北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model)介绍及检验

陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤—植被—大气耦合模式(Soil-PlantAtmosphere Model,SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction,Oregon State University,Air Force,and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程.     

CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

中国东北半干旱区能量水分循环的同化模拟

使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和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．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义．     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

WRF模式不同陆面方案对一次暴雨事件模拟的影响

本文利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model (WRF) 3.1版本及National Centers for Environmental Prediction (NCEP)分析资料,就2003年6月下旬我国江淮及南方地区的强降水事件, 以24 h短期天气模拟的方式,研究了模式中四个不同陆面方案对降水模拟的影响.结果表明,此次暴雨事件模拟对不同陆面方案是比较敏感的,模拟区域内雨量级别越高,不同方案的TS评分差异就越大,较大范围雨量可存在30%的差异,四种方案的暴雨中心值可存在100%～150%的较大差别;不同陆面方案还导致了模拟平均感热通量及潜热通量的系统性差异,这些差异的分布具有地域特点;陆面方案通过两种机理对模拟降水产生重要影响,即主要影响地表蒸发量,以及主要影响低层环流及水汽辐合,从而分别影响模拟的较大范围降水(如,平均约7%、最大约30%的较大范围雨量差异)及包含模拟降水中心的较小范围暴雨(如,方案间暴雨中心雨量可存在100%～150%的较大差别).可见,不同陆面过程可从不同空间尺度、不同程度上影响暴雨天气,改进陆面方案可以提高WRF模式对暴雨的模拟能力.     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化

利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料,采用涡相关法和TOGA COARE25b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海洋-大气间的通量交换,讨论了辐射、动量、感热通量、潜热通量、海洋热量净收支的时间变化特征及其与气象要素变化的关系.结果表明：西南季风爆发前后,太阳短波辐射、海面净辐射、潜热通量和海洋热量净收支变化特别强烈;通量变化受不同环境要素的影响：感热通量与海-气温差呈正相关关系,与气温呈明显的负相关关系.潜热通量与风速、海-气温差及海面水温均有正相关关系,其中与风速的关系最密切.动量通量（τ）主要随风速变化,它与风速（V）的关系可以表示为τ=000185V2-000559V+001248.     

黄海、东海海域出海气旋发展过程中尺度数值模拟

利用MM5中尺度模式对1999年6月两个出海气旋发展过程进行 数值模拟. 数值模拟的气旋出海后移动路径与实际情况基本一致. 在数值模拟基础上重点讨 论了出海气旋发展过程潜热通量和感热通量的分布及其演变情况. 气旋出海后在气旋中心区 南方和东方存在负潜热通量和感热通量区. 出海气旋的东移和发展，其前方强大正热通量区 的存在可能是重要原因之一.     

CMIP5模式对西北太平洋SST的模拟偏差及可能成因分析

利用参加第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5,CMIP5)的21个全球耦合气候模式的输出结果,利用海表热收支诊断方法,讨论了CMIP5模式对西北太平洋海表面温度(SST)的模拟偏差及其可能成因.结果表明,大部分CMIP5模式模拟的西北太平洋SST在全年都有持续的冷偏差,且在夏季最大,在冬季最小.CMIP5模式模拟的西北太平洋SST冷偏差是海盆尺度的,并且主要分布在中低纬度海洋内区.混合层热收支诊断分析研究表明,大气过程所致的海表净热通量模拟偏少是造成西北太平洋SST模拟冷偏差的主要原因,其中大气过程导致的潜热通量模拟偏多是造成冬、春、秋三季SST模拟冷偏差的最主要因素,而在夏季海表短波辐射模拟偏少和潜热模拟偏多对SST模拟冷偏差均有重要贡献.进一步分析表明,冬、春季西北太平洋低层风速偏大可能与海洋大陆区域的正降水偏差有关,而夏、秋季风速偏差则可能与热带辐合带的模拟偏差有关.冬、春季海洋大陆区域的正降水异常及夏、秋季ITCZ的模拟偏差使得北太平洋地区产生东北风异常,该东北风异常叠加在气候态风场上,使得北太平洋地区风速增强,造成海表潜热通量模拟偏多,海温模拟偏冷.     

