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陆面过程是是指发生在地球陆地表层（包括耕地、森林、草地、裸土和水体等下垫面）近地面的物理和生物化学过程。它决定着陆地表面与大气间的物质和能量交换过程，进而影响区域天气、气候乃至全球大气环流。近年来，陆面过程及其与气候的相互作用引起了全球科学工作者的普遍关注，并已成为了一个重要的科学研究领域。地表反照率和土壤热传导率等地表参数及其参数化方案，是陆面过程模式能否准确模拟的关键。而陆-气之间水分与热量交换以及地表反照率、土壤热传导率等地表参数是由下垫面状况和土壤的物理性质决定的。因此，对不同下垫面近地面水分与热量交换通量和地表参数的研究具有重要的科学意义。黄河源区位于青藏高原东北部，区域内分布有高山、盆地、草原、湖泊、沼泽、冰川和湿地以及分布广泛的永久冻土等地貌。高寒湿地、草甸草原和草原是该区域典型下垫面，源区复杂下垫面上的陆-气相互作用不仅直接影响到青藏高原的气候和环境变化，而且对东亚乃至全球的气候和环境都可能产生重要影响。因此，了解该区域地表通量和地表参数变化特征，提高陆面过程模式对该区域的模拟性能，从而提高气候系统模式的模拟能力，为评估和预估该区域气候和环境变化奠定基础，对模式改进以及当地的社会经济的发展具有重要的意义。本文利用黄河源区陆面过程试验站点观测数据，分析了黄河源区湿地、草甸和草原下垫面陆面参数近和近地面水分与热量交换通量的变化特征，并结合陆面过程模式(Common Land Model version5.0，CLM5.0)模拟研究了该区域湿地、草甸和草原下垫面近地面水分与热量交换通量变化特征，并设计了参数敏感性试验，得到主要结果如下:
(1)利用中国气象局玛曲气象站气象要素观测资料（主要包括气温、地表温度、风速、日照时数、相对湿度以及降水等）和中国气象数据网中国地面气候资料日值数据集(V3.0)玛曲气象站1967-2017年间的数据，研究了近50年黄河源区玛曲地区气象要素的变率，进而得到黄河源区背景气候特征。采用Mann-Kendall等方法对1967-2017近50年玛曲地区气象要素进行了突变分析，发现气温发生两次突变，突变时间分别为1975-1976年和2000年左右，与全球气候变化背景一致，其中2000年空气温度和地表温度变化均发生显著突变，地表温度于2000年左右发生突变，其原因为自然因素和人类活动的共同影响，自然因素主要包括太阳活动、大气环流、季风影响等，而人类活动主要是温室气体的排放。风速于1972-1975年间发生了增强到减弱下降突变，在气候变暖的背景下，大气环流的变化是造成平均风速减小的可能原因;日照时数可能的突变点为1974年、1992年和2002年，云量和水汽压的增多是日照时数减少的主要原因;相对湿度的突变时间为2004-2005年，影响相对湿度的主要因子是温度和降水，风速也起一定的作用，相对湿度的变化与温度和风速呈负相关，与降水呈正相关关系;降水可能的突变时间为1977年左右，影响降水的原因可能是大气环流的调整、西北高空风场的变化等因素的共同作用。
(2)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站麻多高寒湿地观测场2013年7-10月期间典型晴天下陆面过程观测试验数据，分析了黄河源区湿地下垫面陆面过程特征。结果表明:黄河源区高寒湿地下垫面的潜热和感热通量有典型的日变化特征，日出后感热通量逐渐增高，峰值出现在12:00-16:00北京时间(Beijing Time，BJT)。感热通量的最高值出现在2013年9月13日15:30BJT，达到了150.0W·m-2。潜热通量的最高值出现在7月21日16:00BJT，达到了300.0W·m-2，之后逐渐降低，日落后趋于稳定。潜热通量始终为正值，表现出了湿地较强的水源供给功能，以供陆-气界面间水分蒸散发。感热、潜热通量的日变化受到气温、地表温度、风速和土壤湿度的综合影响。由近地面波文比变化分析结果可知:黄河源区高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主，且能量的闭合度为48.8％。黄河源高寒湿地净生态系统的CO2交换(NEE)变化特征呈“U”型曲线，日出后系统CO2交换通量，在中午达到峰值，之后缓慢减少，夜间生态系统释放CO2，7月份CO2交换通量值最高，10月份偏低，日最小值为-0.55mg·m-2·s-1，出现在2013年7月22日12:30BJT，表明温度对高寒湿地系统CO2交换通量有显著的影响，因此也成为了控制CO2交换通量的重要环境变量。
