一次引发华北和北京沙尘(暴)天气起沙机制的数值模拟研究

在对气象背景场进行诊断分析的基础上,集中对一次沙尘(暴)天气的起沙机制进行了数值模拟.具体做法是先将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平博士发展的具有清晰物理概念的起沙数值模式(非参数化方案),与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合.使用该模式系统,根据陆面状况和大气条件,定量模拟出沙尘(暴)起沙的过程.对2000年4月6～7日发生在华北和北京的一次沙尘暴过程的数值试验结果表明,该模式对沙尘天气的起沙过程有较好的模拟能力.     

一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合,以高精度中国区域的GIS(Geographic Information System)数据为基础,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统.该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度.在此基础上,采用该系统对2002年3～4月3次影响我国北方大部分地区的沙尘(暴)天气的起沙和输送过程进行了模拟试验.试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力.北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省,内蒙古中西部,河北省北部,山西省东北部,甘肃和青海北部等地区.起沙中贡献最大的粒子粒径为2～11μm和11～22 μm,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子,沙尘粒子的垂直输送高度一般在500 hPa以下.     

沙尘暴天气数值预报系统及其预报效果检验

沙尘暴天气数值预报系统包括区域大气模式、陆面过程模式、风沙模式(包括风蚀、输送和沉降模式)和地理信息系统。用该系统对2002年3月20日和4月7日2次沙尘天气进行了预报试验,利用地面观测资料和卫星观测资料对模式输出的主要沙尘天气预报产品进行了对比分析。分析结果认为,沙尘暴天气数值预报系统对沙通量、尘通量和垂直积分质量有很好的预报能力,但仍需改进陆面参数和沙尘气溶胶的初始值。     

2006年春季最强沙尘暴过程的数值分析

对2006年春季最强的一次沙尘暴过程(4月9～11日)的影响系统和天气概况进行了分析之后,利用包含较先进的陆面过程方案,具有清晰物理概念的沙尘数值预报系统对该次强沙尘暴过程的地面沙尘浓度、起沙量的空间分布和时间演变进行模拟和分析.该系统能较好复制出这次沙尘天气过程的时间和空间演变特征,沙尘发生、结束的时间以及(在较大范围的)强度变化,也能较好再现沙尘天气的日变化特征.该次大范围强沙尘天气模拟的起沙源在塔里木盆地、吐鲁番盆地、甘肃西北、蒙古南部、内蒙古阿拉善和浑善达克沙地及其毗邻地区.在不同地区起沙过程中贡献最大的粒子粒径在不同的地区有所不同,但主要是粒径为2～22 μm.研究表明,具有风蚀物理学基础的该沙尘数值预报系统,不但物理图像清楚,而且效果也比较好.     

陆面过程模式研发中的问题

陆面过程研究是充分理解天气/气候/地球系统过程不可或缺的重要主题。本文全面梳理了当前用于数值天气/气候/地球系统模式的陆面过程模式研制的问题,建议了当前陆面过程模式研制中需加强和改进完善的关键内容。特别强调在新一代模式研发中建立包含人类活动的高分辨率全球陆面过程模式;特别强调与其他学科相结合,形成不同行业的预报预测系统或研究方法和工具。建议建设中国的集模式发展、数据分析、模拟方法、高性能计算、数据可视化和应用示范为一体的陆面模拟综合集成平台,为天气/气候/地球系统模式提供陆面过程模式,为开展精细化的全球和区域陆面水文-气象-生态的预报预测提供科技支撑。     

2004 年春季一次较强沙尘暴的实时预报与特征分析

首先对2004年春季最强的一次沙尘天气过程进行了简要分析,然后利用业务化的集成沙尘数值预报系统对其进行了数值预报试验,并在检验了预测结果的可用性的基础上,进一步分析了沙尘浓度、起沙量等模式输出结果的特征。结果表明:该预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程预报能力较好;对沙尘天气的发生、发展和消亡过程有预报意义。这次过程的沙尘源地主要是蒙古国南部和中蒙边境沙地,包括毛乌素沙地、腾格里沙漠和浑善达克沙地;起沙和输送过程中各种粒子的贡献随着沙尘天气发生区域的不同而不同,这次过程中起沙量贡献主要是粒径为2~22μm的粒子,在大气中长时间长距离输送的粒子主要是粒径小于11μm的粒子。     

