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陆地和大气之间是相互作用,相互影响的,陆面状况不仅受大气/气候变化的影响,同时还对大气过程产生一定的反馈。本文围绕黄河源区陆面过程对区域水循环的影响研究,以融冻期为研究时段,利用区域气候模式WRF(WeatherResearch and Forecasting Model)开展了一系列数值模拟试验,结合观测资料、再分析资料和数值模拟结果,探讨了黄河源区典型下垫面水循环特征、不同大尺度天气背景下水循环特征以及不同的土壤状况对水循环的影响。主要研究内容和结论如下:
Ⅰ:典型下垫面类型水循环特征
(1)首先对包括黄河源区在内的青藏高原东北部融冻期(5-7月)进行模拟,对模拟的感热通量、潜热通量及降水与GAME分析资料、NCEP/DOE再分析资料分别进行对比来验证区域模式模拟性能。结果表明:耦合Noah陆面过程的WRF模式能够较好的模拟出降水的空间分布和地气间能量和水分交换随融冻过程的变化。(2)基于再分析资料和模拟结果,分析了融冻阶段水循环的基本要素--降水量(P)、蒸发量(E)、径流量(R)和水量存储变化(△S)以及地气间水分交换、土壤湿度的变化。研究表明:土壤融冻过程首先影响土壤温湿状况,进而影响地气间水分交换,最终影响到整个区域水循环过程。感热随融化过程下降,潜热增加,在融冻前以感热为主,融冻后以潜热为主。对于整个区域水循环要素的变化特征,在融冻过程前后呈现完全不同的两种状态,土壤冻结时,降水主要转化为径流和蒸发,水分盈余变化基本为零;融化后,随着降水量增大和土壤下渗能力的增强,陆地系统水分盈余迅速增大,径流相应减小,陆地系统净水分输入在蒸发、径流和水分盈余变化三者之间达到平衡。(3)源区下垫面以草地为主,占比例接近90%,其次为西北柴达木盆地的稀疏植被和灌木丛。我们分别研究了黄河源区六种典型下垫面(草地、灌木丛、稀疏植被、湿地、苔原和水体,其中苔原和水体样本数太少,不具代表性)水循环要素特征。结果表明:稀疏植被上水循环活动最为缓慢,蒸发也较小。从水分的储蓄变化(△S)来看,草地和稀疏植被融冻期间△S为正,而灌木丛和湿地由于其旺盛的蒸发能力,融冻期间△S为负。草地、灌木丛和稀疏植被融冻期间的水循环要素变化趋势均与区域平均基本类似,△S呈增大的趋势。
Ⅱ:不同大尺度天气背景下陆面过程对大气过程和水循环的影响
选取1998年和2000年分别作为典型年,采用WRF模式进行了区域气候模拟,比较了不同天气背景下水循环要素的分布特征,通过计算再循环降水率定量描述了不同天气背景下陆面对黄河源区区域水循环的影响。研究发现:陆面对水循环的影响与环流背景密切相关,较弱的环流背景下陆面对水循环的影响较强。
Ⅲ:不同土壤状况对区域水循环的影响
在Ⅱ的基础上,分别交叉替换1998年和2000年初始土壤温湿状况进行敏感性试验,对比研究两个典型年份在相同天气背景下,不同土壤初始状况对源区地表通量及水循环的影响,进而从局地环流角度出发,初步探讨了土壤状况改变对降水变化的影响机制。结果表明:土壤初始状况对水循环要素有一定程度的影响。较高/较低土壤初始场,水汽通量增多/减少,后期降水增大/减小。土壤初始温度降低后,降水和蒸发虽然减小,但雪水当量增大,更多的雪融化导致径流量增大。不同环流背景,土壤记忆时间长短不同,在弱的环流背景下,土壤记忆时间要长。