(3)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站麻多草甸观测场2014年1月1日-12月31日的观测资料，分析了高寒草甸下垫面地表通量和地表参数的变化特征。研究结果表明:黄河源区草甸下垫面总辐射在冬季相对较低，3月中旬以后迅速上升，在6-7月达到最大值，之后缓慢减小。地表反射辐射受总辐射与地表反照率的共同影响，呈现出不同的季节变化特征。由于地表积雪的原因，地表反射的短波辐射在冬季普遍较大。夏季地表反射辐射相对于其他季节偏小，特别在雨季。由于土壤湿度增大的缘故，地表反射的短波辐射更小。地表长波辐射与大气逆辐射的季节变化基本一致，均是冬季最小，夏季最大，地表长波辐射大于大气逆辐射，由于云量等因素的影响，日平均大气逆辐射的振幅大于日平均地表长波辐射。地表反照率在冬季普遍较大，平均在0.44以上，夏季平均为0.19。净辐射在冬季最小，且在1月份存在负值。土壤湿度增大使得日平均净辐射显著增大。在7月（雨季来临）之前，感热与净辐射变化趋势一致，2014年7月份至11月土壤融化这段时期内，潜热通量与净辐射变化趋于一致。在一个变化年内，研究区域夏季陆-气间能量交换以潜热通量为主，冬季感热通量较大。日平均土壤热通量在3月中旬-8月下旬为正值，土壤热通量由地表向深层传输，其余时段为负值，土壤热通量由深层向地表传输。在3月下旬，土壤热通量存在异常偏大现象，该现象与冻结土壤的融化有关。从全年来说，土壤热通量从土壤深层向地表传输。在土壤冻结期间，黄河源区日平均土壤热传导率相对较高，特别在土壤开始冻结时，其上升趋势非常明显。土壤未冻结阶段的土壤热传导率与土壤含水量的变化趋势相似，黄河源区2014年土壤热传导率平均值为0.77W·m-1·K-1。黄河源区土壤冻结期间日平均CO2通量基本为0.00mg·m-2·s-1，其中5月、9-10月以高寒草甸的呼吸作用为主，地表释放CO2;6月中上旬以高寒草甸的光合作用为主，地表吸收CO2。在土壤湿度相对较大，且土壤温度较高的6月下旬-8月中旬，也是地表植被高速生长阶段，日平均CO2通量明显增大，吸收的日平均CO2通量最大可达3.00mg·m-2·s-1，冻土融化，使得地表排放的CO2通量显著增大。
(4)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲草原观测场2016年涡动相关系统和微气象梯度塔观测数据，分析了玛曲草原下垫面地表通量和地表湍流特征。结果表明:玛曲草原观测场暖季和冷季土壤温度平均日变化存在很大差异，随土壤深度的增加，土壤温度日变化波动减弱，最终趋于平缓，土壤湿度平均日变化幅度小，暖季土壤湿度随深度增加而降低，冷季土壤湿度在40.0cm土壤层中最大;玛曲草原观测场全年的能量闭合度为70.82％，暖季为每年6-8月，气温高，降水充足，有效能量偏高，闭合度达73.63％，冷季为每年12-2月，呈干冷状态，有效能量低且集中，闭合度为72.67％，在每年的3-5月期间有效能量与湍流通量的变化过程较为离散，闭合度为71.31％;玛曲高寒草原下垫面冷季感热通量与净辐射的比值明显大于暖季，冷季均值为0.46，暖季均值为0.17;暖季LE/Rn、H/Rn均随土壤温度升高而增大，冷季H/Rn与5.0cm深度土壤温度表现出了更为明显的二次关系，随温度升高先减小后增大，当温度小于-7.0℃时，H/Rn减小，温度大于-6.0℃时，H/Rn增大。暖季H/Rn随土壤湿度增大先减小后增大，LE/Rn先增大后减小。冷季感热、潜热通量与净辐射比值均先增大后减小，暖季饱和水汽压差与LE/Rn和H/Rn均呈线性关系，随饱和水汽压差增大，LE/Rn增大，H/Rn减小，冷季LE/Rn与H/Rn随饱和水气压差均呈现出增长趋势。
