冷锋活动变异性调节着美国南部内陆水体的冷季水面蒸发外文翻译资料

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冷锋活动变异性调节着美国南部内陆水体的冷季水面蒸发

Heping Liu^1,5, Peter D Blanken², Tamas Weidinger³, AnnikaNordbo⁴, Timo Vesala

1 Department of Civil and Environmental Engineering,Washington State University, Pullman,

WA 99164, USA

2 Department of Geography, University of Colorado at Boulder, Boulder, CO 80309, USA

3 Department of Meteorology, Eouml;tvouml;s Loraacute;nd University, Budapest, Hungary

4 Department of Physical Sciences, University of Helsinki, Helsinki, Finland

摘要：理解内陆水体（如湖泊和水库）水面蒸发的季节变化特征对于水资源管理和预测水文循环对气候变化的响应至关重要。Ross Barnett水库（32°26′ N，90°02′ W）位于密西西比州中部，常年不结冰，分析该水库2007和2008年冷季（9月到翌年3月）的涡度相关系统测量的蒸发量发现，该地区冷锋活动的变异性（即冷锋过境及其过境后的干冷气团）在调节水面与大气之间的感热（H）和潜热通量（lambda;E）交换中起着重要作用。分析显示，虽然2007年冷季平均气温较2008年冷季高，但2007年冷季的H和lambda;E平均值都比2008年冷季观测值低。表明温暖的冷季并非加速水面蒸发，也不能加速水面与大气之间的热量交换。相反，与2007相比，2008年频繁的冷锋过境和长期干冷气团控制，导致2008年的H和lambda;E比2007年观测结果更大，这些增大的热量交换主要表现为短时间内的H和lambda;E“脉冲”。综上可知，与气候变化其他要素相比，未来气候变化引起的冷锋过境频率改变及其过境后气团性质（如风速、气温、湿度）的改变将会对水面能量通量和蒸发速率变化产生深远影响。

关键词：湖泊/水库水面蒸发，涡度相关法测量的通量，冷锋，表面能量收支

1. 引言

内陆淡水水体（湖泊，水库，沼泽，湿地等）的水面蒸发是流域水分支出的重要途径（Rouse et al，2005）。尽管气温上升会加速陆地表面的水分蒸发（Huntington，2006），但量化开放水体水面蒸发随气候变暖的变化在实践和理论层面都存在巨大挑战。在冬季，没有结冰湖面的水面蒸发显著（Blanken et al，2000）。因此，研究此季节水面蒸发的环境控制因子非常重要的（Liu et al，2009）。

这能够很好的证明水面蒸发率（或潜热通量）是由水与空气的表面与空气上部不同的蒸汽压力以及湍流混合强度决定的（Hostetler and Bartlein 1990, Bonan 1995）。饱和度经常发生在水的表面，也被描述为饱和蒸气压，这是一个水表面温度的函数（Hostetler and Bartlein 1990)）。同样的显热通量取决于水面上方的空气以及湍流强度的温度的不同(Hostetler and Bartlein 1990, Bonan 1995).。由于水有很高的比热容，跟周围土壤温度的变化相比，水面温度在大型的水体显示出很小的昼夜变化，甚至很小的季节性变化。这就导致了水表面的饱和蒸汽压的变化也很小。因此，湍流交换的热量和水表面和空气之间的水蒸气，很大程度上受到水面上层气象变化的特性而改变的(Oswald and Rouse 2004)。比如，干冷空气团通过增加大气层表面垂直温度和湿度梯度，使水表面和空气之间的显热通量和潜热通量进行交换，但是温暖湿润的空气团会降低大气层表面垂直温度和湿度梯度，会抑制显热通量和潜热通量的交换(Rouse et al 2005, Liu et al 2009).。这就指出，辐射差额对显热通量和潜热通量的日变化起着作用以及季节变化也起着次要的作用(Rouse et al 2003, Lenters et al 2005, Liu et al 2009).。

以前的研究已经表明，天气的入侵天气系统（例如，冷锋）带来气团拥有不同的气象特性，也使得该地区的风速和风向，温度，湿度，和该区域大气压力差生很大的变化(Lenters et al 2005, Liu et al 2009)。因此，水上气象学特性的时间变化是这个区域的天气观测系统的通道产生大的变化，从而影响水的表面能交换强迫大气和水之间的交换，影响水面能量的交换(Blanken et al 2000, 2003, 2008, Schertzer et al 2003, Rouse et al 2003,Lenters et al 2005, Liu et al 2009).。干冷气团强风事件增强了湍流混合，导致蒸发脉冲和lambda;E脉冲的发生(Liu et al 2009)。该事件也同样影响着 H脉冲的发生 (Liu et al 2009). 以下Blanken等人（2003），我们定义一个脉冲是发生在24小时lambda;E或H的平均值至少是次10日运行平均值的1.5倍的值 。夹带大气当中的温暖，干的空气到湖泊的大气层表面，导致蒸发很快破裂，对于稳定的大气层表面同样会使蒸发很快破裂(Blanken et al 2003)。这些H或lambda;E的脉冲贡献出了每年蒸发量45%-65%和H总量的30%。虽然只包含24-37%的观测时间(Blanken et al 2000, Lenters et al 2005,Liu et al 2009).。显热通量的脉冲和潜热通量的脉冲同时发生(Liu et al 2009)。在密西西比也发生过大风事件，由于受到南风的控制，带来从墨西哥湾的温暖湿润的空气团，这导致蒸发量达到最小并且降低了热量的传递(Liu et al 2009).。这些以前的研究提供了一个证据就是，在内陆水域，天气的变化对显热通量和潜热通量有很大的影响。然而尚不清楚的是，这些天气活动是怎样应对气候时间的变化和内陆水域蒸发的大小。

