青藏高原東南部復雜地形區不同天氣狀況下陸氣能量交換特征分析

李娟李躍清蔣興文高篤鳴

1成都信息工程大學大氣科學學院，成都6102252中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都610072

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青藏高原東南部復雜地形區不同天氣狀況下陸氣能量交換特征分析

李娟1, 2李躍清2蔣興文2高篤鳴2

1成都信息工程大學大氣科學學院，成都610225
2中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都610072

摘 要青藏高原地理環境復雜，已有大氣陸面—邊界層研究工作多集中于不同下墊面，很少有對復雜地形區的研究。本文利用青藏高原東南部林芝地區2013年5月20日至7月9日四個野外試驗站點的觀測資料，分析了不同天氣條件下，高原復雜地形區不同下墊面的陸—氣能量交換特征。結果表明：在各站向下短波輻射基本一致的情況下，地形較陡的北坡闊葉林站感熱通量遠大于其他3個站點；下墊面植被覆蓋最多的南面麥田站潛熱通量最大。各站能量通量有明顯的日變化特征，晴天時，感熱通量和凈輻射明顯大于陰雨天，而潛熱通量隨天氣狀況變化不大。青藏高原復雜地形環境比不同天氣條件對于感熱通量的影響更顯著；不同地形陰雨天時對于潛熱通量有明顯的影響。當南亞季風槽前的西南暖濕氣流影響到林芝地區時，該地區以陰雨天為主，反之則以晴天為主。林芝地區地—氣通量的月內變化明顯受南亞季風活動的影響。

關鍵詞青藏高原 復雜地形區 不同天氣狀況 陸—氣能量交換 下墊面

李娟，李躍清，蔣興文，等. 2016. 青藏高原東南部復雜地形區不同天氣狀況下陸氣能量交換特征分析 [J]. 大氣科學, 40 (4): 777?791. Li Juan, Li Yueqing, Jiang Xingwen, et al. 2016. Characteristics of land–atmosphere energy exchanges over complex terrain area of southeastern Tibetan Plateau under different synoptic conditions [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 777?791, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15197.

1 引言

青藏高原是世界上面積最大、海拔最高、地形最復雜的高原，平均海拔高度約4000 m，作為一塊隆起的巨大臺地，通過邊界層輻射、感熱和潛熱輸送形成了一個高聳入自由大氣中的熱源強迫和熱對流動力擾源，對我國、東亞乃至全球的天氣氣候形成和變化都具有特殊的熱力和動力作用（葉篤正和張捷遷，1974；章基嘉等，1988；劉曉東等，1989，1991；錢永甫，1993；鄭慶林等，2001；簡茂球和羅會邦，2002；季國良等，2002）。

研究表明：陸—氣之間的能量和物質輸送是局地乃至全球天氣氣候的驅動力，反過來，大氣過程也會對陸—氣之間的能量、物質交換產生影響（Raupach，1998；Eugster et al，2000；Kellner，2001）。同樣，青藏高原對大氣的各種動力和熱力效應主要是通過高原近地層和邊界層影響自由大氣的（馬耀明等，2000），近地層能量和物質的交換隨著近地層微氣象條件的不同而有所差異，這種差異不僅僅受下墊面性質的影響，還與地形影響密切相關，因而對高原地區不同天氣條件下不同性質下墊面陸—氣能量交換特征的分析研究就顯得尤為重要。

20世紀70年代初，我國開展第一次“青藏高原氣象科學試驗”（QXPMEX）以來，許多學者對高原不同性質下墊面的微氣象特征進行了研究，得到了一些有意義的結果。章基嘉等（1988）指出，干季青藏高原地面對大氣的加熱以感熱為主，雨季潛熱貢獻的比例顯著增加，感熱貢獻明顯減小，植被覆蓋較多的高原東半部的潛熱通量貢獻率超過50%，雅魯藏布江流域一帶的潛熱通量貢獻率超過70%。徐祥德等（2001）基于第二次青藏高原科學試驗（TIPEX）對開闊干河谷、荒漠沙石裸地、河谷草地三種不同下墊面進行了研究，結果表明：無論干、濕期荒漠沙土石裸地地面熱源強度都最大，河谷草地最小。錢澤雨等（2005）利用北麓河自動氣象站 5～6月觀測資料，分析了北麓河多年凍土區稀疏短草沙壤土下墊面近地層微氣象特征，其季風來臨前的6月潛熱釋放比感熱輸送作用更顯著。陳世強等（2008）利用 2005年“綠洲系統能量水分循環觀測試驗”（JTEX）資料，分析了夏季晴天和陰天西北干旱區金塔綠洲不同下墊面的輻射特征，結果表明，綠洲與沙漠、戈壁的輻射特征有很大差異，而沙漠和戈壁的差異較小，相同天氣條件下，不同下墊面向下輻射基本一致，綠洲向上輻射最小，凈輻射最大。李英等（2008）對比分析了青藏高原東部與成都平原的邊界層微氣象特征，得到理塘站向下短波輻射和向上短波輻射都明顯強于溫江站。涂鋼等（2009）對比分析了半干旱區退化草地和農田下墊面近地層湍流通量特征，研究表明，地氣通量交換年際間的差異主要受當年氣候背景的影響，尤其是降水的影響，同時還受到下墊面植被覆蓋的影響。Jiang et al.（2012）對青藏高原東側成都平原溫江站夏季邊界層特征的分析表明，當500 hPa低槽向西（東）移動時，向下短波輻射迅速減小（增加），同時云量增加（減小），導致感熱和潛熱通量減小（增加）。