(5)利用CLM4.5和CLM5.0模式在两个观测场（中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲草原观测场和麻多草甸观测场）建立了一系列参数扰动信号点模拟，对17个CLM4.5参数和19个CLM5.0参数进行了参数敏感性试验，得到以下结果:在玛曲草原观测场，模拟结果对植被参数更为敏感，而在麻多草甸观测场，模拟结果对土壤初始含水量更为敏感。在玛曲地区，CLM4.5和CLM5.0最敏感的参数是叶面积指数(LAI)。叶面积指数对潜热(LE)和感热(H)通量及温度变量都有显著影响。茎面积指数(SAI)与LAI具有相似的敏感性，但参数得分较小。粗糙度、液态冰含量和冰含量三个参数（Rz0m、liqice、ice）在CLM4.5中显示等程度敏感性，参数得分的平均值分别为0.5、0.6和0.4（1.0表示最敏感，0.0表示最不敏感）。但在CLM5.0中不敏感，平均值只有0.2、0.3和0.2。其原因尚不明确，可能是新的植物水动力学和土壤干层等新的参数化过程改变了原有的参数敏感性。Rz0m对CLM4.5中的感热通量和气温相关变量有一定程度的影响，达到了0.6。初始土壤液态含水量和冰含量能够影响地面热通量、土壤湿度和2.0m空气湿度。在CLM5.0中，光合作用参数(medlynslope)和植物水力方案参数(rootprof_beta)这两个新的参数在很大程度上影响了玛曲地区的潜热、感热通量和植被温度(TV)。其中，叶碳氮比(leafcn)和冠层顶部特定叶面积(slatop)对潜热、感热通量和植被温度的影响中等，麻多草甸观测场对参数的敏感性一般低于玛曲草原观测场。叶面积指数对能量通量和温度仍有适度的影响，但参数得分很低。最敏感的参数是初始土壤液态含水量(Liq)和冰含量(Liqice)，它主要影响地面热通量、土壤湿度、土壤温度和2.0m空气湿度。这种灵敏度在CLM5.0中比在CLM4.5中强。CLM5.0新的光合作用参数(medlynslope)对麻多地区的潜热、感热通量和植被温度有中度影响。麻多地区的叶面积指数对模拟结果也表现出较高的敏感性，麻多地区的初始土壤含冰含水量(Liqice)对土壤湿度、土壤温度和2.0m空气湿度的影响较大。总体参数得分比较表明，在麻多草甸观测场，模拟在很大程度上不依赖于植被参数。玛曲草原观测场主要与植被参数有关，模拟结果对植被相关参数较为敏感，麻多草甸观测场对土壤初始含水量较为敏感。这是因为玛曲草原观测场的植被覆盖比例较高，而麻多草甸观测场下垫面有一定的湿地。
(1)利用中国气象局玛曲气象站气象要素观测资料（主要包括气温、地表温度、风速、日照时数、相对湿度以及降水等）和中国气象数据网中国地面气候资料日值数据集(V3.0)玛曲气象站1967-2017年间的数据，研究了近50年黄河源区玛曲地区气象要素的变率，进而得到黄河源区背景气候特征。采用Mann-Kendall等方法对1967-2017近50年玛曲地区气象要素进行了突变分析，发现气温发生两次突变，突变时间分别为1975-1976年和2000年左右，与全球气候变化背景一致，其中2000年空气温度和地表温度变化均发生显著突变，地表温度于2000年左右发生突变，其原因为自然因素和人类活动的共同影响，自然因素主要包括太阳活动、大气环流、季风影响等，而人类活动主要是温室气体的排放。风速于1972-1975年间发生了增强到减弱下降突变，在气候变暖的背景下，大气环流的变化是造成平均风速减小的可能原因;日照时数可能的突变点为1974年、1992年和2002年，云量和水汽压的增多是日照时数减少的主要原因;相对湿度的突变时间为2004-2005年，影响相对湿度的主要因子是温度和降水，风速也起一定的作用，相对湿度的变化与温度和风速呈负相关，与降水呈正相关关系;降水可能的突变时间为1977年左右，影响降水的原因可能是大气环流的调整、西北高空风场的变化等因素的共同作用。
