陸面過程青藏高原陸氣相互作用研究進(jìn)展

摘 要：地球和大氣之間不斷經(jīng)歷物質(zhì)和能量交換，這會(huì)影響部分地區(qū)的天氣過程和大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)。近地層通量觀測(cè)是多圈層氣象觀測(cè)中重要的組成部分，可以觀測(cè)到特定地區(qū)的下墊面與大氣之間的物質(zhì)和能量交換數(shù)據(jù)，從而為氣象相關(guān)服務(wù)、氣候及氣候變化分析、生態(tài)探索研究、氣象信息和數(shù)值天氣預(yù)測(cè)提供重要信息和參考?；诖?，總結(jié)了氣候變化特征及影響，以及當(dāng)前利用觀測(cè)試驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)、模擬與觀測(cè)結(jié)合的研究方法對(duì)近地層通量進(jìn)行研究的相關(guān)進(jìn)展，詳細(xì)闡述了陸面過程觀測(cè)與模擬研究現(xiàn)狀及其主要成果，為研究近地面通量觀測(cè)提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：陸面過程；通量觀測(cè)；氣候特征

中圖分類號(hào)：P461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

地球大氣層之間的能量和物質(zhì)交換是通過水循環(huán)、風(fēng)的流動(dòng)及大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和再輻射等多種過程共同實(shí)現(xiàn)的。地球大氣層的能量主要來(lái)自太陽(yáng)輻射，其中大部分太陽(yáng)輻射被地表吸收，然后傳回大氣層；地表通過蒸發(fā)作用將水汽輸送至大氣，而水汽在凝結(jié)過程中釋放潛熱將能量傳給大氣，該過程為大氣的運(yùn)動(dòng)提供了約80%的能量[1]。

在氣候預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等全球尺度、中尺度模型中，以及在污染擴(kuò)散模型等微尺度數(shù)值模擬中，下墊面湍流通量的參數(shù)化會(huì)直接影響模型的仿真模擬能力。當(dāng)前，在與邊界層相關(guān)的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究的核心目的是通過組織邊界層觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的手段，研究地球大氣組成的系統(tǒng)中能量和物質(zhì)交換等物理過程，設(shè)計(jì)或改善與本地或相關(guān)區(qū)域相適應(yīng)的地球大氣通量參數(shù)化方案。全球變化研究是當(dāng)今國(guó)際科技研究的熱點(diǎn)問題，自19世紀(jì)中期工業(yè)革命以來(lái)，大氣中CO2等溫室氣體的濃度一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并逐漸成為導(dǎo)致全球變暖的主要因素之一。為了獲得地氣之間CO2、水和能量交換的一手資料，全球相繼建立了大量的湍流觀測(cè)站并組成了觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)——全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（FLUXNET）和全球城市通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Urban-Fluxnet）。

近地層通量觀測(cè)是多圈層氣象觀測(cè)中的重要組成部分，能夠?yàn)闅庀笙嚓P(guān)服務(wù)、氣候及氣候變化分析、生態(tài)探索研究、氣象信息和數(shù)值天氣預(yù)測(cè)提供重要信息和參考及影響。

1 氣候變化特征

青藏高原被稱為“世界屋脊”，是地球上最高的高原，囊括中國(guó)西南部的青海、西藏等地區(qū)，獨(dú)特的地理位置和環(huán)境使其在全球氣候系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。近年來(lái)，青藏高原氣候變化引起了廣泛的關(guān)注。由于青藏高原海拔較高，空氣較為稀薄，年平均氣溫通常低于0 ℃。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，青藏高原的氣溫呈顯著上升的趨勢(shì)，自1950年來(lái)平均溫度上升約1.5 ℃，遠(yuǎn)高于全球平均水平，冬季氣溫上升幅度更為顯著。青藏高原氣候普遍寒冷，夏季持續(xù)時(shí)間較短且為熱源，冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且為冷源。高原的年降水量較低，其降水主要集中在夏季，年均降水量在300～700 mm。高原降水量整體變化不大，由于受地形影響，南北地區(qū)差異顯著，南部地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)，而北部降水量相對(duì)穩(wěn)定且有降低趨勢(shì)。高原日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，年均日照時(shí)數(shù)在3 000 h以上。