由此可知，青藏高原地區草甸、草地、農田、戈壁、綠洲以及城市下墊面感熱、潛熱、動量通量等能量和物質的交換一直是國內外研究的熱點，許多學者對此進行了較為詳細的觀測研究，也得到了一些有益的結論（Pruitt et al.，1973；左洪超和胡隱樵，1992；高會旺等，1998；陶詩言等，1999；馬耀明等，2001，2006；李躍清等，2009；Min et al.，2012；Zhang et al.，2012）。但是，對于青藏高原陸面過程，包括陸—氣能量交換對天氣、氣候演變的重要作用，目前認識還不夠深入，如對青藏高原復雜地形區陸—氣能量平衡過程的觀測和研究，高原近地面熱力作用對我國降水的影響程度，不同下墊面熱力分布對高原上空及周圍地區大氣環流的影響等等。一方面，是因為觀測資料的匱乏，另一方面，是因為高原復雜的地形和下墊面使陸面過程更加復雜。近些年，青藏高原上測站的不斷建立使人們有了比較豐富的基礎資料，但已有工作主要集中于高原單個站點或不同區域內少數幾個站點的研究，只能初步揭示高原地區陸—氣能量交換的部分特征，難以進行很好的對比研究。為此，本文將利用針對青藏高原藏東南林芝復雜下墊面的陸—氣交換觀測試驗資料，對比分析不同天氣條件下，復雜地形不同區域陸—氣能量交換過程的逐日變化和日循環特征，以揭示復雜地形下，不同天氣過程對不同下墊面的具體影響。

2 資料與方法

中國科學院大氣物理研究所、中國氣象局成都高原氣象研究所實施了藏東南林芝雅魯藏布江（下稱雅江）河谷地區復雜下墊面的地氣交換觀測試驗。本次觀測試驗于林芝雅江兩側設立6個站點，數據采集時間為：2013年5月20日至2013年7月9日，由于儀器故障和天氣影響等原因，原始數據或多或少存在缺測、間斷現象。因此，本文選取其中較完整的四個站點進行分析研究，分別是：西南草地站、南面麥田站、北坡闊葉林站以及西坡闊葉林站，地理位置如圖 1。西南草地站（29.449°N，94.691°E；海拔高度2973 m）位于林芝雅江以南，地勢平坦，下墊面為草，附近有稀疏灌叢，草本高度約 0.1 m，灌叢高度約 0.9 m；南面麥田站（29.446°N，94.698°E；海拔高度2960 m）位于田壟上，地勢平坦，下墊面田地中為小麥，田壟上為草，試驗初期小麥高0.5 m，后期高0.9 m；北坡闊葉林站（29.468°N，94.701°E；海拔高度3164 m）位于雅江以北山的陽坡上，地勢較陡，下墊面為闊葉林，附近有灌叢和草；西坡闊葉林站（29.450°N，94.686°E；海拔高度3017 m）位于東北走向山的陰坡上，地勢較陡，下墊面為闊葉林，附近有灌叢和草。其中，北坡闊葉林站位于雅江以北，其余3站位于雅江以南。

藏東南林芝觀測區近地層的觀測包括：（1）自動氣象站（AWS），觀測要素為氣溫、氣壓、相對濕度（RH）、水平風向風速、太陽總輻射、地表土壤溫度以及雨量；（2）渦動相關系統（EC），包括一層三維超聲風溫儀（用于測量三維的脈動風速和超聲虛溫）、紅外氣體分析儀（用于測量CO2、H2O密度，采樣頻率均為10 Hz）；（3）兩層常規氣象要素觀測，在EC系統上下高度內分別進行常規氣象觀測，觀測要素為氣溫、氣壓、RH、水平風速；（4）分量輻射。整個觀測區的EC資料采用CR3000數據采集器（美國Campbell公司生產）進行采樣。

