黃河源陸面過程觀測與模擬

目錄
前言
第1章　黃河源區(qū)氣候變化特征　1
1.1　黃河源區(qū)基本概況　1
1.2　黃河源區(qū)氣候與環(huán)境特征　2
1.2.1　氣候特征　2
1.2.2　蒸散發(fā)　3
1.2.3　凍土　5
1.2.4　積雪與冰川　6
1.3　生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展　7
1.4　小結(jié)　9
參考文獻(xiàn)　9
第2章　黃河源區(qū)陸面過程觀測試驗(yàn)與模式介紹　12
2.1　黃河源區(qū)不同下墊面觀測網(wǎng)絡(luò)介紹　12
2.2　模式介紹　15
2.2.1　公共陸面模式CoLM　15
2.2.2　通用陸面過程模式CLM　18
2.2.3　中尺度區(qū)域天氣模式WRF　21
參考文獻(xiàn)　24
第3章　湍流資料處理與分析　26
3.1　渦動(dòng)相關(guān)通量資料處理與質(zhì)量控制　26
3.1.1　通量的計(jì)算　26
3.1.2　渦動(dòng)相關(guān)法通量資料處理與質(zhì)量控制　26
3.1.3　小結(jié)　42
3.2　湍流資料的質(zhì)量評價(jià)及通量方差法的應(yīng)用　43
3.2.1　譜相似性　44
3.2.2　湍流能譜　46
3.2.3　湍流協(xié)譜　47
3.2.4　湍流譜局地各向同性　48
3.2.5　方差相似性　49
3.2.6　通量方差法對湍流通量的估算　51
3.2.7　垂直速度與標(biāo)量的相關(guān)系數(shù)　53
3.2.8　通量方差法對感熱通量的估算　54
3.2.9　通量方差法對潛熱通量的估算　55
3.2.10　通量方差法對二氧化碳通量的估算　58
3.2.11 小結(jié)　60
3.3　湍流統(tǒng)計(jì)特征及其參數(shù)　61
3.3.1　湍流統(tǒng)計(jì)特征　61
3.3.2　零平面位移與動(dòng)力學(xué)粗糙度　66
3.3.3　地表通量的“印痕”分析　68
3.3.4　小結(jié)　70
3.4　地表氣象要素季節(jié)變化特征　70
3.4.1　氣象要素的季節(jié)變化　71
3.4.2　輻射收支的季節(jié)變化　73
3.5　地表能量水分輸送特征　74
3.5.1　輻射平衡及地表反照率　75
3.5.2　土壤水熱特征　77
3.5.3　能量平衡季節(jié)變化特征　80
3.5.4　土壤水熱特征參數(shù)確定　83
3.5.5　小結(jié)　85
3.6　地表能量通量的數(shù)值模擬　86
3.6.1　瑪曲地表能量通量的數(shù)值模擬　86
3.6.2　地表參數(shù)在CoLM中的應(yīng)用　91
3.6.3　小結(jié)　95
參考文獻(xiàn)　95
第4章　黃河源區(qū)凍土凍融過程地表水熱及能量平衡觀測及模擬研究　102
4.1　黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡觀測研究　102
4.1.1　黃河源區(qū)凍融期的地表水熱特征　102
4.1.2　黃河源區(qū)季節(jié)性凍土凍融過程及地表能量收支　110
4.2　CLM對黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡模擬檢驗(yàn)與對比　121
4.2.1　模式凍融參數(shù)化方案簡介及資料說明　123
4.2.2　土壤凍融時(shí)間的模擬　123
4.2.3　土壤含水量、含冰量的模擬　124
4.2.4　土壤溫度的模擬　126
4.2.5　積雪覆蓋率與雪深模擬結(jié)果分析　128
4.2.6　誤差分析　129
4.2.7　小結(jié)　130
4.3　黃河源區(qū)瑪曲草地站點(diǎn)凍融期土壤溫濕度的模擬與改進(jìn)　131
4.3.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)　131
4.3.2　土壤含水量、含冰量的模擬　133
4.3.3　土壤溫度的模擬　134
4.3.4　模擬誤差分析　136
4.3.5　小結(jié)　137
4.4　黃河源區(qū)土壤凍融對陸面過程的影響模擬研究　137
4.4.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)　137
