文摘

能源预算密切相关的水文循环通过蒸散(ET)或潜热。因此,量化能源预算在不同土地使用是至关重要的对于理解水预算和为决策者提供有用的土地利用信息。然而,传统的方法,包括原位测量和单独模型方法,在数据可用性不足,我们还没有完全意识到的能源预算提出了再分析数据集。因此,在这项研究中,北美地区再分析数据集(NARR)从1992年到2002年被调查能源预算在不同土地用途(湖、湿地、农业、森林和城市)在佛罗里达州的一个区域范围内。结果表明,湖和城市能源预算值高,蒸发,和波文比低,而湿地地区产生相反的踏板,因为蒸发率最低的国家。在干旱时期,波文比,表面温度,显热比正常年份条件变得更高。最后,通过与实测资料比较,我们发现NARR最好同化的降水观测和展示了不同的土地使用影响相关系数的关系。

1。介绍

表面能量预算密切相关水文循环,从蒸散(ET)或潜热(LE)是一个关键的能源和水预算之间的关系(1]。净辐射的分区明显取决于可用的水表面(2- - - - - -6]。例如,如果土壤水分低于临界极限,可用土壤水加上可用能源限制蒸发速率和最终减少降雨和影响水预算。因此,量化能源预算超过植物的树冠是至关重要的对于理解水文循环和改善建模提供了见解未来的区域和全球气候制度(7,8]。

此外,land-atmosphere边界层,land-atmospheric交互管理之间的能量平衡和反映自然耦合边界条件和降雨过程(9,10]。这些交互影响每天的温度范围,在大气边界层过程,云层,降雨,微分加热,和大气的发行量。因此,土地利用变化对水文过程可以直接和长期的影响,改变降雨和蒸发蒸腾和由此产生的径流之间的平衡(11]。短期影响,破坏土地利用变化破坏水循环增加出水量或通过减少甚至消除低流在某些情况下(12- - - - - -14]。,在长期影响,减少土壤水分蒸发蒸腾损失总量和水回收因土地利用变化可能启动一个反馈机制,导致降雨量的减少(15]。

然而,一个不相称的大多数现有的能源和水平衡研究在草原和森林,只有很少有研究评估湖泊和湿地等土地使用16]。例如,这些传统的涡度相关技术(EC)和波文比(BR)应用于一些土地用途如草原(17- - - - - -21[],森林22- - - - - -27),芒果果园(28)、大蒜(29日)、葡萄(30.],山核桃[31日),柑橘类(32],桃子[33),橄榄34)、葡萄(35],大豆和玉米[8]。除此之外,这些传统技术不能提供空间趋势(或分布)在区域范围内尤其是在平流气候条件的地区。大多数的气候数据来自气象监测站,点测量,和气象站稀缺在偏远地区,而不是均匀分布。进一步表征地表水文循环不仅需要足够的长期记录的降水径流和蒸发,但这些记录缺乏观测数据(1]。

北美地区NCEP再分析(NARR),其中包括基于模型的四维数据同化的过程,是一个长期的、一致的、高分辨率气候数据集北美域(36]。这些数据集可以提供巨大的可能性更准确评估地表和大气的相互作用。在先前的研究中,我们研究了水预算在不同土地利用区域利用NARR数据集,和结果表明,NARR可以提供合理hydroclimatic变化(如沉淀回收)和评估相关的土地利用/覆盖变化的影响(6]。因此,在这项研究中,我们尝试调查能量平衡在不同土地用途(湖、湿地、农业、森林和城市)在区域范围内,了解干旱事件、季节和年际变化的气候变量影响能源和水资源和土地使用交流氛围,和了解NARR提出的能源和水周期数据集。

2。数据集

NARR数据,NCEP地区埃塔模型及其数据同化系统,和一个版本的“诺亚”陆地表面模式的长期动态一致,高分辨率,高频率气象和水文数据集北美域(36]。此外,它采用许多观测量的数据同化方案,包括雨量数据的网格分析降水在美国大陆(圆锥),墨西哥和加拿大(37]。中使用的数据集和观察到的变量包括北美地区再分析雷达气球(温度、风和水分),下投式探空仪(温度、风和水分),测风气球(风),飞机(温度和风力)表面(压力)和地球同步卫星(浮云风)36]。因此,这个区域再分析产生高时空分辨率(45-layer 32公里,3小时)和跨越的时间从1978年10月到2003年12月25年。全部细节NARR产品可以在网上找到http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/rreanl/。

