干旱區(qū)陸面過程與大氣邊界層研究進(jìn)展

干旱區(qū)陸面過程與大氣邊界層研究進(jìn)展

1陸面過程與大氣邊界層物理觀測試驗(yàn)研究陸地層過程和氣候邊界層過程是兩個密切相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域：它們共同反映了陸地和環(huán)境之間的擾動、能量、水和物質(zhì)交換和輸送過程。這是氣候系統(tǒng)反應(yīng)和適應(yīng)外部寒冷變化的重要因素。已有研究[3~8]表明,無論是氣候變化還是大氣環(huán)流異常都與陸面過程和大氣邊界層的貢獻(xiàn)密不可分,尤其是暴雨、沙塵暴和冰雹等突發(fā)性氣象災(zāi)害和極端天氣氣候事件更是與陸面過程和大氣邊界層過程存在著許多內(nèi)在必然聯(lián)系。野外科學(xué)試驗(yàn)是陸面過程和大氣邊界層研究最為重要的手段之一。正因?yàn)槿绱?從20世紀(jì)80年代開始,國際上相繼在全球具有代表性的氣候或生態(tài)區(qū)域開展了一系列重要的陸面過程與大氣邊界層綜合試驗(yàn)研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球已經(jīng)開展了50個以上較有影響的陸面過程與大氣邊界層綜合試驗(yàn)研究。其中,最具代表性的有HAPEX/MO-BILMY(Hydrology-AtmospherePilotExperiment)、FIFE(FirstInternationalSatelliteLandSurfaceClimatologyProjectFieldExperiment)、EFEDA(EuropeanFieldExperimentinaDesertificationThreatenedArea)、BOREAS(BorealEcosystemAtmosphereStudy)、NOPEX(ANorthernHemisphereClimateProcessesLand-SurfaceExperiment)、GAME(GlobalEnergyandWaterCycleExperimentAsianMonsoonExperiment)、EBEX-2000(InternationalEnergyBalanceExperiment,2000)等一些科學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃。我國自20世紀(jì)80年代末就開始緊跟國際研究的步伐,相繼開展了一些比較重要的陸面過程和大氣邊界層綜合觀測試驗(yàn)研究。其中,“黑河地區(qū)地氣相互作用觀測試驗(yàn)研究(HEIFE)”是我國開展最早的陸面過程和大氣邊界層野外綜合科學(xué)試驗(yàn)研究,對干旱區(qū)陸面過程和大氣邊界層特征獲得了不少新的認(rèn)識;“西北干旱區(qū)陸—?dú)庀嗷プ饔糜^測試驗(yàn)研究(NWC-ALIEX)”已持續(xù)了近10年,對極端干旱區(qū)陸面過程參數(shù)化進(jìn)行了深入的觀測分析,揭示了干旱區(qū)極端深厚大氣邊界層特征;“青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)(TIPEX)”和“亞洲季風(fēng)實(shí)驗(yàn)———青藏高原試驗(yàn)(GAME-Tibet)”主要研究了青藏高原特殊地形條件下陸面過程和大氣邊界層的熱力和動力作用及其對我國氣候和東亞季風(fēng)的影響,探討了高寒環(huán)境條件下大氣邊界層的特征;“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤—植被—大氣相互作用(IMGRASS)”項(xiàng)目重點(diǎn)研究了典型半干旱區(qū)草原下墊面陸氣交換和大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其與生態(tài)演化的關(guān)系;“干旱化和有序人類活動觀測試驗(yàn)”則主要側(cè)重于農(nóng)牧交錯帶人類活動對陸面過程和大氣邊界層特征及其氣候環(huán)境的影響研究;“淮河流域水分和能量循環(huán)實(shí)驗(yàn)(HUBEX)”是以南方濕潤地區(qū)陸面過程和大氣邊界層對暴雨過程的影響規(guī)律為主要研究目標(biāo);“地表通量參數(shù)化與大氣邊界層過程的基礎(chǔ)研究”對半濕潤華北平原非均勻下墊面陸面過程和大氣邊界層特征進(jìn)行了研究;“綠洲系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過程觀測與模擬研究”對綠洲與干旱荒漠背景的相互作用過程及其邊界層特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的觀測分析;“城市邊界層三維結(jié)構(gòu)研究”針對典型城市群陸面過程和大氣邊界層的復(fù)雜性開展了觀測試驗(yàn)研究。