在这里我们直接用水上的涡度协方差来测量2007-2008年密西西比大水库（该地区在冬季水常年不结冰）寒冷季节（即9月至3月）中表面的能量收支。我们把九月也算入到分析当中，是因为这个地区每年从九月就会有几个强冷空气经过。本研究增加了一些已经使用了涡度协方差技术，用来直接长期测量大型内陆水域(Blanken et al 2000, Vesala et al 2006, Liu et al 2009, Nordbo et al 2011).。在寒冷季节该区域主要受到频繁入侵的冷锋控制。等冷锋过境后，在这个地方出现干冷空气团，大风天气会控制这里好几天。我们的目标就是在每个寒冷季节中量化出高强风这类天气做出的贡献（量化是根据频率，持续时间，以及强度）以及天气变化状况来量化各个组成部分的表面能量平衡。区分美国密西西比南部的水库2007年和2008年的气象要素和表面能量收支的不同（例如H和lambda;E）；然后再比较这2007年和2008年在寒冷季节中冷锋过境后，高强度大风天气的频率，持续时间和强度，以及影响的蒸发量和表面能量。

1. 站点介绍、仪器设备和研究方法

我们使用EC-based数据测量该地2007-2008年寒冷季节，用安装在靠近Ross Barnett Reservoir中心的塔来测量,这是一个平均深度为5米，表面积大约134 km²。涡度协方差系统安装在水中的一个高约4米，高5米的铝塔上。这是放置在一个固定木质方形固定的床上水库。塔到岸边的距离为2到14公里的范围，塔的周围的水深大约是5米。

涡度协方差系统是由三位声波风速计和CO₂/H₂0红外分析仪组成传感信号组成的。EC系统传感器信号分别在10 Hz取样并用一个数据记录器记录。Liu等人对实验地区的H和lambda;E做出了详细的记录，并且用质量控制程序对H和lambda;E进行了控制。考虑到丢失和不合格的数据，根据30分钟的可用性，2007年（2008）年冷季的九月，十月，十一月，十二月，一月，二月，三月的磁通观测率为92％（93％），97％（95％），95％（93％），93％（88％），96％（94％），89％（91％），和94％（95％）。（见图1为日平均通量）

图1 2007和2008年冷季观测到的日均值（24小时）时间序列图。（a）净辐射（R_n）,（b）感热通量（H）,（c）潜热通量（lambda;E），（d）风速度（U），（e）空气温度（T_a），（f）水的表面温度（T_S），（g）水面上方的空气实际水汽压（e_a），及（h）水汽脚面的饱和水汽压（e_s）。一些数据缺失是由仪器故障和维修而引起的。

我们测量了各种气象要素的平均30分钟1s测量值。净辐射与净辐射仪，传入的太阳辐射由硅日射强度计。空气，温度相对湿度测量资料4个高度，用四个温度探针测量。风速风向在塔的顶端测量，和额外的三个3-CUP风速计被安装在同一高度HMP45C调查，在这项研究中，我们使用了温度计，大气蒸汽压，风速，水表面温度与红外温度计测量，（IRRP-P模型）安装在1.5米长的水平约为1米的水面上，这个仪器的精度在正负0.2温度范围内。水面上的蒸汽压（e_s）是为了计算在饱和蒸气压用红外线确定的水面温度（T_s）(Blanken et al 2000)。用八水温度探测器，连接到一个塔架平台下浮标，被放置深度低于水表面的在0.10，0.25，0.5，1.0，1.5，2.5，3.5和4.5米处。总降雨量用自动化的翻斗式雨量计（型号TE525，德州仪器，INC）分别在半小时间隔进行测量。所有慢响应传感器信号也是由CR5000数据采集器记录下来。所有仪器都是由两个65瓦的太阳能电池板（型号SP65，坎贝尔科学公司）和六个深循环海洋电池进行供电。

1. 研究结果

3.1 气候要素和水面能量通量的基本特性

从表一中可以看到：2007年冷性季节的温度的总体平均值要比2008年冷性季节的平均温度高1.2℃。2007年冷性季节的T_s也比2008年的T_s的平均值要高，其中2007年的T_s的平均值为15.9℃。而2008年T_s的平均值为14.5℃，部分原因是2007年的R_n要比2008年的R_n高的缘故。一般来说，2007年的冷性季节要比2008年的冷性季节要温暖。由于2007年冷性季节的T_s比2008年冷性季节的T_s高导致了2007年冷性季节的e_s也比2008年的e_s值高（在表一中，1.96比1.80）。虽然在2007年的总降雨量冷性季节为467mm，比2008年的冷性季节少248mm，2007年的冷性季节中的e_a（1.26千帕）比2008年的冷性季节中的e_a（1.15千帕）高。尽管如此，2007年冷性季节T_s – T_s的差值要2008冷性季节年T_s – T_s的差值大，但是两个年份冷性季节中的e_s-e_s的差值非常接近。

表1 2007年和2008年冷季月平均地表能量通量和气象变量。（注意：缩写如下：R_n：净辐射（W m^-2），H_m：平均显热通量（W m^-2），lambda;E_m：平均潜热通量（W m^-2），U：风速（m^-1），T_a：空气温度（℃），T_s：水面温度（℃），e_a：在大气中的实际水汽压（kPa），e_s：水汽界面的饱和水汽

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