NARR包括同化的降水观测的优势和它的高时空分辨率。降水的昼夜循环同化约束降水,不被当前的对流模式。此外,同化的近地表湿度限制潜在和显热通量分区,这通常是不被地表模型(3,4,6]。因此,预计该数据集不仅是有用的能源和水预算研究而且对大气的土地关系的分析。然而,我们仍然需要验证提出的能源预算NARR数据集在这项研究。NARR变量在这项研究中基本上是一个函数模型的参数化,包括显热、潜热和表面温度。这里的研究适用于11年NARR分析从1992年到2002年期间,利用每月的平均数据。

3所示。研究区域

在佛罗里达的气候是亚热带潮湿多雨,潮湿季节延长自5月至10月。大部分地区在佛罗里达接受每年至少1270毫米的雨。长期的年平均气温是22.4 (±0.6)°C基于历史记录的一个气象站位于基佛罗里达(东南区域气候中心,http://www.sercc.com/)。然而,这种状态大总年降水量的变化。洪水发生的一年明年可能紧随其后的是干旱(38]。

3.1。ENSO在佛罗里达

在佛罗里达州,EI尼诺现象振荡(ENSO)经常影响温度、降水、和上层风,进而导致洪水,干旱和森林大火39]。这些影响在冬季和春季更强壮比夏季几个月。强烈的厄尔尼诺现象发生在1997 - 1998年的秋季和冬季降水量高于正常时的状态和温度是凉爽。然而,1998年底,强拉尼娜事件的影响,一直持续到200140]。拉尼娜带来更高的温度和干燥的天气在佛罗里达州。低于正常降水造成的严重干旱在佛罗里达全州一段时间。根据火灾统计,显示25137年大火烧毁了150万英亩的土地在1998年和2002年之间(41]。最后,降雨发生在2002年底,2003年,2004年和四个飓风和热带风暴结束这干旱。

3.2。所选区域

在这项研究中,数据从1992年全国土地覆盖数据集在六个五个不同的土地用途公里区域研究领域被选中,如图1。这些土地用途包括城市、森林和农业佛罗里达州东北部,湖泊,湿地、农业在南佛罗里达基于佛罗里达的不同气候区(图2)。佛罗里达州东北部,气候有点冷却器和接收丰富每年降水量1000至1500毫米,从而使专门的作物的生产。因此,一个地区农业土地利用,位于西Alachua和致力于饲料,干草和青贮玉米生产,被选为研究能量预算。此外,卡拉国家森林面积被选为区域森林土地使用面积,因为广泛的松树种植园在北佛罗里达(相对较常见42]。最后,我们选择了市区,杰克逊维尔的研究领域,因为大量的人口增长,导致城市的扩张和发展的土地。30年内,人口增加了140%以上,表明更大的城市在奥兰多,圣彼得堡的坦帕、杰克逊维尔。

同时,南佛罗里达的气候通常是无霜和亚热带,年降雨量1400毫米。主要的区域特征是湿地、湖泊、农业和城市地区(图1)。是一个亚热带湿地,湿地地区覆盖南佛罗里达和包括超过4000平方英里从北部的奥基乔比湖一直延伸到佛罗里达湾半岛的南端。因此,它被选中代表地区在南佛罗里达湿地公里网格。奥基乔比湖(图1),在美国第二大淡水湖。覆盖面积1800平方公里,平均深度为2.7米,是一个大型的,浅,富营养湖位于南佛罗里达州中部和经常遭受飓风。作为中央相互关联的水生生态系统的一部分,主要地表水体,奥基乔比湖提供了许多社会和环境服务功能包括农业和城市供水(43]。因此,研究干旱事件的影响在湖上是非常重要和必要的。最后,湿地农业区域(EAA),一小部分组成的人工湿地地区丰富的有机农业土壤支持一个蓬勃发展的行业,年收益在5亿美元左右,也被认为是研究[44]。比较两个不同时期的国家土地覆盖数据集10年间隔,数字1和3,土地利用变化监测和检测。区域农业土地利用,位于西Alachua,改变了土地利用在2001年从1992年的中耕作物牧场干草,但其他土地利用区域在10年期间没有明显变化。因此,在这项研究中,我们假设在选择的区域土地利用类型的没有巨大差异(从1992年到2002年的数字1和3)。

