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干旱半干旱区面积广阔，占到全球陆地面积的25％左右，是一种具有全球性的典型陆面类型，在各大洲几乎均有分布。中国约42％的陆地面积处于干旱半干旱区，主要分布在中国的西北地区。中国干旱半干旱区陆-气相互作用很强，是欧亚大陆感热通量最强的区域。研究表明，中国干旱半干旱区的陆-气相互作用对东亚季风系统影响显著，该区域的陆-气相互作用不仅对中国的气候环境造成直接的影响，而且间接地对东亚地区乃至全球的气候环境产生影响。深入研究中国干旱半干旱区地表能量通量及关键参数，理解该区域陆-气相互作用的机理及中国短期气候变化的影响机制，具有重要的科学意义。因此，对中国干旱半干旱区陆-气相互作用的研究具有重要的科学意义。由于该区域地形地貌下垫面情况复杂，导致该区域的陆-气相互作用相当复杂，目前对该区域陆-气相互作用过程及关键参数的认识非常不足，一些气候模式甚至缺乏该区域的关键参数，使得模式对该区域乃至东亚地区的气候模拟不准确。因此，中国干旱半干旱区陆面过程的研究还需进一步深入和加强。
本文利用中国干旱半干旱区典型下垫面的观测资料，分析干旱半干旱区分光辐射特征，对比研究干旱半干旱区不同下垫面的陆面过程特征，并发展了干旱半干旱区地表反照率双因子参数化方案，并利用WRF模式检验得到的特征参数和参数化方案的合理性。
本文主要研究结论如下:
(1)分光辐射方面，戈壁下垫面紫外波段辐射所占总辐射比例最小，平均约为4.5％，且所占比例一直比较稳定。其次是可见光波段辐射，比例平均约为42％，在总辐射中所占比例最大的是近红外波段辐射，平均比例为54.5％。这一实测结果与陆面过程参数化方案中给定的戈壁下垫面VIS和NIR各占50％不一致。戈壁下垫面典型晴天总辐射、紫外、可见光和近红外波段的平均地表反照率分别为0.29、0.13、0.27和0.31，农田下垫面典型晴天总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率分别为0.21、0.05、0.045和0.34。这说明，有植被存在时，地表对可见光和紫外波段辐射吸收的比例远高于戈壁下垫面，植被吸收可见光和紫外波段辐射能力较强，也与陆面过程参数化方案中给定的近红外波段地表反照率是可见光波段地表反照率的2倍不一致。
(2)在研究时段内（2012年1-12月），农田下垫面的年平均净辐射最大，其次是原生植被下垫面，戈壁下垫面年平均净辐射最小，分别为77.72、67.73和55.47W/m2，不同下垫面由于土壤性质和植被状况不同造成净辐射量值的差异。感热通量年平均最大的是戈壁下垫面，其次是原生植被和农田下垫面;而潜热通量相反，潜热通量年平均最大的是农田下垫面，其次是原生植被和戈壁下垫面。戈壁、原生植被和农田下垫面的年平均感热通量分别为85.7、37.59和27.55W/m2;年平均潜热通量分别为0、6.08和51.19W/m2。2010年1-12月观测试验期间，戈壁、原生植被和农田下垫面的年平均土壤热通量分别为1.00、0.82和-1.25W/m2。土壤热通量除受到净辐射的影响外，还有其它因素对土壤热通量造成影响。季节性冻土的融化吸热，造成土壤温度梯度的增大，从而增大了表层土壤向深层土壤传输的热通量。
(3)在研究时段内（2012年1-12月），就年平均地表反照率而言，戈壁下垫面最大，农田下垫面次之，原生植被下垫面最小，分别为0.24、0.21和0.18，除土壤湿度、太阳高度角等因子以外，下垫面有无植被覆盖以及冬季降雪过程均对地表反照率影响较大。原生植被下垫面年平均波文比约为3.29，农田下垫面年平均波文比较小，约1.06。戈壁、原生植被和农田下垫面年平均土壤热传导率分别为0.26、1.15和口1.20W·m-1·k-1。
(4)在研究时段内（2013年6月-2015年6月），戈壁下垫面7.5cm土壤深度的土壤热传导率和同层土壤湿度的相关系数达到0.82，农田下垫面5cm和20cm土壤深度的土壤热传导率与同层土壤湿度的相关系数分别为0.79和0.64，均通过了99％的显著性检验。土壤湿度的增大会使得土壤热传导率升高，下层土壤热传导率大于上层，主要是因为下层的土壤湿度大于上层的土壤湿度造成的。总辐射、紫外和可见光波段地表反照率与空气水汽含量呈负相关关系，近红外波段地表反照率与空气水汽含量呈正相关关系。地表反照率与土壤湿度呈显著的负线性相关，和太阳高度角呈指数关系。不同波段相关系数不同，本研究中，总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率和土壤湿度的相关系数分别为-0.68、-0.75、-0.70、-0.61。波长越短，该波段地表反照率与土壤湿度的相关性越强。总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率和太阳高度角的指数回归系数分别为-0.21、-0.077、-0.53和-0.21。
