四類求解地表湍流熱通量方法在中國西部地區(qū)的應(yīng)用及其誤差分析.pdf

1、地表湍流熱通量是陸面過程中關(guān)鍵物理量之一，對(duì)它準(zhǔn)確計(jì)算是大氣、水文和農(nóng)業(yè)等學(xué)科必需的。伴隨著天氣和氣候模式物理過程的不斷改進(jìn)以及時(shí)空分辨率的快速提高，為模式提供高精度的地表湍流熱通量下邊界顯得尤為重要。根據(jù)觀測資料和下墊面的不同，目前存在多種計(jì)算地表湍流熱通量的方法，影響計(jì)算精度的不確定因素也不盡同。中國西部地區(qū)下墊面種類復(fù)雜，地形起伏較大，各類方法在該地區(qū)應(yīng)用時(shí)的具體表現(xiàn)可能不盡相同。因此，本文從方法論的角度出發(fā)，評(píng)估四類代表性估算地

2、表湍流熱通量方案在西部地區(qū)的性能，它們是渦動(dòng)相關(guān)法（EC）、變分法、陸面模式Noah-MP的模擬方法和集合卡爾曼濾波（EnKF）數(shù)據(jù)同化方法；重點(diǎn)分析可能存在的誤差源并針對(duì)部分方案提出改進(jìn)措施，以期提升不同方法估算地表湍流熱通量的精度。主要結(jié)果如下：
　?。?）針對(duì)西北地區(qū)一類特殊的非均勻綠洲下墊面上單站點(diǎn)EC法求解地表湍流熱通量存在較大的不確定性問題，論文進(jìn)行了定量誤差源分析。首先，利用單點(diǎn)觀測資料計(jì)算EC湍流熱通量并探究低估原

3、因。單站點(diǎn)EC湍流熱通量的誤差部分來源于綠洲上空較大的平均垂直速度（VA）能量輸送以及下沉氣流，尤其在中午前后，其中VA感熱輸送（潛熱輸送）對(duì)感熱通量（潛熱通量）日均方根平均值貢獻(xiàn)約為16.5％（7.4%）。其次，為了彌補(bǔ)上述單一站點(diǎn)資料分析結(jié)果的代表性不足問題，借助WRF-LES大渦模擬手段研究理想帶狀非均勻綠洲沙漠下墊面上不同位置處EC熱通量的空間代表性。綠洲不同位置EC觀測對(duì)區(qū)域平均熱通量的代表性空間差異較大，原因各點(diǎn)受下墊面上空

4、湍流有組織結(jié)構(gòu)（TOS）和次級(jí)環(huán)流（SC）的影響不同；由TOS與SC引起的熱通量與區(qū)域平均熱通量的比值在邊界層中上層較大，從而單站點(diǎn)EC熱通量觀測很難代表區(qū)域平均值，部分位置處甚至出現(xiàn)嚴(yán)重低估。
　　（2）針對(duì)西部地區(qū)部分下墊面（綠洲和高原凍土）存在較大能量存儲(chǔ)進(jìn)而影響變分法求解精度的問題，論文在變分法中提出兩種能量存儲(chǔ)方案：第一種方法為利用觀測資料計(jì)算，第二種方法為分段線性擬合能量存儲(chǔ)。最后，利用地處甘肅省張掖綠洲上大滿站（有植

5、被能量存儲(chǔ)和灌溉造成的較大土壤熱存儲(chǔ)）和青藏高原上安多站（土壤凍融會(huì)伴隨大量熱量吸收/排放）的資料，對(duì)所提兩類方案進(jìn)行驗(yàn)證，并與EC觀測的熱通量進(jìn)行比較，結(jié)果表明：兩種方法都提高了熱通量估計(jì)精度；相對(duì)而言，第一種方法結(jié)果較好，尤其在中午或邊界層強(qiáng)不穩(wěn)定條件下。此外，在沒有足夠觀測資料計(jì)算這些能量存儲(chǔ)時(shí)，還可以把已有能量存儲(chǔ)項(xiàng)“移植”到同一地區(qū)其他觀測時(shí)段用于熱通量的估算，從而增大了方法的適用范圍。
　?。?）利用甘肅張掖綠洲大滿站

6、觀測資料，利用陸面模式Noah-MP求解地表熱通量，并仔細(xì)分析誤差源。若只采用默認(rèn)參數(shù)化方案，模式能夠較好地模擬晴天凈輻射、感熱通量和潛熱通量，但在晴天中午前后模擬的峰值明顯低于觀測值，并且高估土壤蒸發(fā)比和低估植物蒸騰。其次，通過相關(guān)物理過程分析和不同的參數(shù)化方案的替換試驗(yàn)探尋誤差源。采用Cai11地表反照率方案和/或Jarvis氣孔阻抗方案替代默認(rèn)方案可以部分解決模擬的凈輻射通量和潛熱通量偏低的問題，同時(shí)也使土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的分配比

7、例更為合理，地表輻射溫度更接近觀測值；采用Alpha方案可解決原有SZ09方案土壤蒸發(fā)過大問題，減少土壤蒸發(fā)的比例。
　　（4）利用地處甘肅省榆中縣原生植被下墊面上的SACOL站觀測資料，開展EnKF同化試驗(yàn)來改善地表熱通量的計(jì)算。相對(duì)于沒有進(jìn)行同化的陸面模式模擬結(jié)果，同化表層土壤濕度觀測可以有效地克服感熱通量模擬偏高、潛熱通量模擬偏低的問題，其中在9:00-12:00 LT改進(jìn)最大。最后，采用敏感試驗(yàn)方法，探究觀測誤差和背景場誤

8、差對(duì)EnKF估算的影響：當(dāng)觀測誤差減?。ㄔ龃螅袩嵬亢蜐摕嵬抗浪阒稻礁`差也減?。ㄔ龃螅?；EnKF估算值隨著背景場方差放大系數(shù)的增大而增大。因此，高質(zhì)量的觀測資料和能真實(shí)反映背景場誤差協(xié)方差的樣本是提升地表熱通量估算精度的關(guān)鍵。
　　總之，上述四類求解地表湍流熱通量的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，雖然在西部地區(qū)能較好地估算地表湍流熱通量，但是由于所用觀測資料來源和性質(zhì)不同，難于對(duì)它們估算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)劣比較，在實(shí)際中可根據(jù)觀測資料性質(zhì)和不同