陆气相互作用是指发生在陆地表面的热力、动力、水文以及生物物理、生物化学等一系列复杂过程, 以及这些过程与大气的相互作用过程。地表作为大气能量的主要输入方, 极大地影响着地面与大气之间进行的各种相互作用, 在局部地区或特定时段甚至起着关键性决定作用。青藏高原位于我国西南部, 南邻副热带, 北至中纬度, 面积约占我国国土面积的四分之一, 平均海拔在4000 m以上, 是地球上海拔最高的高原, 素有地球“第三极”之称。青藏高原是北半球气候变化的启动器和调节器, 该区的气候变化不仅直接驱动中国东部和西南部气候的变化, 而且对北半球具有巨大的影响, 甚至对全球的气候变化, 也具有明显的敏感性、超前性和调节性。随着全球气候变暖, 青藏高原地表和大气加热减弱(吴国雄等, 2002; Duan et al, 2008; Yang et al, 2014), 这种春夏季加热减弱影响下游地区夏季降水(Liu et al, 2012; Duan et al, 2013; Boots et al, 2013; Wang et al, 2015; Duan et al, 2015)。第一次青藏高原气象科学试验(QX-PMEX)与国际大气研究全球试验(FGGE)和夏季风试验(MONEX)阶段性同步, 有效地推动了青藏高原气象及气候影响的理论研究。同时, QX-PMEX以高原地表辐射平衡和热量平衡的时空转变作为主要研究对象, 在高原辐射气候的钻研方面取得了重要进展, 揭示了诸多有意义的观测事实。第二次青藏高原气象科学试验(TIPEX)把观测地表-大气之间物质和能量交换过程作为主要研究内容之一, 了解高原下垫面湍流输送和辐射特征。同时, TIPEX为取得青藏高原辐射平衡研究资料, 在改则、当雄和昌都地域设立了辐射观测站, 并分析了上述区域的总辐射、反射率、地表有效辐射和净辐射的变化特点(李栋梁等, 1997; 李国平等, 2003, 杨丽薇等, 2017)。20世纪90年代以来国际普遍关注的核心为高原大气陆面过程对亚洲季风的影响研究。中日合作的“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验”(GAME/Tibet, 1996—2000年)把研究青藏高原地表与大气之间能量交换作为其重要的科学方向提了出来, 并且“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验研究”(CAMP/Tibet, 2001—2005年)再次验证了上述结论(马耀明等, 2006; 李茂善等, 2004, 2012; 陈学龙等, 2008; Li et al, 2012; 贲海荣等, 2017; 严晓强等, 2018; 李宏毅等, 2018; 徐丽娇等, 2019; 郑汇璇等, 2019)。

鉴于此, 利用耦合了改进地表参数中尺度模式WRF模拟研究青藏高原及其周边地区湍流通量的变化特征, 以期进一步理解青藏高原加热作用对周边地区天气气候的影响。

观测资料选取高寒网观测资料, 主要使用的是珠峰站(28°21.29′N, 86°56.47′E, 海拔4293 m)、纳木错站(30°46.44′N, 90°59.31′E, 海拔4730 m)、那曲站(31°22.71′N, 91°53.55′E, 海拔4502 m)和林芝站(29°45.56′N, 94°44.18′E, 海拔3327 m)2004—2013年大气湍流观测资料、自动气象站观测资料和边界层塔站观测资料, 数据由时间序列向量或标量作为变量构成。时间步长为30 min, 缺失值由-9e33表示。资料主要包含地表入射及反射短波辐射的短波、收入及支出的长波辐射、感热和潜热通量、净辐射、土壤热通量等变量。数据集以NetCDF-4经典格式和Excel表格提供。所用仪器列于表 1。

表 1(Table 1)