基于卫星遥感资料的中国区域土壤湿度EnKF数据同化

土壤湿度在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色,是气候、水文、农业、林业等研究中重要的地球物理参数之一.土壤湿度影响地面蒸散,径流、地表反射率、地表发射率以及地表感热和潜热通量,从而对气候有重要影响,它对大气的影响在全球尺度上仅次于海面温度,在陆地尺度其影响甚至超过海面温度.本文介绍了基于EnKF及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统（CLSMDAS,China Land Soil Moisture Data Assimilation System）,以及该系统应用于中国区域陆面土壤湿度同化试验的结果.CLSMDAS包括以下几个部分：1）陆面模式采用美国国家大气研究中心NCAR的陆面过程模型Community Land Model Version3.0（简写为CLM3.0）;2）大气驱动场数据中的降水和地面入射太阳辐射数据来自FY2静止气象卫星每小时产品;3）陆面数据同化方法采用EnKF（Ensemble Kalman Filter）同化方法;4）观测数据包括AMSR-E卫星反演土壤湿度产品以及地面土壤湿度观测资料.利用CLSMDAS对2006年6~9月的土壤湿度同化试验结果的分析表明：陆面模式模拟和同化结果都能比较合理地反映出土壤湿度时空分布,同化的土壤湿度分布与2006年8月重庆、四川发生建国以来最严重的夏伏旱有非常好的对应关系,与发生在9月的湖北东部、广西南部等地的干旱区也有非常好的对应关系.     

近地层参数化对海南岛海风降水模拟的影响

利用WRF模式探讨了两种近地层参数化方案(MM5方案和Eta方案)对2013年5月31日海南岛一次海风降水过程模拟的影响.结果表明,改变近地层方案可对当地的海风环流及相应的降水特征产生明显影响,两个试验最重要的差别主要体现在模拟的海风及降水的强度差异上,与MM5试验相比,Eta试验的低层海风及辐合程度更强,相应的降水也更强,表现为岛屿总格点降水量、大于10mm的降水区域、最大格点降水三个量化指标均比较大.通过分析两种方案在不同降水阶段的地表通量及近地层变量场,发现Eta试验模拟的降水前环境场更有利于对流的启动,随着午后热力湍流的不断增强,将MM5方案替换为Eta方案可使近地层感热通量、潜热通量分别增加约3.57%、5.65%,动量通量减小约10.79%,感热、潜热的增加使Eta试验中近地层大气的加热加湿作用更加明显,相应的低层大气不稳定度更高,再配合海风锋前较强的辐合上升运动,局地不稳定能量的释放变的更加容易,因此降水强度更大.     

辐射参数化对海南岛海风雷暴结构模拟的影响

本文利用高分辨率WRF模式探讨了两组短波、长波辐射参数化方案(Dudhia+RRTM、RRTMG+RRTMG)对海南岛一次海风雷暴模拟的影响及其可能的物理机制.结果表明,辐射参数化能影响大气的加热程度和近地面能量,决定海陆温差和气压差,改变海南岛的海风特征,最终影响海风雷暴的发生发展.Dudhia+RRTM方案模拟的短波、长波综合加热率、感热通量以及潜热通量都大于RRTMG+RRTMG方案,造成了前者模拟的近地面能量偏高,大气层结也表现得更加不稳定,进而使得该方案下的海陆温差和气压差相对较大,Dudhia+RRTM方案模拟的海风明显强于RRTMG+RRTMG方案,能提供更好的水汽输送和抬升条件,有利于海风雷暴的发生发展,因此其模拟的雷暴活动范围和对流中心强度都要大于RRTMG+RRTMG方案.     

