青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析

李娟李跃清蒋兴文高笃鸣

1成都信息工程大学大气科学学院，成都6102252中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都610072



青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析

李娟1, 2李跃清2蒋兴文2高笃鸣2

1成都信息工程大学大气科学学院，成都610225
2中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都610072

摘 要青藏高原地理环境复杂，已有大气陆面—边界层研究工作多集中于不同下垫面，很少有对复杂地形区的研究。本文利用青藏高原东南部林芝地区2013年5月20日至7月9日四个野外试验站点的观测资料，分析了不同天气条件下，高原复杂地形区不同下垫面的陆—气能量交换特征。结果表明：在各站向下短波辐射基本一致的情况下，地形较陡的北坡阔叶林站感热通量远大于其他3个站点；下垫面植被覆盖最多的南面麦田站潜热通量最大。各站能量通量有明显的日变化特征，晴天时，感热通量和净辐射明显大于阴雨天，而潜热通量随天气状况变化不大。青藏高原复杂地形环境比不同天气条件对于感热通量的影响更显著；不同地形阴雨天时对于潜热通量有明显的影响。当南亚季风槽前的西南暖湿气流影响到林芝地区时，该地区以阴雨天为主，反之则以晴天为主。林芝地区地—气通量的月内变化明显受南亚季风活动的影响。

关键词青藏高原 复杂地形区 不同天气状况 陆—气能量交换 下垫面

李娟，李跃清，蒋兴文，等. 2016. 青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析 [J]. 大气科学, 40 (4): 777−791. Li Juan, Li Yueqing, Jiang Xingwen, et al. 2016. Characteristics of land–atmosphere energy exchanges over complex terrain area of southeastern Tibetan Plateau under different synoptic conditions [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 777−791, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15197.

1 引言

青藏高原是世界上面积最大、海拔最高、地形最复杂的高原，平均海拔高度约4000 m，作为一块隆起的巨大台地，通过边界层辐射、感热和潜热输送形成了一个高耸入自由大气中的热源强迫和热对流动力扰源，对我国、东亚乃至全球的天气气候形成和变化都具有特殊的热力和动力作用（叶笃正和张捷迁，1974；章基嘉等，1988；刘晓东等，1989，1991；钱永甫，1993；郑庆林等，2001；简茂球和罗会邦，2002；季国良等，2002）。

研究表明：陆—气之间的能量和物质输送是局地乃至全球天气气候的驱动力，反过来，大气过程也会对陆—气之间的能量、物质交换产生影响（Raupach，1998；Eugster et al，2000；Kellner，2001）。同样，青藏高原对大气的各种动力和热力效应主要是通过高原近地层和边界层影响自由大气的（马耀明等，2000），近地层能量和物质的交换随着近地层微气象条件的不同而有所差异，这种差异不仅仅受下垫面性质的影响，还与地形影响密切相关，因而对高原地区不同天气条件下不同性质下垫面陆—气能量交换特征的分析研究就显得尤为重要。

20世纪70年代初，我国开展第一次“青藏高原气象科学试验”（QXPMEX）以来，许多学者对高原不同性质下垫面的微气象特征进行了研究，得到了一些有意义的结果。章基嘉等（1988）指出，干季青藏高原地面对大气的加热以感热为主，雨季潜热贡献的比例显著增加，感热贡献明显减小，植被覆盖较多的高原东半部的潜热通量贡献率超过50%，雅鲁藏布江流域一带的潜热通量贡献率超过70%。徐祥德等（2001）基于第二次青藏高原科学试验（TIPEX）对开阔干河谷、荒漠沙石裸地、河谷草地三种不同下垫面进行了研究，结果表明：无论干、湿期荒漠沙土石裸地地面热源强度都最大，河谷草地最小。钱泽雨等（2005）利用北麓河自动气象站 5～6月观测资料，分析了北麓河多年冻土区稀疏短草沙壤土下垫面近地层微气象特征，其季风来临前的6月潜热释放比感热输送作用更显著。陈世强等（2008）利用 2005年“绿洲系统能量水分循环观测试验”（JTEX）资料，分析了夏季晴天和阴天西北干旱区金塔绿洲不同下垫面的辐射特征，结果表明，绿洲与沙漠、戈壁的辐射特征有很大差异，而沙漠和戈壁的差异较小，相同天气条件下，不同下垫面向下辐射基本一致，绿洲向上辐射最小，净辐射最大。李英等（2008）对比分析了青藏高原东部与成都平原的边界层微气象特征，得到理塘站向下短波辐射和向上短波辐射都明显强于温江站。涂钢等（2009）对比分析了半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量特征，研究表明，地气通量交换年际间的差异主要受当年气候背景的影响，尤其是降水的影响，同时还受到下垫面植被覆盖的影响。Jiang et al.（2012）对青藏高原东侧成都平原温江站夏季边界层特征的分析表明，当500 hPa低槽向西（东）移动时，向下短波辐射迅速减小（增加），同时云量增加（减小），导致感热和潜热通量减小（增加）。