對于渦動相關系統觀測數據，需要進行有效的質量控制（張烺等，2010），目前，應用較多的湍流資料質量控制軟件有英國愛丁堡大學推出的EdiRe、德國拜羅伊特大學開發的 TK2/TK3，美國Li-COR公司開發的EddyPro等。EddyPro軟件為開源軟件，有利于用戶檢查數據處理程序，改善通量計算結果，在渦動數據處理過程的各修正方法中加入了多種可選性，且具有豐富的幫助文件，界面友好，因此受到廣泛的應用。本文使用Li-COR公司開發的EddyPro軟件（V5.1.1）對渦動相關系統觀測數據進行質量控制。首先，對原始湍流數據進行預處理，包括傳感器標志異常檢驗、去野點、信號閾值檢驗及粘滯數據檢驗等，然后使用渦動相關法對湍流原始數據進行計算，渦動相關法是通過計算風速脈動與某標量脈動的協方差，直接計算得到某一時段的通量的方法，由于其計算簡單，不是建立在經驗公式的基礎上，計算精度較高，日趨成為計算湍流通量的首選方法，其計算公式為

其中，r為空氣密度，pc為干空氣定壓比熱，vL為汽化潛熱，T'、q'、u'、v'、w'為脈動量，u*為摩擦速度。在通量計算之前，需要進行必要的修正，主要包括傾斜修正（二次坐標旋轉或平面擬合）、頻率響應修正、感熱的超聲虛溫訂正及密度修正（WPL），修正后通過計算即得到各通量值。在通量的計算過程中，取平均時間長度為30 min，每30 min之內缺測次數大于10%時，即視為該時刻缺測。對于本文分析的四個站點，除5月20日西側陰坡闊葉林站缺測外，其余站點數據均較完整。

此外，本文還使用了ERA-interim 6小時一次、水平分辨率為 1.0°×1.0°的風場再分析資料和TRMM-3B42水平分辨率為 0.25°×0.25°的逐日累積降水資料。

3 結果分析

3.1 近地層能量通量的逐日變化

圖2給出了林芝觀測區2013年5月20日至7 月9日51天四個試驗站點感熱、潛熱和向下短波輻射通量的逐日變化。從圖可看出，感熱通量的逐日變化過程與向下短波輻射通量相似，在觀測期間都表現出明顯的“高—低—高—低”階段性變化特征，潛熱通量相對變化不明顯，這與觀測區云、雨等天氣影響有關。對應觀測區逐日累積降水變化（圖3），觀測點（以南面麥田站的降水為代表）的具體降雨日和日降雨量為：5月22～24日、29～31 日6天（相應雨量4.1、7.7、3.7、1.4、2.5、0.8 mm），6月1～8日、11日、16～18日、24～30日19天（相應雨量 6.1、11.8、1.1、0.5、0.2、0.1、0.3、8.2、0.2、0.2、0.1、0.8、1.2、15.8、19.6、12.2、1.1、0.1、1.5 mm），7月1日、4～6日、9日5天（相應雨量0.7、2.4、1.2、0.3、0.1 mm），51天觀測期，降雨日就有 30天，多為小雨天氣。對比向下短波輻射通量（圖2c）和降水（圖3）的逐日變化可看出，陰雨天向下短波輻射迅速減少，晴天則增加。而且，進一步對比向下短波輻射通量與地表熱通量的逐日變化（圖2），不同地形不同下墊面的感熱和潛熱通量逐日變化與向下短波輻射相似，說明向下短波輻射是影響地表感熱和潛熱通量變化的重要因素：當天氣晴好，向下短波輻射強時，地表感熱和潛熱通量均較大；反之亦然。

由于試驗站點分布在雅魯藏布江兩側，相距較近，影響太陽輻射的緯度等因子沒有太大的差別，同時，在試驗區周邊范圍內影響向下短波輻射的氣象環境差異較小。因此，從圖2可看到，在試驗期間，各觀測站向下短波輻射通量的逐日變化曲線基本重合，而不同站點感熱和潛熱通量變化的差異卻較大。就日平均而言，感熱通量北坡闊葉林站最大可達80.51 W m?2，西坡闊葉林站和西南草地站次之，分別為35.33 W m?2、33.28 W m?2，南面麥田站最小約15.32 W m?2；潛熱通量南面麥田站最大為88.27 W m?2，其次為北坡闊葉林站、西南草地站、西坡闊葉林站，分別是85.56 W m?2、68.53 W m?2、64.09 W m?2，這主要是地形差異和不同性質下墊面影響的結果，而緯度因子、天氣狀況對觀測區內四個站點的影響是一致的。對于北坡闊葉林站的感熱通量明顯大于其他站點，首先對比北坡闊葉林站和西坡闊葉林站，雖然它們接收的向下短波輻射相同，且下墊面性質相似（闊葉林，附近有稀疏灌叢和草），但北坡闊葉林站感熱通量遠大于西坡闊葉林站，造成這種差異的主要原因是：北坡闊葉林站和西坡闊葉林站所處的地形位置不同，北坡闊葉林站位于雅魯藏布江以北山的陽坡上，而西坡闊葉林站位于東北走向山的陰坡上。其次，對比北坡闊葉林站和西南草地、南面麥田站，它們接收的向下短波輻射相同，但西南草地、南面麥田站下墊面都較平坦，且下墊面性質不同，因此它們的感熱通量差異較大。從圖2還可看出，南面麥田站的潛熱通量遠大于感熱通量，這是因為麥田站下墊面完全被植被覆蓋，植株的蒸騰作用會帶走大量的水汽，使得麥田上方的水汽濃度發生變化，體現為潛熱通量大大增強。由此說明，近地層能量交換不僅受下墊面性質的影響，而且地形也起著重要的作用。對比四個站點，晴天北坡闊葉林站以感熱通量輸送為主，陰雨天以潛熱通量輸送為主；其余三個站點無論晴天還是陰雨天，普遍是潛熱通量輸送占主導作用，這主要是因為夏季是降水集中期，而且此時也是植被生長的旺盛期，這與藏北高原地區（馬耀明等，2000）和青藏高原東坡理塘地區（李英等，2009；趙興炳和李躍清，2011）夏季潛熱輸送占主導地位一致。

