中国大陆地区陆面能量交换及其对大尺度气候变化响应的初步分析

发布时间：2017-09-27 20:36

  本文关键词：中国大陆地区陆面能量交换及其对大尺度气候变化响应的初步分析

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【摘要】：地表-大气间的能量和水分交换是气候系统内部的一个重要过程,陆面通量的强度取决于局地大气和地表状况,但是它的时空分布既可能受到区域乃至大范围天气和气候的影响,又可能对天气和气候产生反馈。本文在尽可能准确构建区域和全球尺度的陆面通量数据集的基础上,初步分析了陆面通量交换与大尺度气候变化(如ENSO、PDO和全球平均温度)的关系及可能的联系机制。首先对多种陆面通量数据集在中国区域的时空分布进行了比较,并用实测通量资料进行了评估,以理解现有通量数据集在中国区域的适用性。为了进一步提高陆面通量数据集的精度,结合中国北方多个野外台站实测通量资料,通过统计方法对多种格点地表通量数据集进行了订正,构建了一个受实测资料约束的适用于中国北方的新通量数据集(1979-2010)。鉴于大尺度气候变化在气候系统中的主导作用,以构建的通量数据集为基础,分析和讨论了中国北方区域尺度上陆面通量对ENSO和PDO等大尺度气候变化的响应特征。此外,采用多种全球格点资料的集合平均(避免某一种资料的误差),探讨了全球陆面通量时空分布与ENSO和全球平均温度等大尺度气候变化的可能联系。本文主要结论概述如下：(1)各通量数据集均能描述出与我国气候区和地形相对应的通量空间分布,并且能够表现出明显的季节变化。但是,四种再分析资料之间差异较大,而离线陆面模式通量产品由于拥有相同的大气强迫驱动场因而差距不大。波文比比较显示出,离线陆面模式产品相对于再分析资料将更多的地面能量分配给感热。从草地与森林两类下垫面来看,各通量数据集对草地下垫面通量的估计要好于森林下垫面,总体上各通量数据集不能很好地描述森林站点的感热时间变化,同时对潜热和净辐射也存在明显的高估。此外,将各通量数据集和实测资料的平方差分解为三个部分,对所有站点总体来看,感热数据集的标准差偏差贡献与平均值偏差相当,而潜热和净辐射数据集相对于平均值的估计,更能准确描述其时间变化。最后采用了一个打分系统对不同通量数据集进行定量评估,对于感热和净辐射,ERA再分析资料表现最好,而潜热通量表现最好的是NOAH和CLM, ERA和JRA也有较好的表现。(2)在假定地面实测数据比再分析资料/模式更接近真值的条件下,通过插值到站点上的格点资料与观测值的比较发现,格点资料的热通量均可看作是接近真值的观测值的线性函数,并且对某一种格点资料来说,不同下垫面观测与模拟值的线性趋势均相差不大,这一重要的统计规律是本文地表通量数据集构建方法的关键。此外,交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高,这主要源于构建的数据集平均值偏差以及标准差偏差项的降低。另外,考察了几种原始格点资料统一插值到相同网格时网格间距取值带来的误差问题,发现不同间隔的插值结果差异很小。分析表明,中国北方地表湍流通量与气候干湿空间分布在夏季和年平均上具有较强的一致性,构建的通量数据集能够合理的反映出地表热通量的空间分布以及年际变化趋势,并且感热和潜热均在半干旱区表现为最大的变率,对于感热的趋势变化,感热通量在1960-2010年间在中国北方西部部分地区表现出显著降低的趋势,对应西部变湿的趋势,而在东北大部和华北部分地区则显著上升。同时,湍流热通量与降水、净辐射的趋势和相关系数空间分布显示出,在中国北方,陆面干湿状况是驱动感热和潜热年际变化的主导因子。(3)在重构我国北方地表通量数据集并分析其时空演变的基本特征的基础上,通过对中国北方陆面通量在不同类型ENSO事件次年与其余年份的对比分析,我们获得了陆面通量年际变化对ENSO事件响应的基本特征。三类ENSO事件对通量交换的时空变化的总体影响表明：La Nina事件对中国北方陆面通量交换没有显著影响,EP型El Nino则显著影响中国东北地区北部的感热和潜热交换,而CP型El Nino的影响与EP型El Nino相反,但程度较弱。为了找到陆面通量显著受ENSO作用的最大区域范围,进一步考察了陆面通量在极端ENSO事件发生次年(以1998年为例)的空间分布型。另外,根据不同ENSO类型总体的平均影响范围与极端年份的比较,可以区分陆面通量交换受ENSO影响不同程度的区域。此外,对北太平洋年代际振荡(PDO)不同位相下陆面通量的合成和相关分析表明,陆面通量在中国北方不同区域对PDO的响应存在差异。总体来看,ENSO、PDO等大尺度气候变化对陆面过程的作用主要通过影响陆面干湿状况,进而体现在感热和潜热的能量分配上,其对净辐射的影响较弱。(4)此外,以Nino 3.4 sst和SOI指数作为ENSO指数考察了全球平均降水以及陆面通量与ENSO指数的相关性。发现全球陆面平均热通量尤其是感热的年际变化与ENSO指数存在显著相关。在全球范围内,澳大利亚东部等区域是陆面通量显著响应于ENSO的关键区域。总体上,陆面通量在全球范围内对ENSO的响应基本上都对应于降水的显著变化。陆面通量与全球平均气温的相关系数空间分布也存在一定的规律性,表明全球变暖很可能是造成全球陆面通量变化的一个大尺度背景因素。关于大范围陆气通量交换的时空分布的变化对区域和全球气候变化的反馈影响尚需进一步研究。
【关键词】：能量水分循环 陆面通量 资料评估 数据集构建 大尺度气候变化