由此可知，青藏高原地区草甸、草地、农田、戈壁、绿洲以及城市下垫面感热、潜热、动量通量等能量和物质的交换一直是国内外研究的热点，许多学者对此进行了较为详细的观测研究，也得到了一些有益的结论（Pruitt et al.，1973；左洪超和胡隐樵，1992；高会旺等，1998；陶诗言等，1999；马耀明等，2001，2006；李跃清等，2009；Min et al.，2012；Zhang et al.，2012）。但是，对于青藏高原陆面过程，包括陆—气能量交换对天气、气候演变的重要作用，目前认识还不够深入，如对青藏高原复杂地形区陆—气能量平衡过程的观测和研究，高原近地面热力作用对我国降水的影响程度，不同下垫面热力分布对高原上空及周围地区大气环流的影响等等。一方面，是因为观测资料的匮乏，另一方面，是因为高原复杂的地形和下垫面使陆面过程更加复杂。近些年，青藏高原上测站的不断建立使人们有了比较丰富的基础资料，但已有工作主要集中于高原单个站点或不同区域内少数几个站点的研究，只能初步揭示高原地区陆—气能量交换的部分特征，难以进行很好的对比研究。为此，本文将利用针对青藏高原藏东南林芝复杂下垫面的陆—气交换观测试验资料，对比分析不同天气条件下，复杂地形不同区域陆—气能量交换过程的逐日变化和日循环特征，以揭示复杂地形下，不同天气过程对不同下垫面的具体影响。

2 资料与方法

中国科学院大气物理研究所、中国气象局成都高原气象研究所实施了藏东南林芝雅鲁藏布江（下称雅江）河谷地区复杂下垫面的地气交换观测试验。本次观测试验于林芝雅江两侧设立6个站点，数据采集时间为：2013年5月20日至2013年7月9日，由于仪器故障和天气影响等原因，原始数据或多或少存在缺测、间断现象。因此，本文选取其中较完整的四个站点进行分析研究，分别是：西南草地站、南面麦田站、北坡阔叶林站以及西坡阔叶林站，地理位置如图 1。西南草地站（29.449°N，94.691°E；海拔高度2973 m）位于林芝雅江以南，地势平坦，下垫面为草，附近有稀疏灌丛，草本高度约 0.1 m，灌丛高度约 0.9 m；南面麦田站（29.446°N，94.698°E；海拔高度2960 m）位于田垄上，地势平坦，下垫面田地中为小麦，田垄上为草，试验初期小麦高0.5 m，后期高0.9 m；北坡阔叶林站（29.468°N，94.701°E；海拔高度3164 m）位于雅江以北山的阳坡上，地势较陡，下垫面为阔叶林，附近有灌丛和草；西坡阔叶林站（29.450°N，94.686°E；海拔高度3017 m）位于东北走向山的阴坡上，地势较陡，下垫面为阔叶林，附近有灌丛和草。其中，北坡阔叶林站位于雅江以北，其余3站位于雅江以南。

藏东南林芝观测区近地层的观测包括：（1）自动气象站（AWS），观测要素为气温、气压、相对湿度（RH）、水平风向风速、太阳总辐射、地表土壤温度以及雨量；（2）涡动相关系统（EC），包括一层三维超声风温仪（用于测量三维的脉动风速和超声虚温）、红外气体分析仪（用于测量CO2、H2O密度，采样频率均为10 Hz）；（3）两层常规气象要素观测，在EC系统上下高度内分别进行常规气象观测，观测要素为气温、气压、RH、水平风速；（4）分量辐射。整个观测区的EC资料采用CR3000数据采集器（美国Campbell公司生产）进行采样。

对于涡动相关系统观测数据，需要进行有效的质量控制（张烺等，2010），目前，应用较多的湍流资料质量控制软件有英国爱丁堡大学推出的EdiRe、德国拜罗伊特大学开发的 TK2/TK3，美国Li-COR公司开发的EddyPro等。EddyPro软件为开源软件，有利于用户检查数据处理程序，改善通量计算结果，在涡动数据处理过程的各修正方法中加入了多种可选性，且具有丰富的帮助文件，界面友好，因此受到广泛的应用。本文使用Li-COR公司开发的EddyPro软件（V5.1.1）对涡动相关系统观测数据进行质量控制。首先，对原始湍流数据进行预处理，包括传感器标志异常检验、去野点、信号阈值检验及粘滞数据检验等，然后使用涡动相关法对湍流原始数据进行计算，涡动相关法是通过计算风速脉动与某标量脉动的协方差，直接计算得到某一时段的通量的方法，由于其计算简单，不是建立在经验公式的基础上，计算精度较高，日趋成为计算湍流通量的首选方法，其计算公式为