4所示。方法

4.1。能源预算

月度数据从1992年到2002年NARR数据集,包括潜热、显热,表面温度被用来评估能源预算在不同土地用途使用能量平衡方程表示为 在哪里净辐射通量在土地覆盖和大气之间的接口;是导电土壤热通量;代表显热(通过对流换热);和潜热(水蒸气凝结或水从表面蒸发和植物蒸腾作用)。导电的土壤热通量方程将被忽视,因为它是相对较小(45]。的比例和用于计算波文比,。

4.2。每月异常模式

确定异常趋势在研究期间,每月平均的气候学参数,其中包括实际蒸发潜热,显热,和表面温度计算。个人每月异常然后按照百分比计算离开11年平均每月平均使用 在哪里是各自的月度百分比异常,是每月的气候学参数,是气候学参数的长期平均水平。

5。结果和讨论

在这项研究中,年际变化、季节变化特征和土地使用的影响会被认为在图。分析11年NARR数据集4显示平均潜热佛罗里达州东北部。在佛罗里达州,东北为不同的土地利用类型,平均潜热的贸易从1992年到2002年下降。最高的年度潜热的农业地区在1996年96.33 W / m²,而最小值是在2000年73.67 W / m²在农业区域。

图5南佛罗里达的年平均潜热。年均潜在的波动从1992年到1999年,在1998年达到最高的值在农业、湖区湿地地区,1999年。接下来,值下降,在2001年达到最低的值在三个研究领域。在2003年最后,踩上去。在表1潜热的最大和最小值,并给出了选择这两个地区的土地利用领域多年的发生。从表1在选择的区域,我们发现潜热在干旱年最低。

月平均潜热的季节性变化在佛罗里达州东北部如图6南佛罗里达,而呈现在图7。在佛罗里达州,东北更高的平均每月潜热值观察4月和9月之间,在城市和森林地区,在农业领域,高值出现在7月,较低的值观察在十二月和一月。这些变化是列在表中2为选定的土地利用区域。在南佛罗里达州,湿地,位于大沼泽地,价值最高的6月份月平均实际蒸发和潜热,值为3.43毫米/天99.09 W / m²,分别。有人建议,大部分的降雨在南佛罗里达州是基于蒸发在大沼泽地46]。作者还建议,水蒸气的影响运动从海洋到北由于风行动引起蒸发奥基乔比湖地区和周围的农业区域(数据1和3),导致更高的值的实际蒸发在7月和8月。较低的值观察冬天(见表2)。

5.1。每月实际蒸发和潜热异常

图8显示每月的潜热异常趋势的时间序列的佛罗里达州东北部。这些异常积极的从3月到9月这三个土地用途,的值在0.84%和50.09%之间。然而,在干旱年,2000年3月到2001年,这些异常下降到负值在所有的研究领域,如图8。

图9建议积极的异常潜热值为3月和10月从0.79%到47.23%不等。然而,今年5月,湖地区在潜热负值,在干旱年和负值也观察到研究领域,除了在4月的干旱年湿地和农业领域。

5.2。每月明智的和热的变化

基于能源预算(1),可用的土地表面能被分割成潜热和显热,更多的能量分为潜热,更少的能量转化为显热。数据10 ()和10 (b)显示的平均年度和月度所有土地利用显热佛罗里达州东北部地区。在干旱期间,大部分地表能量将划分为显热。因此高显热是观察到的城市,森林和农业区域值为44.08 W / m²51.5 W / m²和51.8 W / m²,分别。在夏秋季节,大多数表面能量转换为蒸发潜热,从而导致更低的显热的值从6月到12月在佛罗里达州东北部。因此,在所有三个土地使用,降低平均焓值观察23 W / m²和57.63 W / m²分别在夏季和秋季,更高的价值是在冬季和春季,25.09 W / m²和84.09 W / m²,分别。

