敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明：沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。     

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。R度在15km以上的绿洲可以形成绿洲一沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在儿公里的绿洲不能形成绿洲一沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。     

沙漠-绿洲大气边界层结构的数值模拟

利用美国NCAR新版中尺度MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的模拟方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。结果表明：在没有西风气流背景的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是对称的。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布,绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气冷干,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。在有西风背景气流的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是非对称的。但是,西风背景气流的存在可以破坏绿洲系统对称的环流结构,不利于绿洲系统的稳定发展。     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲\_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

夏季金塔绿洲与沙漠次级环流近地层风场的初步分析

利用2004年6～8月在甘肃省酒泉金塔地区进行的“绿洲-沙漠能量和水分循环的野外观测试验”的风场资料,分析了该地区两种不同的绿洲沙漠低层风场结构。结果表明：绿洲沙漠的温差效应可以激发绿洲和沙漠间的次级环流,在白天绿洲沙漠边缘低层是辐散气流,夜间表现为辐合气流;在大背景风场较强的情况下,在背景风场风向方向上局地环流被掩盖,而其它方向上局地环流占主导地位;大背景风场处于转换期,如西风转东风时,当西风削弱。而东风还没有产生时,绿洲地区背景风场很小,绿洲沙漠环流较为明显。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

不同土壤湿度条件下绿洲边界层特征的敏感性试验

应用NCAR的非静力平衡中尺度数值模式MM5V3．6,设计了三种不同土壤湿度对金塔绿洲边界层的特征影响的敏感性试验。结果表明：土壤灌溉后地表温度和气温升温率较灌溉前有所减小。土壤湿度越大,绿洲温度越低,绿洲的“冷岛效应”越显著。绿洲灌溉后地面感热通量较灌溉前偏低,潜热通量比灌溉前高;土壤湿度越大,这种差异越显著。土壤湿度为0．35时,绿洲能够很好地表现绿洲特性,维持其自身的发展。绿洲边界层高度在灌溉前后有很大的变化。随着土壤湿度的增加,绿洲的边界层高度逐渐降低。这种较低的边界层对绿洲起到了保护作用,它将绿洲的能量与水分保存任较低的边界层中,促进了绿洲的进一步维持和发展。     

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

Numerical Simulation of Fluxes Generated by Inhomogeneities of the Underlying Surface over the Jinta Oasisin Northwestern China

Using land-use types derived from satellite remote sensing data collected by the EOS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (EOS/MODIS), the mesoscale and turbulent fluxes generated by inhomogeneities of the underlying surface over the Jinta Oasis, northwestern China, were simulated using the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS4.4). The results indicate that mesoscale circulation generated by land-surface inhomogeneities over the Jinta Oasis is more important than turbulence. Vertical heat fluxes and water vapor are transported to higher levels by mesoscale circulation. Mesoscale circulation also produces mesoscale synoptic systems and prevents water vapor over the oasis from running off. Mesoscale circulation transports moisture to higher atmospheric levels as the land-surface moisture over the oasis increases, favoring the formation of clouds, which sometimes leads to rainfall. Large-scale wind speed has a significant impact on mesoscale heat fluxes. During the active phase of mesoscale circulation, the stronger large-scale winds are associated with small mesoscale fluxes; however, background wind seems to intensify the turbulent sensible heat flux and turbulent latent heat flux. If the area of oasis is enlarged properly, mesoscale circulation will be able to transport moisture to higher levels, favoring the formation of rainfall in the oasis and protecting its "cold island" effect. The impact of irrigation on rainfall is important, and increasing irrigation across the oasis is necessary to protect the oasis.     

Numerical simulation of the critical scale of oasis maintenance and development in the arid regions of Northwest China

Oasis is a special geographic landscape among the vast desert/Gobi in Northwest China (NWC). The surface sensitive heat flux and latent heat flux at Zhangye Oasis during 1 to 11 August 1991 are simulated using the NCAR nonhydrostatic mesoscale model MM5 Version 3. The horizontal grid resolution is set as 1km. By comparing the simulation results with HEIFE observations, it is proved that the model can be used to simulate the surface energy and water mass exchange of arid and semiarid regions in NWC.Based on the above results, the influence of different oasis scales on the local atmospheric field near the ground surface, and the critical scale of oasis maintenance, in NWC are studied dynamically. The following conclusion is obtained: the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi is formed in the oasis downstream if the oasis scale is larger than 4 km. This local thermal circulation between the oasis and the desert adjacent to the oasis helps to conserve water vapor over the oasis. At the sametime, it transfers the abundant water vapor from the oasis into the desert/Gobi near to the oasis to supply relatively plentiful water vapor for desert crops to grow on the fringe of the oasis. So, it is advantageous for oasis extension. However, if the scale of the oasis is smaller than 4 km, it is not easy for the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi to take shape. This study provides a new standpoint for oasis maintenance and development.     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

夏季河西地区绿洲-沙漠环境相互作用热力过程的初步分析

从绿洲和沙漠地面能量平衡方程和水分平衡方程出发,得到了表达绿洲稳定度和绿洲环流的表达式,绿洲地表温度低于沙漠的最主要原因是绿洲地表明显的蒸发。绿洲上大气稳定度的增加对于维持绿洲是一个重要的自我保护机制。从动力学角度来看,绿洲区明显的下沉(上升)运动将使大气稳定(不稳定)。反照率效应将减弱绿洲风环流,相反,蒸发效应会驱动它。绿洲中过多的蒸发使绿洲地表温度低于周围沙漠。这种温度差异使绿洲风环流产生,并且使绿洲区产生下沉运动、沙漠区产生上升运动。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。