流通量,除潜热通量外,均表现出25m和50m的差异较小,而与3m的差异较大的现象,表明25m和50m在惯性子层,3m在粗糙子层。也就是说在该复杂下垫面下的近地层结构类似于城市下垫面,存在粗糙子层的。(4)在该复杂下垫面下,近地层摩擦速度随着高度增加,感热通量随着高度减小,潜热通量上下层差异较小,二氧化碳通量绝对值随着高度减小;同时,复杂下垫面不同来向的风会导致不同的通量特征,源区不同,对应的地气交换特征也会发生相应变化。(5)3m的通量数据往往只能反映局地情况,25m和50m则更能反映区域情况。在复杂下垫面下近地层结构复杂,需要多层观测,才能全面反映近地层的特征。(6)该复杂下垫面的动量通量梯度关系基本满足局地相似关系,与城市粗糙子层中的结果一致,在稳定条件下远低于均匀下垫面下的经典结果。(7)不同高度的零平面位移是不一致的,靠近地面的3m层所受影响主要来自观测场,此时的零平面位移直接使用冠层动力学参数来估计是偏高的。(8)仙林站夜间近地层湍流强度与风速之间存在HOST特征,进一步印证了 HOST假设的普遍性;同时临界风速随高度增加,且与下垫面性质有关。该复杂下垫面下的临界风速低于均匀平坦下垫面。

关键词：地表能量平衡能量闭合涡动相关地气交换 CO2通量相似理论