總之國內(nèi)近20年堅(jiān)持不懈的陸面過程和大氣邊界層試驗(yàn)研究工作已經(jīng)取得了一些很有價值的研究結(jié)果,也使我國陸面過程和大氣邊界層綜合試驗(yàn)研究逐漸在國際上具有了一定特色。從區(qū)域分布上講,我國陸面過程和大氣邊界層綜合試驗(yàn)研究最初從西北干旱區(qū)開始,而且先后依托國家“973”項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及其它一些相關(guān)科研項(xiàng)目,對該地區(qū)陸面過程和大氣邊界層進(jìn)行了持續(xù)不斷的綜合試驗(yàn)研究工作,取得了一些相對比較系統(tǒng)的研究結(jié)果。本文總結(jié)和歸納了其中部分研究結(jié)果的主要科學(xué)進(jìn)展,嘗試在此基礎(chǔ)上討論未來陸面過程和大氣邊界層研究的一些重點(diǎn)科學(xué)問題。2主要研究成果2.1干旱地區(qū)土地使用參數(shù)化研究2.1.1各因子定量關(guān)系以NWC-ALIEX試驗(yàn)長期觀測資料為基礎(chǔ),分析并揭示了干旱區(qū)陸面過程參數(shù)與太陽高度、土壤濕度等影響因子之間的多因子定量關(guān)系;確定出了反照率和熱傳導(dǎo)率等干旱區(qū)陸面過程主要物理參數(shù)的參數(shù)化公式;用渦旋相關(guān)法、空氣動力學(xué)法和組合法3種分析方法,綜合確定出了干旱區(qū)動量、感熱和潛熱總體輸送系數(shù),并分析了總體輸送系數(shù)的特征和變化規(guī)律。這些研究[19~28]為建立干旱區(qū)陸面過程參數(shù)化方案提供了試驗(yàn)依據(jù),為改進(jìn)大氣數(shù)值模式提供了比較可靠的總體輸送系數(shù)關(guān)系式。2.1.2地表通量參數(shù)化公式用觀測資料修正了干旱區(qū)Monin-Obukhov相似性函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),給出了干旱區(qū)動量粗糙度、標(biāo)量粗糙度(熱力和水分粗糙度)的變化特征以及標(biāo)量粗糙度與摩擦速度和動量粗糙度的定量關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)荒漠地區(qū)標(biāo)量粗糙度比動量粗糙度更復(fù)雜,隨近地層穩(wěn)定度變化范圍也更大,給出了一套較完善的干旱區(qū)地表通量參數(shù)化公式。這些研究[29~31]對提高數(shù)值模式中表面通量的描述能力有重要意義。2.1.3干旱區(qū)的陸面過程參數(shù)化模擬將獲得的干旱區(qū)陸面過程參數(shù)或參數(shù)化公式用于改進(jìn)目前流行的BATS等陸面模式中干旱土地類型的陸面過程參數(shù)化方案;并用改進(jìn)的陸面模式模擬了干旱區(qū)陸面過程的日變化和年變化特征,發(fā)現(xiàn)模擬效果比改進(jìn)前明顯提高,特別是在受降水明顯影響期,改進(jìn)后的陸面過程模式優(yōu)勢十分明顯。這方面研究[32~35]為數(shù)值模式的改進(jìn)提供了重要科學(xué)基礎(chǔ)。2.2干旱地區(qū)的利相性和水分轉(zhuǎn)化特征的研究2.2.1降保護(hù)的對土壤溫度的影響作用通過對NWC-ALIEX和HEIFE等觀測試驗(yàn)在荒漠區(qū)觀測的陸面水分過程資料分析,發(fā)現(xiàn)夜間降露水對土壤濕度的影響很顯著,可以使淺層土壤夜間出現(xiàn)逆濕分布;并且給出了降露水與地表溫度、近地面大氣層結(jié)、風(fēng)速及綠洲分布等氣候環(huán)境因素的定量關(guān)系;提出了表層土壤夜間對降露水的吸收過程與白天蒸發(fā)釋放水分過程構(gòu)成的干旱區(qū)陸面水分“呼吸”現(xiàn)象。這方面研究[36~39]揭示了荒漠表面水分交換的特殊機(jī)制,對研究干旱區(qū)生態(tài)維持機(jī)理有重要意義。2.2.2地表能量分布規(guī)律通過分析不同站點(diǎn)觀測資料,研究了干旱區(qū)荒漠和綠洲2種典型下墊面在不同天氣條件和氣候背景下的微氣象特征和能量輸送規(guī)律,發(fā)現(xiàn)雖然荒漠總輻射通量和感熱比綠洲強(qiáng),但凈輻射通量卻弱于綠洲,可利用能量也比綠洲低得多。