在南方,显热的平均年度和月度值也随土地使用如图(11日)和11 (b)。这些年度值范围从41 W / m²2000年,55.41 W / m²2000年,和51.58 W / m²2001年在湖上,湿地,分别和农业领域。在夏秋季节,当大多数的地表能量转换为蒸发潜热,低焓值观察三个土地用途,值介于15.18 W / m²和45.54 W / m²。的高值平均显热4月在湿地和农业地区,77 W / m的值²和67.54 W / m²分别和在湖上5月,44.54 W / m的值²。

5.3。每月明智的潜热异常

年际变化每月佛罗里达州东北部显热是如图12(一个)。在正常年份,每月的显热异常-从6月到今年1月,价值观和−−0.71%和54.88%之间,而积极的价值观从2月到5月,与价值观之间的所有三个土地利用领域的0.88%和58.32%。然而,在干旱年,积极的显热异常显示1998年6月,从6月到8月在1999年和2000年,在所有三个值在0.84%和263.57%之间的土地用途。有人建议,土壤水分作为强有力的控制分区之间的显热通量和潜热通量的表面(鲍文比率)调制降水在给定盆地(47,48]。因此,不同的土地利用类型有不同的干旱事件的反应。例如,农业地区,灰黄色的根包含降低土壤深层吸收,有最高的显热异常1998年6月,1999年5月到2002年,和2000年4月,与值在183.95%和308.68%之间,而其他土地利用等领域的城市和森林地区就有更高的异常干旱时期。

它也表明,表面温度是显热变化和转移的一个因素。当表面比上面的空气温暖,热将作为积极向上转移到空气显热预热空气温度。图12 (b)呈现年际月度佛罗里达州东北部表面温度的变化。在正常年份,每月表面温度异常-从11月到4月,价值观和−−0.67%和46.34%之间,而积极的价值观从5月到10月,值在2.84%和36.82%之间。在干旱年,然而,更高的表面温度将更高的显热,导致更高的表面温度异常1998年6月,一个值的53.95%,农业领域和更高的显热,值为269.57%。

图(13日)显示每月的年际变化在南佛罗里达的显热。在正常年-月显热异常观察从6月到12月,价值观和−−2.67%和68.4%之间,而积极的异常观察从2月到5月,与三值在0.68%和68.52%之间的土地用途。在显热异常干旱年,从2月到5月,尤其是在湖和农业地区,分别为30.89%和188.63%之间的值。

图13 (b)每月的表面温度的年际变化呈现在南佛罗里达州。在正常年份,高值发生在4月和5月的值在1.05%和23.07%之间。在干旱年,湖和农业领域有更高的表面温度异常高值1999年5月到2002年4月,与价值观之间的6.54%和29.57%。

5.4。月波文比

在干旱期间,鲍文比例更高的净辐射是倾斜的,这表明分区与更多的热量进入显热通量和潜在的通量。显热通量的增加热树冠和边界层。数据(14日)和14 (b)显示平均年波文比东北部和南佛罗里达州,分别。因此,在干旱年,高博文比率的农业地区的值显示在佛罗里达州东北部2000年的1.19和1.5在2001年在南佛罗里达州。这种转变表明,显热是增加了与潜热突然从生态系统水通量下降。

数据(15日)和15 (b)显示平均每月在东北部和南佛罗里达州波文比,分别。季节性变化显然是concave-sharped和较低的值从6月到9月,发生了一系列佛罗里达州东北部0.24和0.69和0.14和0.48在南佛罗里达州。更高的值观察在早春,值在0.47和1.79之间在佛罗里达和东北0.45和1.32在南佛罗里达州。