表 1 青藏高原野外观测站点仪器表 Table 1 Instrument list of field observation stations in Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) 仪器 观测站 那曲 林芝 纳木错 珠峰 声波风速计 DAT 600 a CSAT3 b CSAT3 b CSAT3 b IRGA LI-7500 c LI-7500 c LI-7500 c LI-7500 c 空气温度/湿度 HMP45 d HMP45 d HMP45 d HMP45 d 辐射 CM3 / CG3 e CNR1 e CM3 / CG3 e CNR1 e 地表温度 计算f IRTS-P b 计算f 计算f 土壤温度 Okazaki TS-301 107 b Pt100d Pt100d 土壤湿度 IMKO, Trime EZ CS 616 b ML2X d ML2X d a: Kaijo-Denki DAT 600 TR61A探头, 2010年6月25日之后: CSAT3; b:坎贝尔科技有限公司; c: LI-COR生物科学; d:维萨拉; e: Kipp & Zonen; f:从向上的长波辐射计算

表 1 青藏高原野外观测站点仪器表 Table 1 Instrument list of field observation stations in Qinghai-Tibetan Plateau (QTP)

本文应用一种独立的确定地表动力学粗糙度Z_0m的方法(陈家宜等, 1993)分析了青藏高原地区粗糙度的变化特征, 杨耀先等(2013)用这种方法改进CoLM模式并对藏北高原地区地表通量进行了数值模拟研究, 模拟的感热通量比原来的模拟结果提高了1 %。

选取的物理参数化方案如下:云微物理参数化方案选择WSM6方案(Hong et al, 2006); 短波辐射方案选择Duhia方案(Dudhia, 1989); 近地层参数化方案选择Monin-Obukhov方案(Janjic, 2000); 陆面过程方案选择改进的NoahLSM方案(Chen et al, 2001); 边界层参数化方案选择YSU方案(Hong et al, 2006)。模式格点数为250×150, 格距为20 km, 中心点为那曲站(31.37°N, 91.9°E), 垂直分层为38层, 时间步长为120 s。模拟时间选为2004年1月至2013年12月, 模式初始场和侧边界使用ERA-interim再分析资料。

通过改进参数的中尺度模式WRF模拟(图 1)可知, 自2004—2013年以来, 青藏高原中部和东南部地区感热通量增加, 分别增加了9.952 W·m^-2·(10a)^-1和14.595 W·m^-2·(10a)^-1; 青藏高原其他区域感热减小, 减少了-4.473 W·m^-2·(10a)^-1; 青藏高原周边东南部横断山脉增加了9.928 W·m^-2·(10a)^-1, 云贵高原地区增加了9.868 W·m^-2·(10a)^-1和江南丘陵地区增加了15.177 W·m^-2·(10a)^-1; 其他周边地区感热减小, 减少的量级为-10.26 W·m^-2·(10a)^-1。潜热从2004—2013年的年平均变化来看, 青藏高原东部地区有较弱的增加[1.175 W·m^-2·(10a)^-1], 青藏高原其他区域都减小[-3.762 W·m^-2·(10a)^-1]; 青藏高原周边东部四川盆地、南侧孟加拉湾附近以及周边北部地区减弱, 分别为-0.27, -2.416和-2.287 W·m^-2·(10a)^-1, 周边其他地区都是增加, 我国东南部地区有较强的增加[11.385 W·m^-2·(10a)^-1], 印度半岛增加的幅度不大[2.988 W·m^-2·(10a)^-1], 云贵高原[-2.705 W·m^-2·(10a)^-1], 云贵高原以东缅甸增加[9.287 W·m^-2·(10a)^-1]和黄土高原增加[1.160 W·m^-2·(10a)^-1], 但云贵高原是减少的[-2.705 W·m^-2·(10a)^-1], 表明孟加拉湾水汽输送减弱, 西太平洋水汽输送增加。

图 1(Fig. 1)

图 1 青藏高原及其周边地区2004—2013年感热通量和潜热通量变化趋势(单位: W·m-2) 黑线为青藏高原边界(下同) Fig. 1 The interannual variation of the sensible heat flux and latent heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2. The black line is the boundary of the QTP (the same as after)