并且,發(fā)現(xiàn)荒漠地表能量基本保持平衡,而綠洲地表能量不平衡性非常突出,而且不平衡性與中尺度垂直速度密切相關(guān)。這方面研究[40~51]豐富了對干旱區(qū)地表能量平衡特征的認(rèn)識。2.2.3當(dāng)前地質(zhì)條件對冷暴發(fā)展的影響用大氣數(shù)值模式模擬了綠洲地—?dú)庵g水分和能量交換特征及其與周圍荒漠的相互作用規(guī)律,分析了臨近綠洲的荒漠區(qū)近地層能量和水分輸送的時空變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)綠洲對其上游影響較小,但對綠洲下游荒漠陸面過程影響比較明顯,對許多陸面過程能量的影響范圍大致與綠洲空間尺度相當(dāng),影響程度大約為平均狀態(tài)的1/4。這方面研究增進(jìn)了對干旱區(qū)非均勻下墊面陸—?dú)庀嗷プ饔玫睦斫狻?.2.4穩(wěn)定維持的外部條件和制約因素將野外試驗(yàn)與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,分析了綠洲內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部氣候環(huán)境要素對綠洲系統(tǒng)陸面水分和能量交換的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了有利于綠洲穩(wěn)定維持的最優(yōu)外部條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并且以非線性熱力學(xué)方法分析了綠洲系統(tǒng)的熵變過程,揭示了綠洲演化和自組織過程的陸面本質(zhì)特征,給出了綠洲穩(wěn)定維持所需要的水分和熱量條件及必要的外部環(huán)境保障。這方面研究[54~57]對建設(shè)和保護(hù)綠洲具有重要參考意義。2.3干旱地區(qū)大氣邊界的結(jié)構(gòu)特征研究2.3.1大氣邊界層特征通過觀測資料分析、遙感反演和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了西北荒漠區(qū)夏季對流大氣邊界層最厚可超過4km,夜間穩(wěn)定大氣邊界層最厚也能夠達(dá)到1km以上;白天極端深厚的熱力大氣邊界層與該地區(qū)地表極強(qiáng)的浮力通量、較顯著的風(fēng)切變以及特殊的殘余層貢獻(xiàn)有關(guān);并且干旱區(qū)深厚大氣邊界層與干旱氣候的形成也有較密切關(guān)系。同時,通過對比分析干旱地區(qū)大氣邊界層季節(jié)特征,發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)大氣邊界層季節(jié)差異十分明顯,冬季大氣邊界層厚度只是盛夏的1/4左右。這方面研究[58~65]對干旱區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理給出了新認(rèn)識。2.3.2大氣逆濕和負(fù)汽輸送現(xiàn)象的物理機(jī)制及存在規(guī)律通過對干旱區(qū)不同區(qū)域的觀測試驗(yàn)資料綜合分析和中尺度數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)臨近綠洲的荒漠區(qū)大氣邊界層普遍存在大氣逆濕和負(fù)水汽輸送特征,并且很多時候存在水汽負(fù)梯度輸送現(xiàn)象;同時,還揭示了大氣逆濕和負(fù)水汽通量及水汽負(fù)梯度輸送現(xiàn)象的物理機(jī)制及其出現(xiàn)規(guī)律。這方面研究對干旱區(qū)邊界層水分輸送機(jī)制有了新的認(rèn)識。2.3.3內(nèi)邊界層結(jié)構(gòu)利用野外觀測和數(shù)值模擬相結(jié)合,分析了綠洲、沙漠過渡帶和荒漠的大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)及其分布特征和變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)由于綠洲的異質(zhì)性在荒漠背景上引起的動力、熱力、水分等多重不均勻性,在綠洲大氣邊界層內(nèi)形成了復(fù)雜的內(nèi)邊界層結(jié)構(gòu);同時,還解釋了綠洲“冷島效應(yīng)”及風(fēng)、溫、濕3種屬性內(nèi)邊界層的空間變化規(guī)律及形成機(jī)制。