本书是中国西北干旱区三大观测试验之一的金塔试验(JTEXs)及后续的巴丹吉林试验(BDEXs)能量水分循环观测和数值研究成果的专著。全书共10章，包括非均匀下垫面陆面过程观测现状及研究意义、沙漠绿洲观测试验及数值模式特点、沙漠绿洲小气候和能量水分循环特征、沙漠绿洲陆面过程参数化及应用、绿洲自维持机制理论与数值研究、遥感资料在沙漠绿洲陆气相互作用研究中的应用、绿洲大气边界层特征、沙漠大气边界层特征、沙漠绿洲陆面过程资料同化及应用、绿洲的科学保护和利用研究。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 陆气相互作用研究的科学意义 1
1.1.1 陆面过程对气候的影响 1
1.1.2 陆气相互作用研究的重要性 4
1.2 陆气相互作用研究的内容及特色 5
1.2.1 非均匀地表特性分类 6
1.2.2 干旱区陆气相互作用研究特色 6
1.3 沙漠绿洲陆面过程的研究现状 7
1.3.1 理论研究现状 7
1.3.2 野外观测试验研究现状 9
1.3.3 数值模拟和资料同化研究现状 14
1.3.4 卫星遥感研究现状 16
1.4 小结 17
参考文献 18
第2章 沙漠绿洲观测试验及数值模式介绍 24
2.1 陆气相互作用观测面临的挑战 25
2.1.1 不同下垫面的观测对比 25
2.1.2 土壤水热变化的观测 26
2.1.3 非均匀下垫面大气边界层的观测 26
2.1.4 对流边界层的观测 26
2.2 金塔绿洲观测试验 27
2.2.1 试验区概况 27
2.2.2 观测试验设计 27
2.3 巴丹吉林沙漠观测试验 34
2.3.1 试验区概况 34
2.3.2 观测试验设计 34
2.4 观测试验资料预处理 37
2.4.1 涡动相关法资料处理与质量控制 37
2.4.2 GPS 探空及系留数据处理与质量控制 39
2.4.3 雷达探空数据预处理 39
2.4.4 卫星遥感资料预处理 40
2.5 数值预报模式介绍 40
2.5.1 MM5 模式 40
2.5.2 RAMS 模式 44
2.5.3 WRF 模式 45
2.6 小结 51
参考文献 51
第3章 沙漠绿洲小气候和能量水分循环特征 57
3.1 绿洲小气候特征 57
3.1.1 气温 58
3.1.2 气压 59
3.1.3 比湿 59
3.1.4 风场 59
3.1.5 不同类型绿洲小气候对比 62
3.2 沙漠绿洲能量水分循环特征 65
3.2.1 地表辐射和能量平衡特征 65
3.2.2 绿洲不同下垫面辐射特征 69
3.2.3 不同土壤湿度条件下的辐射特征 75
3.3 沙漠绿洲下垫面土壤变化特征 80
3.3.1 不同下垫面土壤热状况对比 80
3.3.2 不同天气条件下土壤温湿变化 84
3.3.3 土壤蒸发-凝结过程 92
3.4 沙漠绿洲边界层结构 102
3.4.1 绿洲过渡带的冷湿舌特征 103
3.4.2 绿洲边界层垂直结构特征 106
3.4.3 绿洲温度场及次级环流特征 112
3.4.4 绿洲空气动力学参数 116
3.5 小结 121
参考文献 123
第4章 沙漠绿洲陆面过程参数化及应用 129
4.1 反照率参数化 129
4.1.1 裸土 129
4.1.2 绿洲 135
4.1.3 荒漠 141
4.2 土壤热性质参数 142
4.2.1 土壤热性质参数 142
4.2.2 不同下垫面土壤热性质参数 142
4.3 荒漠下垫面粗糙度长度 143
4.3.1 计算方法 143
4.3.2 模式应用及效果分析 147
4.4 绿洲陆面参数在WRF 模式中的应用 149
4.4.1 模拟试验设计 150
4.4.2 参数化方案的适用性分析 152
4.5 小结 176
参考文献 176
第5章 绿洲自维持机制理论与数值研究 181
5.1 绿洲系统的动力学特点 181
5.2 绿洲系统热力学性质 184
5.2.1 地表能量平衡 184
5.2.2 水分平衡 186
5.2.3 大气稳定度 187
5.3 绿洲效应的基本特征 188
5.3.1 温度的垂直分布 188
5.3.2 绿洲风环流成因 188
5.3.3 绿洲自维持机制 189
5.4 理想绿洲数值试验 190
5.4.1 试验方案 190
5.4.2 冷岛效应 192
5.4.3 绿洲风环流 193
5.4.4 逆湿 194
5.5 实际绿洲数值试验 195
5.5.1 冷岛效应 195