(2)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站麻多高寒湿地观测场2013年7-10月期间典型晴天下陆面过程观测试验数据，分析了黄河源区湿地下垫面陆面过程特征。结果表明:黄河源区高寒湿地下垫面的潜热和感热通量有典型的日变化特征，日出后感热通量逐渐增高，峰值出现在12:00-16:00北京时间(Beijing Time，BJT)。感热通量的最高值出现在2013年9月13日15:30BJT，达到了150.0W·m-2。潜热通量的最高值出现在7月21日16:00BJT，达到了300.0W·m-2，之后逐渐降低，日落后趋于稳定。潜热通量始终为正值，表现出了湿地较强的水源供给功能，以供陆-气界面间水分蒸散发。感热、潜热通量的日变化受到气温、地表温度、风速和土壤湿度的综合影响。由近地面波文比变化分析结果可知:黄河源区高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主，且能量的闭合度为48.8％。黄河源高寒湿地净生态系统的CO2交换(NEE)变化特征呈“U”型曲线，日出后系统CO2交换通量，在中午达到峰值，之后缓慢减少，夜间生态系统释放CO2，7月份CO2交换通量值最高，10月份偏低，日最小值为-0.55mg·m-2·s-1，出现在2013年7月22日12:30BJT，表明温度对高寒湿地系统CO2交换通量有显著的影响，因此也成为了控制CO2交换通量的重要环境变量。
(3)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站麻多草甸观测场2014年1月1日-12月31日的观测资料，分析了高寒草甸下垫面地表通量和地表参数的变化特征。研究结果表明:黄河源区草甸下垫面总辐射在冬季相对较低，3月中旬以后迅速上升，在6-7月达到最大值，之后缓慢减小。地表反射辐射受总辐射与地表反照率的共同影响，呈现出不同的季节变化特征。由于地表积雪的原因，地表反射的短波辐射在冬季普遍较大。夏季地表反射辐射相对于其他季节偏小，特别在雨季。由于土壤湿度增大的缘故，地表反射的短波辐射更小。地表长波辐射与大气逆辐射的季节变化基本一致，均是冬季最小，夏季最大，地表长波辐射大于大气逆辐射，由于云量等因素的影响，日平均大气逆辐射的振幅大于日平均地表长波辐射。地表反照率在冬季普遍较大，平均在0.44以上，夏季平均为0.19。净辐射在冬季最小，且在1月份存在负值。土壤湿度增大使得日平均净辐射显著增大。在7月（雨季来临）之前，感热与净辐射变化趋势一致，2014年7月份至11月土壤融化这段时期内，潜热通量与净辐射变化趋于一致。在一个变化年内，研究区域夏季陆-气间能量交换以潜热通量为主，冬季感热通量较大。日平均土壤热通量在3月中旬-8月下旬为正值，土壤热通量由地表向深层传输，其余时段为负值，土壤热通量由深层向地表传输。在3月下旬，土壤热通量存在异常偏大现象，该现象与冻结土壤的融化有关。从全年来说，土壤热通量从土壤深层向地表传输。在土壤冻结期间，黄河源区日平均土壤热传导率相对较高，特别在土壤开始冻结时，其上升趋势非常明显。土壤未冻结阶段的土壤热传导率与土壤含水量的变化趋势相似，黄河源区2014年土壤热传导率平均值为0.77W·m-1·K-1。黄河源区土壤冻结期间日平均CO2通量基本为0.00mg·m-2·s-1，其中5月、9-10月以高寒草甸的呼吸作用为主，地表释放CO2;6月中上旬以高寒草甸的光合作用为主，地表吸收CO2。在土壤湿度相对较大，且土壤温度较高的6月下旬-8月中旬，也是地表植被高速生长阶段，日平均CO2通量明显增大，吸收的日平均CO2通量最大可达3.00mg·m-2·s-1，冻土融化，使得地表排放的CO2通量显著增大。