這方面研究豐富了對綠洲大氣內(nèi)邊界層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。2.4非均勻下墊層的氣邊界層理論的研究2.4.1大氣體制相似性理論通過理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證,建立了大氣邊界層局地相似性理論的相似性尺度和相似性函數(shù),并給出了局地相似性尺度與其它相似性尺度之間的關(guān)系。同時,利用日本筑波氣象塔和瑞典Uppsala試驗(yàn)等邊界層觀測試驗(yàn)資料證明了局地相似性理論在非均勻下墊面的適用性。另外,還將大氣局地相似性理論應(yīng)用于大氣近地面層,取得了良好的效果。這方面研究[70~72]為分析非均勻下墊面邊界層觀測資料提供了比較有效的方法。2.4.2熱平流影響下的近地層通量—改進(jìn)了非均勻下墊面近地層通量—廓線關(guān)系以理論推導(dǎo)為基礎(chǔ),利用HEIFE觀測資料修正了Monin-Obukhov相似性理論的通量—廓線關(guān)系,建立了熱平流影響下的近地層通量—廓線關(guān)系,拓展了通量—廓線關(guān)系的適用性,使近地面層通量—廓線關(guān)系可部分適用于類似于綠洲的非均勻下墊面。同時,還給出了包含近地層大氣局地自由對流狀態(tài)的相似性通量—廓線關(guān)系,增加了通量—廓線關(guān)系的通用性。這方面研究發(fā)展了傳統(tǒng)的近地層通量—廓線關(guān)系,為分析綠洲和荒漠陸面能量和物質(zhì)輸送提供了一定理論基礎(chǔ)。2.4.3確定四階矩準(zhǔn)正態(tài)近似和三階矩剪切近似用瑞典Uppsala和HEIFE等邊界層試驗(yàn)資料首次驗(yàn)證了湍流四階矩準(zhǔn)正態(tài)近似假定以及湍流三階矩剪切近似假定,并確定出了四階矩準(zhǔn)正態(tài)近似和三階矩剪切近似的一些重要實(shí)驗(yàn)參數(shù),為大氣數(shù)值模式中已廣泛使用的湍流三階閉合方案提供了堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)依據(jù)。這方面研究[75~77]對發(fā)展高階閉合大氣數(shù)值模式有較大科學(xué)意義。2.5干旱山谷城市環(huán)境邊界層及污染機(jī)制2.5.1干旱環(huán)境對邊界層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響開展了干旱山谷城市蘭州的大氣污染擴(kuò)散試驗(yàn)及模擬研究,并分析了山谷地形、干旱環(huán)境等自然因子與污染氣溶膠、生活取暖加熱等人為因子對大氣邊界層結(jié)構(gòu)的綜合影響過程。研究發(fā)現(xiàn):在大氣污染較重的干旱山谷城市,污染氣溶膠對冬季白天逆溫層形成的貢獻(xiàn)明顯大于山谷地形的貢獻(xiàn),早晚取暖期的生活加熱對低層大氣結(jié)構(gòu)也有明顯影響,環(huán)境干旱對邊界層結(jié)構(gòu)也有直接和間接作用。這方面研究對認(rèn)識干旱山谷城市大氣邊界層形成特征有理論指導(dǎo)意義,對開展干旱山谷城市大氣環(huán)境數(shù)值模擬和制定污染防治對策有一定參考價值。2.5.2大氣邊界層氣流運(yùn)移關(guān)系研究了干旱山谷盆地大氣邊界層氣流運(yùn)動的動力學(xué)特征,并用FIFE試驗(yàn)資料找出了氣流運(yùn)動(即越山或在山谷內(nèi)回繞)的Froude數(shù)動力學(xué)判據(jù)。以此為基礎(chǔ),建立了蘭州市大氣邊界層氣流的運(yùn)動狀態(tài)與地形、逆溫和干旱氣候背景的關(guān)系,估算出了污染物越山輸送出蘭州山谷的臨界高度和排放源煙囪的臨界高度。這方面研究揭示了干旱山谷城市大氣邊界層污染物輸送的動力學(xué)規(guī)律,對干旱山谷城市大氣環(huán)境綜合治理有重要參考價值。2.5.3大氣污染物擴(kuò)散規(guī)律和形成物理機(jī)理以理論分析和觀測試驗(yàn)相結(jié)合,揭示了蘭州盆地白天邊界層內(nèi)大氣逆溫層的形成條件和表現(xiàn)規(guī)律,研究了蘭州盆地白天大氣逆溫層對邊界層大氣污染物擴(kuò)散的影響,探討了蘭州盆地這種復(fù)雜地形和干旱環(huán)境條件下大氣擴(kuò)散特征和污染物輸送規(guī)律,比較系統(tǒng)地討論了蘭州市大氣環(huán)境污染的形成物理機(jī)理。這項(xiàng)研究[83~85]對蘭州市大氣環(huán)境的治理具有積極意義。3主要科學(xué)問題雖然,我國陸面過程和大氣邊界層研究工作已經(jīng)形成了一定特色。