西北地区地面感热通量的变化特征外文翻译资料

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西北地区地面感热通量的变化特征

季风系统研究中心，大气物理研究所，中国科学院，北京 100190，中国

海洋-陆地-大气研究中心，卡尔弗顿，马里兰 MD 20705，美国

摘要： 目前的研究文献表明西北地区地面感热变化特征主要采用的是1961年到2000年的各个站点的观测资料。研究表明下午和夜间的地面感热特征有显著的不同。在下午的瞬时感热变化通量远远大于夜间感热变化通量。下午和夜间的感热变化异常是有一个相反变化的趋势。感热通量变化的日、季节变化与平均气温日变化密切相关。地面感热通量变化与地气温差变化之间的联系不同于日常的平均值，它主要是依据瞬时值的变化。现在的研究表明通过模型来合理的模拟平均地气温差十分重要，并且通过模拟地气温差昼夜和季节的变化以此来抓住中国西北地区地面感热变化的特征，并合理预测地面感热对气候的影响。

关键词：感热通量、地气温差的变化、风速

引文：Zhou.L.-T，R.-G.Wu，and R.-H.Huang，2010：Variability of surface heat flux over Northwest China，Atmos. Oceanic Sci.Lett.，3,75-80.

1引言

现在对于中国西北地区的地面感热通量的研究还是比较少的。研究表明西北地区地表面和大气之间的热量交换大多数是以感热形式进行交换的，因此我们有必要记录感热通量是如何随时间变化的，以便更好地了解其对大气环流和气候的影响。近些年以来，在中国西北干旱地区进行的野外陆地和大气间相互作用的实验（敦煌实验）就是为了这一目的进行的。从敦煌实验获得的数据分析引起了一些建设性的结果（Zhang et al.，2005）。因此，如再分析资料（国家环境预报-国家大气研究中心（NCEP-NCAR）和欧洲中期天气预报中心40年再分析资料（ERA。401）（Zhou and Huang，2010a）可知，西北地区具有很强烈的感热通量。在该地区地表感热通量的变化可能会对本地和远程气候变化造成重大影响(Zhou and Huang，2008：Gao et al．．2008；Zhou et al．，2009)。Zhou和Huang（2006）发现西北地区的地气温差有着明显的年代际变化特征。Hui et al.（2005）分析了西北干旱地区的地表感热变化特征。春季和夏季感热通量的不同低频变化也被Zhou（2009a）所证实。本研究的目的是为了探讨西北地区地表感热通量每日四次的变化及地气温差差异和地表面风速变化对感热通量变化的贡献。我们的焦点将在年代际变化特征，这其中包括季节性变化和昼夜差异。

2 资料选取和方法介绍

我们利用西北地区(107°E 以西/35°N 以北)38个测站点从1961年到2000年的地表面温度观测资料，地表面空气温度资料和每日四次的风速资料（分为四个时间段，均为标准时：02时,08时，14时,和 20时）。这些资料由国家气象信息中心提供。

区域尺度的地面感热通量计算通常采用以下公式

S=rho;_SC_PC_h∣V₁₀∣（T_S-T_a）

其中S是地面感热通量，cp=1004.67 J·K^-1·kg^-1，为干空气定压比热；rho;=1.2928 kg·m^-3为干空气密度，C_h=3.02times;10^-3（Zhang et al.，2001）为地表热力输送系数（在西北戈壁滩地区应该是一个固定值），V 是测站点10m高处的风速，T_a是测站百叶箱（2m）气温，T_S是地表面土壤温度。Zhou（2009b）和Huang（2010a）研究表明再分析感热资料和气象站实测资料计算得到的感热值相差不大，计算值和2000年7月在敦煌的观测值大致相同。

地面感热通量的计算主要取决于西北地区38个测站点的瞬时风速，地表土壤温度和地表空气温度。日常的感热瞬时平平均值在0200 LST，0800LST,1400LST意味着在中国西北地区38个测站点计算的感热值是平均值，感热通量的区域和测站点的相关性计算（图不显示）相关性高于大多数站，达到95％置信水平，这表明西北地区感热变化的区域手段可以表明测站点的变化。

3结果

3.1地面感热通量的季节变化

图1显示了西北干旱区多年平均感热通量分别在4个标准时段的月变化以及风速和地气温差各个月的变化曲线图。从图1a中可以看出四个时间段的感热通量在数量级和大小上都是14时的最大，并且在4月到6月达到极大值。在20时的感热通量曲线上可以看出，从4月到8月感热通量有一个上升期，然后从10月到3月有下降的趋势。08时和20时的感热通量在整体上全年是有下降的趋势的。

