【摘 要】
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地表与大气之间的净辐射、显热通量和潜热通量等能量交换是驱动大气运动的主要能量来源之一,陆-气能量交换过程间接地刻画了太阳辐射对大气系统的能量强迫作用。因此,探索区域地表净辐射、显热通量和潜热通量的时空变化规律及其驱动因素,对人们深入认识区域乃至大范围区域天气和气候形成和变化过程具有非常重要的意义。黄土高原因其独特的下垫面特征和高强度的人类活动干扰,同时又深受东亚季风影响,降水变率较大,致使该地区生
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地表与大气之间的净辐射、显热通量和潜热通量等能量交换是驱动大气运动的主要能量来源之一,陆-气能量交换过程间接地刻画了太阳辐射对大气系统的能量强迫作用。因此,探索区域地表净辐射、显热通量和潜热通量的时空变化规律及其驱动因素,对人们深入认识区域乃至大范围区域天气和气候形成和变化过程具有非常重要的意义。黄土高原因其独特的下垫面特征和高强度的人类活动干扰,同时又深受东亚季风影响,降水变率较大,致使该地区生态环境异常脆弱,极端气候事件频发,对气候变化和人类活动极为敏感。因此,很有必要通过分析区域地表能量交换过程对区域气候的影响,深入理解区域气候变化的原因,为该地区适应全球气候变化制定适应性策略提供依据。本研究基于欧洲中尺度气象预报中心(ECMWF)最新验证的ERA5再分析资料数据,分析黄土高原地表能量平衡系统组分的时空变化规律及其变化对区域大气的增温/降温效应,并对影响地表能量收支因素进行分析。针对气候变化和土地覆盖变化两种主要影响因素贡献,本研究利用新一代典型陆面过程模型EASS(Ecosystem-Atmosphere Simulation Scheme),通过合理的模拟情景设计予以区分。主要得出以下结论:(1)在过去近30年,黄土高原的地表净辐射通量、显热通量和潜热通量的多年平均值分别为71.3 W/m2、28.94 W/m2和41.52 W/m2,年际变化变化率分别为-0.024 W/m2、0.14 W/m2和-0.161 W/m2。总体上,各能量平衡组分年际变化均较小,其中,地表净辐射和潜热通量呈减少的变化趋势,显热通量呈增加的变化趋势。在研究时段内,除了显热通量的年均值在春季和夏季波动变化外,地表净辐射通量和潜热通量夏季的年均值均明显较高,其次是春季,冬季最小。(3)在研究时间内,黄土高原多年Δ(Rn-LE)的年均值为1.683 W/m2,表明退耕还林还草工程对大气供热为正效应。黄土高原春季和夏季的地表对大气供热为正效应(3.513 W/m2,4.969 W/m2);而在秋季和冬季,地表对大气的供热均为负效应,分别为-1.057 W/m2和-0.453 W/m2。在1月、2月、9月、11月和12月,黄土高原退耕还林还草工程导致地表对大气供热为负效应。在3-8月和10月,地表对大气供热为正效应。(4)NDVI和潜热通量的相关性最高,为0.6(p<0.01);I与地表净辐射通量之间的相关性次之;而与显热通量之间没有表现出相关性。与NDVI类同,降水与潜热通量的相关性最高,相关性系数为0.86(p<0.001),与地表净辐射通量的相关性次之,对显热通量的影响最小。(5)黄土高原地区气候变化对地表能量分配的影响较土地覆盖变化的影响大。在年尺度上,黄土高原地区气候和土地覆盖变化均导致显热通量分配到的能量更小,而潜热通量分配到更多的能量,且气候变化对黄土高原地区潜热通量和显热通量分配的影响大于土地覆盖变化。气候变化和土地覆盖变化对黄土高原东南部的地表净辐射通量影响差异较大,黄土高原东南部土地覆盖变化对地表净辐射通量的影响占主导。在季节尺度上,土地覆盖对地表净辐射通量影响较大的区域在黄土高原的北部和东南部。土地覆盖变化导致黄土高原大部分地区显热通量减小,土地覆盖变化对黄土高原地区潜热通量的影响主要在东南地区,且对夏季的潜热通量影响较大。气候变化对黄土高原地区春季和夏季的地表净辐射通量的影响较大。总的来说,在春季、秋季和冬季,气候变化对显热通量和潜热通量的影响较土地覆盖变化大;夏季,两者对黄土高原地区地表净辐射通量、潜热通量和显热通量的影响较小。
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