其中，r为空气密度，pc为干空气定压比热，vL为汽化潜热，T'、q'、u'、v'、w'为脉动量，u*为摩擦速度。在通量计算之前，需要进行必要的修正，主要包括倾斜修正（二次坐标旋转或平面拟合）、频率响应修正、感热的超声虚温订正及密度修正（WPL），修正后通过计算即得到各通量值。在通量的计算过程中，取平均时间长度为30 min，每30 min之内缺测次数大于10%时，即视为该时刻缺测。对于本文分析的四个站点，除5月20日西侧阴坡阔叶林站缺测外，其余站点数据均较完整。

此外，本文还使用了ERA-interim 6小时一次、水平分辨率为 1.0°×1.0°的风场再分析资料和TRMM-3B42水平分辨率为 0.25°×0.25°的逐日累积降水资料。

3 结果分析

3.1 近地层能量通量的逐日变化

图2给出了林芝观测区2013年5月20日至7 月9日51天四个试验站点感热、潜热和向下短波辐射通量的逐日变化。从图可看出，感热通量的逐日变化过程与向下短波辐射通量相似，在观测期间都表现出明显的“高—低—高—低”阶段性变化特征，潜热通量相对变化不明显，这与观测区云、雨等天气影响有关。对应观测区逐日累积降水变化（图3），观测点（以南面麦田站的降水为代表）的具体降雨日和日降雨量为：5月22～24日、29～31 日6天（相应雨量4.1、7.7、3.7、1.4、2.5、0.8 mm），6月1～8日、11日、16～18日、24～30日19天（相应雨量 6.1、11.8、1.1、0.5、0.2、0.1、0.3、8.2、0.2、0.2、0.1、0.8、1.2、15.8、19.6、12.2、1.1、0.1、1.5 mm），7月1日、4～6日、9日5天（相应雨量0.7、2.4、1.2、0.3、0.1 mm），51天观测期，降雨日就有 30天，多为小雨天气。对比向下短波辐射通量（图2c）和降水（图3）的逐日变化可看出，阴雨天向下短波辐射迅速减少，晴天则增加。而且，进一步对比向下短波辐射通量与地表热通量的逐日变化（图2），不同地形不同下垫面的感热和潜热通量逐日变化与向下短波辐射相似，说明向下短波辐射是影响地表感热和潜热通量变化的重要因素：当天气晴好，向下短波辐射强时，地表感热和潜热通量均较大；反之亦然。

由于试验站点分布在雅鲁藏布江两侧，相距较近，影响太阳辐射的纬度等因子没有太大的差别，同时，在试验区周边范围内影响向下短波辐射的气象环境差异较小。因此，从图2可看到，在试验期间，各观测站向下短波辐射通量的逐日变化曲线基本重合，而不同站点感热和潜热通量变化的差异却较大。就日平均而言，感热通量北坡阔叶林站最大可达80.51 W m−2，西坡阔叶林站和西南草地站次之，分别为35.33 W m−2、33.28 W m−2，南面麦田站最小约15.32 W m−2；潜热通量南面麦田站最大为88.27 W m−2，其次为北坡阔叶林站、西南草地站、西坡阔叶林站，分别是85.56 W m−2、68.53 W m−2、64.09 W m−2，这主要是地形差异和不同性质下垫面影响的结果，而纬度因子、天气状况对观测区内四个站点的影响是一致的。对于北坡阔叶林站的感热通量明显大于其他站点，首先对比北坡阔叶林站和西坡阔叶林站，虽然它们接收的向下短波辐射相同，且下垫面性质相似（阔叶林，附近有稀疏灌丛和草），但北坡阔叶林站感热通量远大于西坡阔叶林站，造成这种差异的主要原因是：北坡阔叶林站和西坡阔叶林站所处的地形位置不同，北坡阔叶林站位于雅鲁藏布江以北山的阳坡上，而西坡阔叶林站位于东北走向山的阴坡上。其次，对比北坡阔叶林站和西南草地、南面麦田站，它们接收的向下短波辐射相同，但西南草地、南面麦田站下垫面都较平坦，且下垫面性质不同，因此它们的感热通量差异较大。从图2还可看出，南面麦田站的潜热通量远大于感热通量，这是因为麦田站下垫面完全被植被覆盖，植株的蒸腾作用会带走大量的水汽，使得麦田上方的水汽浓度发生变化，体现为潜热通量大大增强。由此说明，近地层能量交换不仅受下垫面性质的影响，而且地形也起着重要的作用。对比四个站点，晴天北坡阔叶林站以感热通量输送为主，阴雨天以潜热通量输送为主；其余三个站点无论晴天还是阴雨天，普遍是潜热通量输送占主导作用，这主要是因为夏季是降水集中期，而且此时也是植被生长的旺盛期，这与藏北高原地区（马耀明等，2000）和青藏高原东坡理塘地区（李英等，2009；赵兴炳和李跃清，2011）夏季潜热输送占主导地位一致。