近10年来, 春季青藏高原地区青藏铁路沿线偏西地区, 雅江流域感热增加, 青藏高原其他地区减弱; 高原周边东南云贵高原、西北腾格里沙漠地区感热增加, 周边其他地区都是减弱的趋势。夏季青藏高原地区除西部极小区域外感热增加, 尤以中部偏西地区增强较大; 高原周边北部、太行山、云贵高原地区感热增强, 周边南侧喜马拉雅山南边、我国东南地区都是减弱; 秋季青藏高原东南有小片区域感热增加、高原其他区域都是弱减小; 高原周边除我国东南部和云贵高原部分区域感热增加外, 周边其他区域都是减小, 西南侧减小更多; 冬季青藏高原中部、东南部感热增加, 高原其他区域都是减小; 高原周边东南侧云贵高原部分区域增加, 其他区域都是弱减小(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 青藏高原及其周边地区2004—2013年感热通量季节变化趋势(单位: W·m-2) Fig. 2 The seasonal variation of the sensible heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2

图 3是2004—2013年间潜热通量年际季节变化趋势。从图 3中可以看出, 春季青藏高原地区东南部地区潜热较强, 西北部地区较弱; 周边喜马拉雅山南侧, 东南侧孟加拉湾附近和我国东南地区潜热增加, 周边其他地区为减弱。夏季青藏高原中东部地区潜热增加, 青藏高原西部地区和雅江流域为减小; 周边南边和我国大部分区域都是增加, 周边其他地区潜热都是减弱。秋季青藏高原东南地区潜热减弱; 周边南部、东侧、我国东南部地区减弱。冬季青藏高原及其周边地区潜热减弱。

图 3(Fig. 3)

图 3 青藏高原及其周边地区2004—2013年潜热通量季节变化趋势(单位: W·m-2) Fig. 3 The seasonal variation of the latent heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2

从2004—2013年各年平均年内变化的湍流通量分布(图 4)来看, 青藏高原中西部地区感热通量都大于青藏高原其他区域, 青藏高原周边只有东南部横断山脉、云贵高原地区、高原北侧和江南丘陵地区感热较大, 喜马拉雅山南侧、孟加拉湾地区及其他周边地区感热都较小; 潜热从2004—2013年的年变化来看, 青藏高原东部地区较强, 青藏高原其他区域都较弱; 青藏高原周边东部四川盆地、南侧孟加拉湾附近以及周边北部地区较弱, 周边其他地区都是较强, 我国东南部地区有较强的增加。

图 4(Fig. 4)

图 4 青藏高原及其周边地区2004—2013年感热通量和潜热通量年变化特征(单位: W·m-2) Fig. 4 The annual variation of the sensible heat flux and latent heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2

从图 5可以看出, 春季青藏高原地区青藏铁路沿线偏西地区, 雅江流域感热增加, 青藏高原其他地区减弱; 周边东南云贵高原、西北腾格里沙漠地区感热增加, 周边其他地区都是减弱的趋势。夏季青藏高原地区除西部极小区域外感热增加, 尤以中部偏西地区增强较大; 高原周边北部、太行山、云贵高原地区感热增强, 周边南侧喜马拉雅山南边、我国东南地区都是减弱。秋季青藏高原东南有小片区域感热增加、高原其他区域都是弱减小; 高原周边除我国东南部和云贵高原部分区域感热增加外, 周边其他区域都是减小, 西南侧减小更多。冬季青藏高原中部、东南部感热增加, 高原其他区域都是减小; 高原周边东南侧云贵高原部分区域增加, 其他区域都是弱减小。

图 5(Fig. 5)

图 5 青藏高原及其周边地区2004—2013年感热通量年内平均季节变化特征(单位: W·m-2) Fig. 5 The seasonal variation within the year of the sensible heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2

