周德剛中國科學院大氣物理研究所季風系統(tǒng)研究中心，北京100190

關(guān)于用臺站資料估算西北干旱區(qū)夏季感熱通量的熱力參數(shù)化比較

周德剛
中國科學院大氣物理研究所季風系統(tǒng)研究中心，北京100190

周德剛. 2016. 關(guān)于用臺站資料估算西北干旱區(qū)夏季感熱通量的熱力參數(shù)化比較 [J]. 大氣科學, 40 (2): 411–422.Zhou Degang. 2016. Testing of surface flux parameterizations for estimating summer sensible heat flux over the arid region of Northwest China from China Meteorological Administration data [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 411–422, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1502.15108.

氣象臺站觀測的氣象要素可能受城市化等因子的影響而與野外試驗站的觀測存在一定的差異，這影響野外試驗獲取的熱力參數(shù)直接應(yīng)用于西北干旱區(qū)臺站感熱通量的估算。本文選取了一些常用的熱力參數(shù)化方案（包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案），通過敦煌站夏季估算的感熱通量與野外觀測的比較以及對整個西北

干旱區(qū)夏季感熱通量的估算，評價了這些熱力參數(shù)化對動量粗糙度的敏感性和在西北干旱區(qū)的適用性。結(jié)果顯示，熱力輸送系數(shù)取定值的方案計算西北干旱區(qū)的感熱通量可能存在較大不確定；臺站的動量粗糙度可能受城市化等因子的影響，但在感熱通量計算時建議取臺站下墊面的動量粗糙度；Y08方案估算的感熱通量相對比較合理，可以用來研究西北干旱區(qū)的夏季地表感熱輸送特征。

感熱通量熱力參數(shù)化西北干旱區(qū)

1　引言

我國西北干旱區(qū)一般指我國107°E以西，35°N以北的區(qū)域。由于地處大陸腹地，亞洲夏季風很難到達此區(qū)域，年降水量大多在200 mm以下。這致使該地區(qū)大部分為戈壁和沙漠，或是稀疏植被，是典型的干旱區(qū)。許多研究（如：布和朝魯?shù)龋?002；周連童，2010）指出，此區(qū)域春夏季的感熱通量在整個歐亞大陸是一個高值區(qū)。此區(qū)域的高感熱通量輸送不僅有助于形成局地的深厚對流邊界層（Zhang et al., 2011），還能夠影響局地天氣氣候以及東亞地區(qū)特別是華北地區(qū)的氣候異常（周連童和黃榮輝，2008；張強等，2011；黃榮輝等，2013）。

由于在我國西北地區(qū)缺乏實測的感熱通量氣候資料，對此區(qū)域感熱通量變化的研究主要依賴于再分析資料或者根據(jù)氣象臺站資料估算的感熱通量（如：布和朝魯?shù)龋?002；Zhou and Huang, 2010）。然而，不同的再分析資料給出的西北干旱區(qū)感熱通量存在著較大的差異，一個重要原因是不同的同化系統(tǒng)或模式中使用不同的熱力參數(shù)化方案計算感熱通量，而這些熱力參數(shù)化方案或某些參數(shù)設(shè)置不一定適用于西北干旱區(qū)。根據(jù)氣象臺站資料對感熱通量估算時，一般參考野外觀測試驗獲得的熱力參數(shù)特征，也有研究根據(jù)野外觀測統(tǒng)計的熱力輸送系數(shù)計算氣象臺站的感熱通量（如：Zhou and Huang, 2010），但是，野外觀測試驗獲得的熱力參數(shù)特征應(yīng)用于西北干旱區(qū)氣象臺站的感熱通量估算時也需要注意其適用性。這些陸面模式中常用的參數(shù)化方案以及觀測試驗獲取的單站熱力輸送參數(shù)，他們對西北干旱區(qū)陸—氣相互作用的模擬能力如何？目前這方面的評價還不多。

自20世紀80年代末以來在我國西北干旱區(qū)相繼開展了一系列的野外觀測試驗，如“黑河地區(qū)地—氣相互作用野外觀測試驗研究（HEIFE）”，“中國西北干旱區(qū)陸—氣相互作用觀測試驗（NWC–ALIEX）”等，在西北干旱區(qū)的感熱輸送、地表參數(shù)特征等的認識上取得了許多非常有意義的研究成果，并用于陸面過程模式的驗證和改進（胡隱樵等，1994；賈立等，2000；Zhang et al., 2002a；朱德琴等，2006；Zhou and Huang, 2011；黃榮輝等，2013）。這些觀測試驗對西北干旱區(qū)感熱輸送特征的認識基本上是在“點”上的認識。一方面，在西北干旱區(qū)戈壁、沙漠和綠洲等下墊面的野外觀測與臨近的臺站觀測存在著一定的差異（王慧和李棟梁，2010），因為后者可能受到綠洲、城市化和觀測環(huán)境變化等因子的影響（劉學鋒等，2012）。另一方面，野外單站觀測的粗糙特征也不同于再分析同化系統(tǒng)或氣候模式中格點尺度的特征。這將影響野外試驗獲取的熱力參數(shù)在西北干旱區(qū)感熱通量計算中的直接應(yīng)用。為此，本文以臺站資料計算西北干旱區(qū)夏季感熱通量為例，參照了西北干旱區(qū)野外試驗觀測的感熱通量和熱力參數(shù)特征，探討目前一些常用的熱力參數(shù)化對感熱通量估算的敏感性和在西北干旱區(qū)的適用性。

