Page 6 - 《高原气象》2021年第5期
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5 期                         王梦晓等：青藏高原鄂陵湖结冰期升温特征研究                                          967
               2. 2. 2  Kilpisjärvi湖数据                           的边界条件为温度和热通量的连续性，在冰的表
                   Enontekiö Kilpisjärvi Kyläkeskus（EKK）气象站      面，冰融化的速度取决于其表面的热量平衡（Ste‐
               由芬兰气象研究所在 1962 年建立，可获得常规气                         panenko et al，2005）。冰的融点为 0 °C，当温度超
               象资料（Leppäranta et al，2017），但部分观测资料缺               过 0 °C 时，冰开始融化，融化的水加入到水层中
               失，因此结合由美国国家环境预报中心（NCEP）和                          去。沉积物中的液态水是通过重力和毛细管吸附
               能源部（DOE）共同合作建立的空间分辨率为 2. 5°×                      力输送的，在沉积物的顶部边界，温度和热通量在
               2. 5°的全球再分析资料 NCEP-DOE 再分析资料（简                    水层的底部是连续的，沉积物的底部通量设为零通
               称 R2），制作了 K 湖 1992-1993 年和 2015-2016 年            量（Stepanenko et al，2016）。
               的驱动数据（Kanamitsu et al，2002）。其中从 EKK               2. 3. 2  模式设置
               站点数据中提取 2015-2016 年的气温和风速，从                           为了揭示鄂陵湖冬季湖温上升的机理，本研究
               R2 中提取 K 湖 1992-1993 年的 10 m 径向风、纬向               将模拟分为 1个控制组和 19个实验组，其中将湖泊
               风和 2 m气温以及 1992-1993年和 2015-2016年的                深度设置为观测深度 26. 5 m，模拟时段为 2015年9
               2 m比湿、气压、向下短波辐射和长波辐射、降水强                          月22日到2016年9月22日，将湖泊垂直分为 35 层，
               度。由于 1992-1993年站点数据的缺失，所以结合                       根据湖温观测数据，设置初始湖表、湖底温度和湖
               2015-2016 年 2 m 气温和 10 m 风速的站点数据及                 温垂直廓线，鄂陵湖是淡水湖，含盐量较少，将初
                                                                                                      -1
               R2 数据的差值来估算 1992-1993 年 EKK 站点的                   始表层和深层盐度都设置为 0. 27 g·kg （沈德福
               2 m 气温和 10 m 风速。其中用 1992-1993 年的驱                 等，2012）。在干燥的厚雪地区，反照率可高达 0. 9
               动数据来验证本套驱动数据的可用性，用 2015-                         （Grenfell et al，1979），随着雪中液态水含量的增
               2016 年的驱动数据来对鄂陵湖驱动场进行单要素                          加，雪的反照率逐渐降低，湿雪的反照率可低至
               替换对比分析。                                           0. 5（Leppäranta et al，2010），因此将雪的反照率设
               2. 2. 3  MODIS地表温度数据                              为 0. 6。模式需要输入的驱动气象要素为气压、风
                   中分辨率成像光谱仪 MODIS 覆盖全球且空间                       速、比湿、气温、风速、向下短波辐射、向下长波辐
               分辨率高，并具有长期连续观测的优点，本文选取                            射和降水强度，驱动模拟步长为 30 min。选择 k-ε
               2015-2016 年的地表温度产品（MOD11C2）来对湖                    标准湍流混合参数化方案来计算涡流扩散。控制组
               表温度模拟结果进行验证。该产品的水平空间分                             中冰反照率、冰消光系数和水消光系数分别设为
                                                                            -1
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               辨率为 5 km，为每日地表观测温度的 8 日合成数                        0. 28、3. 0 m 、0. 13 m （Li et al，2018，2020）。
               据，即每 8天分别得到一个白天（10:30）和一个夜间                       2. 3. 3  评估方法
              （22:30）的平均地表温度，从每年的第 1 天开始，第                           评估模式模拟准确性的指标为均方根误差
               361天结束。                                           RMSE（式 2）、偏 差 BIAS（式 3）和 相 关 系 数
               2. 3  模式介绍及设置                                     CC（式4）。
               2. 3. 1  模式介绍                                                           1  n        2
                                                                             RMSE =     ∑(m i - o i )      （2）
                   LAKE2. 3 是一个求解封闭水体中热量、动量                                            n i = 0
                                                                                         - -
               和气体传输水平平均方程的一维湖泊模型，包含水                                             BIAS = m - o             （3）
               热动力学和生物地球化学部分（Stepanenko et al，                               CC =     Cov (M，O )           （4）
               2011，2016，2019）。在此模型中，太阳辐射中的近                                        Var (M )Var (O )
                                                                                                 -   -
               红外部分在水面被完全吸收，可见光部分根据表面                            式中： m i 和 o i 为模拟值和观测值； m 和 o 分别为模
               反照率被反射，其余部分是根据比尔-朗伯定律进                            拟值和观测值的平均值；Cov（M，O）为模拟值和观
               行垂直输送的，即                                          测值的协方差；Var（M）和 Var（O）为模拟值和观测
                           S (ξ ) = S(0)exp ( -a e hξ）   （1）     值的方差。
               式中： a e 是消光系数（单位：m ）； h 是介质深度（单                   3   特征分析
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               位：m）；ξ（层）是层数；S 是短波辐射通量（单位：
               W·m ）。可以看出短波辐射根据消光系数随着湖                           3. 1  湖温特征分析
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               泊深度的增加而减小，该模型考虑了有雪或冰覆盖                                鄂陵湖从 2015年 12月 7日开始结冰，此时，湖
               时的热平衡方程和相变过程，雪表面的辐射平衡方                            表温度降低到 0 °C以下，3 m［图 2（b）虚线］和 14 m
               程包括温差导致的热量差异和辐射通量，雪冰界面                           ［图 2（c）虚线］湖温约为 0. 5 °C，随着近地表气温的
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