本文關(guān)鍵詞：中國(guó)大陸地區(qū)陸面能量交換及其對(duì)大尺度氣候變化響應(yīng)的初步分析

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【摘要】：地表-大氣間的能量和水分交換是氣候系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)重要過(guò)程,陸面通量的強(qiáng)度取決于局地大氣和地表狀況,但是它的時(shí)空分布既可能受到區(qū)域乃至大范圍天氣和氣候的影響,又可能對(duì)天氣和氣候產(chǎn)生反饋。本文在盡可能準(zhǔn)確構(gòu)建區(qū)域和全球尺度的陸面通量數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上,初步分析了陸面通量交換與大尺度氣候變化(如ENSO、PDO和全球平均溫度)的關(guān)系及可能的聯(lián)系機(jī)制。首先對(duì)多種陸面通量數(shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的時(shí)空分布進(jìn)行了比較,并用實(shí)測(cè)通量資料進(jìn)行了評(píng)估,以理解現(xiàn)有通量數(shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的適用性。為了進(jìn)一步提高陸面通量數(shù)據(jù)集的精度,結(jié)合中國(guó)北方多個(gè)野外臺(tái)站實(shí)測(cè)通量資料,通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)多種格點(diǎn)地表通量數(shù)據(jù)集進(jìn)行了訂正,構(gòu)建了一個(gè)受實(shí)測(cè)資料約束的適用于中國(guó)北方的新通量數(shù)據(jù)集(1979-2010)。鑒于大尺度氣候變化在氣候系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用,以構(gòu)建的通量數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),分析和討論了中國(guó)北方區(qū)域尺度上陸面通量對(duì)ENSO和PDO等大尺度氣候變化的響應(yīng)特征。此外,采用多種全球格點(diǎn)資料的集合平均(避免某一種資料的誤差),探討了全球陸面通量時(shí)空分布與ENSO和全球平均溫度等大尺度氣候變化的可能聯(lián)系。本文主要結(jié)論概述如下：(1)各通量數(shù)據(jù)集均能描述出與我國(guó)氣候區(qū)和地形相對(duì)應(yīng)的通量空間分布,并且能夠表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。但是,四種再分析資料之間差異較大,而離線陸面模式通量產(chǎn)品由于擁有相同的大氣強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)場(chǎng)因而差距不大。波文比比較顯示出,離線陸面模式產(chǎn)品相對(duì)于再分析資料將更多的地面能量分配給感熱。從草地與森林兩類(lèi)下墊面來(lái)看,各通量數(shù)據(jù)集對(duì)草地下墊面通量的估計(jì)要好于森林下墊面,總體上各通量數(shù)據(jù)集不能很好地描述森林站點(diǎn)的感熱時(shí)間變化,同時(shí)對(duì)潛熱和凈輻射也存在明顯的高估。此外,將各通量數(shù)據(jù)集和實(shí)測(cè)資料的平方差分解為三個(gè)部分,對(duì)所有站點(diǎn)總體來(lái)看,感熱數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差偏差貢獻(xiàn)與平均值偏差相當(dāng),而潛熱和凈輻射數(shù)據(jù)集相對(duì)于平均值的估計(jì),更能準(zhǔn)確描述其時(shí)間變化。最后采用了一個(gè)打分系統(tǒng)對(duì)不同通量數(shù)據(jù)集進(jìn)行定量評(píng)估,對(duì)于感熱和凈輻射,ERA再分析資料表現(xiàn)最好,而潛熱通量表現(xiàn)最好的是NOAH和CLM, ERA和JRA也有較好的表現(xiàn)。(2)在假定地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比再分析資料/模式更接近真值的條件下,通過(guò)插值到站點(diǎn)上的格點(diǎn)資料與觀測(cè)值的比較發(fā)現(xiàn),格點(diǎn)資料的熱通量均可看作是接近真值的觀測(cè)值的線性函數(shù),并且對(duì)某一種格點(diǎn)資料來(lái)說(shuō),不同下墊面觀測(cè)與模擬值的線性趨勢(shì)均相差不大,這一重要的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是本文地表通量數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法的關(guān)鍵。此外,交叉驗(yàn)證結(jié)果表明構(gòu)建的數(shù)據(jù)集相對(duì)于幾種原始格點(diǎn)數(shù)據(jù)集精度有一定提高,這主要源于構(gòu)建的數(shù)據(jù)集平均值偏差以及標(biāo)準(zhǔn)差偏差項(xiàng)的降低。另外,考察了幾種原始格點(diǎn)資料統(tǒng)一插值到相同網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)格間距取值帶來(lái)的誤差問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)不同間隔的插值結(jié)果差異很小。