2　數(shù)據(jù)和方法

2.1觀測數(shù)據(jù)

選取了“中國西北干旱區(qū)陸—氣相互作用觀測試驗（NWC–ALIEX）”在敦煌雙墩子戈壁站2004～2009年的觀測。敦煌雙墩子戈壁站（簡稱戈壁站，40°10'N，94°31'E，海拔1150 m）地處敦煌市綠洲西部的雙墩子戈壁灘，測站周圍是平坦的沙石戈壁，距離東部最近的綠洲7 km。敦煌戈壁站目前已經(jīng)擁有10多年的觀測數(shù)據(jù)，這里選取了2008年8月份加強期的超聲觀測以及2004～2009年的常規(guī)觀測。超聲觀測儀器包括CSAT3（Campbell）三維超聲風溫儀和KH20（Campbell）水汽分析儀，觀測頻率10 Hz，距離地面3.0 m高。選取2008年8 月8～13日典型晴天的超聲觀測數(shù)據(jù)，在質(zhì)量控制和質(zhì)量評價下獲得了該下墊面的能量通量數(shù)據(jù)，具體可參見周德剛等（2012）。常規(guī)觀測數(shù)據(jù)選取每半小時觀測一次的8 m風速、2 m氣溫、地表溫度和氣壓等變量。

根據(jù)我國740臺站氣象資料，選取位于我國西北干旱區(qū)且在1960～2010年夏季有較完整觀測紀錄的氣象資料，一共有57個氣象臺站，他們的分布見圖1。所用氣象變量包括每日四次的2 m氣溫、10 m風速、地表溫度和氣壓。為了便于同敦煌戈壁站的常規(guī)觀測進行比較，還選取了敦煌氣象站2004～2009年每小時觀測的2 m氣溫、10 m風速、地表溫度和氣壓資料。

圖1　文中選取的我國西北（NWC）干旱區(qū)氣象臺站的分布，等值線表示夏季平均降水量（單位：mm）Fig. 1　Distribution of the chosen China Meteorological Administration (CMA) stations over the arid region of Northwest China (NWC), isolines display the summer average rainfall amount (units: mm)

2.2感熱通量的估算

感熱通量H可以由地表風速U、氣溫aq和地表溫度sq計算得到：

根據(jù)公式（1）計算感熱通量時，一般風速、地表溫度和氣溫為幾十分鐘至小時尺度的觀測平均，并需要滿足準定常條件。一般而言，風速、地表溫度和氣溫存在日變化，Ch隨著z和z0h等的變化也存在著日變化。有時為計算簡便，取Ch為定值，如Zhang et al.（2002a）在敦煌戈壁站取= 2.10× 10-3，這里簡稱為Z02方案，Zhou and Huang（2010）根據(jù)臺站資料計算西北干旱區(qū)的感熱通量時取= 3.02× 10-3，這里簡稱為Z10方案。如果用式（2）確定Ch，則z0m和z0h是影響Ch的兩個重要特征量，z0h有時也用附加阻尼=)替代。針對z0h或，已經(jīng)發(fā)展出了許多熱力參數(shù)化，廣泛用于陸面過程模式中。表1給出了一些陸面過程模式中常用的熱力參數(shù)化。其中，B82方案（Brutsaert, 1982）能夠描述附加阻尼的平均大?。╒erhoef et al., 1997）；Z98方案（Zeng and Dickinson, 1998）用于CLM 4.0模式中 (Oleson et al., 2010)，可以認為是對Noah模式中熱力參數(shù)化方案（Zilitinkevich, 1995）的升級，后者用于NCEP/NCAR和NCEP/DOE產(chǎn)品中；Z12方案（Zeng et al., 2012）是對Z98方案的進一步升級，改善了對干旱區(qū)裸土的模擬；Y08方案（Yang et al., 2008）能夠較好地適用于高原和干旱區(qū)的裸土或稀疏植被（Chen et al., 2010）。另外，對裸土有時也簡單取的簡化方案（如：van den Hurk et al., 2000），這里簡稱為S方案。

為了比較兩站估算的感熱通量（A與B）的差異，引入平均偏差BM、平均絕對值偏差BMAD和均方根偏差BRMSD，他們分別計算如下：

其中，N為樣本總數(shù)。

表1　陸面模式中一些常用的熱力參數(shù)化方案Table 1　Flux parameterization schemes broadly used in land surface models