同時，發現各試驗站感熱、潛熱通量（圖2a、b）的逐日變化在數值上雖然存在一定的差異，但其隨向下短波輻射表現出幾乎一致的變化趨勢。以2013年6月24～27日一次連續的降水過程為例，6月24日開始出現降水，向下短波輻射迅速減弱，各站感熱和潛熱通量隨之減小；6月27日降水量減小，向下短波輻射略有增強，各站感熱和潛熱通量一致增大；之后，各站的感熱和潛熱通量出現同步變化特征，潛熱通量變化稍大。這種相同的變化說明，無論是晴天還是陰雨天，向下短波輻射對不同物理性質下墊面的能量交換所起的作用是相同的。

圖 4給出了各觀測站基本氣象要素的逐日變化，四站點各氣象要素表現出相同的變化趨勢。溫度的逐日變化整體呈現出遞增的趨勢，各站點之間的差異較小，當各站點溫度相對降低時，對比感熱通量（圖2a）相對減小，此時也對應降水偏多期。各站點氣壓在觀測期間的變化較小，北坡闊葉林站由于海拔稍高于其他站點，因此氣壓比其他站點略低。各站點水平風速的逐日變化與感熱和向下短波輻射（圖2a、c）相似，呈現出“高—低—高—低”的變化趨勢，各站點之間的差異較大。相對濕度的逐日變化與降水相對應，當降水偏多時，相對濕度增大；反之亦然，南面麥田站相對濕度大于其他站點，其余三站差異較小。

圖1 觀測站點地理位置Fig. 1 The geographical locations of observational sites

圖2 2013年5月20日至7月9日各觀測站地表感熱、潛熱和向下短波輻射通量的逐日變化（單位：W m?2）Fig. 2 Daily variations of surface sensible and latent heat fluxes and downward shortwave radiation fluxes at the observational sites from May 20th to July 9th 2013 (units: W m?2)

圖3 2013年5月20日至7月9日林芝觀測區逐日累積降水量（單位：mm）Fig. 3 Daily cumulated rainfall (units: mm) over observational area of Linzhi from May 20th to July 9th 2013

3.2 近地層能量通量的日循環

圖5給出了2013年5月20日至7月9日四個試驗站點感熱、潛熱通量及凈輻射的平均日變化。從圖5可看出，感熱、潛熱通量和凈輻射都有明顯的日變化規律，日變化幅度大，白天遠遠大于夜間。凈輻射在夜間為負值，白天日出后，由于向下短波輻射的快速增加，凈輻射開始由負值轉為正值，在午后 14:00（北京時，下同）達到最大值。不同站點由于下墊面地表反照率的不同，凈輻射的日變化有所差異，對于同一地區內幾個不同的試驗點，太陽高度角等的差異可以忽略，地表反照率主要取決于地表特性。草地、麥田、闊葉林等截然不同的下墊面導致了地表反照率的不同，各試驗站點地表反照率日平均值從大到小依次為：南面麥田站（0.16），西坡闊葉林站（0.14），西南草地站（0.13），北坡闊葉林站（0.09）。北坡闊葉林站的凈輻射日變化振幅略大于其他站點，為596.09 W m?2；西南草地站日變化振幅最小，為463.51 W m?2。凈輻射日變化的最小值出現在20:30左右，隨后開始緩慢地增加。這是因為在20:30，地表沒有向下短波輻射的補給，并且此時地面溫度仍較高，向上長波輻射較大，導致20:30凈輻射最小。20:30以后，隨著地表冷卻，向上長波輻射減小，所以凈輻射有微弱的增加。這說明輻射平衡在白天以向下短波輻射為主，而在夜間以地表向上長波輻射為主。

圖5 2013年5月20日至7月9日各觀測站地表感熱、潛熱及凈輻射通量平均日變化（單位：W m?2）Fig. 5 Diurnal variations of surface sensible and latent heat fluxes and net radiation flux at the observational sites averaged over the period of May 20th to July 9th 2013 (units: W m?2)