分析表明,中國(guó)北方地表湍流通量與氣候干濕空間分布在夏季和年平均上具有較強(qiáng)的一致性,構(gòu)建的通量數(shù)據(jù)集能夠合理的反映出地表熱通量的空間分布以及年際變化趨勢(shì),并且感熱和潛熱均在半干旱區(qū)表現(xiàn)為最大的變率,對(duì)于感熱的趨勢(shì)變化,感熱通量在1960-2010年間在中國(guó)北方西部部分地區(qū)表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì),對(duì)應(yīng)西部變濕的趨勢(shì),而在東北大部和華北部分地區(qū)則顯著上升。同時(shí),湍流熱通量與降水、凈輻射的趨勢(shì)和相關(guān)系數(shù)空間分布顯示出,在中國(guó)北方,陸面干濕狀況是驅(qū)動(dòng)感熱和潛熱年際變化的主導(dǎo)因子。(3)在重構(gòu)我國(guó)北方地表通量數(shù)據(jù)集并分析其時(shí)空演變的基本特征的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)中國(guó)北方陸面通量在不同類(lèi)型ENSO事件次年與其余年份的對(duì)比分析,我們獲得了陸面通量年際變化對(duì)ENSO事件響應(yīng)的基本特征。三類(lèi)ENSO事件對(duì)通量交換的時(shí)空變化的總體影響表明：La Nina事件對(duì)中國(guó)北方陸面通量交換沒(méi)有顯著影響,EP型El Nino則顯著影響中國(guó)東北地區(qū)北部的感熱和潛熱交換,而CP型El Nino的影響與EP型El Nino相反,但程度較弱。為了找到陸面通量顯著受ENSO作用的最大區(qū)域范圍,進(jìn)一步考察了陸面通量在極端ENSO事件發(fā)生次年(以1998年為例)的空間分布型。另外,根據(jù)不同ENSO類(lèi)型總體的平均影響范圍與極端年份的比較,可以區(qū)分陸面通量交換受ENSO影響不同程度的區(qū)域。此外,對(duì)北太平洋年代際振蕩(PDO)不同位相下陸面通量的合成和相關(guān)分析表明,陸面通量在中國(guó)北方不同區(qū)域?qū)DO的響應(yīng)存在差異�？傮w來(lái)看,ENSO、PDO等大尺度氣候變化對(duì)陸面過(guò)程的作用主要通過(guò)影響陸面干濕狀況,進(jìn)而體現(xiàn)在感熱和潛熱的能量分配上,其對(duì)凈輻射的影響較弱。(4)此外,以Nino 3.4 sst和SOI指數(shù)作為ENSO指數(shù)考察了全球平均降水以及陸面通量與ENSO指數(shù)的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)全球陸面平均熱通量尤其是感熱的年際變化與ENSO指數(shù)存在顯著相關(guān)。在全球范圍內(nèi),澳大利亞?wèn)|部等區(qū)域是陸面通量顯著響應(yīng)于ENSO的關(guān)鍵區(qū)域�？傮w上,陸面通量在全球范圍內(nèi)對(duì)ENSO的響應(yīng)基本上都對(duì)應(yīng)于降水的顯著變化。陸面通量與全球平均氣溫的相關(guān)系數(shù)空間分布也存在一定的規(guī)律性,表明全球變暖很可能是造成全球陸面通量變化的一個(gè)大尺度背景因素。關(guān)于大范圍陸氣通量交換的時(shí)空分布的變化對(duì)區(qū)域和全球氣候變化的反饋影響尚需進(jìn)一步研究。
【關(guān)鍵詞】：能量水分循環(huán) 陸面通量 資料評(píng)估 數(shù)據(jù)集構(gòu)建 大尺度氣候變化
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P467;P422.4
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-38
• 1.1 研究意義14-16
• 1.2 地表通量研究進(jìn)展16-31
• 1.2.1 地表通量的直接觀測(cè)和計(jì)算16-22
• 1.2.1.1 渦動(dòng)相關(guān)法17-19
• 1.2.1.1.1 地表能量不平衡問(wèn)題18-19
• 1.2.1.2 波文比-能量平衡法19-21
• 1.2.1.3 蒸滲計(jì)法21
• 1.2.1.4 大孔徑閃爍儀法21-22
• 1.2.2 陸面過(guò)程模式22-24
• 1.2.2.1 陸面參數(shù)化方案比較計(jì)劃(PILPS)23
• 1.2.2.2 陸面模式參數(shù)化改進(jìn)23-24
• 1.2.3 地表通量的衛(wèi)星遙感及反演24-28
• 1.2.3.1 地表能量平衡模型25-26
• 1.2.3.1.1 單層模型25
• 1.2.3.1.2 雙層模型25-26
• 1.2.3.2 溫度-植被指數(shù)特征空間法26
• 1.2.3.3 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型26-27
• 1.2.3.4 與傳統(tǒng)方法相結(jié)合的遙感模型27-28
• 1.2.4 再分析資料28-29
• 1.2.5 現(xiàn)有格點(diǎn)通量數(shù)據(jù)集的比較29-31
• 1.3 地表通量與氣候和氣候變化聯(lián)系的研究進(jìn)展31-35
• 1.3.1 陸面通量對(duì)天氣和氣候變化的響應(yīng)31-33
• 1.3.2 陸面通量異常對(duì)氣候的影響33-35
• 1.3.2.1 土地利用和覆蓋變化對(duì)氣候的影響33-34
• 1.3.2.2 大地形熱力異常對(duì)氣候的影響34-35