3　熱力參數(shù)化在單站的評價

沙漠、戈壁和稀疏植被是西北干旱區(qū)的主要下墊面，氣象臺站的下墊面基本與臺站所在區(qū)域代表性下墊面相一致，觀測具有一定的代表性。其中，一些氣象臺站附近還有野外觀測站點，野外觀測站點不受城市化和綠洲化的影響，可以作為氣象臺站觀測的一個參照。這里先從附近有野外觀測站的單個氣象臺站來評價熱力參數(shù)化的適用性。單個氣象臺站選取為敦煌站，該站多年平均降水量為38.3 mm，即所在區(qū)域是非常干旱的，在干旱區(qū)有很好的代表性。野外觀測站選用敦煌戈壁站，用該戈壁下墊面觀測的感熱通量作為參照，評價敦煌氣象站估算的感熱通量的合理性。

3.1敦煌戈壁站的熱力輸送特征

觀測顯示，敦煌戈壁站在夏季有很強的感熱通量輸送，在近中午時平均值可達250 W m?2以上；潛熱通量除了有天氣過程外一般很小，相對于感熱通量可以忽略；土壤熱通量一般存在明顯日變化，但日平均的土壤熱通量基本接近于0，因此在日平均尺度上凈輻射通量基本轉(zhuǎn)化為感熱通量（周德剛等，2012）。Zhang et al.（2002b）和Zhou and Huang （2011）分析了該下墊面的動量粗糙度，由于觀測的時間不同、觀測儀器差異以及研究方法的差異，結(jié)果略有差異，但基本在mm量級上；而熱力粗糙度要比動量粗糙度小一個量級以上。這里取z0m= 1 mm，選取Z02、S、Z98、Z12、B82和Y08共六種熱力參數(shù)化估算敦煌戈壁站2008年8月8～13日的感熱通量，平均日變化見圖2a。同實際觀測相比，Z98方案計算的感熱通量在白天明顯偏大，其次是Z12方案，其他方案計算的感熱通量相對比較接近于觀測，Z02、S、B82、Y08方案感熱通量估算值與觀測分別相差5.0、13.5、3.0、7.5 W m?2?？紤]到渦動相關(guān)法觀測的感熱通量受低頻損失等因素影響將略低于真實值（觀測期敦煌戈壁站實際觀測的能量封閉率為0.86），因此這里的感熱通量觀測值略低于估算值也是合理的，可以認為Z02、S、B82和Y08方案均可以較好地再現(xiàn)敦煌戈壁站這段時間的感熱通量。

如果對敦煌戈壁站的動量粗糙度z0m分別取20 mm、5 mm和1 mm，分析S、Z98、Z12、B82和Y08等不同熱力參數(shù)化方案對動量粗糙度的敏感性，結(jié)果見圖2b?？梢钥吹剑攧恿看植诙热≈递^?。ū容^接近于實際值）時，除了Z98和Z12方案外，其他方案估算的感熱通量日平均值接近于觀測（與觀測的差值在10 W m?2以下）。Z12方案相對Z98方案有一定的改進，對動量粗糙度的敏感性明顯降低，但這兩個方案均高估戈壁站的感熱通量；S方案對動量粗糙度非常敏感，z0m=20 mm和5 mm時的感熱通量值分別為z0m=1 mm時的2.33倍和1.56倍；而B82方案對動量粗糙度基本不敏感，

z0m=20 mm和5 mm時的感熱通量值分別為z0m= 1 mm時的0.99倍和1.05倍，這顯示B82方案可能存在缺陷：當增加z0m的值時，根據(jù)風廓線計算的摩擦速度也增加，粗糙度雷諾數(shù)Re*進一步增加，使得參數(shù)化的z0h過度減小并導(dǎo)致計算的感熱通量反而減??；Y08方案不是很敏感，z0m=20 mm 和5 mm時的感熱通量分別為z0m=1 mm時的1.28倍和1.13倍。

3.2敦煌戈壁站與敦煌氣象站感熱通量的比較

敦煌氣象站和戈壁站均對裸土觀測，其中，敦煌氣象站則位于敦煌市東郊，臺站周圍幾十米以外就是綠洲農(nóng)田，而戈壁站位于敦煌市綠洲西部的戈壁灘，距離綠洲最近的距離約7 km，因此，敦煌氣象站可能會受城市化、綠洲化等因子的影響。為此，選用兩站在2004～2009年夏季逐小時的風速、地氣溫差（由于2006年7～8月戈壁站風杯故障風速缺測，取2006年6月份的平均日變化代表2006年夏季），對比這兩站的差異，見圖3。其中，風速逐年的平均日變化（圖3a）顯示，戈壁站8 m的風速明顯大于敦煌氣象站10 m的風速，即敦煌氣象站的風速會受到城市綠洲的摩擦阻擋。圖3b對比了地氣溫差逐年夏季的平均日變化，敦煌氣象站的地氣溫差在白天總體比戈壁站大，夜間比戈壁站略?。礆庀笳镜牡販乇葰鉁馗停@與敦煌氣象站的風速整體偏小是一致的。這表明，城市綠洲對動量輸送有摩擦阻擋作用的同時使得氣象站的熱力特征（如地表溫度、地氣溫差等）不同于實際野外。