(5)通过对比2012年1-12月戈壁、原生植被和农田下垫面的观测数据和ERA-Interim再分析资料中的地表总辐射得知，戈壁、原生植被和农田下垫面地表总辐射的ERA-Interim再分析资料值和观测值拟合关系都较好，相关系数分别为0.86、0.74和0.66。就WRF模式模拟地表反照率的年变化效果来说，原生植被下垫面最好，农田下垫面次之，戈壁下垫面最差。本文拟合得到的新地表反照率计算方法能够较好地反映土壤湿度、太阳高度角和地表反照率之间的真实关系，并且利用本文得到的不同波段地表反照率的关系代替WRF耦合的CLM陆面过程模式中给定的近红外波段地表反照率是可见光波段地表反照率的2倍关系，得出的地表反照率模拟值和实际观测值比较接近，地表反照率的模拟结果得到了较大的改进。
本文利用中国干旱半干旱区典型下垫面的观测资料，分析干旱半干旱区分光辐射特征，对比研究干旱半干旱区不同下垫面的陆面过程特征，并发展了干旱半干旱区地表反照率双因子参数化方案，并利用WRF模式检验得到的特征参数和参数化方案的合理性。
本文主要研究结论如下:
(1)分光辐射方面，戈壁下垫面紫外波段辐射所占总辐射比例最小，平均约为4.5％，且所占比例一直比较稳定。其次是可见光波段辐射，比例平均约为42％，在总辐射中所占比例最大的是近红外波段辐射，平均比例为54.5％。这一实测结果与陆面过程参数化方案中给定的戈壁下垫面VIS和NIR各占50％不一致。戈壁下垫面典型晴天总辐射、紫外、可见光和近红外波段的平均地表反照率分别为0.29、0.13、0.27和0.31，农田下垫面典型晴天总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率分别为0.21、0.05、0.045和0.34。这说明，有植被存在时，地表对可见光和紫外波段辐射吸收的比例远高于戈壁下垫面，植被吸收可见光和紫外波段辐射能力较强，也与陆面过程参数化方案中给定的近红外波段地表反照率是可见光波段地表反照率的2倍不一致。
(2)在研究时段内（2012年1-12月），农田下垫面的年平均净辐射最大，其次是原生植被下垫面，戈壁下垫面年平均净辐射最小，分别为77.72、67.73和55.47W/m2，不同下垫面由于土壤性质和植被状况不同造成净辐射量值的差异。感热通量年平均最大的是戈壁下垫面，其次是原生植被和农田下垫面;而潜热通量相反，潜热通量年平均最大的是农田下垫面，其次是原生植被和戈壁下垫面。戈壁、原生植被和农田下垫面的年平均感热通量分别为85.7、37.59和27.55W/m2;年平均潜热通量分别为0、6.08和51.19W/m2。2010年1-12月观测试验期间，戈壁、原生植被和农田下垫面的年平均土壤热通量分别为1.00、0.82和-1.25W/m2。土壤热通量除受到净辐射的影响外，还有其它因素对土壤热通量造成影响。季节性冻土的融化吸热，造成土壤温度梯度的增大，从而增大了表层土壤向深层土壤传输的热通量。
(3)在研究时段内（2012年1-12月），就年平均地表反照率而言，戈壁下垫面最大，农田下垫面次之，原生植被下垫面最小，分别为0.24、0.21和0.18，除土壤湿度、太阳高度角等因子以外，下垫面有无植被覆盖以及冬季降雪过程均对地表反照率影响较大。原生植被下垫面年平均波文比约为3.29，农田下垫面年平均波文比较小，约1.06。戈壁、原生植被和农田下垫面年平均土壤热传导率分别为0.26、1.15和口1.20W·m-1·k-1。
(4)在研究时段内（2013年6月-2015年6月），戈壁下垫面7.5cm土壤深度的土壤热传导率和同层土壤湿度的相关系数达到0.82，农田下垫面5cm和20cm土壤深度的土壤热传导率与同层土壤湿度的相关系数分别为0.79和0.64，均通过了99％的显著性检验。土壤湿度的增大会使得土壤热传导率升高，下层土壤热传导率大于上层，主要是因为下层的土壤湿度大于上层的土壤湿度造成的。总辐射、紫外和可见光波段地表反照率与空气水汽含量呈负相关关系，近红外波段地表反照率与空气水汽含量呈正相关关系。地表反照率与土壤湿度呈显著的负线性相关，和太阳高度角呈指数关系。不同波段相关系数不同，本研究中，总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率和土壤湿度的相关系数分别为-0.68、-0.75、-0.70、-0.61。波长越短，该波段地表反照率与土壤湿度的相关性越强。总辐射、紫外、可见光和近红外波段的地表反照率和太阳高度角的指数回归系数分别为-0.21、-0.077、-0.53和-0.21。
(5)通过对比2012年1-12月戈壁、原生植被和农田下垫面的观测数据和ERA-Interim再分析资料中的地表总辐射得知，戈壁、原生植被和农田下垫面地表总辐射的ERA-Interim再分析资料值和观测值拟合关系都较好，相关系数分别为0.86、0.74和0.66。就WRF模式模拟地表反照率的年变化效果来说，原生植被下垫面最好，农田下垫面次之，戈壁下垫面最差。本文拟合得到的新地表反照率计算方法能够较好地反映土壤湿度、太阳高度角和地表反照率之间的真实关系，并且利用本文得到的不同波段地表反照率的关系代替WRF耦合的CLM陆面过程模式中给定的近红外波段地表反照率是可见光波段地表反照率的2倍关系，得出的地表反照率模拟值和实际观测值比较接近，地表反照率的模拟结果得到了较大的改进。