2006年春季一次引起华北地区强沉降的沙尘暴过程的模拟研究

2006年春季是我国北方地区2000年以来强沙尘暴过程最多的一年,浮尘和扬沙天气更是频繁发生.尽管,4月16～17日过程不是2006年春季最强的沙尘暴过程,但其在华北地区引起了严重的沉降,尤其对京津地区影响较大.这是一次由蒙古气旋引发的强沙尘暴过程.利用沙尘天气预测系统(IAPS 2.0)对该次强沙尘暴过程进行了模拟试验,结果表明:该系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力,基本模拟出了这次强沙尘暴的发生和移动;沙尘受对流层中低层偏西风的作用输送到华北地区,并从山东半岛越过渤海湾向东输送;主要的沙尘源地是蒙古国南部和我国西北的内蒙古、新疆西部、甘肃、陕西北部,而起尘最大的地区在蒙古国和内蒙古的沙漠、戈壁地区;沉降最严重的地区是沙尘源区及其附近,可达到50 g*m-2,其他地区的总沉降量在10 g*m-2左右.     

沙尘天气过程起沙特征的观测试验和参数化研究进展

沙尘天气过程研究中,起沙过程是沙尘传输和沉降的基础,沙尘模式中的起沙参数化方案决定了能否准确模拟和预报沙尘天气。试验观测和数值模拟是研究起沙过程的重要途径。基于风蚀起沙的物理机制,总结了起沙机制和起沙特征的研究成果,介绍了风蚀起沙的主要影响因子,回顾了起沙关键参数（临界起沙摩擦速度（u*t ）或临界起沙风速（Ut ）、水平跃移沙尘通量（Q）和起沙通量（F））的试验观测及其沙尘模式应用中的参数化方案,并讨论了不同起沙参数化方案的应用与校验。同时,针对目前研究中存在的问题和今后可能的研究方向提出建议。     

中国北方沙尘天气气象场的数值模拟

利用PSU/NCAR的非静力中尺度气象预报模式MM5对北方地区气象场进行模拟,通过对2001年3月21日发生并影响北京地区的沙尘过程的数值实验表明,该模式能够较好地模拟和预测北方沙尘天气的时空演变特征。低值系统以及其低层辐合、高层辐散的垂直结构,可以产生很强的上升气流,形成地面起沙和沙尘上扬,而强风是沙尘输送的动力条件。利用轨迹模式对空气质点轨迹进行了模拟研究,可以较好地反映沙尘的发生源区和输送路径,与卫星监测和天气系统分析是一致的。并编写软件用于演示气象场的动态效果。     

2009年4月北方一次强沙尘暴过程的特征分析和数值模拟

利用观测资料对2009年春季4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素(气温、气压、风速)变化和PM10进行分析.结果表明:蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴的主要影响系统;沙尘暴过程前后温、压和风速有剧烈变化;PM10的强度能较好地反映沙尘暴强度.在观测资料分析基础上,利用沙尘暴数值预报系统对此次过程进行了模拟,采用模拟结果对地面沙尘浓度和起沙进行了分析.结果表明:模式能较好地模拟出这次沙尘天气的时间和空间演变特征,模拟沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致,比较白天早间和下午的沙尘浓度分布,发现其具有日变化;这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部,垂直沙通量超过50 mg·m2·s-1;沙尘浓度垂直输送的高度在550hPa以下,起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送;对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同,但是对起沙量贡献最大的是粒径在2μm相似文献   

Subdaily to Seasonal Change of Surface Energy and Water Flux of the Haihe River Basin in China: Noah and Noah-MP Assessment