圖2　不同熱力參數(shù)化方案對敦煌戈壁站2008年8月8～13日感熱通量（單位：W m?2）的估算：（a）感熱通量的平均日變化；（b）感熱通量的日平均值對動量粗糙度的敏感性Fig. 2　Estimation of sensible heat flux (units: W m?2) at Gobi station during 8–13 August 2008 by different surface flux parameterization schemes: (a) Average diurnal varia heat flux; (b) sensitivity of daily mean sensible heat flux to momentum roughness length

然而，從能量通量角度看，敦煌氣象站和戈壁站應(yīng)當具有一定的可比性（例如在晴好天氣或從日平均尺度）。由于兩站相距較近（約15 km），在晴好天氣下或日平均尺度上這兩站的向下短波輻射和向下長波輻射可以認為基本相同。向上短波輻射主要由反照率的差異造成，如果假定兩站（均為裸土）反照率差異小于0.02，則夏季短波輻射日平均值相差在5.2 W m?2以下（在典型晴天下相差約在6.3 W m?2以下）。向上長波輻射的差異則主要由地表溫度的差異引起，根據(jù)長波輻射計算公式，其中e為地表發(fā)射率，s為玻爾茲曼常數(shù)，如果假定e=0.95，則向上長波輻射兩站日平均差值約為2.9 W m?2（敦煌氣象站高于戈壁站）。在晴好天氣下兩站土壤熱通量有相似的變化過程，特別是他們的日平均值都很小，兩站日平均值的差異可以忽略，潛熱通量也可以忽略。據(jù)此假定，兩站計算的日平均感熱通量相差應(yīng)在8.1 W m?2以下，因此具有了一定的可比性。

圖3　2004～2009年夏季敦煌戈壁站與氣象站（a）風速（單位：m s?1）和（b）地氣溫差（Ts－Ta；單位：°C）平均日變化的對比Fig. 3　Comparisons of average diurnal variations at Gobi station with those at Dunhuang meteorological station during summer 2004–2009: (a) Wind speed (units: m s?1); (b) difference between surface temperature and air temperature (Ts－Ta; units: °C)

對晴好天氣下兩站的感熱通量變化進行了比較。由于缺乏敦煌氣象站的動量粗糙度特征，這里參考戈壁站的動量粗糙度特征，在敦煌氣象站先假定取z0m=1 mm。在2008年8月8～13日在敦煌戈壁站有感熱通量觀測的時期，這幾天天氣總體晴好（在8月12～13日略有云），兩站的風速、地表溫度、氣溫和地氣溫差有相似的日變化。根據(jù)不同的熱力參數(shù)化估算了敦煌氣象站8月8～13日逐小時的感熱通量，與敦煌戈壁站同期觀測的感熱通量進行了比較。圖4a顯示了戈壁站觀測與敦煌氣象站估算的感熱通量多日平均值的差異，其中Z02方案明顯低估敦煌氣象站的感熱通量，這意味著適用于敦煌戈壁站的Z02方案不能很好適用于風速相對較小的氣象臺站；Z10方案選取了比Z02方案更大的Ch值，估算的感熱通量較為接近戈壁站觀測；S方案、B82方案的估算值與戈壁站觀測較為接近；Z12方案估算的感熱通量相對Z98方案有所減小，與Y08方案計算的感熱通量均值基本相當，略高于戈壁站觀測?？紤]到戈壁站渦動相關(guān)法觀測的感熱通量本身存在的誤差（能量封閉率為0.86，觀測值比真實值略?。┮约皟烧靖袩嵬恐抵g也略有一定差異，Y08方案與Z12方案估算的感熱通量值高于觀測可以認為在合理范圍之內(nèi)。如果對敦煌氣象站取較大的動量粗糙度值，如z0m= 20 mm、z0m= 5 mm，則結(jié)果與圖2b很相似（圖略），除了B82方案外，S方案、Y08方案、Z98方案和Z12方案計算的感熱通量均高于戈壁站的觀測，特別是S方案和Z98方案將不合理地高估感熱通量。這表明，一方面，從動量輸送的角度看，敦煌氣象站周圍幾十米以外就是綠洲農(nóng)田，裸土的動量粗糙度與綠洲農(nóng)田的粗糙度可能相差2～3個量級以上，根據(jù)Zhong et al.（2011）對由兩種粗糙度特征相差很大的下墊面組成的非均勻下墊面的粗糙特征研究，敦煌氣象站的有效動量粗糙度特征可能會更趨近于較粗糙的綠洲農(nóng)田粗糙度，而比戈壁站大的多；另一方面，從感熱輸送的角度看，只有局地的地面摩擦對感熱輸送起作用（Chamberlain, 1968），敦煌氣象站周圍的樹木農(nóng)田對該站（裸土）的感熱輸送貢獻很弱或沒有貢獻，如果取較大的動量粗糙度可能導(dǎo)致不合理的高感熱輸送，因而應(yīng)當選取裸土下墊面的動量粗糙度。圖4b顯示了戈壁站觀測感熱通量與敦煌氣象站估算感熱通量的泰勒圖（敦煌氣象站取z0m=1 mm）。結(jié)果顯示，在這幾個方案中，Y08方案相對最好，估算的感熱通量變化與觀測最為一致；Z12方案次之，該方案相對Z98方案有明顯改進；S方案和B82方案估算的感熱通量略偏弱，Z10方案相對Z02方案增加了感熱通量值，接近于觀測，但相關(guān)系數(shù)低于其他的方案，即對感熱通量變化的描述能力相對差一些。