不同强度冷空气对太湖水热交换的定量影响

作为冷季主要的天气事件,冷空气过境会改变湖泊上方的气团性质,对湖泊的水热通量产生影响,进而影响湖泊的生物物理和化学过程.以亚热带大型浅水湖泊——太湖为研究对象,基于2012-2017年5个冷季（11月-翌年3月）的太湖中尺度通量网观测数据,量化不同强度冷空气（寒潮、强冷空气和较强冷空气）对太湖水热通量的影响.结果表明：在5个冷季中,寒潮、强冷空气和较强冷空气发生的总次数分别为4、11和33次,累积持续天数分别为14、31和78天.冷空气过境显著增强太湖的水热通量,3种冷空气过境使太湖的感热通量分别增至无冷空气时的10.3、6.0和4.3倍,潜热通量分别增至无冷空气时的4.0、2.1和2.7倍.虽然冷空气影响天数仅占冷季天数的16.4%,但对整个冷季的潜热和感热通量贡献分别为34.9%和51.7%,以较强冷空气贡献最大.冷空气影响时,水-气界面的温度梯度是太湖感热通量的主控因子,而潜热通量的主控因子为风速.与深水湖泊相比,太湖等浅水湖泊对冷空气过境的响应更快,寒潮过境时尤为明显.     

我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

白洋淀水陆下垫面上行星边界层空间变动研究

利用三维非静力中尺度模式ARPS,对白洋淀地区水陆非均匀下垫面上大气边界层结构及其变动进行了模拟研究.结果表明,晴天弱背景下,白洋淀地区陆地大气比湿高于水域的情况发生在白天大部分时间内,是普遍存在的一种现象,该现象首先出现在近地层,然后不断向高空延伸,与水陆两种不同的下垫面特征密切相关.由于水陆下垫面的差异,导致水域感热和潜热通量全天较小,变化平稳,而陆地日间感热和潜热通量较大,且潜热高于感热.水陆两地近地层湍流运动状态存在较大差异,湍流输送在水陆比湿空间变动过程中起决定性作用.形成的局地环流同样影响着水陆比湿的空间变动,主要表现在环流上下支对近地层湍流发展以及水汽的垂直输送的影响.陆地上空水汽主要来源于土壤植被的蒸发蒸腾,而来自水域的仅占很少一部分.     

边界层参数化方案对边界层热力和动力结构特征影响的比较

本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力.     

沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了半干旱区沙漠绿洲非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用过程, 成功地模拟了局地气候效应和地表温度、净辐射、感热和潜热通量特征并与实测资料进行了比较. 给出“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰准确和细致的结构特征, 结果表明: “绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱, 具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.     

洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征

基于2012年涡动相关法取得的洱海湖气之间湍流通量资料,计算了湖面反照率、空气动力学粗糙度和整体输送系数等湖气交换过程的基本物理参数;分析高原湖泊表面动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征及其主要的控制因子;采用神经网络法对缺失蒸发量数据进行填补,估算了洱海湖面全年蒸发量。2012年全年蒸发量为（1165±15）mm,大于年实际降水量（2012年的年降水量为818mm）。洱海局地环流在全年范围内较显著;全年主导风向为东南（谷风／湖风）和西北风（山风／陆风）。高原湖泊感热通量通常只有每平方米几十瓦,通常午后感热通量为负值;即湖面向大气输送热量。夏季湖泊大气界面感热通量最大值出现在清晨,与湖气温差的出现时间一致;在白天湖面的有效能量主要分配为潜热通量;湖气温差和水汽压差分别是感热通量和潜热通量日变化的主要控制因子。湖气界面二氧化碳通量除夏季存在弱的吸收外,其余季节（冬季）表现为弱的排放。湖面反照率的季节变化规律与太阳高度角的季节变动有关,同时湖面反照率与水的浑浊度等有关。与实际观测得到的湖面反照率相比,CLM4湖泊模式在冬季低估（夏季高估）了湖面反照率。