同时，发现各试验站感热、潜热通量（图2a、b）的逐日变化在数值上虽然存在一定的差异，但其随向下短波辐射表现出几乎一致的变化趋势。以2013年6月24～27日一次连续的降水过程为例，6月24日开始出现降水，向下短波辐射迅速减弱，各站感热和潜热通量随之减小；6月27日降水量减小，向下短波辐射略有增强，各站感热和潜热通量一致增大；之后，各站的感热和潜热通量出现同步变化特征，潜热通量变化稍大。这种相同的变化说明，无论是晴天还是阴雨天，向下短波辐射对不同物理性质下垫面的能量交换所起的作用是相同的。

图 4给出了各观测站基本气象要素的逐日变化，四站点各气象要素表现出相同的变化趋势。温度的逐日变化整体呈现出递增的趋势，各站点之间的差异较小，当各站点温度相对降低时，对比感热通量（图2a）相对减小，此时也对应降水偏多期。各站点气压在观测期间的变化较小，北坡阔叶林站由于海拔稍高于其他站点，因此气压比其他站点略低。各站点水平风速的逐日变化与感热和向下短波辐射（图2a、c）相似，呈现出“高—低—高—低”的变化趋势，各站点之间的差异较大。相对湿度的逐日变化与降水相对应，当降水偏多时，相对湿度增大；反之亦然，南面麦田站相对湿度大于其他站点，其余三站差异较小。

图1 观测站点地理位置Fig. 1 The geographical locations of observational sites

图2 2013年5月20日至7月9日各观测站地表感热、潜热和向下短波辐射通量的逐日变化（单位：W m−2）Fig. 2 Daily variations of surface sensible and latent heat fluxes and downward shortwave radiation fluxes at the observational sites from May 20th to July 9th 2013 (units: W m−2)

图3 2013年5月20日至7月9日林芝观测区逐日累积降水量（单位：mm）Fig. 3 Daily cumulated rainfall (units: mm) over observational area of Linzhi from May 20th to July 9th 2013

3.2 近地层能量通量的日循环

图5给出了2013年5月20日至7月9日四个试验站点感热、潜热通量及净辐射的平均日变化。从图5可看出，感热、潜热通量和净辐射都有明显的日变化规律，日变化幅度大，白天远远大于夜间。净辐射在夜间为负值，白天日出后，由于向下短波辐射的快速增加，净辐射开始由负值转为正值，在午后 14:00（北京时，下同）达到最大值。不同站点由于下垫面地表反照率的不同，净辐射的日变化有所差异，对于同一地区内几个不同的试验点，太阳高度角等的差异可以忽略，地表反照率主要取决于地表特性。草地、麦田、阔叶林等截然不同的下垫面导致了地表反照率的不同，各试验站点地表反照率日平均值从大到小依次为：南面麦田站（0.16），西坡阔叶林站（0.14），西南草地站（0.13），北坡阔叶林站（0.09）。北坡阔叶林站的净辐射日变化振幅略大于其他站点，为596.09 W m−2；西南草地站日变化振幅最小，为463.51 W m−2。净辐射日变化的最小值出现在20:30左右，随后开始缓慢地增加。这是因为在20:30，地表没有向下短波辐射的补给，并且此时地面温度仍较高，向上长波辐射较大，导致20:30净辐射最小。20:30以后，随着地表冷却，向上长波辐射减小，所以净辐射有微弱的增加。这说明辐射平衡在白天以向下短波辐射为主，而在夜间以地表向上长波辐射为主。

图5 2013年5月20日至7月9日各观测站地表感热、潜热及净辐射通量平均日变化（单位：W m−2）Fig. 5 Diurnal variations of surface sensible and latent heat fluxes and net radiation flux at the observational sites averaged over the period of May 20th to July 9th 2013 (units: W m−2)

