森林下垫面大气环境多尺度模拟研究

植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运.     

长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流影响的分析研究

发展了一个适合于长江三角洲地区的细网格区域气象模式, 利用这个模式成功模拟了长江三角洲地区海陆风、湖陆风、城市热岛等小尺度天气现象, 并研究了该地区地面风切变线形成的特征和机理, 指出海风和湖风的相互作用, 是地面切变线形成、维持的一个主要因素.     

GlobeLand30地表数据对北京气候中心气候模式的影响

地表覆盖是陆面及气候模式中的重要基础变量,其数据质量对气候模式性能有显著影响.本文基于一套中国自主研制的全球30m地表覆盖数据(GlobeLand30),利用北京气候中心气候系统模式(Beijing Climate CenterClimateSystemModel,BCC_CSM)中的陆面过程和大气环流分量模式,开展GlobeLand30数据对气候模式性能影响的研究.首先通过GlobeLand30和其他卫星遥感等辅助数据融合细化植被功能型(Plant FunctionType,PFT)类型数据满足BCC_CSM模式需求,然后利用基于面积比例的升尺度方法得到适合于全球模式的不同覆盖类型及其面积百分比数据.GlobeLand30与模式原有覆盖数据都能合理描述全球地表覆盖基本分布特征,但也存在一定差异,其中植被PFT类型的差别最明显.通过数值模拟试验全面评估GlobeLand30数据对模式结果的影响,结果表明在BCC_CSM的陆面模式和大气模式中采用GlobeLand30数据可以合理再现陆面与大气的基本气候特征;更新植被PFT数据的气候效应大于更新冰川和水体类型,综合更新所有覆盖类型数据对模拟结果的影响最大.引入GlobeLand30数据可降低BCC_CSM大气模式对北半球中高纬地区降水的正偏差和南美亚马逊等地区模拟降水的负偏差,以及南半球部分地区大气温度模拟的负偏差,因此GlobeLand30数据适用于BCC_CSM分量模式并对改善模式性能有正贡献.     

青藏高原单点陆面过程模拟试验

利用青藏铁路北麓河试验2002年6月的大气资料作为陆面模式的强迫场, 研究陆面过程模式(NCAR/LSM)在高原地区的模拟能力. 模拟结果表明, 在观测资料的强迫下, NCAR/LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势. 在LSM模式中青藏高原地区的地表植被类型描述与实况存在较大差异, 根据实际地表特征, 我们定义北麓河地区草原植被覆盖度为0.6, 叶冠高度为0.15, 位移高度为0.10. 通过对比试验发现, 修正模式参数后, 模拟的地面气温和地表温度日变化更接近于观测值, 对温度峰值模拟有较好改善. 地面通量模拟也有一定改善. 所以, 修正LSM模式中高原地区的地表及植被描述参数, 可以有效地提高陆面过程模式在青藏高原地区的模拟性能.     

植被覆盖状况影响中国地表气温变化的观测事实

利用NOAA/AVHRR归一化植被指数（NDVI）及观测气温与再分析地表气温的差值（Observation Minus Reanalysis, OMR）分析了植被覆盖状况对中国地表气温变化的影响.结果表明,地表气温OMR趋势值与NDVI在空间上呈现出显著的负相关关系,植被覆盖状况差（NDVI小于0.1）的区域地表升温较为显著,气温OMR趋势值超过0.2℃/10a,而植被覆盖度高（NDVI大于0.5）的区域气温OMR趋势值则变化不大,甚至出现降温.气温OMR趋势值对植被的季节变化还有着敏感的响应.不同区域植被覆盖状况的差异可能导致中国地表气温变化对全球变暖的响应不同,预测中国未来气候变化需要考虑植被覆盖状况及其动态变化的影响.     

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．     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

巢湖对冬季陆面辐射和热量过程的影响

从物理气候学的观点出发,分析了湖泊对水体和陆地辐射平衡和热量平衡各分量的影响。以巢湖地区冬季观测资料为例,揭示了在晴稳天气湖陆风环流对陆面显热输送的影响,以及在冷平流天气,湖泊对上下风方陆面显热输送的影响。     

2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟

运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配.     