4.4.2　凍融過程對土壤含水量和土壤溫度的影響模擬　138
4.4.3　凍融過程對地表能量的影響模擬　138
4.4.4　小結(jié)　140
4.5　CLM土壤水屬性參數(shù)化方案在黃河源區(qū)凍融期模擬能力檢驗(yàn)　140
4.5.1　CLM模式土壤水屬性參數(shù)化方案　141
4.5.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及模式設(shè)置　142
4.5.3　土壤液態(tài)水含量模擬　143
4.5.4　土壤溫度模擬　145
4.5.5　各凍融階段土壤溫度模擬　148
4.5.6　地表能量通量模擬　151
4.5.7　小結(jié)　153
4.6　基于青藏高原土壤水熱模擬的參數(shù)化方案改進(jìn)及驗(yàn)證　154
4.6.1　土壤有機(jī)質(zhì)及導(dǎo)熱率參數(shù)化方案改進(jìn)及驗(yàn)證　154
4.6.2　凍融時(shí)間模擬　157
4.6.3　土壤溫度及導(dǎo)熱率模擬　158
4.6.4　土壤液態(tài)水含量模擬　162
4.6.5　地表能量通量模擬　165
4.6.6　小結(jié)　167
參考文獻(xiàn)　168
第5章　黃河源區(qū)積雪對土壤凍融過程的影響　171
5.1　資料及模式介紹　171
5.1.1　觀測資料介紹　171
5.1.2　MODIS積雪產(chǎn)品介紹　173
5.1.3　CLM模式強(qiáng)迫資料介紹　174
5.2　黃河源區(qū)積雪對土壤不同凍融階段溫濕變化的影響　176
5.2.1　土壤凍融階段劃分及有無雪的判斷　176
5.2.2　整個(gè)土壤凍融期土壤溫濕度變化規(guī)律分析　177
5.2.3　積雪對土壤不同凍融階段溫濕度變化的影響　178
5.2.4　晴天無雪和晴天有雪土壤日溫差比較　185
5.2.5　土壤凍融期和主要降雪期土壤溫濕變化對比　186
5.2.6　小結(jié)　187
5.3　黃河源區(qū)多雪年和少雪年土壤凍融過程及水熱分布對比研究　188
5.3.1　多雪年和少雪年的選取　188
5.3.2　多雪年和少雪年積雪分布　189
5.3.3　多雪年和少雪年氣溫和地表溫度對比　190
5.3.4　多雪年和少雪年土壤凍融時(shí)間對比　191
5.3.5　多雪年和少雪年地表土壤熱通量變化對比　192
5.3.6　多雪年和少雪年土壤水熱分布對比　193
5.3.7　小結(jié)　195
5.4　黃河源區(qū)不同積雪覆蓋條件下土壤凍融過程模擬　195
5.4.1　模擬性能檢驗(yàn)　195
5.4.2　敏感性實(shí)驗(yàn)　200
5.4.3　小結(jié)　204
參考文獻(xiàn)　205
第6章　黃河源區(qū)積雪反照率遙感和模式產(chǎn)品評估與積雪參數(shù)化方案發(fā)展　207
6.1　引言　207
6.2　研究數(shù)據(jù)和方法　208
6.2.1　研究數(shù)據(jù)　208
6.2.2　研究方法　211
6.3　GLASS、MODIS和GlobAlbedo地表反照率產(chǎn)品精度評估　212
6.3.1　數(shù)據(jù)處理　212
6.3.2　結(jié)果分析　212
6.3.3　特殊天氣條件下的地表反照率　220
6.4　CMIP5模式模擬的地表反照率評估　223
6.4.1　數(shù)據(jù)處理　223
6.4.2　結(jié)果分析　223
6.5　Noah-MP的積雪反照率參數(shù)化方案改進(jìn)　234
6.5.1　模式簡介及單點(diǎn)模擬驗(yàn)證　234
6.5.2　積雪反照率參數(shù)化方案改進(jìn)　236
6.5.3　積雪反照率參數(shù)化方案改進(jìn)后的模擬　241
6.6　小結(jié)與討論　247
參考文獻(xiàn)　249
第7章　基于野外觀測和MODIS產(chǎn)品的青藏高原湖泊冰面反照率研究　254
7.1　研究區(qū)域、野外觀測和數(shù)據(jù)　255
7.1.1　研究區(qū)域和野外觀測　255
7.1.2　數(shù)據(jù)　256
7.1.3　湖冰反照率參數(shù)化　257
7.1.4　LAKE2.0和FLake模型　258
7.2　結(jié)果分析　258
7.2.1　反照率的日循環(huán)　258
7.2.2　移動(dòng)反照率觀測　259