從圖5還可看到，感熱、潛熱通量與凈輻射有相似的日變化過程。白天日出后感熱通量隨著向下短波輻射的增加而逐漸增加，直至午后 14:30，此時一般是一天中溫度最高的時段，大氣層結最不穩定，感熱通量達到日變化的最大值，之后逐漸減少，夜間保持在一個很小的負值。白天，觀測區不同試驗站點感熱通量的日變化差異較大，北坡闊葉林站感熱通量日變化峰值遠遠大于其他站點，為319.23 W m?2；南面麥田站最小僅76.46 W m?2。這種差異主要是由不同性質下墊面造成的，與不同試驗站所處的地形影響輻射和地表植被覆蓋有關。潛熱通量的日變化全天均為正值，其變化規律與感熱通量一致，在午后14:30達到日變化的最大值，之后逐漸減小，夜間潛熱通量幾乎保持一個較小的正值。不同試驗站潛熱通量的日變化差異不如感熱通量明顯，潛熱通量日變化峰值最大的是南面麥田站，為281.79 W m?2；日變化峰值最小的是西坡闊葉林站，為182.45 W m?2。整體上，除北坡闊葉林站外，其他站點潛熱通量全天均大于感熱通量。感熱通量與潛熱通量平均日變化的這種差異進一步說明了不同局地地形對近地層能量輸送的重要影響。雖然大尺度上，青藏高原地區近地層能量輸送以感熱為主，尤其是西部，但是進入雨季后，潛熱輸送顯著增加，且東部更為明顯（章基嘉等，1988），但在復雜地形下，感熱通量與潛熱通量兩者的相對重要性具有明顯的區域尺度差異。

圖6給出了觀測期不同天氣條件下各試驗站點凈輻射的平均日變化。根據試驗期的天氣狀況，可把觀測期分為四個階段（下同）：5月20日至5月28日為第一階段；5月29日至6月8日為第二階段；6月9日至6月21日為第三階段；6月22日至7月9日為第四階段，其中一、三階段（圖6a、c）多晴好天氣；二、四階段（圖6b、d）多陰雨天氣。從圖6可看出，凈輻射強度隨著天氣變化的波動比較明顯。無論白天還是夜間，晴天凈輻射強度的絕對值都較大，而陰雨天凈輻射的絕對值明顯減少。無論晴天還是陰雨天，各試驗站點均在午后14:00～14:30時達到凈輻射日變化峰值，晴天，各試驗站凈輻射日變化峰值最大可達692.05 W m?2；陰雨天，各試驗站凈輻射日變化峰值最大為523.39 W m?2。這種變化可能是云的影響，白天，有云時能減少向下短波輻射；夜間，云能增加向下長波輻射，因而補償了部分地表向上長波輻射損失的能量。這樣，有云時會使凈輻射的日變化振幅大大減小。

圖6 2013年5月20日至7月9日各觀測站四階段凈輻射平均日變化（單位：W m?2）：（a）第一階段5月20～28日；（b）第二階段5月29日至6 月8日；（c）第三階段6月9～21日；（d）第四階段6月22日至7月9日Fig. 6 Average diurnal variations of net radiation flux over the four different periods at the observational sites from May 20th to July 9th 2013 (unit: W m?2): (a) First period: 20–28 May; (b) second period: 29 May to 8 Jun; (c) third period: 9–21 Jun, (d) fourth period: 22 Jun to 9 Jul

從圖6還可看出，即使在相同的天氣條件下，不同下墊面凈輻射的平均日變化也有所差異，夜間，各站差異較小，白天日出后，各站的差異逐漸增大，這種差異晴天大于陰雨天。為了說明這種差異，并對不同天氣條件下凈輻射的日變化進行對比分析，這里，定義一個偏差指數P。選取各站上述四個階段11:00～18:00時的數據，分別計算出每個階段連續 7小時同一時刻四個站點凈輻射的標準差，然后，再計算出每個階段連續7小時四個站點凈輻射標準差的平均值，這就是各個階段凈輻射的偏差指數P（單位：W m?2）。晴天一、三階段偏差指數分別為 61.76、72.49；陰雨天二、四階段偏差指數分別為 29.10、38.53，表明晴天（陰雨天）凈輻射日變化大（小）。進一步對比不同天氣條件下，各站點凈輻射差異的相對比例值，同樣選取各站四個階段11:00～18:00時的數據，分別計算出每個階段所有站點在該時段的凈輻射通量平均值，然后，分別計算出四個階段各個站點距平與平均值的比例，由此衡量不同天氣條件下，各站凈輻射通量差異的大小。通過計算發現，不同天氣條件下，這種比例的差異不大，每個階段各站比例的平均值分別為9.29%、8.13%、9.63%、8.59%。這說明在不同天氣條件下，不同下墊面各站的凈輻射差異比例基本不受天氣的影響。