另外，由于敦煌氣象站的風速總體比戈壁站小，相應(yīng)的摩擦速度也要低于戈壁站，如果兩站同時有大致相近的強感熱輸送時，敦煌氣象站的大氣穩(wěn)定度更偏離中性（即更不穩(wěn)定），進而影響兩站的感熱輸送特征有所差異。如果對敦煌氣象站和戈壁站采用同樣的熱力參數(shù)化來計算，兩站的感熱輸送有多大的差異？為此，假定兩站有相同的z0m，根據(jù)兩站逐小時的風速、地表溫度和氣溫計算了2004～2009年夏季的感熱通量。對兩站的感熱通量取日平均，統(tǒng)計了兩站感熱通量的差異，表2給出了各參數(shù)化方案下敦煌氣象站感熱通量平均值、兩站感熱通量的平均偏差（敦煌氣象站的減戈壁站的）、平均絕對值偏差和均方根偏差。其中，考慮到Z12方案是對Z98方案的改進，略去了對Z98方案的統(tǒng)計。對于Ch取定值方案，如果戈壁站用Z02方案而敦煌氣象站用Z10方案，兩站的感熱輸送還是存在一些差異，估算的敦煌氣象站的感熱通量略偏弱。S方案和Z12方案在z0m=1 mm時計算的兩站感熱通量的差異統(tǒng)計值大致相當；在取較大的z0m時，S方案下兩站間的差異明顯增加，而Z12方案下兩站間的差異略有減小。在B82方案下兩站感熱通量的差異對z0m基本不敏感，差異值在這些方案中較小。Y08方案在z0m=1 mm時計算的兩站感熱通量的差異相對最小，在z0m增加時差異略有增加。表2的結(jié)果顯示了在這兩站各熱力參數(shù)化對z0m的敏感性，總體上，當z0m取值接近于局地裸土的z0m時，各參數(shù)化估算的兩站感熱通量的差異最??；并且，Y08方案可以很好再現(xiàn)這兩站的感熱通量變化。因此，在這些方案中，Y08方案對這兩站的模擬能力相對最好；Z12方案會高估戈壁站的感熱通量，在敦煌氣象站可能相對合理（圖4）；B82方案對動量粗糙度不敏感，但是B82方案及S方案在敦煌氣象站估算的感熱通量偏弱，可能與該站較小的摩擦速度有關(guān)。

表2　各參數(shù)化方案估算的敦煌氣象站感熱通量（HCMA，單位：W m?2）的平均值，以及與根據(jù)同樣參數(shù)化方案估算的戈壁站感熱通量（HGobi，單位：W m?2）之間的平均偏差（BM）、平均絕對值偏差（BMAD）和均方根偏差（BRMSD）Table 2　Average sensible heat fluxes at Dunhuang meteorological station (HCMA, units: W m?2) estimated by thermodynamic parameterization schemes, as well as mean bias (BM), mean absolute deviation (BMAD), and root-mean-square deviation (BRMSD) between HCMAand the sensible heat fluxes at Gobi station (HGobi, units: W m?2) estimated by the same schemes

4　西北干旱區(qū)夏季感熱通量的估算

我國氣象站在地面觀測選址和確定儀器安裝位置時充分滿足了觀測的代表性要求，在我國西北干旱區(qū)氣象站的觀測場內(nèi)多是城市綠洲內(nèi)的一小片戈壁或荒漠，但是與野外觀測相比還是存在一定的差異（王慧和李棟梁，2010）。敦煌站的感熱通量估算顯示，野外站點觀測獲取的熱力輸送系數(shù)Ch可能并不適用于干旱區(qū)氣象臺站感熱通量的估算；并且，根據(jù)熱力參數(shù)化方案估算氣象站的感熱通量時需要設(shè)置合理的動量粗糙度。然而，我們目前尚缺乏整個西北干旱區(qū)各氣象臺站的粗糙度特征；如果熱力參數(shù)化方案對動量粗糙度不是很敏感，則可以較為合理地再現(xiàn)整個西北干旱區(qū)感熱通量的變化。為此，這里根據(jù)風速、地表溫度和氣溫估算了西北干旱區(qū)的夏季感熱通量，探討各個熱力參數(shù)化方案對動量粗糙度的敏感性。