从图5还可看到，感热、潜热通量与净辐射有相似的日变化过程。白天日出后感热通量随着向下短波辐射的增加而逐渐增加，直至午后 14:30，此时一般是一天中温度最高的时段，大气层结最不稳定，感热通量达到日变化的最大值，之后逐渐减少，夜间保持在一个很小的负值。白天，观测区不同试验站点感热通量的日变化差异较大，北坡阔叶林站感热通量日变化峰值远远大于其他站点，为319.23 W m−2；南面麦田站最小仅76.46 W m−2。这种差异主要是由不同性质下垫面造成的，与不同试验站所处的地形影响辐射和地表植被覆盖有关。潜热通量的日变化全天均为正值，其变化规律与感热通量一致，在午后14:30达到日变化的最大值，之后逐渐减小，夜间潜热通量几乎保持一个较小的正值。不同试验站潜热通量的日变化差异不如感热通量明显，潜热通量日变化峰值最大的是南面麦田站，为281.79 W m−2；日变化峰值最小的是西坡阔叶林站，为182.45 W m−2。整体上，除北坡阔叶林站外，其他站点潜热通量全天均大于感热通量。感热通量与潜热通量平均日变化的这种差异进一步说明了不同局地地形对近地层能量输送的重要影响。虽然大尺度上，青藏高原地区近地层能量输送以感热为主，尤其是西部，但是进入雨季后，潜热输送显著增加，且东部更为明显（章基嘉等，1988），但在复杂地形下，感热通量与潜热通量两者的相对重要性具有明显的区域尺度差异。

图6给出了观测期不同天气条件下各试验站点净辐射的平均日变化。根据试验期的天气状况，可把观测期分为四个阶段（下同）：5月20日至5月28日为第一阶段；5月29日至6月8日为第二阶段；6月9日至6月21日为第三阶段；6月22日至7月9日为第四阶段，其中一、三阶段（图6a、c）多晴好天气；二、四阶段（图6b、d）多阴雨天气。从图6可看出，净辐射强度随着天气变化的波动比较明显。无论白天还是夜间，晴天净辐射强度的绝对值都较大，而阴雨天净辐射的绝对值明显减少。无论晴天还是阴雨天，各试验站点均在午后14:00～14:30时达到净辐射日变化峰值，晴天，各试验站净辐射日变化峰值最大可达692.05 W m−2；阴雨天，各试验站净辐射日变化峰值最大为523.39 W m−2。这种变化可能是云的影响，白天，有云时能减少向下短波辐射；夜间，云能增加向下长波辐射，因而补偿了部分地表向上长波辐射损失的能量。这样，有云时会使净辐射的日变化振幅大大减小。

图6 2013年5月20日至7月9日各观测站四阶段净辐射平均日变化（单位：W m−2）：（a）第一阶段5月20～28日；（b）第二阶段5月29日至6 月8日；（c）第三阶段6月9～21日；（d）第四阶段6月22日至7月9日Fig. 6 Average diurnal variations of net radiation flux over the four different periods at the observational sites from May 20th to July 9th 2013 (unit: W m−2): (a) First period: 20–28 May; (b) second period: 29 May to 8 Jun; (c) third period: 9–21 Jun, (d) fourth period: 22 Jun to 9 Jul

从图6还可看出，即使在相同的天气条件下，不同下垫面净辐射的平均日变化也有所差异，夜间，各站差异较小，白天日出后，各站的差异逐渐增大，这种差异晴天大于阴雨天。为了说明这种差异，并对不同天气条件下净辐射的日变化进行对比分析，这里，定义一个偏差指数P。选取各站上述四个阶段11:00～18:00时的数据，分别计算出每个阶段连续 7小时同一时刻四个站点净辐射的标准差，然后，再计算出每个阶段连续7小时四个站点净辐射标准差的平均值，这就是各个阶段净辐射的偏差指数P（单位：W m−2）。晴天一、三阶段偏差指数分别为 61.76、72.49；阴雨天二、四阶段偏差指数分别为 29.10、38.53，表明晴天（阴雨天）净辐射日变化大（小）。进一步对比不同天气条件下，各站点净辐射差异的相对比例值，同样选取各站四个阶段11:00～18:00时的数据，分别计算出每个阶段所有站点在该时段的净辐射通量平均值，然后，分别计算出四个阶段各个站点距平与平均值的比例，由此衡量不同天气条件下，各站净辐射通量差异的大小。通过计算发现，不同天气条件下，这种比例的差异不大，每个阶段各站比例的平均值分别为9.29%、8.13%、9.63%、8.59%。这说明在不同天气条件下，不同下垫面各站的净辐射差异比例基本不受天气的影响。