但總體而言,還存在較明顯的局限性,一些重要基礎(chǔ)性科學(xué)問題仍然有待突破:3.1野外綜合陸面過程和大氣邊界層野外科學(xué)試驗(yàn)空間布局的科學(xué)性和系統(tǒng)性仍然不足近20多年來,我國已經(jīng)先后在青藏高原、極端干旱區(qū)、干旱荒漠區(qū)、半干旱草原、農(nóng)牧交錯帶、南方暴雨區(qū)、特大城市群、海岸帶等典型區(qū)域進(jìn)行了一系列以陸面過程和大氣邊界層為主的觀測試驗(yàn)。不過,與國際先進(jìn)水平比較來看,我國野外綜合陸面過程和大氣邊界層野外科學(xué)試驗(yàn)空間布局的科學(xué)性和系統(tǒng)性仍然不足。一方面,目前有些觀測試驗(yàn)缺乏代表性;另一方面,有些典型地區(qū)還沒有開展過比較綜合性的觀測試驗(yàn)研究。尤其,在黃土高原和四川盆地等一些天氣、氣候關(guān)鍵區(qū)更是如此。這影響了對我國陸面過程和邊界層特征的、系統(tǒng)的認(rèn)識。3.2復(fù)雜邊界層參數(shù)化建模技術(shù)在目前已開展的干旱地區(qū)陸面過程和大氣邊界層觀測試驗(yàn)中,綠洲、湖泊和地形等引起的復(fù)雜下墊面問題并沒有得到很好的解決,這使得以往陸面過程和大氣邊界層觀測試驗(yàn)結(jié)果缺乏足夠的可靠性和適用性。復(fù)雜下墊面不僅會造成陸面過程特征和大氣邊界層結(jié)構(gòu)的變異,而且也給大氣模式中陸面過程和邊界層參數(shù)化造成了較大困難。在自然界,復(fù)雜下墊面大致可歸納為非均勻下墊面、起伏地形和山脈下墊面、城市下墊面等三大類。非均勻下墊面主要是由地表分布不均勻或土壤性質(zhì)變化引起,最突出的有干旱荒漠區(qū)中的綠洲和湖泊分布及平原區(qū)中的農(nóng)田和林木分布等。這種非均勻性對陸面過程和大氣邊界層影響十分明顯,不僅會引起陸面熱力、水分和生理生態(tài)過程的相互聯(lián)動,而且還會出現(xiàn)顯著的內(nèi)邊界層特征。起伏地形和山脈下墊面對邊界層結(jié)構(gòu)也有突出作用,它不僅會引起邊界層氣流的特殊運(yùn)動,產(chǎn)生垂直速度等,而且也使大氣數(shù)值模式中有效粗糙度的確定變得比較困難。城市化的迅速發(fā)展使城市下墊面對陸面過程和邊界層的影響日益重要,城市陸面過程特征和邊界層結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜,城市冠層的輸送、建筑物阻尼、尾流湍流效應(yīng)、多重反射和粗糙度確定以及日益普及的空調(diào)和汽車的熱源效應(yīng)等難點(diǎn)問題將會更加突出。3.3大氣數(shù)值模式參數(shù)化方案缺乏干旱區(qū)陸面過程和大氣邊界層參數(shù)化是發(fā)展區(qū)域大氣數(shù)值模式的重要環(huán)節(jié)。雖然,以往的觀測試驗(yàn)曾在一些代表性觀測點(diǎn)上獲得了陸面過程和大氣邊界層的局地參數(shù)化關(guān)系,但在目前國際上流行的大氣數(shù)值模式的陸面過程和大氣邊界層參數(shù)化方案中很少有我國陸面過程和大氣邊界層觀測試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)。這其中主要是由于以往研究很少把這些局地觀測結(jié)果有效轉(zhuǎn)化為數(shù)值模式網(wǎng)格尺度上的參數(shù)化方案,所以無法直接促使大氣數(shù)值模式參數(shù)化方案的改進(jìn)。因此,將陸面過程和大氣邊界層的局地參數(shù)化觀測結(jié)果升尺度轉(zhuǎn)化到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格尺度上是發(fā)展大氣數(shù)值模式的重要科學(xué)問題之一。在干旱地區(qū),下墊面相對比較簡單,尺度轉(zhuǎn)化工作的難度較小一些。所以,應(yīng)該嘗試進(jìn)行干旱區(qū)局地觀測與遙感像元在公里量級上尺度耦合及遙感反演區(qū)域與大氣數(shù)值模式網(wǎng)格在10公里量級上尺度耦合,從而把局地觀測的陸面過程和大氣邊界層參數(shù)化關(guān)系逐步升尺度轉(zhuǎn)化到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格尺度上,并用于改進(jìn)大氣數(shù)值模式的參數(shù)化方案。3.4地表非均勻性地表能量不平衡問題一直是困擾陸面過程研究的一個重要科學(xué)難題,在干旱區(qū)也發(fā)現(xiàn)了比較突出的能量不平衡現(xiàn)象。