此外，凈輻射日變化在午后14:00左右有明顯的“凹”型變化（圖6d），這主要是受降水的影響。6月26日14:30～15:00有一次明顯的降水過程，導致向下短波輻射減少，因而凈輻射也明顯減少。分析輻射四分量的逐日變化，各階段凈輻射日變化主要受向下短波輻射的影響，其變化趨勢與向下短波輻射一致。

圖7、圖8分別為不同天氣條件下，觀測區各試驗站點感熱和潛熱通量的平均日變化。從圖7、圖8可看出，感熱通量和潛熱通量的平均日變化趨勢與凈輻射相似，但由于感熱通量和潛熱通量的變化還受下墊面、環流等復雜環境的影響，即使在晴天，它們的變化也不如凈輻射那樣簡單平滑。對比四個階段感熱通量的平均日變化（圖7），晴天各試驗站感熱通量的振幅幾乎是陰雨天的2倍，在相同的天氣條件下，不同下墊面的感熱通量日變化也有很大的差異。與前面的結果一致，北坡闊葉林站在四個階段其感熱通量均為最大，晴天，該站的感熱通量日變化峰值可達460.09 W m?2（第三階段），而陰雨天僅為235.35 W m?2（第四階段）；南面麥田站感熱通量的日變化值最小，晴天，該站的感熱通量日變化峰值最大為116.84 W m?2（第三階段），而陰雨天為79.68 W m?2（第四階段）。需要強調的是，不同天氣條件相關的感熱通量差異，北坡闊葉林站晴天約為陰雨天的2倍，南面麥田站約為1.5倍，但不同地形相關的感熱通量差異，地形較陡陽坡的北坡闊葉林站晴天（陰雨天）約為地勢平坦的南面麥田站的4倍（3倍），說明青藏高原復雜地形環境對于感熱通量的影響大于天氣條件的影響。

不同天氣條件下感熱通量的日循環變化（圖7）與凈輻射相似，晴天，觀測區各試驗站感熱通量變化差異較陰雨天明顯。晴天各試驗站平均一、三階段偏差指數分別為 122.99、121.98；而陰雨天二、四階段偏差指數分別為 42.47、52.33。同樣，各站一、二、三階段比例差異較小，每階段各站比例平均值約為35%，而第四階段約為13%，這種差異應該是受降水的影響，第四階段是降水量最大的階段，除北坡闊葉林站以外，其他各站感熱通量差異減小。從圖7還可看出，各站感熱通量日變化峰值出現的時間差異也很大，南面麥田站和西坡闊葉林站在中午12:00達到日變化峰值，而西南草地站和北坡闊葉林站在午后14:30達到峰值；陰雨天，各站均在午后14:30達到峰值，與凈輻射相似，在第四階段14:00出現“凹”型點。

從圖8進一步可知，潛熱通量的日變化波動較大，其受天氣狀況的影響也很大，但各階段潛熱通量的變化并沒有感熱通量那么明顯。陰雨天，雖然地表土壤很濕潤，有充足的水汽源可供地面潛熱蒸發，但陰雨天太陽對地面的輻射加熱作用很弱，近地層所具有的蒸發力相對也很小（張強，1995）。所以，陰雨天實際上造成的潛熱蒸發量仍然很小，與一般的晴天沒有太大差別。并且，晴天南面麥田站的潛熱通量在白天遠遠大于其他站點，其峰值達到了359.48 W m?2，這是因為其下墊面完全被小麥和草覆蓋，夏季此時段正是植被生長的時期，麥田的潛熱蒸發大大加強，陰雨天地表加熱作用的減小抑制了蒸發力，麥田站的潛熱通量明顯減小。另外，在陰雨天氣（圖 8 b、d），南面麥田站、西坡闊葉林站、西南草地站的潛熱通量變化基本一致，但北坡闊葉林站的潛熱通量有所不同，明顯大于其他3站，由于北坡闊葉林站位于河谷北面陽坡上，而其他3站位于河谷南部，這說明在陰雨天，不同地形對于潛熱通量有明顯的影響。

3.3 青藏高原林芝地區環流特征

圖9給出了2013年5月20日至7月9日青藏高原及其鄰近地區 850 hPa平均風場和降水分布。從平均風場可看出，隨著5月印度夏季風開始爆發，孟加拉灣地區被西風控制，由于山脈的阻擋作用，在孟加拉灣中部西風逐漸轉為偏南風，有一低槽穩定建立（以下簡稱孟加拉灣槽），存在閉合低壓，槽前的西南氣流將水汽向北輸送，從而影響青藏高原南部、東南部以及我國華南、西南地區。觀測區受南亞季風活動的影響，在一、三階段，槽前的西南氣流較弱，青藏高原南側風速較小且不穩定，甚至還有弱的偏東風和偏北風；與此對比，二、四階段青藏高原南側維持一致的偏南氣流，且風速明顯增強，給高原帶來更豐富的水汽，有利于降水的形成。進一步對比地表熱通量和向下短波輻射的逐日變化（圖2），當有云或降水天氣時（二、四階段），地表向下的短波輻射弱，感熱和潛熱通量均減小；反之亦然。從降水分布看，孟加拉灣槽前的西南氣流加強，輸送到我國的水汽增多，降水范圍逐漸擴大。