此外，净辐射日变化在午后14:00左右有明显的“凹”型变化（图6d），这主要是受降水的影响。6月26日14:30～15:00有一次明显的降水过程，导致向下短波辐射减少，因而净辐射也明显减少。分析辐射四分量的逐日变化，各阶段净辐射日变化主要受向下短波辐射的影响，其变化趋势与向下短波辐射一致。

图7、图8分别为不同天气条件下，观测区各试验站点感热和潜热通量的平均日变化。从图7、图8可看出，感热通量和潜热通量的平均日变化趋势与净辐射相似，但由于感热通量和潜热通量的变化还受下垫面、环流等复杂环境的影响，即使在晴天，它们的变化也不如净辐射那样简单平滑。对比四个阶段感热通量的平均日变化（图7），晴天各试验站感热通量的振幅几乎是阴雨天的2倍，在相同的天气条件下，不同下垫面的感热通量日变化也有很大的差异。与前面的结果一致，北坡阔叶林站在四个阶段其感热通量均为最大，晴天，该站的感热通量日变化峰值可达460.09 W m−2（第三阶段），而阴雨天仅为235.35 W m−2（第四阶段）；南面麦田站感热通量的日变化值最小，晴天，该站的感热通量日变化峰值最大为116.84 W m−2（第三阶段），而阴雨天为79.68 W m−2（第四阶段）。需要强调的是，不同天气条件相关的感热通量差异，北坡阔叶林站晴天约为阴雨天的2倍，南面麦田站约为1.5倍，但不同地形相关的感热通量差异，地形较陡阳坡的北坡阔叶林站晴天（阴雨天）约为地势平坦的南面麦田站的4倍（3倍），说明青藏高原复杂地形环境对于感热通量的影响大于天气条件的影响。

不同天气条件下感热通量的日循环变化（图7）与净辐射相似，晴天，观测区各试验站感热通量变化差异较阴雨天明显。晴天各试验站平均一、三阶段偏差指数分别为 122.99、121.98；而阴雨天二、四阶段偏差指数分别为 42.47、52.33。同样，各站一、二、三阶段比例差异较小，每阶段各站比例平均值约为35%，而第四阶段约为13%，这种差异应该是受降水的影响，第四阶段是降水量最大的阶段，除北坡阔叶林站以外，其他各站感热通量差异减小。从图7还可看出，各站感热通量日变化峰值出现的时间差异也很大，南面麦田站和西坡阔叶林站在中午12:00达到日变化峰值，而西南草地站和北坡阔叶林站在午后14:30达到峰值；阴雨天，各站均在午后14:30达到峰值，与净辐射相似，在第四阶段14:00出现“凹”型点。

从图8进一步可知，潜热通量的日变化波动较大，其受天气状况的影响也很大，但各阶段潜热通量的变化并没有感热通量那么明显。阴雨天，虽然地表土壤很湿润，有充足的水汽源可供地面潜热蒸发，但阴雨天太阳对地面的辐射加热作用很弱，近地层所具有的蒸发力相对也很小（张强，1995）。所以，阴雨天实际上造成的潜热蒸发量仍然很小，与一般的晴天没有太大差别。并且，晴天南面麦田站的潜热通量在白天远远大于其他站点，其峰值达到了359.48 W m−2，这是因为其下垫面完全被小麦和草覆盖，夏季此时段正是植被生长的时期，麦田的潜热蒸发大大加强，阴雨天地表加热作用的减小抑制了蒸发力，麦田站的潜热通量明显减小。另外，在阴雨天气（图 8 b、d），南面麦田站、西坡阔叶林站、西南草地站的潜热通量变化基本一致，但北坡阔叶林站的潜热通量有所不同，明显大于其他3站，由于北坡阔叶林站位于河谷北面阳坡上，而其他3站位于河谷南部，这说明在阴雨天，不同地形对于潜热通量有明显的影响。

3.3 青藏高原林芝地区环流特征

图9给出了2013年5月20日至7月9日青藏高原及其邻近地区 850 hPa平均风场和降水分布。从平均风场可看出，随着5月印度夏季风开始爆发，孟加拉湾地区被西风控制，由于山脉的阻挡作用，在孟加拉湾中部西风逐渐转为偏南风，有一低槽稳定建立（以下简称孟加拉湾槽），存在闭合低压，槽前的西南气流将水汽向北输送，从而影响青藏高原南部、东南部以及我国华南、西南地区。观测区受南亚季风活动的影响，在一、三阶段，槽前的西南气流较弱，青藏高原南侧风速较小且不稳定，甚至还有弱的偏东风和偏北风；与此对比，二、四阶段青藏高原南侧维持一致的偏南气流，且风速明显增强，给高原带来更丰富的水汽，有利于降水的形成。进一步对比地表热通量和向下短波辐射的逐日变化（图2），当有云或降水天气时（二、四阶段），地表向下的短波辐射弱，感热和潜热通量均减小；反之亦然。从降水分布看，孟加拉湾槽前的西南气流加强，输送到我国的水汽增多，降水范围逐渐扩大。