青藏高原的氣候變化受到全球氣候變化的直接影響，尤其是溫室氣體過高導(dǎo)致的全球變暖。青藏高原是世界上最大的冰川存儲(chǔ)區(qū)，近年來(lái)受全球變暖的影響，其冰川面積和體積都持續(xù)減少，同時(shí)極端天氣事件頻發(fā)，暴雨、干旱、寒潮等極端天氣對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、生態(tài)造成了嚴(yán)重影響。由于高原具有獨(dú)特的地形條件和海拔高度，其對(duì)氣候變化的敏感性遠(yuǎn)超于其他地區(qū)，高海拔地區(qū)受到全球變暖的影響更為強(qiáng)烈，同時(shí)青藏高原也受自然氣候周期的影響，在降水和氣溫方面有一定的變化。除自然因素影響，人類活動(dòng)對(duì)氣候變化也具有較大的影響，破壞了生態(tài)平衡，改變土地利用方式，進(jìn)一步加劇了生態(tài)環(huán)境的脆弱性，影響了氣候變化的敏感性。

青藏高原氣候變化的影響深遠(yuǎn)，氣候變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，生物多樣性受到威脅，原本適應(yīng)了青藏高原環(huán)境的動(dòng)植物生存受到影響，生態(tài)平衡被破壞；冰川融化和降水模式的改變會(huì)影響青藏高原的水資源供給，水資源的減少對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)造成影響，甚至影響人類生產(chǎn)生活；氣候變化導(dǎo)致氣溫升高和降水不均，影響作物產(chǎn)量；氣候變化引發(fā)的極端天氣和生態(tài)變化可能影響人類健康，如出現(xiàn)水源污染、食品安全問題等。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

近年來(lái)，大量學(xué)者深入分析了近地層通量研究，研究方法包括觀測(cè)試驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)和模擬與觀測(cè)結(jié)合3種方法。

2.1 觀測(cè)試驗(yàn)

2001年，中國(guó)正式建立了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（China-FLUX），同時(shí)開始了長(zhǎng)期的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)。China-FLUX的場(chǎng)地布局突出生態(tài)系統(tǒng)分布的區(qū)域差異、生態(tài)系統(tǒng)類型在區(qū)域尺度上的多樣性和關(guān)鍵區(qū)域的代表性；通過合理分布觀測(cè)站、樣帶和區(qū)域，構(gòu)建融合全球變化土地樣帶和生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的觀測(cè)系統(tǒng)。China-FLUX深入研究了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水和能量通量觀測(cè)的技術(shù)體系和數(shù)據(jù)—模型融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多尺度綜合觀測(cè)技術(shù)體系（FTR），構(gòu)建了站點(diǎn)—樣帶—區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)通量；同時(shí)建立了綜合觀測(cè)系統(tǒng)（EMI），用于生態(tài)系統(tǒng)水—碳—氮通量與同位素通量整合；數(shù)據(jù)—模型融合系統(tǒng)（MDFS）是基于協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合改進(jìn)的生態(tài)過程機(jī)理模型和遙感反演模型構(gòu)建完成[2]。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，中外科學(xué)家掀起幾次青藏高原研究熱潮，研究者進(jìn)行了數(shù)量豐富的近地層綜合觀測(cè)試驗(yàn)，在針對(duì)青藏高原地區(qū)進(jìn)行深入的研究基礎(chǔ)上，獲得了大量有價(jià)值的信息和數(shù)據(jù)，為陸地—大氣之間的能量平衡過程及陸地大氣相互作用的參數(shù)等研究領(lǐng)域積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也獲取了重大進(jìn)展。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，青藏高原開展了大氣科學(xué)試驗(yàn)，如“第一次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)（QXPMEX）”