• 1.4 本研究的目的和擬解決的科學(xué)問(wèn)題35-37
• 1.5 論文章節(jié)安排37-38
• 第二章 7種陸面熱通量數(shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的比較和評(píng)估38-62
• 2.1 前言38-39
• 2.2 數(shù)據(jù)資料39-41
• 2.2.1 再分析資料39-40
• 2.2.2 GLDAS離線陸面模式資料40
• 2.2.3 通量站點(diǎn)觀測(cè)40-41
• 2.3 再分析資料/模式通量產(chǎn)品在中國(guó)的比較41-52
• 2.3.1 通量的季節(jié)和年平均41-46
• 2.3.2 通量的年際變率46-50
• 2.3.3 通量季節(jié)變化主分量分析50-52
• 2.4 中國(guó)區(qū)域各通量產(chǎn)品的評(píng)估52-61
• 2.4.1 通量產(chǎn)品和實(shí)測(cè)資料的年變化比較52-56
• 2.4.2 Bias和S-Index分布56-58
• 2.4.3 通量產(chǎn)品與觀測(cè)資料的均方差分解58-60
• 2.4.4 通量產(chǎn)品評(píng)分60-61
• 2.5 本章小結(jié)61-62
• 第三章 中國(guó)北方地表通量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)集的構(gòu)建62-80
• 3.1 前言62-63
• 3.2 資料介紹63-65
• 3.2.1 觀測(cè)資料63-64
• 3.2.2 格點(diǎn)通量產(chǎn)品64-65
• 3.3 數(shù)據(jù)處理和訂正方法65-71
• 3.3.1 數(shù)據(jù)處理65-67
• 3.3.2 訂正方法67-71
• 3.4 通量數(shù)據(jù)集的構(gòu)建71-74
• 3.5 構(gòu)建的通量數(shù)據(jù)集的不確定性74-76
• 3.6 不同資料對(duì)中國(guó)北方地表通量年際變化的比較76-78
• 3.7 本章小結(jié)78-80
• 第四章 中國(guó)北方地表通量的時(shí)空變化規(guī)律80-94
• 4.1 前言80-81
• 4.2 數(shù)據(jù)和方法81-82
• 4.2.1 數(shù)據(jù)資料81
• 4.2.2 分析方法81-82
• 4.3 中國(guó)北方地表通量的氣候平均和變率空間分布82-84
• 4.4 中國(guó)北方不同氣候區(qū)地表通量的時(shí)間變化84-87
• 4.5 中國(guó)北方感熱時(shí)間長(zhǎng)度上的延伸87-90
• 4.6 中國(guó)北方地表通量的主要時(shí)空模態(tài)90-93
• 4.7 本章小結(jié)93-94
• 第五章 中國(guó)北方通量變化與區(qū)域氣候和氣候變化的關(guān)系94-117
• 5.1 引言94-95
• 5.2 資料和方法95-96
• 5.2.1 數(shù)據(jù)資料95
• 5.2.2 研究方法95-96
• 5.3 中國(guó)北方通量變化與ENSO事件的聯(lián)系96-110
• 5.3.1 ENSO事件的分類(lèi)96-98
• 5.3.2 不同類(lèi)型ENSO下陸面熱通量的合成98-103
• 5.3.3 不同類(lèi)型ENSO的中國(guó)北方降水的合成103-104
• 5.3.4 關(guān)鍵區(qū)通量與ENSO的聯(lián)系104-107
• 5.3.5 通量變化對(duì)極端ENSO事件的響應(yīng)107-108
• 5.3.6 不同類(lèi)型ENSO形勢(shì)場(chǎng)108-110
• 5.4 中國(guó)北方陸面通量與PDO的聯(lián)系110-115
• 5.4.1 太平洋年代際濤動(dòng)(PDO)的定義110-112
• 5.4.2 陸面通量在PDO不同階段的合成112-114
• 5.4.3 陸面通量與PDO指數(shù)的相關(guān)114-115
• 5.5 本章小結(jié)115-117
• 第六章 全球通量變化與大尺度氣候變化之間的聯(lián)系117-128
• 6.1 引言117-118
• 6.2 資料和方法118
• 6.3 全球平均陸面通量與ENSO的關(guān)系118-124
• 6.4 全球平均陸面通量與全球平均氣溫的可能聯(lián)系124-127
• 6.5 本章小結(jié)127-128
• 第七章 總結(jié)與展望128-132
• 7.1 本文主要結(jié)論128-130
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)130-131
• 7.3 討論與展望131-132
• 參考文獻(xiàn)132-152
• 在學(xué)期間科研成果152-153
• 致謝153-154

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8 楊揚(yáng);干旱區(qū)荒漠草原過(guò)渡帶快速變化的陸面過(guò)程的觀測(cè)與數(shù)值研究[D];蘭州大學(xué);2014年

9 李宏宇;黃土高原半干旱區(qū)陸面能量不平衡和陸面過(guò)程參數(shù)化研究[D];蘭州大學(xué);2012年

10 張芳;我國(guó)西部地區(qū)綠化、沙漠化對(duì)氣候影響的數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)氣象科學(xué)研究院;2001年

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本文編號(hào)：931828