青藏高原唐古拉多年冻土区地表粗糙度特征研究

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由全球变暖导致的青藏高原多年冻土区的退化,对青藏高原地气间热量和水分交换过程产生了显著的影响,成为当前科学领域研究的一个重要课题。多年冻土区下垫面上关键地表参数的研究是该课题研究中的重要内容,地表粗糙度是其中的关键地表参数之一。  地表粗糙度包括空气动力学粗糙度zom(Aerodynamic Roughness Length)、热力学粗糙度zoh(Thermal Roughness Length)或热传输附加阻尼kB-1。两者都是气象学中常用的重要参数,准确地描述和分析zom、zoh或附加阻尼kB-1的大小及其时空变化特征,是正确描述不同下垫面上水热通量变化、地气物质能量交换特征等的关键。  本文利用中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站布设在青藏高原腹地多年冻土区唐古拉综合观测场的气象梯度塔观测数据和涡动系统的观测数据,运用不同的计算方法对研究时段内的气象要素特征、地表粗糙度特征进行了研究,为唐古拉多年冻土区及其他多年冻土区的陆面过程模式和气候模式中的地表粗糙度参数化方案提供了可参考的依据。研究结果表明:  (1)研究时段内总辐射和净辐射月均最高值分别为321.3W/m2和140.9W/m2,月均最低值分别为160.9W/m2和14.2 W/m2。反射辐射月均最小值为38.3W/m2,最大值为109.8W/m2。月均地表反照率冬季大、夏季小;日变化表现为U型。  (2)该区年均气温为-4.5℃(2m),年均地温为-0.9℃(5cm),年均风速为4.2m/s(2m),年均相对湿度为49%(2m),年均比湿为3.10g/kg。年降水量为536mm,主要集中在5-9月。  (3)利用气象梯度法和无因次风速法计算得到的唐古拉多年冻土区的空气动力学粗糙度有明显的季节变化特征,即在夏秋季较大、冬春季较小,其中月均最大值在7月,月均最小值在12月,月均变化范围在4.1×10-3-7.4×10-3m之间。  (4)该空气动力学粗糙度zom的变化主要受到下垫面状况、风速、摩擦速度、大气层结稳定状况等的影响。下垫面有植被或者砾石覆盖、有一定的地形起伏时,空气动力学粗糙度较大;在白天不稳定层结状况下较大,在夜间稳定层结状况下较小,但是不同的下垫面状况有一定的差异性。  (5)受到地气温差、下垫面植被状况等因素的共同影响,附加阻尼具有明显的日变化特征,白天较大、夜间较小甚至为负值,反映了不同时段不同大气条件下动量传输和热量传输强度的不同。  (6)不同地区不同下垫面状况下,地表粗糙度呈现出明显的差异性,所以在利用地表粗糙度(zom、zoh或kB-1)计算或模拟不同地区的感热、潜热等能量变化状况时,应根据具体的下垫面状况和微气象要素特征得到准确的值,再做进一步的计算。  (7)通过多次拟合,得到该多年冻土区6-8月附加阻尼kB-1的参数化方案,并且进行了验证。但是这种参数化方案是否符合其他年份,还需要进一步分析。
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