5.5.2 绿洲风环流 197
5.5.3 逆湿 200
5.6 小结 205
参考文献 206
第6章 遥感资料在沙漠绿洲陆气相互作用研究中的应用 208
6.1 MODIS 资料简介 208
6.1.1 数据特点 208
6.1.2 预处理 209
6.2 沙漠绿洲地表特征参数遥感反演 212
6.2.1 标准化差值植被指数 213
6.2.2 修正的土壤调整植被指数 213
6.2.3 植被覆盖度 213
6.2.4 比辐射率 214
6.2.5 地表反照率 214
6.2.6 地表温度 215
6.2.7 反演结果分析 215
6.3 大气水汽含量反演 219
6.3.1 方法 220
6.3.2 反演结果及检验 221
6.4 利用LANDSAT-5 TM 反演地表温度 224
6.4.1 观测试验设计 224
6.4.2 反演方法 225
6.4.3 反演结果检验 226
6.5 地表辐射反演 229
6.5.1 研究方法 229
6.5.2 结果分析及检验 230
6.6 土壤湿度的遥感估算 231
6.6.1 理论及方法 232
6.6.2 结果分析及检验 234
6.7 遥感反演参数的应用 236
6.7.1 模式及试验设计 236
6.7.2 近地层要素场 237
6.7.3 绿洲环流场 242
6.7.4 模拟与观测对比 249
6.8 小结 252
参考文献 253
第7章 绿洲大气边界层 257
7.1 RAMS 模式在绿洲的适用性研究 257
7.1.1 模拟方案 257
7.1.2 观测与模拟效果对比 258
7.2 绿洲边界层结构模拟试验 266
7.2.1 模拟方案 266
7.2.2 控制实验：强背景风的边界层结构 267
7.2.3 敏感性实验：静风边界层 279
7.3 非均匀下垫面能量水汽输送 283
7.3.1 试验方案 284
7.3.2 中尺度通量特征 288
7.3.3 土壤湿度的影响 291
7.3.4 背景风速的影响 297
7.3.5 植被的影响 299
7.3.6 影响因子比较 308
7.4 对流边界层的大涡模拟 308
7.4.1 试验设计 309
7.4.2 模拟结果 310
7.5 小结 319
参考文献 320
第8章 沙漠大气边界层 324
8.1 气象特征 324
8.1.1 大尺度背景场 324
8.1.2 局地环流场 327
8.2 地表能量平衡特征 328
8.2.1 浅层土壤热储 328
8.2.2 沙漠和沙湖区的比较 331
8.2.3 晴天与阴天的比较 333
8.3 深厚对流边界层 337
8.3.1 边界层结构 338
8.3.2 CBL5 成因分析 343
8.3.3 对流边界层大涡模拟 349
8.4 沙漠湖泊-沙山近地表风沙动力环境分析 358
8.4.1 研究背景 358
8.4.2 特殊地貌景观风场特征 359
8.4.3 输沙势变化特征 360
8.5 小结 362
参考文献 362
第9章 沙漠绿洲陆面过程资料同化及应用 365
9.1 资料同化研究的进展 365
9.1.1 同化方法研究进展 365
9.1.2 同化方法分类 366
9.2 变分同化方法 367
9.2.1 变分同化 367
9.2.2 WRF 3D-Var 同化流程 367
9.3 资料同化数据集 369
9.3.1 资料同化流程 369
9.3.2 再分析产品说明 370
9.4 资料同化产品检验 372
9.4.1 温度、湿度场 372
9.4.2 风场 372
9.5 资料同化产品应用 375
9.5.1 近地层气象要素 375
9.5.2 位温和比湿廓线 376
9.5.3 环流场 380
9.5.4 大气边界层高度 384
9.6 小结 385
参考文献 386
第10章 绿洲的科学保护和利用研究 388
10.1 生态化建设对绿洲发展的影响 388
10.1.1 试验设计 388
10.1.2 结果分析 388
10.2 不同尺度绿洲的特征比较 391
10.2.1 湍流能量通量 392
10.2.2 大气边界层 394
10.2.3 沙漠绿洲环流 395
10.2.4 湿岛效应 395
10.3 不同灌溉制度对绿洲的影响 396
10.3.1 试验设计 396
10.3.2 结果分析 397
10.4 小结 400
参考文献 400
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