氣象臺站的風速、地表溫度和氣溫長期資料為每日四次觀測，相對于上面所用每小時的觀測資料而言時間分辨率較粗。以敦煌氣象站為例，根據(jù)2004～2009年每日四次的觀測資料，在z0m=1 mm時Z10、S、Z12、B82和Y08方案估算的感熱通量平均值分別為53.5、58.2、74.6、60.7、80.0 W m?2，而根據(jù)2004～2009年逐小時資料計算的感熱通量平均值依次為57.2、62.3、80.0、65.3、87.3 W m?2，即這兩種分辨率資料計算的日感熱通量值相對略有差異，但他們的逐日變化比較一致。分別取z0m= 20 mm、z0m=5 mm、z0m=1 mm計算了不同熱力參數(shù)化下的西北干旱區(qū)各臺站的夏季感熱通量，對所有站點取平均作為西北干旱區(qū)的區(qū)域平均感熱通量，則不同熱力參數(shù)化下西北干旱區(qū)夏季感熱通量對動量粗糙度的敏感性見圖5a。結(jié)果顯示，在z0m= 1 mm時，Z10方案、S方案和B82方案計算的感熱通量平均值相近，低于Z12方案和Y08方案的估算值。并且，B82方案對動量粗糙度不敏感，而S方案對動量粗糙度很敏感，Y08方案估算的感熱通量隨動量粗糙度設(shè)定值的增加有一定的增加，Z12方案在動量粗糙度較小時略敏感而在動量粗糙度較大時變得不敏感。由于西北干旱區(qū)的主要下墊面為戈壁、沙漠或稀疏植被，一些觀測試驗表明在沙漠和戈壁下墊面的動量粗糙度均在mm量級左右（如：Zhou and Huang, 2011；陳世強和呂世華，2013），這里假定在各站取z0m=1 mm，如果各站實際的動量粗糙度與假定值差異不太大的話，除S方案外其它方案估算的感熱通量變化應(yīng)該不會太大。圖5b顯示了取z0m=1 mm時各熱力參數(shù)化方案計算的區(qū)域平均的感熱通量異常。結(jié)果表明，盡管不同方案計算的感熱通量在20世紀80年代初和2004年之后均為正異常，但還是存在有一定的差異。其中，Z10方案計算的感熱通量異常在1980年以前高于其他方案，而在1985年之后低于其他方案；Y08方案計算的感熱通量異常則在1980年以前低于其他方案，而在1985年之后高于其他方案；其他方案介于這兩種方案估算值的中間。如果同ERA-40再分析感熱通量資料進行比較，則在西北干旱區(qū)ERA-40的感熱通量平均值與Y08方案和Z12方案計算的感熱通量值大小比較接近，并且，ERA-40 在20世紀60年代的感熱通量正距平不同于各方案估算結(jié)果，在1970～2001年的變化除了與Z10方案存在有一定差異外，與其他方案估算的年際變化比較相似。

圖4　不同熱力參數(shù)化方案下估算的敦煌氣象站2008年8月8～13日感熱通量同敦煌戈壁站觀測（Reference）的比較：（a）多日平均值（單位：W m?2）；（b）泰勒圖，圖中圓圈表示觀測感熱通量的參考點（Reference），不同熱力參數(shù)化方案的估算點到原點的半徑距離分別代表其相對于觀測感熱通量的標準差，他們在圖中的余弦代表估算感熱通量與戈壁站觀測的相關(guān)系數(shù)，他們到參考點的距離代表其相對于戈壁站觀測的均方根誤差Fig. 4　Comparisons of estimated sensible heat fluxes at Dunhuang meteorological station during 8–13 August 2008 by different surface flux parameterization schemes with observations at Dunhuang Gobi station (Reference): (a) Comparisons of their multi-day average values (units: W m?2); (b) Taylor diagram, in which the circle denotes a reference point of the observed sensible heat flux (Reference), the radial distance of the estimation point from the origin is proportional to the standard deviation of the estimated sensible heat flux by each surface flux parameterization scheme relative to the observed sensible heat flux, the correlation coefficient between each estimated sensible heat flux at Dunhuang meteorological station and the observed sensible heat flux at Dunhuang Gobi station is shown by the cosine of the azimuthal angle of the estimation point, and their root-mean-square deviation is given by the distance of the estimation point from the reference point