感热通量的季节变化与地气温差和地面风速密切相关，主要由地气温差变化决定。在14时，春夏季的感热通量（图1a）主要与夏季的地气温差（图1b）和春季地面风速有关联（图1c）。这些季节变化与大气环流、太阳辐射和陆地表面状况也有关。在夏季，由于太阳辐射强烈，地表面升温较快，空气干燥，导致了地气温差变化幅度很大。在春季，大气环流的存在有利于西北地区地面风的盛行。在20时，夏季（5月到8月）地面土壤温度仍然地表空气温度，其原因是因为白天温度较高以及长时间的太阳辐射。在其他月，由于夜间长波辐射损失较大，导致夜间地表面土壤温度比地表面空气温度要低，02时和08时也是这种情况。

日平均感热通量主要由全年14时时段的感热通量所决定（图1a）。日平均风速情况主要也取决于14时时段（图1c）。在春夏季，地气温差同样占据主导地位，所以14时时段的地气温差大部分为正值（图1b）。在冬季，除了14时以外的各个时段的地气温差均为负值，它们的总和在数值上要比14时大。在秋季，地气温差变小的原因的是由于14时与其他三个时段的差值缩小了。在十二月，正日平均通量对应的负日平均温度差。这种相关性表明有没有较好的联系取决于日平均变化。

图1 中国西北地区38个测站点各月平均感热通量（a）（W·m^-2），地气温差（b）（℃），地表面日平均风速（m·s^-1）（其中黑色加粗实线为14时，实线为02时，平滑分段线为20时，带点分短线为08时）

3.2年际和年代际变化特征

对于讨论感热通量变化和地气温差与地表面风速之间关系的研究主要在于研究其日平均值变化（Zhou，2009a；Zhou和Huang，2010a）。正如前面所指出的，感热通量的平均值和底气温差一样在气候平均变化中占有重要地位。一个问题是，无论是瞬时感热通量还是地气温差或者地表面风速，他们三个的变化趋势是大致一样的。

图2显示的是感热通量在4个季节4个时段的变化曲线图。图3和图4显示的是地气温差和地表面风速的相似图。

在图2中，四季都有的特征是14时段的感热通量要比其他三个时段具有更大的变化性。要注意的另一个特点是，其他三个时段的感热变化有明显的年代际变化特征。另外，14时的感热通量除了在20时段以外跟其他时段相比有异常的趋势。这种趋势表明当进行年代际变化分析的时候要考虑日变化。

图2中的平均值和四个瞬间的值比较表明，对日平均通量异常的主要贡献取决于季节的不同。在春季，日平均感热通量变化主要是由14时的感热通量变化引起的。14时段的感热低值和高值主要发生在1960年和1970年。在夏季，14时段的感热同样也是贡献率最大的，20时的贡献率平排在第二。特别要注意的是，在80年代中期和90年代中期西北地区感热呈现较小值和较大值，这导致了感热通量日平均变化量的大小。在秋季和冬季，在1960年到1970年期间14时段的感热通量变化出现了异常的现象。在20世纪80年代和90年代的许多年里，他们往往互相抵消。在一些年里，其他三个时段跟14时段一样出现了异常，如果是这样的话，感热通量日平均变化异常就会变大，如1986年，1999年，2000年以及1997年的冬季。

图2 西北地区38个测站点四个季节感热通量年代际变化曲线图（其中黑色加粗实线为14时，实线为02时，平滑分段线为20时，带点分短线为08时），气候月平均是基于期间1961-1990年。

我们的分析表明，在白天不同时段，感热通量的年际和年代际变化有明显的差异。详细的分析表明，下午14时的感热通量与其他三个时段的感热通量有很大的差别。在夏季，除了20时时段的感热通量，其它三个时段的感热通量变化异常趋势都趋于一致，这种情况跟之前提到的14时的情况大致相同，但是在数值变化大小上要比14时时段小。