春季青藏高原地区潜热年变化为减弱, 周边喜马拉雅山西南, 东南、东侧和我国东南地区潜热增加, 周边其他地区为减弱。夏季青藏高原中东部地区潜热增加, 青藏高原西部地区和雅江流域为减小; 周边南边除孟加拉湾附近和北部地区为减弱外, 周边其他地区潜热都是增加。秋季青藏高原地区潜热增加; 周边南部、东侧、我国东南部地区和塔里木盆地也是增加, 周边太行山脉、云贵高原东北部、周边东北部地区都是减小。冬季青藏高原东部部分区域潜热增加; 周边喜雅拉马山南侧、周边高原东侧和我国东南部潜热增加, 周边其他地区潜热减弱(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 青藏高原及其周边地区2004—2013年潜热通量年内平均季节变化特征(单位: W·m-2) Fig. 6 The seasonal variation within the year of the latent heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013. Unit: W·m-2

结合图 1, 2和图 5, 6可以看出, 感热通量和潜热通量的变化主要以春季和夏季的变化为主, 因此, 主要分析春季和夏季的年际变化特征。从年际变化(图 7)来看, 自2004—2013年春季高原中部和东南部感热通量增加, 高原西部感热通量增加, 周边江南丘陵地区有微弱的减小, 云贵高原有较强的增加, 青藏高原中东南地区有微弱的减小; 高原中部感热通量有微弱的增加, 高原东南部感热通量呈减小的趋势, 高原西部感热通量的变化趋势不是很明显。周边江南丘陵地区感热通量减小, 云贵高原和周边中东南地区感热通量都呈减小的趋势; 高原西部有微弱的减小趋势; 高原东部潜热通量有微弱的增加。周边地区四川盆地潜热通量有减小的趋势; 高原南部孟加拉湾潜热通量有微弱的增加; 印度半岛潜热通量有微弱的减小; 云贵高原潜热通量程减小的趋势。高原周边北部潜热通量有微弱的减小, 而高原周边东南地区潜热通量呈增加的趋势; 高原西部潜热通量有微弱的减小; 高原东部潜热通量有微弱的增加。周边地区四川盆地潜热通量有微弱的增加; 高原南部孟加拉湾地区潜热通量呈减小的趋势; 印度半岛潜热通量呈增加的趋势; 云贵高原潜热通量增加。高原周边北部潜热通量有微弱的减小, 高原周边东南地区潜热通量有明显的增加。上述季节的年际变化与感热通量和潜热通量的变化趋势是一致的, 进一步说明春季和夏季的湍流变化影响了2004—2013年期间的湍流通量变化。

图 7(Fig. 7)

图 7 青藏高原及其周边地区2004—2013年感热通量季节的年际变化 Fig. 7 The seasonal variation of the sensible heat flux on QTP and its surrounding area from 2004 to 2013

利用改进地表参数的中尺度模式WRF模拟研究了近10年青藏高原及其周边地区湍流通量的变化特征, 得到以下主要结论:

(1) 从2004—2013年湍流通量的年际变化来看, 青藏高原中部和东南部地区感热通量增加, 青藏高原周边只有东南部横断山脉、云贵高原地区和江南丘陵地区感热增加, 春季和夏季增加较为明显。潜热青藏高原除东部地区有较弱的增加, 青藏高原其他区域都减小, 青藏高原周边东部四川盆地、南侧孟加拉湾附近以及周边北部地区减弱, 周边其他地区都是增加, 我国东南部地区有较强的增加, 表明孟加拉湾水汽输送减弱, 西太平洋水汽输送增加。

(2) 从2004—2013年各年平均年内变化的湍流通量分布来看, 青藏高原中西部地区感热通量都大于青藏高原其他区域, 青藏高原周边只有东南部横断山脉、云贵高原地区、高原北侧和江南丘陵地区感热较大, 喜马拉雅山南侧、孟加拉湾地区及其他周边地区感热都较小; 青藏高原东部地区潜热通量较强, 青藏高原其他区域都较弱; 青藏高原周边东部四川盆地、南侧孟加拉湾附近以及周边北部地区较弱, 周边其他地区都是较强, 我国东南部地区较强。

本文仅分析了近10年青藏高原及其周边地区湍流通量的变化特征, 这与下垫面的变化有着直接的联系, 各区域植被, 土壤, 陆地表面土地类型的不同以及辐射的变化, 气候变化等是造成湍流通量的变化的因素, 至于其变化机理还需要进一步深入分析。