圖6a–e給出了各熱力參數(shù)化方案估算感熱通量在西北干旱區(qū)的空間分布。一般來說，局地的降水量較多，則感熱通量輸送應(yīng)該偏弱。從圖1中西北干旱區(qū)夏季降水的空間分布可以看出，降水在98°E以東及新疆天山山脈（約42°N～44°N）一帶相對偏多。圖6顯示，盡管各方案計算的感熱通量值大小存在差異，但空間分布總體有與降水相似的分布。其中，Z10方案計算的感熱通量在干旱區(qū)的西南部也偏小，與降水分布有一定的差異。這意味著，將單站的熱力輸送系數(shù)應(yīng)用于整個西北干旱區(qū)可能存在問題。此外，從圖6可以看到，在（43.4°N，88.3°E）附近即達坂城氣象站的感熱通量值明顯高于周圍其他站的感熱通量。雖然Z10方案計算的干旱區(qū)區(qū)域平均感熱通量總體較小，但在達坂城站感熱通量可以達到114.7 W m?2；Z12方案計算的區(qū)域平均感熱通量較大，在達坂城站平均為118.7 W m?2；而其他方案計算的達坂城站平均感熱通量均在90 W m?2以下。臺站風速資料顯示，達坂城氣象站夏季的平均風速在5.6 m s?1左右，遠遠大于周圍站的風速。盡管風速的增加有利于提高感熱的輸送效率，但不合理的熱力參數(shù)化可能會高估實際的感熱通量。顯然，用其他某個站點確定的Ch值直接應(yīng)用于達坂城站是存在問題的；王慧和李棟梁（2011）考慮了歸一化植被指數(shù)（NDVI）對Ch的訂正，感熱通量的空間分布有所改進，但在達坂城站及周邊的感熱通量分布依然類似于Z10方案，區(qū)域平均的感熱通量變化也與Z10方案相當。Yang etal.（2011）對青藏高原上Ch取定值或考慮風速訂正方案估算感熱通量進行了討論。實際上，由于Ch取定值方案缺乏考慮各站不同氣象條件及地表地形的差異，即使Ch的風速訂正或NDVI訂正方案也依然無法考慮大氣穩(wěn)定度及其日變化對感熱輸送的修訂，應(yīng)用于整個區(qū)域的感熱通量估算可能存在著較大的偏差。Z12方案估算的達坂城站感熱通量較大，該方案在敦煌戈壁站估算的感熱通量也大于觀測（敦煌戈壁站的風速也較大），這可能意味著在風速較大的站點Z12方案會高估感熱通量，還需要更多站點的觀測驗證。S方案、B82方案和Y08方案估算的達坂城站感熱通量值也均高于周圍，但相對合理一些。

圖5　不同熱力參數(shù)化方案計算的我國西北干旱區(qū)區(qū)域平均的夏季感熱通量（單位：W m?2）：（a）對動量粗糙度的敏感性；（b）在z0m=1 mm時的感熱通量距平Fig. 5　Summer sensible heat flux (units: W m?2) estimated by several flux parameterization schemes over the arid region of Northwest China: (a) Sensitivity to momentum roughness length; (b) anomaly of sensible heat flux estimated by these schemes, with z0m=1 mm

因此，在這些熱力參數(shù)化方案中，如果綜合考慮敦煌站的估算感熱通量與觀測的比較（圖4）、參數(shù)化方案對動量粗糙度的敏感性、我國西北干旱區(qū)的主要下墊面類型、估算的西北干旱區(qū)區(qū)域平均的夏季感熱通量年際變化及感熱通量的空間分布，Y08方案是可用于西北干旱區(qū)夏季感熱通量估算的一個相對較好的熱力參數(shù)化。

圖6　估算的西北干旱區(qū)夏季感熱通量（單位：W m?2）的空間分布：（a–e）分別為在z0m=1 mm時Z10方案、S方案、Z12方案、B82方案和Y08方案的估算Fig. 6　Spatial distribution of estimated summer sensible heat flux (units: W m?2) over the arid region of Northwest China: (a–e) Estimated by the Z10, S, Z12, B82, and Y08 schemes, respectively, withz0m=1 mm

5　討論和結(jié)論

本文討論了一些常用的熱力參數(shù)化方案，包括Z02方案、Z10方案、S方案、Z98方案、Z12方案、B82方案和Y08方案，在根據(jù)氣象臺站資料估算西北干旱區(qū)夏季感熱通量時的適用性。通過對敦煌站夏季感熱通量的估算及與觀測的比較，及對西北干旱區(qū)夏季感熱通量的估算，主要結(jié)論如下：

氣象站由于受城市化、綠洲化等人類活動的不同程度的影響，風速和有效動量粗糙度可能不同于野外臺站，但是在感熱輸送過程中只有局地的地面摩擦起作用，因此，在利用模式中常用的熱力參數(shù)化估算感熱通量時，動量粗糙度可以參考野外臺站在同樣下墊面的動量粗糙度特征，否則將可能高估實際的感熱通量。在陸面過程模擬時，對于動量輸送過程可以取用格點尺度的有效動量粗糙度進行計算；而對于熱力輸送則建議選用代表性下墊面（如裸土）的動量粗糙度特征來計算。這也表明了野外觀測試驗的重要性，其獲得的動量粗糙度特征對臺站的感熱通量估算和模式模擬具有重要的參考意義。