The land surface processes of the Noah-MP and Noah models are evaluated over four typical landscapes in the Haihe River Basin(HRB) using in-situ observations. The simulated soil temperature and moisture in the two land surface models(LSMs) is consistent with the observation, especially in the rainy season. The models reproduce the mean values and seasonality of the energy fluxes of the croplands, despite the obvious underestimated total evaporation. Noah shows the lower deep soil temperature. The net radiation is well simulated for the diurnal time scale. The daytime latent heat fluxes are always underestimated, while the sensible heat fluxes are overestimated to some degree. Compared with Noah, Noah-MP has improved daily average soil heat flux with diurnal variations. Generally, Noah-MP performs fairly well for different landscapes of the HRB. The simulated cold bias in soil temperature is possibly linked with the parameterized partition of the energy into surface fluxes. Thus, further improvement of these LSMs remains a major challenge.     

区域气候模式与陆面模式的耦合及其对东亚气候模拟的影响

将大气—植被相互作用模式AVIM（Atmosphere-Vegetation Interaction Model）与区域环境系统集成模式 RIEMS2.0（Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0）耦合,利用耦合后的AVIM-RIEMS2.0模式在东亚区域选定典型年份进行积分试验,通过模拟结果与观测资料对比分析,从整体上评估耦合模式对东亚区域的模拟能力。结果表明:模式能够较好地模拟850 hPa风场、500 hPa位势高度、气温、降水以及地表热通量空间分布型和季节变化。双向耦合具有动态植被过程的AVIM模式后,RIEMS2.0模拟能力有一定程度的提高。850 hPa风场在冬季的中国东北、华北地区以及夏季的中国东部地区,模拟偏差都减小;500 hPa高度场模拟在中国北方地区改进明显,而在中国南方地区的夏季并没表现出明显的改进趋势。耦合模式改进了RIEMS2.0模式冬季气温模拟偏低而夏季偏高的现象。从区域平均看,耦合模式改善了降水模拟偏多的现象,并使得潜热通量的模拟效果有明显的改进,对感热通量模拟在大部分地区也有改进。总的来看,AVIM-RIEMS2.0耦合模式对中国北方地区模拟改进较为明显,而对中国南方地区,特别是华南地区没有明显的改进。     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

Impacts of Land Process on the Onset and Evolution of Asian Summer Monsoon in the NCEP Climate Forecast System

Impacts of land models and initial land conditions(ICs) on the Asian summer monsoon,especially its onset,were investigated using the NCEP Climate Forecast System(CFS).Two land models,the Oregon State University(OSU) land model and the NCEP,OSU,Air Force,and Hydrologic Research Laboratory(Noah) land model,were used to get parallel experiments.The experiments also used land ICs from the NCEP/Department of Energy(DOE) Global Reanalysis 2(GR2) and the Global Land Data Assimilation System(GLDAS).Previous studies have demonstrated that,a systematic weak bias appears in the modeled monsoon,and this bias may be related to a cold bias over the Asian land mass.Results of the current study show that replacement of the OSU land model by the Noah land model improved the model’s cold bias and produced improved monsoon precipitation and circulation patterns.The CFS predicted monsoon with greater proficiency in El Nin o years,compared to La Nin a years,and the Noah model performed better than the OSU model in monsoon predictions for individual years.These improvements occurred not only in relation to monsoon onset in late spring but also to monsoon intensity in summer.Our analysis of the monsoon features over the India peninsula,the Indo-China peninsula,and the South Chinese Sea indicates different degrees of improvement.Furthermore,a change in the land models led to more remarkable improvement in monsoon prediction than did a change from the GR2 land ICs to the GLDAS land ICs.     

陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。     

Evaluation of the WRF Model with Different Land Surface Schemes： A Drought Event Simulation in Southwest China during 2009–10

The authors examined the performance of version 3.4.1 of the Weather Research and Forecasting Model（WRF） with various land surface schemes in simulating a severe drought event in Southwest China. Five numerical experiments were completed using the Noah land surface scheme, the Pleim-Xiu land surface scheme, the Noah-MP land surface schemes, the Noah- MP scheme with dynamic vegetation, and the Noah-MP scheme with dynamic vegetation and groundwater processes. In general, all the simulations reasonably reproduced the spatial and temporal variations in precipitation, but significant bias was also found, especially for the spatial pattern of simulated precipitation. The WRF simulations with the Noah-MP series land surface schemes performed slightly better than the WRF simulation with the Noah and Pleim-Xiu land surface schemes in reproducing the severe drought events in Southwest China. The leaf area index（LAI） simulated by the different land surface schemes showed significant deviations in Southwest China. The Pleim-Xiu scheme overestimated the value of LAI by a factor of two. The Noah-MP scheme with dynamical vegetation overestimated the magnitude of the annual cycle of the LAI, although the annual mean LAI was close to observations. The simulated LAI showed a long-term lower value from autumn 2009 to spring 2010 relative to normal years. This indicates that the LAI is a potential indictor to monitor drought events.     

Evaluation of Surface Air Temperature Change over China and the Globe during the Twentieth Century in IAP AGCM4.0

Based on time series and linear trend analysis, the authors evaluated the performance of the fourth generation atmospheric general circulation model developed at the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP AGCM4.0), in simulating surface air temperature (SAT) during the twentieth century over China and the globe. The numerical experiment is conducted by driving the model with the observed sea surface temperature and sea ice. It is shown that IAP AGCM4.0 can simulate the warming trend of the global SAT, with the major warming regions in the high latitudes of the Northern Hemisphere and the mid-latitudes of the Southern Hemisphere. While the simulated trend over the whole globe is close to the observation, the model under-estimates the observed trend over the continents. More-over, the model simulates the spatial distribution of SAT in China, with a bias of approximately-2°C in eastern China, but with a more serious bias in western China. Compared with the global mean, however, the correlation coefficient between the simulation and observation in China is significantly lower, indicating that there is large uncertainty in simulating regional climate change.     

陆面—水文耦合模式的参数率定及改进研究

基于淮河流域的地形、岩石地质类型等空间分布特征,对陆面—水文耦合模式CLHMS1.0(Coupled Land Surface-Hydrological Model version 1.0)的河道曼宁糙率系数、水力传导度两个关键参数进行了率定;在此基础上,通过基于CLHMS1.0的多组敏感性试验,分析了河道曼宁糙率系数、水力传导度对CLHMS1.0模拟淮河流域水文过程的影响。研究结果表明,淮河流域上游王家坝子流域曼宁糙率系数的减小,可以显著提高模式对王家坝水文控制站上游模拟的水流流速,减小了模式对王家坝洪峰来临时间模拟偏迟的误差;依据淮河不同子流域的岩石地质类型选定更为合理的水力传导度参数后,模式对淮河流域河道流量等水文过程的模拟更为准确。利用参数率定后的CLHMS1.0对淮河流域1980~1987年逐日水文过程进行了模拟,与观测实况比较结果表明,采用了新的河道曼宁糙率系数和水力传导度参数后,模式对淮河流域逐日水文过程的模拟能力显著提高,且可以更合理地模拟出地表产流和地下水补给对流域河道流量的相对贡献。     

IAP94陆面过程模式在淮河流域的验证试验

利用ＩＡＰ９４陆面过程模式对淮河流域不同季节（春、夏、秋）、不同下垫面（旱地、森林、水田）进行了单点数值模拟试验，结果表明ＩＡＰ９４不但能较好地模拟出观测的地气间各种能量通量以及植被的冠层温度，同时还很好地模拟出整层土壤含水量的变化趋势，从而证实了ＩＡＰ９４陆面过程模式具有正确描述东亚半湿润季风区陆气相互作用的能力。另外比较结果还揭示了水田表面强烈蒸发作用的重要性，需要在陆过程模式中予以重视。     

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。