图7 同图6，但为感热通量（单位：W m−2）Fig. 7 Same as Fig. 6, but for sensible heat flux (units: W m−2)

图8 同图6，但为潜热通量（单位：W m−2）Fig. 8 Same as Fig. 6, but for latent heat flux (units: W m−2)

图9 2013年5月20至7月9日850 hPa青藏高原林芝及其周边地区四个阶段的平均风场和降水量（图中黑色圆点代表林芝观测区所在位置）Fig. 9 850 hPa average wind and rainfall over Linzhi and its surrounding areas in the Tibetan Plateau over the four periods from May 20th to July 9th 2013 (black dot indicates Linzhi station)

图10 2013年5月20日至7月9日700 hPa青藏高原林芝及其周边地区四个阶段的平均风场和降水量（图中黑色圆点代表林芝观测区所在位置）Fig. 10 Same as Fig.9, but for 700 hPa

图11 2013年5月20日至7月9日500 hPa青藏高原林芝及其周边地区四个阶段的平均风场（单位：m s−1）和位势高度场（单位：dagpm）（图中黑色圆点代表林芝观测区所在位置）Fig. 11 500 hPa average wind (units: m s−1) and geopotential height (units: dagpm) fields over Linzhi and its surrounding areas during the four different periods in the Tibetan Plateau from May 20th to July 9th 2013 (black dot indicates Linzhi station)

从700 hPa环流场（图10）可看出，由于受高原地形的影响，气旋性环流前的偏南气流在将水汽向北输送的过程中，在高原南侧边缘产生绕流，引发降水。与850 hPa相似，在第一阶段和第三阶段，高原南侧的偏南气流较弱，同时伴有弱的偏东风和偏北风。因此，这期间能够到达观测区站点附近的水汽较少，不易形成降水，各站点天气较晴朗，向下短波辐射强，感热和潜热通量较大；在第二和第四阶段，孟加拉湾北部的偏南气流较强，将孟加拉湾的水汽源源不断的向高原输送，有利于形成降水，导致太阳向下短波辐射变弱，地表感热和潜热通量均减小。

图 11为试验期间青藏高原林芝及其周边地区500 hPa平均环流场。从图可看出，第一阶段，高原主体盛行西风气流，在孟加拉湾上空为深厚的槽，孟加拉湾北部存在一个弱的闭合低压，高原南侧的弱东风和北风气流减弱了水汽向林芝地区的输送，因此，该阶段试验观测区天气晴好；第二阶段，高原上西风气流减弱使得高原南侧的南风能把孟加拉湾的水汽输送到我国青藏高原地区，在林芝站上空，充足的水汽输送易成云致雨；第三阶段，林芝地区整体风速减小，孟加拉湾北部的偏南风转变为偏东风，高原东南部有弱的东北气流，此时，林芝站位于脊前，天气晴好，向下短波辐射强，地表感热和潜热通量增大；第四阶段，在印度和孟加拉湾上空存在一个稳定的闭合低压，低压前的西南气流将来自阿拉伯海和孟加拉湾的水汽输送到林芝站附近，因此，导致这期间一次明显的降水过程。

4 结论与讨论

本文利用2013年5月20日至7月9日高原林芝地区四个站点30 min间隔的近地层观测资料，分析了近地层地气能量交换的逐日变化和日循环特征，得到的主要结论如下：

（1）高原东南部林芝观测区，大气感热、潜热通量及向下短波辐射的逐日变化受天气状况的影响，在观测期间表现出明显的高、低、高、低变化特征。不同下垫面的向下短波辐射基本一致，受不同地形的影响，地形较陡的北坡阔叶林站感热通量平均值远远大于其他3个站点；下垫面植被覆盖最多的南面麦田站潜热通量最大，地形较陡的北坡阔叶林站稍次之。

（2）观测区各站点的向下短波辐射对地—气能量交换有主导作用，各站点感热、潜热通量的逐日变化趋势与向下短波辐射一致。

（3）观测区各站点的能量通量表现出明显的日变化特征。试验期间，四阶段感热、潜热通量与净辐射的日变化趋势相似，其受天气状况的影响都很大。晴天，各站点的感热通量及净辐射通量明显大于阴雨天，而潜热通量随天气状况的变化相对较小，且日变化不如感热和净辐射规则。