“第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)（TIPEX）”“第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)（TIPEX-Ⅲ）”等[3]。第一次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)在高原地面輻射與熱量平衡、高原加熱作用，高原對(duì)行星尺度環(huán)流的影響及高原天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展等方面取得較好的成果。青藏高原地區(qū)的地面輻射和熱量平衡觀測(cè)填補(bǔ)了高原地區(qū)熱源觀測(cè)的資料空白。該次試驗(yàn)布設(shè)了6個(gè)典型區(qū)域地面熱源觀測(cè)站、1個(gè)那曲711雷達(dá)站及4個(gè)探空站，同時(shí)高原內(nèi)外共設(shè)置了233個(gè)地面站，但整個(gè)觀測(cè)站網(wǎng)在高原東部相對(duì)密集，中部和北部相對(duì)稀疏，西部則相對(duì)較少，這對(duì)整個(gè)高原的觀測(cè)有局限性。第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)著重于地氣相互作用、大氣邊界層和對(duì)流層結(jié)構(gòu)、云—輻射過程，研究了高原對(duì)大氣環(huán)流和季風(fēng)氣候的影響。該次試驗(yàn)一共布設(shè)了6個(gè)輻射站、12個(gè)地面站、11個(gè)高空站及3個(gè)邊界層站，構(gòu)建了以高原大氣邊界層觀測(cè)為核心的站網(wǎng)布局和加密觀測(cè)，該次試驗(yàn)獲得了一批較好的高原邊界層資料，建立了高原邊界層綜合觀測(cè)資料庫(kù)。第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)加強(qiáng)了熱源分布、水汽輸送、天氣系統(tǒng)的觀測(cè)。

2.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

20世紀(jì)60年代，相關(guān)人員提出了簡(jiǎn)單的陸面方案“水桶模型”來(lái)研究陸氣相互作用，但該模型未考慮土壤分層和植被覆蓋類型差異，導(dǎo)致模擬誤差較大[4]。第二代陸面過程包括植被生物物理過程，并考慮了土壤—植被—大氣三者間的相互影響。

20世紀(jì)80年代，有研究提出“大葉”模式，突出了植被在陸面過程模式中的重要性，為第二代陸面過程模式發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)[5]。第二代陸面過程模式完善了對(duì)水分、熱量、動(dòng)量交換及土壤水熱過程的描述，在陸面過程模式中充分考慮了植被在其中的作用，SiB、SSiB、ISBA、LSX等是其中具有代表性的模式。但第二代陸面過程模式在能量循環(huán)及各個(gè)模塊之間的耦合情況方面仍存在缺陷。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代提出了第三代路面過程模式，引入了植被的生化過程，同時(shí)利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得更為精準(zhǔn)的植被情況，將陸氣相互作用與植被生化作用過程緊密聯(lián)系，具有代表性的有AVIM、SiB2、IBSI、NCAR CLM等模型[6]。作為第三代陸面模式的典型代表，CLM（Community Land Model）綜合了BATS、LSM、IAP94等陸面模式的優(yōu)點(diǎn)，完善對(duì)土壤水文、凍土和雪蓋等過程的描述，還增加了匯流過程。基于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)展出CLM 3.0，該模式在氣候、植被方面的模擬較之前版本有了很大的改進(jìn)，但水循環(huán)過程仍存在不足，CLM 3.5在3.0的基礎(chǔ)上完善了凍融、水土和碳氮循環(huán)過程，其水循環(huán)模擬方案得到了進(jìn)一步的完善，CLM 4.0將地下水與土壤水直接耦合，而CLM 4.5在此基礎(chǔ)上對(duì)積雪、土壤水文、動(dòng)態(tài)植被等過程進(jìn)行了改進(jìn)[7]。合適的參數(shù)化方案對(duì)陸面模式的應(yīng)用起到關(guān)鍵作用，因此針對(duì)不同環(huán)境的參數(shù)化方案至關(guān)重要。