圖7 同圖6，但為感熱通量（單位：W m?2）Fig. 7 Same as Fig. 6, but for sensible heat flux (units: W m?2)

圖8 同圖6，但為潛熱通量（單位：W m?2）Fig. 8 Same as Fig. 6, but for latent heat flux (units: W m?2)

圖9 2013年5月20至7月9日850 hPa青藏高原林芝及其周邊地區四個階段的平均風場和降水量（圖中黑色圓點代表林芝觀測區所在位置）Fig. 9 850 hPa average wind and rainfall over Linzhi and its surrounding areas in the Tibetan Plateau over the four periods from May 20th to July 9th 2013 (black dot indicates Linzhi station)

圖10 2013年5月20日至7月9日700 hPa青藏高原林芝及其周邊地區四個階段的平均風場和降水量（圖中黑色圓點代表林芝觀測區所在位置）Fig. 10 Same as Fig.9, but for 700 hPa

圖11 2013年5月20日至7月9日500 hPa青藏高原林芝及其周邊地區四個階段的平均風場（單位：m s?1）和位勢高度場（單位：dagpm）（圖中黑色圓點代表林芝觀測區所在位置）Fig. 11 500 hPa average wind (units: m s?1) and geopotential height (units: dagpm) fields over Linzhi and its surrounding areas during the four different periods in the Tibetan Plateau from May 20th to July 9th 2013 (black dot indicates Linzhi station)

從700 hPa環流場（圖10）可看出，由于受高原地形的影響，氣旋性環流前的偏南氣流在將水汽向北輸送的過程中，在高原南側邊緣產生繞流，引發降水。與850 hPa相似，在第一階段和第三階段，高原南側的偏南氣流較弱，同時伴有弱的偏東風和偏北風。因此，這期間能夠到達觀測區站點附近的水汽較少，不易形成降水，各站點天氣較晴朗，向下短波輻射強，感熱和潛熱通量較大；在第二和第四階段，孟加拉灣北部的偏南氣流較強，將孟加拉灣的水汽源源不斷的向高原輸送，有利于形成降水，導致太陽向下短波輻射變弱，地表感熱和潛熱通量均減小。

圖 11為試驗期間青藏高原林芝及其周邊地區500 hPa平均環流場。從圖可看出，第一階段，高原主體盛行西風氣流，在孟加拉灣上空為深厚的槽，孟加拉灣北部存在一個弱的閉合低壓，高原南側的弱東風和北風氣流減弱了水汽向林芝地區的輸送，因此，該階段試驗觀測區天氣晴好；第二階段，高原上西風氣流減弱使得高原南側的南風能把孟加拉灣的水汽輸送到我國青藏高原地區，在林芝站上空，充足的水汽輸送易成云致雨；第三階段，林芝地區整體風速減小，孟加拉灣北部的偏南風轉變為偏東風，高原東南部有弱的東北氣流，此時，林芝站位于脊前，天氣晴好，向下短波輻射強，地表感熱和潛熱通量增大；第四階段，在印度和孟加拉灣上空存在一個穩定的閉合低壓，低壓前的西南氣流將來自阿拉伯海和孟加拉灣的水汽輸送到林芝站附近，因此，導致這期間一次明顯的降水過程。

4 結論與討論

本文利用2013年5月20日至7月9日高原林芝地區四個站點30 min間隔的近地層觀測資料，分析了近地層地氣能量交換的逐日變化和日循環特征，得到的主要結論如下：

（1）高原東南部林芝觀測區，大氣感熱、潛熱通量及向下短波輻射的逐日變化受天氣狀況的影響，在觀測期間表現出明顯的高、低、高、低變化特征。不同下墊面的向下短波輻射基本一致，受不同地形的影響，地形較陡的北坡闊葉林站感熱通量平均值遠遠大于其他3個站點；下墊面植被覆蓋最多的南面麥田站潛熱通量最大，地形較陡的北坡闊葉林站稍次之。

（2）觀測區各站點的向下短波輻射對地—氣能量交換有主導作用，各站點感熱、潛熱通量的逐日變化趨勢與向下短波輻射一致。

（3）觀測區各站點的能量通量表現出明顯的日變化特征。試驗期間，四階段感熱、潛熱通量與凈輻射的日變化趨勢相似，其受天氣狀況的影響都很大。晴天，各站點的感熱通量及凈輻射通量明顯大于陰雨天，而潛熱通量隨天氣狀況的變化相對較小，且日變化不如感熱和凈輻射規則。