目前普遍認(rèn)為地表能量不平衡主要是由儀器誤差、觀測誤差、可利用能量高估、有效能量低估、忽視了熱儲存量、大氣非平穩(wěn)性和地表非均勻性等眾多因素所致。針對這些問題,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量工作,并通過觀測儀器精度的提高、資料質(zhì)量控制技術(shù)的完善、平面擬合、高低頻響應(yīng)訂正、footpint分析、平流影響訂正、攻角訂正、冠層和土壤熱儲的估算、非平穩(wěn)性檢驗(yàn)、大渦輸送貢獻(xiàn)的計(jì)入、有效能量增大、位相調(diào)整等技術(shù)手段在一定程度上改善了地表能量不平衡問題。然而,即使綜合考慮這些技術(shù)措施,仍不能完全解決地表能量不平衡問題。至今,地表能量不平衡問題仍然是個迷團(tuán)。尤其,需要進(jìn)一步去開拓思路,探討中尺度垂直運(yùn)動的能量輸送、植物生理過程對能量的儲存和消耗以及陸面相變過程的能量釋放和吸收等因素對地表能量不平衡的影響,系統(tǒng)揭示地表能量不平衡的科學(xué)本質(zhì)。3.5陸面熱力和邊界層相互作用在干旱地區(qū),沙塵暴等許多極端天氣過程都與陸面過程的特殊貢獻(xiàn)密切相關(guān)。然而,以往陸面過程和大氣邊界層試驗(yàn)的觀測時段大多選擇晴好天氣,往往遺漏了對暴雨、冰雹和沙塵暴等小概率極端天氣事件與陸面過程和大氣邊界層相互作用過程的觀測。所以,目前對極端天氣過程與陸面過程和大氣邊界層相互作用的特征和規(guī)律認(rèn)識十分有限,在一定程度上制約了極端天氣事件監(jiān)測預(yù)測技術(shù)的提高。在干旱地區(qū),沙塵暴天氣的形成與陸面熱力作用密切相關(guān)。而且,沙塵氣溶膠對大氣邊界層有2方面特殊強(qiáng)迫作用:一方面是干對流活動引起的垂直運(yùn)動對邊界層的動力強(qiáng)迫;另一方面是大氣邊界層內(nèi)超常沙塵含量分布對邊界層的輻射強(qiáng)迫。在濕潤地區(qū),暴雨天氣會引起以下幾個方面的大氣邊界層問題:積云和對流等中尺度過程產(chǎn)生的中尺度通量在邊界層中的參數(shù)化問題;邊界層水分相變的潛熱釋放產(chǎn)生的熱量強(qiáng)迫;高密度水汽分布對邊界層的輻射強(qiáng)迫;濕對流過程對邊界層的動力強(qiáng)迫等。另外,在高原和高山地區(qū),冰雹天氣形成時的陸面熱力和動力作用及冰雹天氣發(fā)展過程中的邊界層地形波作用等問題也是非常值得重視和研究的科學(xué)問題。3.6對大氣水分循環(huán)模擬的缺失陸面水分過程是整個氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,也是控制和影響區(qū)域水分循環(huán)和水資源分布的主要因素,對全球變化的響應(yīng)十分敏感。尤其,干旱區(qū)陸面水分過程有其復(fù)雜性和特殊性。目前,許多研究已經(jīng)逐漸從過去以研究大氣環(huán)流為主的能量循環(huán)轉(zhuǎn)向了以研究生態(tài)環(huán)境和水資源問題為主的水分循環(huán)方面。然而,至今對大氣水分循環(huán)的模擬并不是十分成功,即使對降水過程都很難比較準(zhǔn)確地模擬。困擾這一問題的原因固然很多,但陸面水分過程的復(fù)雜性無疑是影響這一問題的主要因素。正是由于陸面水分過程的復(fù)雜性,目前無論在數(shù)值模式中還是在理論分析中對其描述都還很不夠完善,尤其對降露、土壤水分吸附和蒸餾等一些特殊的陸面水分過程還沒有充分考慮,對陸面過程中表面蒸發(fā)和土壤水分輸送的計(jì)算還存在不少理論方面的困惑,許多大氣數(shù)值模式中對它們的描述隱含了不少假定和猜測,模擬的土壤濕度干化速度往往要比實(shí)際迅速得多。所以,今后陸面過程研究所面對的最艱巨的任務(wù)之一可能就是如何提高對陸面水分過程的系統(tǒng)認(rèn)識和理解。4大氣邊界層和陸面過程的科學(xué)研究大氣邊界層和陸面過程研究是試驗(yàn)性很強(qiáng)的科學(xué),它們在理論上的突破基本上是以試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)為基礎(chǔ)。正是由于一系列試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)成果的成功推動,使得大氣邊界層和陸面過程研究逐步發(fā)展并漸漸成熟起來。今后對大氣邊界層和陸面過程理論認(rèn)識上的重大突破在很大程度上仍然需寄希望于觀測試驗(yàn)方面的重大發(fā)展,這就需要今后觀測試驗(yàn)設(shè)計(jì)在思路上具有創(chuàng)新性、在技術(shù)上具有先進(jìn)性、在觀測資料方面具有可靠性、在觀測內(nèi)容方面具有綜合性。