5.5。月波文比异常

数据(16日)和16 (b)显示每月的年际变化在东北部和南佛罗里达州波文比,分别。在佛罗里达州,东北旱灾期间,波文比的值很高的三个土地利用区域农业地区最高的可能。这表明,减少土壤水分蒸发蒸腾损失总量在生长季节土壤水分的减少和维护通过改变能量平衡的显热及潜热的流感。在南佛罗里达最高的显热通量发生在2001年2月,当表面温度高于正常的11.96%,因此表现出负异常。还指出,在干旱条件下,土壤水分的有效性成为水分的主要来源等,强烈控制波文比,因此影响了表面温度和蒸发率。

5.6。能源预算平衡

表3和4提出了11年的意思是能源预算项选择的土地使用地区东北部和南佛罗里达州,分别。在这项研究中,总净辐射的定义是求和的潜在和显热,蒸发率被定义为潜热/净辐射的比值。佛罗里达州东北部城区位于圣约翰河最高净辐射、潜热,蒸发速度,实际蒸发,和更低的显热,而农业面积较低净辐射、潜热。在南佛罗里达,湖地区最高净辐射、潜热,蒸发率,降低显热,波文比。然而,由于湿地有氢气的土壤,让水从表面上看,净辐射、潜热,蒸发率,和实际蒸发较低,而高显热,波文比。一般来说,农业领域也有类似的波文比,值为0.55时在两个研究领域。开放的区域观察波文比最低,以及湿地最高。在报告中,49原位),他们提供了月平均气象参数数据(从1994年到2003年)的一个气象站在人工湿地(雨水处理区域1西),包括实际蒸发和降雨数据。因此,我们比较实际蒸发NARR和现场数据,和结果表明,NARR数据集将大大低估可能高估了在湖上蒸发面积从10月1月(见图(17日))。我们也计算NARR和观测数据之间的相关系数。结果表明,该湿地相关系数最高,为0.92,而湖地区最低,为0.37。最后,图17 (b)证明了NARR有很好的关系与月平均降雨量的观测数据,和相关的系数是0.94的三个研究领域。因此,总之,NARR最好同化的降水观测和能反映土地利用的影响,在实际蒸发估算;演示的湿地地区最高的相关系数与同一土地利用类型观测数据。

6。摘要和结论

在这项研究中,NARR数据集从1992年到2002年被调查能源预算在不同土地用途(湖、湿地、农业、森林和城市)在佛罗里达州的区域范围内。佛罗里达州东北部城区有更高的净辐射、潜热,蒸发率,降低显热,波文比,而农业面积净辐射较低,实际蒸发潜热,伯恩和更高的比率。在南佛罗里达州,奥基乔比湖(湖)有更高的净辐射、潜热,蒸发速度,实际蒸发,降低显热,和波文比,而湿地面积较低净辐射、潜热,蒸发率、较高的显热,鲍文率,因为较低的蒸发。从年度能源预算,农业在这两个研究领域也有类似的波文比因此表明波文比可以用于识别不同的土地使用的特点。

在潮湿的条件下,主要受到大气水汽的需求,由平流和辐射。这表明为什么湖地区有较高的实际蒸发潜热,蒸发率,低和高净辐射波文比。然而,旱灾期间,大部分的表面能将划分为显热,因此,降低平均蒸发潜热如图所示由不同的土地使用和更高的平均每月的显热在夏秋季节。此外,在干燥条件下,土壤水分的可用性成为主要的控制等,水和植物的差异响应访问通常由支持深度会导致截然不同的蒸发损失在植被类型(50]。因此,在佛罗里达,东北-蒸发潜热观察1998年6月,2000年4月和1999年5月到2002年农业区域,但森林和城市地区在这几个月里积极的价值观。在南佛罗里达,农业区域内蒸发潜热干旱期低于湖泊和湿地区域的值。最后,通过与实测资料进行比较,我们发现北美地区再分析数据(NARR)可以用来研究主要hydroclimatic可变性的模式(例如,沉淀回收)和评估土地利用土地覆盖变化的影响的影响。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由美国国家科学委员会(NSC)赠款NSC 101 - 2221 - e - 008 - 019和国家安全委员会101 - 2111 m - 008 - 018。