基于陆面能量平衡原理,通过对搭载在欧洲空间局环境卫星(Environmental Satellite,ENVI-SAT)上中分辨率影像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)2005年6月7,11和27日的遥感观测资料进行大气纠正等预处理后,得到估算瞬时蒸散发量所需要的地表反照率和植被覆盖度等值,并利用分裂窗法和ENVISAT上搭载的先进的沿轨迹扫描辐射计(Advanced Along-TrackScanning Radiometer,AATSR)的观测资料进行了地表温度的反演,进一步估算出黄土高原塬区午间瞬时净辐射、感热通量和土壤热通量。结合与卫星遥感观测资料同期研究区域气象站的太阳辐射、气温、日照时数和风速等气象要素资料,充分考虑到植被冠层和陆地表面对蒸散发量的不同影响,发展了一个可以估算陆面潜热的简化模型,并将瞬时蒸散发量转化为日蒸散发量。对卫星遥感估算的潜热通量,利用黄土高原塬区陆面过程野外观测试验(Loess Plateau land surface process field Experiments,LOPEXs)的地面通量观测资料进行验证,结果表明:二者最大相对差异为10.9%,最小相对差异为4.8%,并对差异误差产生的原因进行了分析和探讨。
地表反照率是陆面过程中一个重要的物理量,其变化直接影响地表能量的收支状况,进而可以影响气温和降水等其它气象要素。本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,通过两组数值模拟试验分别探讨了地表反照率改变在黄河源区不同下垫面情况下潜热、感热的分配关系,详细分析了地表反照率改变对降水变化的影响机制,最后应用EOS/MODIS地表反照率产品替代原模式低时空分辨率的地表反照率。研究结果表明:(1)当地表反照率减少(增加)时,模拟的区域平均地表温度、感热、潜热数值相应增大(减少)。当地表反照率减少0.1时,地表温度上升约1.0K,感热和潜热量增量比约为3∶1。(2)地表反照率改变对降水量变化影响最大的区域是黄河源区下游的草场区域,其次是黄河源头区域,最小的是黄河源区北部的稀疏植被区域。地表反照率通过对大气动力、热力以及水汽条件的影响,使得降水发生的环境改变,主要体现在:当地表反照率减少时,地表气压的减少使得大气低层的辐合气流增强,有利于上升运动的发生;2.0m气温的升高增强了大气近地层的热力不稳定度;2.0m比湿的增加表明近地层空气水汽含量增加。(3)与实况对比分析发现,使用卫星遥感产品后在月尺度上能够更准确地模拟降水量的变化过程。
利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008—2009年、2013—2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980—2014年观测资料与CLM4.5(Community Land Model4.5)进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 crm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。