（4）無論晴天還是陰雨天，觀測區四個站點的凈輻射和感熱通量平均日變化差異較大。但隨天氣狀況，各站點的差異比例變化不大，而潛熱通量的平均日變化沒有這種特征。不同地形環境下，觀測區四個站點之間相同天氣條件的感熱通量差異明顯大于四個站點各自不同天氣條件（晴天與陰雨天）下的感熱通量差異，因此，青藏高原復雜地形環境比不同天氣條件對于感熱通量的影響更顯著。

（5）晴天時，觀測區南面麥田站的潛熱通量在白天遠遠大于其他站點，這與下墊面有密切關系；陰雨天氣時，觀測區南面麥田站、西坡闊葉林站、西南草地站的潛熱通量變化基本一致，但是，北坡闊葉林站的潛熱通量變化明顯不同，并大于前述3站，說明陰雨天時，不同地形對于潛熱通量有明顯的影響。

（6）觀測期間，青藏高原及其鄰近地區環流特征表明：當藏東南500 hPa盛行偏南氣流，且風速明顯增強時，觀測區林芝多陰雨天氣，到達地表的太陽短波輻射減少，使地表感熱和潛熱通量減小；當林芝南側偏南氣流減弱并伴隨東風和北風，且風速減弱時，觀測區林芝多為晴好天氣，到達地表的太陽短波輻射增多，使地表感熱和潛熱通量增大。

本次試驗開展的時間較短，觀測樣本容量較小，相關結論存在一定的局限性，需應用更長時間的資料進行驗證。基于本文對青藏高原典型區域不同地形區陸—氣能量交換過程的初步認識，充分反映出下墊面、地形對陸—氣能量交換過程的重要性。在陸面模式中應考慮地形坡度對模擬效果的影響，建立青藏高原地表植被參數動態數據集，使地表水熱特性更接近實際，進而提高模式的模擬能力。由于高原的特殊性及復雜的下墊面狀況，不同地區的陸—氣能量交換特征也有很大差異，在以后的工作中應盡可能選取更多的試驗區進行分析，不同地區的具體影響有待進一步研究。

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資助項目 國家自然科學基金項目91337215、91337107，公益性行業（氣象）科研專項GYHY201406001、GYHY201206041、GYHY201006053，四川省氣象局高原氣象觀測與應用創新團隊

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 91337215, 91337107), Special Scientific Research Foundation of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grants GYHY201406001, GYHY201206041, GYHY201006053), the Plateau Meteorological Observation and Application Innovation Team of Sichuan Meteorological Bureau

文章編號1006-9895(2016)04-0777-15 中圖分類號 P404

文獻標志碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15197

收稿日期2015-05-14；網絡預出版日期 2015-09-14

作者簡介李娟，女，1990年出生，碩士研究生，主要從事高原邊界層、陸面過程研究。E-mail: lijuan1990love@163.com

通訊作者李躍清，E-mail: yueqingli@163.com

Characteristics of Land–Atmosphere Energy Exchanges over Complex Terrain Area of Southeastern Tibetan Plateau under Different Synoptic Conditions

LI Juan1, 2, LI Yueqing2, JIANG Xingwen2, and GAO Duming2
1 College of Atmospheric Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
2 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration, Chengdu/Heavy Rain and Drought–Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 6l0072

AbstractThe geographical environment of the Tibetan Plateau is complex. Previous studies of land surface–boundary layer processes mainly focused on different underlying surfaces without complex topography. The characteristics of land–atmosphere exchanges of energy on different underlying surfaces over complex terrain area of the Tibetan Plateau under different synoptic conditions are analyzed in the present study based on observations collected at four ground sitesduring May 20th to July 9th 2013 over Linzhi. Results indicate that in the case when the downward shortwave radiation is roughly the same at all the sites, sensible heat flux at the northern slope site, which is covered by broad-leaved forest and characterized by steep terrain, is greater than that at the other three sites; latent heat flux at the southern site, which is covered by wheat and thus with large vegetation fraction, is the largest among the four sites. Energy fluxes show obvious diurnal variation at each individual site. In sunny days, sensible heat flux and net radiation are significantly greater than that in rainy days. However, latent heat flux has little changes under different weather conditions. The influence of complex terrain of the Tibetan Plateau on sensible heat flux is more significant than that of different synoptic conditions. Different topographies have significant impacts on latent heat flux on rainy days. When the warm moist southwesterly flow in front of the South Asia monsoon trough affects Linzhi, the weather will be dominated by cloudy and rainy days. Otherwise sunny days are prevalent in this region. Apparently the variation of monthly land–atmosphere fluxes over Linzhi area is modulated by the South Asia monsoon activities.

KeywordsTibetan Plateau, Complex terrain area, Different synoptic conditions, Land–atmosphere energy exchanges, Underlying surface