在本文選取的一些熱力參數(shù)化中，根據(jù)局地觀測獲得的熱力輸送系數(shù)，其區(qū)域代表性一般不是很理想（王慧等，2008），因此不適合應(yīng)用于整個西北干旱區(qū)。Z02方案較為適用于敦煌戈壁站，但在敦煌氣象站估算的感熱通量明顯偏小，Z10方案可以用于敦煌氣象站，但由于西北干旱區(qū)各站的地表與地形等差異，用于整個西北干旱區(qū)的感熱通量估算可能存在較大的不確定性。S方案對動量粗糙度比較敏感，在感熱通量估算時需要比較準確的局地動量粗糙度。Z12方案相對Z98方案有所改進，減弱了對動量粗糙度的敏感性，對西北干旱區(qū)感熱通量的估算與ERA-40再分析資料比較接近，空間分布也比較合理，但在動量粗糙度值比較小時相對較敏感，并在臺站的風速較大時可能高估感熱通量。B82方案對動量粗糙度不敏感，在敦煌氣象站的估算顯示可能在一定程度上低估了感熱通量，應(yīng)用于整個西北干旱區(qū)可能會低估實際感熱通量。Y08方案對動量粗糙度不是太敏感，在敦煌氣象站估算的感熱通量與觀測比較一致，并且在西北干旱區(qū)的感熱通量估算也相對合理，在這些參數(shù)化方案中相對較好。一些研究（如：Chen et al., 2010, 2013; Liu et al., 2012; Zheng et al., 2014）對B82、Z98、Z12和Y08等參數(shù)化方案在我國高原區(qū)和西北沙漠區(qū)等區(qū)域的適用性進行過類似的評估，總的來說，Y08方案在裸土和稀疏植被下墊面總體要優(yōu)于其他方案，這與本文的研究也是一致的?？紤]到沙漠、戈壁和稀疏植被是西北干旱區(qū)的主要下墊面，因此，在上述這些參數(shù)化方案中，建議選取Y08方案用于西北干旱區(qū)的感熱通量計算和陸面過程模式的數(shù)值模擬。

本文在評價這些熱力參數(shù)化時，主要基于敦煌戈壁站的觀測進行比較，實際上在西北干旱區(qū)還存在一定的稀疏植被和少量的綠洲等其他下墊面，將來的研究中可以考慮選取更多站點（例如黑河流域觀測試驗在沙漠、戈壁、稀疏植被、玉米地等下墊面）的觀測進行更為全面的評價。

致謝高曉清研究員、韋志剛研究員、李振朝副研究員和侯旭宏高級工程師為敦煌站的觀測數(shù)據(jù)提供支持，謹致謝忱！感謝兩位審稿人對本文提出的建議。

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Testing of Surface Flux Parameterizations for Estimating Summer Sensible Heat Flux over the Arid Region of Northwest China from China Meteorological Administration Data

ZHOU Degang
Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190

Meteorological variables observed at China Meteorological Administration (CMA) stations may differ from those in field stations due to the effects of urbanization and other factors related to CMA observations. This hampers the application of the determined thermodynamical parameters from field experiments in estimating the sensible heat flux over the arid region of Northwest China. This study chooses several broadly used surface flux parameterization schemes (including Z10, B82, Z98, Y08, Z12, etc.) and tests their sensitivities to momentum roughness length. It also tests their application in the arid region of Northwest China by comparing the sensible heat flux estimation at Dunhuang with observations and estimations of summer sensible heat flux over the whole arid region of Northwest China from CMA data. The results indicate that the scheme taking the bulk transfer coefficient for heat as a constant may bring much uncertainty to sensible heat flux estimation over the arid region. It is advised that the momentum roughness length at CMA stations should consider that of the natural underlying surface where the station is located when determining the sensible heat flux, although it may be disturbed by urbanization and other factors. The sensible heat flux estimated by the Y08 scheme seemsrelatively reasonable, and therefore the use of this scheme is advised when analyzing the characteristics of summer surface sensible heat flux over the arid region of Northwest China.

Sensible heat flux, Flux parameterization, Arid region of Northwest China

10.3878/j.issn.1006-9895.1502.15108

2015-01-12；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-04-01

周德剛，男，1978年出生，副研究員，主要從事干旱區(qū)陸氣相互作用的研究。E-mail: degangzhou@163.com

國家自然科學基金項目41205055、91337104和41275003

Funded byNational Natural Science Foundation of China (Grants 41205055, 91337104, and 41275003)

1006-9895(2016)02-0411-12

P468

A