從科學(xué)的發(fā)展角度講,大氣邊界層和陸面過程研究只有貼近實(shí)踐和面向應(yīng)用才能有更強(qiáng)勁的生命力。這正如大氣邊界層研究最初是基于軍事活動的需要才開展起來,此后隨著航空、大氣污染治理、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星發(fā)射等方面的廣泛需要而迅速發(fā)展壯大?？梢?大氣邊界層和陸面過程研究的每一步飛躍幾乎都與應(yīng)用領(lǐng)域的新需求分不開。未來大氣邊界層和陸面過程研究尤其要在改進(jìn)數(shù)值模式的模擬能力、提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率、增強(qiáng)氣候變化預(yù)估和評估能力等方面發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)作用,這樣才能為大氣邊界層和陸面過程研究迎來新的發(fā)展局面。由于大氣邊界層結(jié)構(gòu)和陸面過程特征的區(qū)域性非常明顯,在未來研究中需要特別增強(qiáng)針對性和突出重點(diǎn)。如在高寒地區(qū),由于其特殊的地形和環(huán)境,需要更加關(guān)注陸面凍土和冰雪過程及地形和低氣壓對大氣邊界層結(jié)構(gòu)的影響;在干旱半干旱區(qū),水分在土壤中的分布和傳輸比較特殊,降露、土壤吸附水、蒸餾、毛管抽吸等一些特殊的水分過程顯得更加重要,氣態(tài)水分輸送和傳輸作用也會更加突出,應(yīng)該特別重視陸面水分過程的作用及其對生態(tài)環(huán)境的影響。辯證而言,科學(xué)中的難題同時也是科學(xué)發(fā)展的機(jī)遇。目前,大氣邊界層和陸面過程研究的許多科學(xué)難題都是由下墊面的復(fù)雜性衍生出來的。事實(shí)上,大氣邊界層和陸面過程研究從理想下墊面走向復(fù)雜下墊面的發(fā)展正是大氣科學(xué)從理想條件走進(jìn)實(shí)際大氣的必然趨勢,這如同大氣動力學(xué)研究從當(dāng)年的地轉(zhuǎn)近似逐步發(fā)展出一套完整的大氣控制方程,以及大氣科學(xué)理論從線性逐步向非線性理論、從平衡態(tài)熱力學(xué)逐步向非平衡態(tài)熱力學(xué)發(fā)展一樣。復(fù)雜下墊面大氣邊界層和陸面過程的理論突破將會為該領(lǐng)域的研究開創(chuàng)更加廣闊的前景。致謝:本文得到了黃榮輝、胡隱樵、趙鳴、衛(wèi)國安、王介民、呂世華、趙建華、肖國舉、曹曉彥、楊興國、周嵬、馬芳、田輝、王興、喬娟和問曉梅等專家和同行的支持和幫助,在此一并致謝。參考文獻(xiàn)(References):mosphericboundarylayerphysics[J].AdvancesinEarthScience,2001,16(4):526-532.[張強(qiáng),胡隱樵.邊界層氣象學(xué)的研究進(jìn)展和面臨的主要科學(xué)問題[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2001,16(4):11(6):550-554.[胡隱樵,張強(qiáng).大氣邊界層相似性理論及應(yīng)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1996,11(6):550-554.]search,2000,20(4):357-362.[張強(qiáng),胡隱樵,曹曉彥,等.關(guān)于我國西北干旱氣候的若干問題[J].中國沙漠,2000,20(4):2005,25(5):675-681.[張強(qiáng),王勝.特強(qiáng)沙塵暴(黑風(fēng))的形成及其效應(yīng)[J].中國沙漠,2005,25(5):675-681.]486.[張強(qiáng),胡隱樵.綠洲地理特征及氣候效應(yīng)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2002,17(4):477-486.][J].AridMeteorology,2003,21(3):74-78.[張強(qiáng).大氣邊界層氣象學(xué)研究綜述[J].干旱氣象,2003,21(3):74-78.]ScientiaMeteorologicaSinica,1998,18(3):295-304.[張強(qiáng).簡評陸面過程及其模式[J].