2.3 模擬與觀測(cè)結(jié)合

地表能量平衡是地表凈輻射能量轉(zhuǎn)換和分布的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，不同氣候和下墊面條件下地表能量平衡存在顯著差異。地球和大氣之間的物質(zhì)和能量交換，不僅會(huì)影響某一特定地區(qū)的大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)，還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖饣顒?dòng)進(jìn)程起到較大的作用。然而，幾乎所有大氣模式的路面過程模式都是基于地表能量平衡過程并假定能量閉合而構(gòu)造的[8]。為確定近地層湍流通量，研究人員創(chuàng)立和完善了一系列方法，如利用雷諾分解的渦動(dòng)相關(guān)法、利用能量平衡原理的波文筆法和彭曼法、利用空氣動(dòng)力學(xué)原理的梯度法及其簡(jiǎn)化方法—整體法等。相較而言，整體空氣動(dòng)力學(xué)方法較為簡(jiǎn)單，利用常規(guī)氣象要素可以計(jì)算出較為準(zhǔn)確的近地層湍流通量，因而在天氣和氣候模式中得到廣泛的應(yīng)用[9-10]。國(guó)際陸面過程模式比較計(jì)劃（Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes，PILPS）對(duì)比了當(dāng)前具有代表性的20余種陸面模式，在相同的大氣強(qiáng)迫下，模式模擬的地氣通量和水循環(huán)存在顯著的差異，主要是選取不同的陸面參數(shù)化方案造成的[11-15]。湍流通量的參數(shù)化方案對(duì)地球大氣系統(tǒng)之間的能量和物質(zhì)交換具有決定性的作用和影響，應(yīng)使用湍流通量和近地表層綜合觀測(cè)試驗(yàn)中觀測(cè)到的溫濕度和風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與展望

氣候變化是當(dāng)前全球變化的顯著特征，有關(guān)氣候變化及其影響研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)話題。很多研究表明，氣候變化是造成生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化及自然災(zāi)害多發(fā)和頻發(fā)的因素。柴達(dá)木盆地氣候變暖顯著，氣溫上升幅度明顯高于整個(gè)青藏高原的平均水平，也高于全國(guó)和全球的平均水平，除相對(duì)濕度變化不明顯外，降水和氣溫表現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)，總體呈暖濕化趨勢(shì)。

地氣間通量交換年際間的差異主要受當(dāng)年的氣候背景影響，且復(fù)雜下墊面實(shí)施通量觀測(cè)需要在較高的離地高度上進(jìn)行，其結(jié)果才具有局地代表性，青藏高原干熱的變化與風(fēng)速和地溫呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與降水之間的關(guān)系不明顯。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)青藏高原及周邊地區(qū)進(jìn)行了大量的近地層通量觀測(cè)和氣候變化的研究，作為有著獨(dú)特的地理環(huán)境和復(fù)雜的下墊面的高原盆地，柴達(dá)木盆地能更好地反映高原的變化情況。大量的試驗(yàn)表明，柴達(dá)木盆地整體趨于暖濕化，但關(guān)于盆地內(nèi)通量觀測(cè)的研究較為稀少，因此對(duì)柴達(dá)木盆地近地層進(jìn)行通量觀測(cè)必不可少，這對(duì)盆地內(nèi)輻射收支及能量收支平衡的研究具有重要的意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

青藏高原作為世界屋脊，其獨(dú)特的地理和氣候特征使其成為研究陸面過程與大氣相互作用的重要區(qū)域。近年來(lái)，關(guān)于青藏高原陸氣相互作用的研究取得了顯著進(jìn)展，尤其在陸面氣候、季節(jié)變化、氣候變化與水循環(huán)等方面有重要發(fā)現(xiàn)。研究表明，青藏高原復(fù)雜的地形、較高的海拔和極端的氣候條件對(duì)陸面過程的變化有重要影響，進(jìn)而影響大氣環(huán)流和全球氣候系統(tǒng)。當(dāng)前，青藏高原的陸面過程研究主要集中在土壤水分、植被覆蓋、雪蓋、冰川融水等要素的變化對(duì)氣候的反饋?zhàn)饔?。這些過程不僅直接影響該地區(qū)的氣象條件，還通過影響下游的水資源和生態(tài)環(huán)境，對(duì)整個(gè)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。此外，研究還揭示了青藏高原氣候變化對(duì)氣候系統(tǒng)的敏感性，以及該地區(qū)作為“氣候調(diào)節(jié)器”的作用。然而，雖然研究取得了諸多進(jìn)展，但由于青藏高原的復(fù)雜性，未來(lái)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)陸面過程和氣候模型的耦合研究，提高對(duì)區(qū)域氣候變化的預(yù)測(cè)能力。通過多學(xué)科、多平臺(tái)的合作，深入探索青藏高原陸氣相互作用的機(jī)制，為全球氣候變化研究和水資源管理提供更有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2024-08-11

作者簡(jiǎn)介：劉星輝（1998—），男，重慶人，助理研究員，研究方向?yàn)楹娇諝庀蟆?通信作者：梁飛（1984—），男，四川成都人，研究員，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)。E-mail：liuxinghui787@163.com。