在图3中，4个时段的地气温差有明显的周期性。下午的温差在四个季节都有上升的趋势，02时和08时的温差在春夏季还有冬季都有下降的趋势。图3中的日平均值和四的瞬时值比较，在春季和夏季的平均温度差的主要贡献不同于秋季和冬季。在夏季，14时时段的日平均地气温差是主要指标，20时段的贡献率第二。02时和08时在秋季有相反的贡献率，在冬季贡献率较低。在秋季和冬季的日平均温度的差异主要取决于02时和08时，20时的贡献率占其次。14时的地气温差在大部分的分析周期有一个抵消效应。

地表面风速与每日四次的观测资料只有一点微小的差别（图4）。风速异常在所有四个季节相似，在20世纪80年代和90年代风速要比60年代和70年代要小，这与之前（Xu et al.,2006）的研究基本上是一致的。上述变化大多发生在1979年左右，这种变化基本上同上个世纪70年代后期北半球中纬度热带地区的风速年代际变化相同（Nitta and Yamada, 1989; Trenberth and Hurrell, 1994)及东亚地区(Wu and Chen, 1998; Zhou and Huang, 2003; Zhou and Huang, 2010b)。这一观察结果表明，中国西北地区的温度和风的变化可能是大规模气候变化的一部分。

虽然瞬时温度差呈明显的线性趋势，但这种趋势在瞬时感热通量中没有出现。相反，感热通量往往表现出明显的年代际变化。这种趋势表明，感热通量的低频变化不能通过温度的差异来解释。另一方面，地表面风速呈现一个向下的趋势，所有的时间和所有的季节，而感热通量的变化表现出较大的对季节性和昼夜的依赖性。因此，风速和温度差必须用以解释地表热通量的低频波动。

正如日平均变化一样，瞬时感热变化的高低代表了一个周期。在春季，14时时段的感热通量在20世纪70年代到80年代初期较高，在20世纪60年代和20世纪80年代末到90年代较低（图2a）20世纪60年代感热通量偏低主要是由于温度出现负值所影响（图3a），而另外两个年份的感热通量变化是由于风速异常所导致（图4a）。在过去的五年左右，这个温差和风速的影响会相互抵消，导致小的低频分量，但年际变化大。在过去的15年里感热通量是它们的三倍，但是低于20世纪70年代（图2a）这些都与风速变化的平均负温度差有关，在第一个十年中感热通量变大的原因是由于温度差变化较大（图1b）。在夏季，14时时段的感热通量在20世纪70年代偏高，在20世纪80年代末期到90年代偏低（图2b），这与风速异常变化情况是一致的（图4b）。20时时段的感热通量变化与14时时段的类似，但变化幅度没有14时时段大。02时和08时的感热通量变化与春季基本一致。这些变化与风速相关的现象出现在1970年以后（图4b）。在秋季，感热变化的四个时段都与风速变化有关（图2c和4c）。需要注意的是，虽然风速同时影响了4个时段，但感热通量受风速影响的变化量是不同的，这主要与秋季的地气温差有关（图1b）。同样，冬季地表面风速也是影响感热通量变化的主要因素（图2d和4d）。

图3 与图2类似，除了地气温差异常

图4 与图2类似，除了地表面风速异常

总体而言，风速占主导地位的变化在秋季和冬季，这一结果与日平均计算值得到的结果不同。这种差异发生由于温度差异的昼夜变化。在春季，风速和温度差的时期是重要的是不一致的那些基于日常的平均。这种差异表明，在西北地区基于日平均温度和风速变化的感热变化的解释可能是不可取的。

4总结与讨论

本研究以四次每日站观测资料为基础，研究了中国西北地区地表感热通量的变化及陆、气温差及地面风速的贡献。感热通量在下午时候较大并且全年都有上升的趋势，在夜间其值较小并且有下降趋势。感热通量在夏季夜间有上升趋势，在冬季夜间有下降趋势。感热通量的变化与地气温差和地表面风速密切相关。

感热通量变化存在着明显的年际和年代际变化。感热通量在午后达到最大值，夜间的感热通量变化与午后相反。夜间感热异常遵循夏季午后感热变化趋势，不同于剩下三个季节的夜间感热通量。这些特征与地气温差日平均变化有密切相关。

根据本研究的结果，西北地区感热通量的一个明显特征是夜间和午后的感热通量有一个明显的对比：下午感热通量的异常情况及变化幅度是比较大的。这是由于地气温差变化存在一个周期性。午后和夜间的感热通量会彼此抵消，这种趋势的结果非常不同的年代际变化关系在不同季节的日平均流量。

在1960年代以后的夜间和清晨的感热通量在春季，夏季和秋季，

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