黄河源陆面过程观测与模拟

目录
前言
第1章　黄河源区气候变化特征　1
1.1　黄河源区基本概况　1
1.2　黄河源区气候与环境特征　2
1.2.1　气候特征　2
1.2.2　蒸散发　3
1.2.3　冻土　5
1.2.4　积雪与冰川　6
1.3　生态保护和高质量发展　7
1.4　小结　9
参考文献　9
第2章　黄河源区陆面过程观测试验与模式介绍　12
2.1　黄河源区不同下垫面观测网络介绍　12
2.2　模式介绍　15
2.2.1　公共陆面模式CoLM　15
2.2.2　通用陆面过程模式CLM　18
2.2.3　中尺度区域天气模式WRF　21
参考文献　24
第3章　湍流资料处理与分析　26
3.1　涡动相关通量资料处理与质量控制　26
3.1.1　通量的计算　26
3.1.2　涡动相关法通量资料处理与质量控制　26
3.1.3　小结　42
3.2　湍流资料的质量评价及通量方差法的应用　43
3.2.1　谱相似性　44
3.2.2　湍流能谱　46
3.2.3　湍流协谱　47
3.2.4　湍流谱局地各向同性　48
3.2.5　方差相似性　49
3.2.6　通量方差法对湍流通量的估算　51
3.2.7　垂直速度与标量的相关系数　53
3.2.8　通量方差法对感热通量的估算　54
3.2.9　通量方差法对潜热通量的估算　55
3.2.10　通量方差法对二氧化碳通量的估算　58
3.2.11 小结　60
3.3　湍流统计特征及其参数　61
3.3.1　湍流统计特征　61
3.3.2　零平面位移与动力学粗糙度　66
3.3.3　地表通量的“印痕”分析　68
3.3.4　小结　70
3.4　地表气象要素季节变化特征　70
3.4.1　气象要素的季节变化　71
3.4.2　辐射收支的季节变化　73
3.5　地表能量水分输送特征　74
3.5.1　辐射平衡及地表反照率　75
3.5.2　土壤水热特征　77
3.5.3　能量平衡季节变化特征　80
3.5.4　土壤水热特征参数确定　83
3.5.5　小结　85
3.6　地表能量通量的数值模拟　86
3.6.1　玛曲地表能量通量的数值模拟　86
3.6.2　地表参数在CoLM中的应用　91
3.6.3　小结　95
参考文献　95
第4章　黄河源区冻土冻融过程地表水热及能量平衡观测及模拟研究　102
4.1　黄河源区冻融期地表水热及能量平衡观测研究　102
4.1.1　黄河源区冻融期的地表水热特征　102
4.1.2　黄河源区季节性冻土冻融过程及地表能量收支　110
4.2　CLM对黄河源区冻融期地表水热及能量平衡模拟检验与对比　121
4.2.1　模式冻融参数化方案简介及资料说明　123
4.2.2　土壤冻融时间的模拟　123
4.2.3　土壤含水量、含冰量的模拟　124
4.2.4　土壤温度的模拟　126
4.2.5　积雪覆盖率与雪深模拟结果分析　128
4.2.6　误差分析　129
4.2.7　小结　130
4.3　黄河源区玛曲草地站点冻融期土壤温湿度的模拟与改进　131
4.3.1　实验设计　131
4.3.2　土壤含水量、含冰量的模拟　133
4.3.3　土壤温度的模拟　134
4.3.4　模拟误差分析　136
4.3.5　小结　137
4.4　黄河源区土壤冻融对陆面过程的影响模拟研究　137
4.4.1　实验设计　137
4.4.2　冻融过程对土壤含水量和土壤温度的影响模拟　138
4.4.3　冻融过程对地表能量的影响模拟　138
4.4.4　小结　140
4.5　CLM土壤水属性参数化方案在黄河源区冻融期模拟能力检验　140
4.5.1　CLM模式土壤水属性参数化方案　141
4.5.2　实验设计及模式设置　142
4.5.3　土壤液态水含量模拟　143
4.5.4　土壤温度模拟　145
4.5.5　各冻融阶段土壤温度模拟　148
4.5.6　地表能量通量模拟　151
4.5.7　小结　153
4.6　基于青藏高原土壤水热模拟的参数化方案改进及验证　154
4.6.1　土壤有机质及导热率参数化方案改进及验证　154
4.6.2　冻融时间模拟　157
4.6.3　土壤温度及导热率模拟　158
4.6.4　土壤液态水含量模拟　162
4.6.5　地表能量通量模拟　165
4.6.6　小结　167
参考文献　168
第5章　黄河源区积雪对土壤冻融过程的影响　171
5.1　资料及模式介绍　171
5.1.1　观测资料介绍　171
5.1.2　MODIS积雪产品介绍　173
5.1.3　CLM模式强迫资料介绍　174
5.2　黄河源区积雪对土壤不同冻融阶段温湿变化的影响　176
5.2.1　土壤冻融阶段划分及有无雪的判断　176
5.2.2　整个土壤冻融期土壤温湿度变化规律分析　177
5.2.3　积雪对土壤不同冻融阶段温湿度变化的影响　178
5.2.4　晴天无雪和晴天有雪土壤日温差比较　185
5.2.5　土壤冻融期和主要降雪期土壤温湿变化对比　186
5.2.6　小结　187
5.3　黄河源区多雪年和少雪年土壤冻融过程及水热分布对比研究　188
5.3.1　多雪年和少雪年的选取　188
5.3.2　多雪年和少雪年积雪分布　189