应用MODIS数据监测千岛湖流域植被覆盖动态(2001-2013年)

流域植被覆盖状况对于水源地生态环境保护具有重要的指示作用.当前的水质目标管理不仅要着眼于湖库水质参数控制,更应该从整个流域的角度维系生态平衡.在此背景下,依托长时间序列MODIS遥感数据对千岛湖流域2001-2013年植被覆盖状况进行监测,采用最小二乘法趋势分析和Mann-Kendall显著性检验方法分析了千岛湖流域植被的空间分布特征、时间变化特征与长期变化趋势.研究表明该方法能够有效地监测流域植被覆盖的时空动态变化:1)从空间分布上来看,千岛湖流域植被覆盖状况整体较好,但同时也发现受人为干扰较大的地域如河、湖附近的城镇建设用地、农业用地以及园地,其NDVI值明显低于自然林地;2)从时间变化特征上看,2001-2013年千岛湖流域植被年际NDVI在0.69~0.73之间波动,且近年来有增长趋势,年内季节性NDVI动态分析表明高时间分辨率的MODIS数据能够用来区分常绿植被与落叶植被的物候特征,以分析不同植被类型对流域氮、磷流失的风险差异;3)从变化趋势上看,2001-2013年植被覆盖状况改善的区域远大于退化的区域,其中改善区域约占流域面积的55.90%,呈现出一定退化状态的区域约占29.60%(严重退化区域仅占3.97%),而相对稳定不变区域约占14.51%.经与气温与降水等气候因子进行相关性分析表明,植被NDVI与气温呈显著正相关,而降水则不敏感,说明气温是研究区植被生长的主导气候因子.同时发现,人类活动对局部植被变化影响较大.研究结果可为流域水资源与生态环境保护提供空间数据支撑.     

SCIENCE CHINA Earth Sciences SUBJECT INDEX TO VOLUME 57(2014)

正~~     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Distribution of throughfall and stemflow in multi‐strata agroforestry,perennial monoculture,fallow and primary forest in central Amazonia,Brazil

The partitioning of rain water into throughfall, stemflow and interception loss when passing through plant canopies depends on properties of the respective plant species, such as leaf area and branch angles. In heterogeneous vegetation, such as tropical forest or polycultural systems, the presence of different plant species may consequently result in a mosaic of situations with respect to quantity and quality of water inputs into the soil. As these processes influence not only the water availability for the plants, but also water infiltration and nutrient leaching, the understanding of plant effects on the repartitioning of rain water may help in the optimization of land use systems and management practices. We measured throughfall and stemflow in a perennial polyculture (multi‐strata agroforestry), monocultures of peach palm (Bactris gasipaes) for fruit and for palmito, a monoculture of cupuaçu (Theobroma grandiflorum), spontaneous fallow and primary forest during one year in central Amazonia, Brazil. The effect on rain water partitioning was measured separately for four useful tree species in the polyculture and for two tree species in the primary forest. Throughfall at two stem distances, and stemflow, differed significantly between tree species, resulting in pronounced spatial patterns of water input into the soil in the polyculture system. For two tree species, peach palm for fruit (Bactris gasipaes) and Brazil nut trees (Bertholletia excelsa), the water input into the soil near the stem was significantly higher than the open‐area rainfall. This could lead to increased nutrient leaching when fertilizer is applied close to the stem of these trees. In the primary forest, such spatial patterns could also be detected, with significantly higher water input near a palm (Oenocarpus bacaba) than near a dicotyledonous tree species (Eschweilera sp.). Interception losses were 6·4% in the polyculture, 13·9 and 12·3% in the peach palm monocultures for fruit and for palmito, respectively, 0·5% in the cupuaçu monoculture and 3·1% in the fallow. With more than 20% of the open‐area rainfall, the highest stemflow contributions to the water input into the soil were measured in the palm monocultures and in the fallow. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Anthropogenic Eutrophication and Red Tide Outbreak in Lacustrine Systems of the Kashmir Himalaya

Red tide, a recurrent phenomenon has become conspicuous in several Kashmir lake ecosystems since 1991. The responsible organism (Euglena pedunculata), a rare flagellate rediscovered in the Kashmir Himalaya (Khan 1993) caused first and unprecedented red tide outbreak, constituting a maximum of 96% of resident numerical phytoplankton density in Dal Lake. At present, conflicting hypotheses exist on the generation of causal assemblage(s) imparting redness to waters: Jeeji Bai (1991) linked its origin to acid precipitation – a fallout of burning oil‐fields during the Gulf War – whilst Khan (1993) holds local factor(s) responsible. Field/experimental studies support the latter contention that the influx of untreated sewage, in unison with warm temperatures, high levels of PhAR, iron and interruption to hydrological flow‐pattern together with absence/or reduction in grazing activity created conducive environmental milieu for red tide outbreak. Dal Lake “red tide” drifted the bloom‐inoculum to other waters, including Lake Wular, where additional ecological niches were carved out, threatening the aesthetic value and biological diversity of Kashmir lakes. Ecological monitoring indicates frequent seasonal red tide occurrence in Dal Lake (including summer‐autumn event of 1998) which testifies its unabated eutrophication status. Further studies are needed on ecological adaptability and biogeographic distribution of this rare and unique red tide‐causing flagellate.