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P467;P422.4
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-38
• 1.1 研究意义14-16
• 1.2 地表通量研究进展16-31
• 1.2.1 地表通量的直接观测和计算16-22
• 1.2.1.1 涡动相关法17-19
• 1.2.1.1.1 地表能量不平衡问题18-19
• 1.2.1.2 波文比-能量平衡法19-21
• 1.2.1.3 蒸渗计法21
• 1.2.1.4 大孔径闪烁仪法21-22
• 1.2.2 陆面过程模式22-24
• 1.2.2.1 陆面参数化方案比较计划(PILPS)23
• 1.2.2.2 陆面模式参数化改进23-24
• 1.2.3 地表通量的卫星遥感及反演24-28
• 1.2.3.1 地表能量平衡模型25-26
• 1.2.3.1.1 单层模型25
• 1.2.3.1.2 双层模型25-26
• 1.2.3.2 温度-植被指数特征空间法26
• 1.2.3.3 经验统计模型26-27
• 1.2.3.4 与传统方法相结合的遥感模型27-28
• 1.2.4 再分析资料28-29
• 1.2.5 现有格点通量数据集的比较29-31
• 1.3 地表通量与气候和气候变化联系的研究进展31-35
• 1.3.1 陆面通量对天气和气候变化的响应31-33
• 1.3.2 陆面通量异常对气候的影响33-35
• 1.3.2.1 土地利用和覆盖变化对气候的影响33-34
• 1.3.2.2 大地形热力异常对气候的影响34-35
• 1.4 本研究的目的和拟解决的科学问题35-37
• 1.5 论文章节安排37-38
• 第二章 7种陆面热通量数据集在中国区域的比较和评估38-62
• 2.1 前言38-39
• 2.2 数据资料39-41
• 2.2.1 再分析资料39-40
• 2.2.2 GLDAS离线陆面模式资料40
• 2.2.3 通量站点观测40-41
• 2.3 再分析资料/模式通量产品在中国的比较41-52
• 2.3.1 通量的季节和年平均41-46
• 2.3.2 通量的年际变率46-50
• 2.3.3 通量季节变化主分量分析50-52
• 2.4 中国区域各通量产品的评估52-61
• 2.4.1 通量产品和实测资料的年变化比较52-56
• 2.4.2 Bias和S-Index分布56-58
• 2.4.3 通量产品与观测资料的均方差分解58-60
• 2.4.4 通量产品评分60-61
• 2.5 本章小结61-62
• 第三章 中国北方地表通量长期数据集的构建62-80
• 3.1 前言62-63
• 3.2 资料介绍63-65
• 3.2.1 观测资料63-64
• 3.2.2 格点通量产品64-65
• 3.3 数据处理和订正方法65-71
• 3.3.1 数据处理65-67
• 3.3.2 订正方法67-71
• 3.4 通量数据集的构建71-74
• 3.5 构建的通量数据集的不确定性74-76
• 3.6 不同资料对中国北方地表通量年际变化的比较76-78
• 3.7 本章小结78-80
• 第四章 中国北方地表通量的时空变化规律80-94
• 4.1 前言80-81
• 4.2 数据和方法81-82
• 4.2.1 数据资料81
• 4.2.2 分析方法81-82
• 4.3 中国北方地表通量的气候平均和变率空间分布82-84
• 4.4 中国北方不同气候区地表通量的时间变化84-87
• 4.5 中国北方感热时间长度上的延伸87-90
• 4.6 中国北方地表通量的主要时空模态90-93
• 4.7 本章小结93-94
• 第五章 中国北方通量变化与区域气候和气候变化的关系94-117
• 5.1 引言94-95
• 5.2 资料和方法95-96
• 5.2.1 数据资料95
• 5.2.2 研究方法95-96
• 5.3 中国北方通量变化与ENSO事件的联系96-110
• 5.3.1 ENSO事件的分类96-98
• 5.3.2 不同类型ENSO下陆面热通量的合成98-103
• 5.3.3 不同类型ENSO的中国北方降水的合成103-104
• 5.3.4 关键区通量与ENSO的联系104-107
• 5.3.5 通量变化对极端ENSO事件的响应107-108
• 5.3.6 不同类型ENSO形势场108-110
• 5.4 中国北方陆面通量与PDO的联系110-115
• 5.4.1 太平洋年代际涛动(PDO)的定义110-112
• 5.4.2 陆面通量在PDO不同阶段的合成112-114
• 5.4.3 陆面通量与PDO指数的相关114-115
• 5.5 本章小结115-117
• 第六章 全球通量变化与大尺度气候变化之间的联系117-128
• 6.1 引言117-118
• 6.2 资料和方法118
• 6.3 全球平均陆面通量与ENSO的关系118-124
• 6.4 全球平均陆面通量与全球平均气温的可能联系124-127
• 6.5 本章小结127-128
• 第七章 总结与展望128-132
• 7.1 本文主要结论128-130
• 7.2 本文创新点130-131
• 7.3 讨论与展望131-132
• 参考文献132-152
• 在学期间科研成果152-153
• 致谢153-154

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