7.2.3　MODIS反照率產(chǎn)品評估　261
7.2.4　反照率參數(shù)化方案評估　262
7.2.5　青藏高原典型湖泊冰面反照率　264
7.2.6　冰反照率對湖泊模擬的影響　268
7.3　討論　271
7.3.1　觀測尺度的影響　271
7.3.2　MODIS產(chǎn)品的不確定性　272
7.4　小結(jié)　273
參考文獻(xiàn)　274
第8章　黃河源區(qū)陸面過程模式土壤礫石參數(shù)化研究　278
8.1　礫石對土壤水力屬性的影響　279
8.1.1　礫石對土壤孔隙度的影響　279
8.1.2　礫石對土壤礦物質(zhì)飽和導(dǎo)水率的影響　279
8.1.3　礫石對土壤水勢的影響　280
8.1.4　礫石對土壤容重的影響　280
8.1.5　不同礫石含量對土壤水特性的影響　280
8.2　礫石對土壤熱屬性的影響　281
8.2.1　礫石對土壤導(dǎo)熱率的影響　281
8.2.2　礫石對土壤熱容量的影響　282
8.2.3　不同礫石含量對土壤熱特性的影響　282
8.3　新方案敏感性實(shí)驗(yàn)　283
8.4　站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)介紹　284
8.5　新方案在那曲站的數(shù)值模擬檢驗(yàn)　287
8.5.1　土壤含水量模擬與觀測對比　287
8.5.2　土壤溫度模擬與觀測對比　290
8.6　新方案在瑪多草地站點(diǎn)的數(shù)值模擬檢驗(yàn)　293
8.6.1　瑪多草地站點(diǎn)土壤含水量模擬與觀測對比　293
8.6.2　瑪多草地站點(diǎn)土壤溫度模擬與觀測對比　295
8.7　小結(jié)　297
參考文獻(xiàn)　297
第9章　黃河源區(qū)陸面過程湖泊模式參數(shù)化研究　300
9.1　黃河源區(qū)鄂陵湖加強(qiáng)觀測實(shí)驗(yàn)概述　301
9.2　黃河源區(qū)湖泊表面水熱交換特征研究　303
9.2.1　觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制　303
9.2.2　非結(jié)冰期湖面的輻射與能量平衡特征　306
9.2.3　典型天氣事件對湖面能量收支的影響　311
9.2.4　凍結(jié)期冰面輻射與能量平衡特征　313
9.2.5　湖泊與陸地表面水熱交換特征的對比　313
9.3　黃河源區(qū)非均勻下墊面大氣邊界層過程研究　319
9.3.1　非凍結(jié)期湖面近地層不穩(wěn)定層結(jié)的成因　320
9.3.2　湖泊與陸地大氣邊界層結(jié)構(gòu)演變的差異　325
9.3.3　鄂陵湖地區(qū)大氣邊界層的模擬　331
9.4　湖泊氣候效應(yīng)研究　333
9.4.1　研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法　334
9.4.2　模式結(jié)果驗(yàn)證評估　336
9.4.3　湖泊對區(qū)域氣候的影響　337
9.4.4　湖泊對降水的影響　338
9.4.5　討論與結(jié)論　341
9.5　黃河源區(qū)湖泊模式參數(shù)化改進(jìn)研究　342
9.5.1　模式參數(shù)化所需數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制　342
9.5.2　輸送系數(shù)與粗糙度長度的計(jì)算方法　343
9.5.3　湖面粗糙度參數(shù)化方案介紹　345
9.5.4　鄂陵湖粗糙度與輸送系數(shù)分布特征　346
9.5.5　湖面粗糙度與輸送系數(shù)隨風(fēng)速的變化特征　348
9.5.6　現(xiàn)有湖泊模型中粗糙度參數(shù)化方案評估　353
9.5.7　新參數(shù)化方案的建立與驗(yàn)證　358
參考文獻(xiàn)　363
第10章　三江源國家公園氣候環(huán)境與生態(tài)評估　371
10.1　三江源國家公園基本概況　371
10.2　生態(tài)演變特征　372
10.2.1　草地　372
10.2.2　牧草生長狀況　373
10.2.3　草地固碳能力　375
10.2.4　湖泊　377
10.2.5　河流　377
10.2.6　積雪　378
10.3　生態(tài)安全事件　379
10.3.1　荒