5.3.3　多雪年和少雪年气温和地表温度对比　190
5.3.4　多雪年和少雪年土壤冻融时间对比　191
5.3.5　多雪年和少雪年地表土壤热通量变化对比　192
5.3.6　多雪年和少雪年土壤水热分布对比　193
5.3.7　小结　195
5.4　黄河源区不同积雪覆盖条件下土壤冻融过程模拟　195
5.4.1　模拟性能检验　195
5.4.2　敏感性实验　200
5.4.3　小结　204
参考文献　205
第6章　黄河源区积雪反照率遥感和模式产品评估与积雪参数化方案发展　207
6.1　引言　207
6.2　研究数据和方法　208
6.2.1　研究数据　208
6.2.2　研究方法　211
6.3　GLASS、MODIS和GlobAlbedo地表反照率产品精度评估　212
6.3.1　数据处理　212
6.3.2　结果分析　212
6.3.3　特殊天气条件下的地表反照率　220
6.4　CMIP5模式模拟的地表反照率评估　223
6.4.1　数据处理　223
6.4.2　结果分析　223
6.5　Noah-MP的积雪反照率参数化方案改进　234
6.5.1　模式简介及单点模拟验证　234
6.5.2　积雪反照率参数化方案改进　236
6.5.3　积雪反照率参数化方案改进后的模拟　241
6.6　小结与讨论　247
参考文献　249
第7章　基于野外观测和MODIS产品的青藏高原湖泊冰面反照率研究　254
7.1　研究区域、野外观测和数据　255
7.1.1　研究区域和野外观测　255
7.1.2　数据　256
7.1.3　湖冰反照率参数化　257
7.1.4　LAKE2.0和FLake模型　258
7.2　结果分析　258
7.2.1　反照率的日循环　258
7.2.2　移动反照率观测　259
7.2.3　MODIS反照率产品评估　261
7.2.4　反照率参数化方案评估　262
7.2.5　青藏高原典型湖泊冰面反照率　264
7.2.6　冰反照率对湖泊模拟的影响　268
7.3　讨论　271
7.3.1　观测尺度的影响　271
7.3.2　MODIS产品的不确定性　272
7.4　小结　273
参考文献　274
第8章　黄河源区陆面过程模式土壤砾石参数化研究　278
8.1　砾石对土壤水力属性的影响　279
8.1.1　砾石对土壤孔隙度的影响　279
8.1.2　砾石对土壤矿物质饱和导水率的影响　279
8.1.3　砾石对土壤水势的影响　280
8.1.4　砾石对土壤容重的影响　280
8.1.5　不同砾石含量对土壤水特性的影响　280
8.2　砾石对土壤热属性的影响　281
8.2.1　砾石对土壤导热率的影响　281
8.2.2　砾石对土壤热容量的影响　282
8.2.3　不同砾石含量对土壤热特性的影响　282
8.3　新方案敏感性实验　283
8.4　站点观测数据介绍　284
8.5　新方案在那曲站的数值模拟检验　287
8.5.1　土壤含水量模拟与观测对比　287
8.5.2　土壤温度模拟与观测对比　290
8.6　新方案在玛多草地站点的数值模拟检验　293
8.6.1　玛多草地站点土壤含水量模拟与观测对比　293
8.6.2　玛多草地站点土壤温度模拟与观测对比　295
8.7　小结　297
参考文献　297
第9章　黄河源区陆面过程湖泊模式参数化研究　300
9.1　黄河源区鄂陵湖加强观测实验概述　301
9.2　黄河源区湖泊表面水热交换特征研究　303
9.2.1　观测数据的质量控制　303
9.2.2　非结冰期湖面的辐射与能量平衡特征　306
9.2.3　典型天气事件对湖面能量收支的影响　311
9.2.4　冻结期冰面辐射与能量平衡特征　313
9.2.5　湖泊与陆地表面水热交换特征的对比　313
9.3　黄河源区非均匀下垫面大气边界层过程研究　319
9.3.1　非冻结期湖面近地层不稳定层结的成因　320
9.3.2　湖泊与陆地大气边界层结构演变的差异　325
9.3.3　鄂陵湖地区大气边界层的模拟　331
9.4　湖泊气候效应研究　333
9.4.1　研究区域、数据与方法　334
9.4.2　模式结果验证评估　336
9.4.3　湖泊对区域气候的影响　337
9.4.4　湖泊对降水的影响　338
9.4.5　讨论与结论　341
9.5　黄河源区湖泊模式参数化改进研究　342
9.5.1　模式参数化所需数据的质量控制　342
9.5.2　输送系数与粗糙度长度的计算方法　343
9.5.3　湖面粗糙度参数化方案介绍　345
9.5.4　鄂陵湖粗糙度与输送系数分布特征　346
9.5.5　湖面粗糙度与输送系数随风速的变化特征　348
9.5.6　现有湖泊模型中粗糙度参数化方案评估　353
9.5.7　新参数化方案的建立与验证　358
参考文献　363
第10章　三江源国家公园气候环境与生态评估　371
10.1　三江源国家公园基本概况　371
10.2　生态演变特征　372
10.2.1　草地　372
10.2.2　牧草生长状况　373
10.2.3　草地固碳能力　375
10.2.4　湖泊　377
10.2.5　河流　377
10.2.6　积雪　378
10.3　生态安全事件　379
10.3.1　荒