(4)利用中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲草原观测场2016年涡动相关系统和微气象梯度塔观测数据，分析了玛曲草原下垫面地表通量和地表湍流特征。结果表明:玛曲草原观测场暖季和冷季土壤温度平均日变化存在很大差异，随土壤深度的增加，土壤温度日变化波动减弱，最终趋于平缓，土壤湿度平均日变化幅度小，暖季土壤湿度随深度增加而降低，冷季土壤湿度在40.0cm土壤层中最大;玛曲草原观测场全年的能量闭合度为70.82％，暖季为每年6-8月，气温高，降水充足，有效能量偏高，闭合度达73.63％，冷季为每年12-2月，呈干冷状态，有效能量低且集中，闭合度为72.67％，在每年的3-5月期间有效能量与湍流通量的变化过程较为离散，闭合度为71.31％;玛曲高寒草原下垫面冷季感热通量与净辐射的比值明显大于暖季，冷季均值为0.46，暖季均值为0.17;暖季LE/Rn、H/Rn均随土壤温度升高而增大，冷季H/Rn与5.0cm深度土壤温度表现出了更为明显的二次关系，随温度升高先减小后增大，当温度小于-7.0℃时，H/Rn减小，温度大于-6.0℃时，H/Rn增大。暖季H/Rn随土壤湿度增大先减小后增大，LE/Rn先增大后减小。冷季感热、潜热通量与净辐射比值均先增大后减小，暖季饱和水汽压差与LE/Rn和H/Rn均呈线性关系，随饱和水汽压差增大，LE/Rn增大，H/Rn减小，冷季LE/Rn与H/Rn随饱和水气压差均呈现出增长趋势。
(5)利用CLM4.5和CLM5.0模式在两个观测场（中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲草原观测场和麻多草甸观测场）建立了一系列参数扰动信号点模拟，对17个CLM4.5参数和19个CLM5.0参数进行了参数敏感性试验，得到以下结果:在玛曲草原观测场，模拟结果对植被参数更为敏感，而在麻多草甸观测场，模拟结果对土壤初始含水量更为敏感。在玛曲地区，CLM4.5和CLM5.0最敏感的参数是叶面积指数(LAI)。叶面积指数对潜热(LE)和感热(H)通量及温度变量都有显著影响。茎面积指数(SAI)与LAI具有相似的敏感性，但参数得分较小。粗糙度、液态冰含量和冰含量三个参数（Rz0m、liqice、ice）在CLM4.5中显示等程度敏感性，参数得分的平均值分别为0.5、0.6和0.4（1.0表示最敏感，0.0表示最不敏感）。但在CLM5.0中不敏感，平均值只有0.2、0.3和0.2。其原因尚不明确，可能是新的植物水动力学和土壤干层等新的参数化过程改变了原有的参数敏感性。Rz0m对CLM4.5中的感热通量和气温相关变量有一定程度的影响，达到了0.6。初始土壤液态含水量和冰含量能够影响地面热通量、土壤湿度和2.0m空气湿度。在CLM5.0中，光合作用参数(medlynslope)和植物水力方案参数(rootprof_beta)这两个新的参数在很大程度上影响了玛曲地区的潜热、感热通量和植被温度(TV)。其中，叶碳氮比(leafcn)和冠层顶部特定叶面积(slatop)对潜热、感热通量和植被温度的影响中等，麻多草甸观测场对参数的敏感性一般低于玛曲草原观测场。叶面积指数对能量通量和温度仍有适度的影响，但参数得分很低。最敏感的参数是初始土壤液态含水量(Liq)和冰含量(Liqice)，它主要影响地面热通量、土壤湿度、土壤温度和2.0m空气湿度。这种灵敏度在CLM5.0中比在CLM4.5中强。CLM5.0新的光合作用参数(medlynslope)对麻多地区的潜热、感热通量和植被温度有中度影响。麻多地区的叶面积指数对模拟结果也表现出较高的敏感性，麻多地区的初始土壤含冰含水量(Liqice)对土壤湿度、土壤温度和2.0m空气湿度的影响较大。总体参数得分比较表明，在麻多草甸观测场，模拟在很大程度上不依赖于植被参数。玛曲草原观测场主要与植被参数有关，模拟结果对植被相关参数较为敏感，麻多草甸观测场对土壤初始含水量较为敏感。这是因为玛曲草原观测场的植被覆盖比例较高，而麻多草甸观测场下垫面有一定的湿地。