氣象科學(xué),1998,18(3):295-304.]perimentalstudyinChineseloessplateau[J].AdvancesinEarthScience,2008,23(2):167-143.[張強(qiáng),王勝.關(guān)于黃土高原陸面過程及其觀測試驗(yàn)研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008,23(2):anditsresearchadvances[J].AdvancesinEarthScience,2005,20(4):427-441.[張強(qiáng),黃榮輝,衛(wèi)國安,等.西北干旱區(qū)陸面過程觀測野外試驗(yàn)(NWC-ALIEX)及其研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(4):427-441.]surfacelayeroverGarzeareainTibetanPlateau[J].ChineseJournalofAtmosphericSciences,2000,24(3):289-300.[劉輝志,洪鐘祥.青藏高原改則地區(qū)近地層湍流特征[J].大氣科studyinChina―FromHEIFEtoIMGRASSandGAME-TIBET/TIPEX[J].PlateauMeteorology,1999,18(3):280-294.[王介民.陸面過程實(shí)驗(yàn)和地氣相互作用研究———從HEIFE到IMGRASS和GAME-Tibet/TIPEX[J].高原氣象,1999,18tation-atmosphereinteractioninInner-Mongoliasemi-aridgrassland[J].EarthScienceFrontier,2002,9(2):295-306.[呂達(dá)仁,陳佐忠,陳家宜,等.內(nèi)蒙古半干旱草原土壤—植被—大氣相互作用(IMGRASS)綜合研究[J].地學(xué)前緣,2002,9(2):295-fieldexperimentonaridificationandtheorderedhumanactivityinsemi-aridareaatTongyu,JilinProvince[J].ClimaticandEnvironmentalResearch,2004,9(2):378-389.[劉輝志,董文杰,符淙斌,等.半干旱地區(qū)吉林通榆“干旱化和有序人類活動”長期觀測實(shí)驗(yàn)[J].氣候與環(huán)境研究,2004,9(2):378-389.]urbancanopylayerturbulenceanditsself-similarmultiplicativecascademodels[J].ScienceinChina(SeriesD),2005,35(suppl.):66-72.[胡非,程雪玲,趙松年,等.城市冠層中溫度脈動的硬湍流特性和相似性級串模型[J].中國科學(xué):D輯,2005,35(增刊):66-72.]465-470.[呂世華,羅斯瓊.沙漠—綠洲大氣邊界層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].高原氣象,2005,24(4):465-470.]beltseffectonmeteorologicalenvironmentinurbanplanning[J].ChineseJournalofGeophysics,2005,48(2):265-274.[陳燕,蔣維楣,徐敏,等.城市規(guī)劃中綠化布局對區(qū)域氣象環(huán)境影響的數(shù)值試驗(yàn)研究[J].地球物理學(xué)報,2005,48(2):265-274.]ofatmosphericdragcoefficientsinDunlmang[J].ScienceinChina(SeriesD),2001,31(9):783-792.[張強(qiáng),衛(wèi)國安,黃榮輝.敦煌戈壁大氣曳力系數(shù)的觀測與研究[J].中國科學(xué):D輯,structureparametersinlaboratoryandfieldintheGobiinaridareas[J].AridZoneResearch,2002,20(1):44-52.[張強(qiáng),衛(wèi)國安,侯旭紅.西北干旱區(qū)戈壁土壤參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測量及與野外觀測的對比[J].干旱區(qū)研究,2002,20(1):44-52.]tran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