（4）无论晴天还是阴雨天，观测区四个站点的净辐射和感热通量平均日变化差异较大。但随天气状况，各站点的差异比例变化不大，而潜热通量的平均日变化没有这种特征。不同地形环境下，观测区四个站点之间相同天气条件的感热通量差异明显大于四个站点各自不同天气条件（晴天与阴雨天）下的感热通量差异，因此，青藏高原复杂地形环境比不同天气条件对于感热通量的影响更显著。

（5）晴天时，观测区南面麦田站的潜热通量在白天远远大于其他站点，这与下垫面有密切关系；阴雨天气时，观测区南面麦田站、西坡阔叶林站、西南草地站的潜热通量变化基本一致，但是，北坡阔叶林站的潜热通量变化明显不同，并大于前述3站，说明阴雨天时，不同地形对于潜热通量有明显的影响。

（6）观测期间，青藏高原及其邻近地区环流特征表明：当藏东南500 hPa盛行偏南气流，且风速明显增强时，观测区林芝多阴雨天气，到达地表的太阳短波辐射减少，使地表感热和潜热通量减小；当林芝南侧偏南气流减弱并伴随东风和北风，且风速减弱时，观测区林芝多为晴好天气，到达地表的太阳短波辐射增多，使地表感热和潜热通量增大。

本次试验开展的时间较短，观测样本容量较小，相关结论存在一定的局限性，需应用更长时间的资料进行验证。基于本文对青藏高原典型区域不同地形区陆—气能量交换过程的初步认识，充分反映出下垫面、地形对陆—气能量交换过程的重要性。在陆面模式中应考虑地形坡度对模拟效果的影响，建立青藏高原地表植被参数动态数据集，使地表水热特性更接近实际，进而提高模式的模拟能力。由于高原的特殊性及复杂的下垫面状况，不同地区的陆—气能量交换特征也有很大差异，在以后的工作中应尽可能选取更多的试验区进行分析，不同地区的具体影响有待进一步研究。

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资助项目 国家自然科学基金项目91337215、91337107，公益性行业（气象）科研专项GYHY201406001、GYHY201206041、GYHY201006053，四川省气象局高原气象观测与应用创新团队

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 91337215, 91337107), Special Scientific Research Foundation of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grants GYHY201406001, GYHY201206041, GYHY201006053), the Plateau Meteorological Observation and Application Innovation Team of Sichuan Meteorological Bureau

文章编号1006-9895(2016)04-0777-15 中图分类号 P404

文献标志码A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15197

收稿日期2015-05-14；网络预出版日期 2015-09-14

作者简介李娟，女，1990年出生，硕士研究生，主要从事高原边界层、陆面过程研究。E-mail: lijuan1990love@163.com

通讯作者李跃清，E-mail: yueqingli@163.com

Characteristics of Land–Atmosphere Energy Exchanges over Complex Terrain Area of Southeastern Tibetan Plateau under Different Synoptic Conditions

LI Juan1, 2, LI Yueqing2, JIANG Xingwen2, and GAO Duming2
1 College of Atmospheric Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
2 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration, Chengdu/Heavy Rain and Drought–Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 6l0072

AbstractThe geographical environment of the Tibetan Plateau is complex. Previous studies of land surface–boundary layer processes mainly focused on different underlying surfaces without complex topography. The characteristics of land–atmosphere exchanges of energy on different underlying surfaces over complex terrain area of the Tibetan Plateau under different synoptic conditions are analyzed in the present study based on observations collected at four ground sitesduring May 20th to July 9th 2013 over Linzhi. Results indicate that in the case when the downward shortwave radiation is roughly the same at all the sites, sensible heat flux at the northern slope site, which is covered by broad-leaved forest and characterized by steep terrain, is greater than that at the other three sites; latent heat flux at the southern site, which is covered by wheat and thus with large vegetation fraction, is the largest among the four sites. Energy fluxes show obvious diurnal variation at each individual site. In sunny days, sensible heat flux and net radiation are significantly greater than that in rainy days. However, latent heat flux has little changes under different weather conditions. The influence of complex terrain of the Tibetan Plateau on sensible heat flux is more significant than that of different synoptic conditions. Different topographies have significant impacts on latent heat flux on rainy days. When the warm moist southwesterly flow in front of the South Asia monsoon trough affects Linzhi, the weather will be dominated by cloudy and rainy days. Otherwise sunny days are prevalent in this region. Apparently the variation of monthly land–atmosphere fluxes over Linzhi area is modulated by the South Asia monsoon activities.

KeywordsTibetan Plateau, Complex terrain area, Different synoptic conditions, Land–atmosphere energy exchanges, Underlying surface