城市化对北京单次极端高温过程影响的数值模拟研究

城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响,但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式,对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟,分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式,能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村,削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后,城市感热通量下降缓慢,城区降温速率小于乡村,夜间边界层稳定、高度低,风速小,抑制了城乡之间能量的传输,形成了夜间强的城市热岛强度,造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升,边界层稳定性下降。午后,城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心,通过潜热调节气温的能力被削弱;边界层稳定性降低,有利于能量的垂直扩散;此时,城市热岛强度小于夜间。因此,北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应,加重了城区极端高温事件的强度。此外,在这次高温热浪期间,中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制,晴空少云,西北气流越山后形成焚风效应,是北京地区高温热浪形成的天气背景。     

中国区域陆气耦合强度的时空分布特征

使用陆气耦合强度来表征陆面状态对降水、气温或大气其他物理过程的影响程度,可以辨识陆气相互作用的热点地区,加深对陆气相互作用和气候系统的认识。利用ERA5再分析资料,结合Pearson相关系数、Kendall’s Tau相关系数及土壤湿度-潜热通量、潜热通量-抬升凝结高度的陆气耦合指数对中国区域陆气耦合强度进行定量分析。结果表明:(1)我国北方干旱半干旱区土壤湿度增大导致潜热通量增加,为降水提供了所需的水汽条件;潜热通量增大导致感热通量减小,温度降低,对边界层的驱动减弱,不利于气团的抬升凝结,该区域是我国陆气相互作用的热点地区。(2)我国陆气耦合强度存在显著的季节性差异。干旱半干旱区陆气耦合强度在春夏季较强,秋冬季较弱。西南地区春季土壤湿度较低,有显著的陆气相互作用。     

一次近海突然增强台风的个例数值模拟

运用非静力的WRF(V3.4)模式,对近海突然增强台风莫兰蒂(Meranti 1010)进行数值试验,验证了近海台风的突然增强往往发生在台风移经高海温区(SST(Sea Surface Temperature)28℃)之后36 h左右,此时台风已处于中海温区(26℃≤SST≤28℃)。同时也验证了台风在高海温海域,内核对流旺盛,台风处于中等强度的风速垂直切变(8 m/sVWS15 m/s),强度增强;在低海温海域(SST26℃),即使风速垂直切变小(1 m/s≤VWS≤8 m/s),台风也将衰亡。试验表明,海温高低影响到海洋输入台风的潜热、感热和水汽通量。海温升高,海洋输入"莫兰蒂"台风的潜热、感热、水汽通量均增加,台风强度增强;海温降低,潜热、感热和水汽通量输入均减少,台风减弱;海温降幅越大,上述3通量输入减少越多,台风衰弱越明显。     

绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究

为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块（WRF-LES）在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验（分别简称为BI和AI）,其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前（BI）比灌溉后（AI）更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

城市下垫面对华南地区前汛期暴雨的影响初探

通过对2010年5月9日发生在广东地区的一次前汛期暴雨过程进行了模拟试验,探讨了城市下垫面通量对降水的影响。控制试验基本能反映此次暴雨过程的环流形势,降水特征。试验结果表明:城市下垫面感热、潜热和水汽通量对降水强度和分布都有影响,不考虑城市下垫面通量的作用,降水都有所减小,对流强度减弱。但城市下垫面水汽通量对上层水汽的作用影响不大。     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

成都地区城市化对气候影响的模拟研究

为了研究成都地区城市化对当地气候的影响,利用不同时期的下垫面土地利用类型数据和耦合单层城市冠层模型(UCM)的WRF（Weather Research and Forecasting）模式对成都夏季和冬季城市化效应进行了模拟研究,得到以下主要结论:1）成都地区城市化使夏季城区上空出现增温区域。城区地表气温升高约2.8°C,边界层高度升高约150 m,冬季地表气温平均升高约0.6°C,边界层高度升高约25 m。夏冬两季气温日较差均减小。2）受城市化影响,成都地区夏季和冬季2 m相对湿度减小,感热通量增加,潜热通量减小,且夏季变化程度强于冬季。3）城市化使地表的粗糙度增加,进而使夏季和冬季风速在城区减小,减小约0.1~0.6 m s?1,但夏季风速减小区域较冬季更大。城市化还使城市上空低层散度减小,辐合作用增强,垂直速度增大,夏季水汽往高层输送明显。4）夏季,城市化作用使日平均和白天时段降水量在城区的迎风区和下风区均增加,夜间降水量在下风区域增加,对迎风区域影响不明显。     

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。     

纳木错湖夏季典型大气边界层特征的数值模拟

为了进一步检验分析纳木错湖对当地地方性环流、湖气能量交换及大气边界层的影响,在本文中使用美国NCAR新版MM5V3.7非静力中尺度模式,设计了有湖面、3/4湖面、1/2湖面及无湖四组试验,以NCEP再分析资料做初、边值条件,做了48 h三重嵌套模拟试验,对比中国科学院"纳木错圈层相互作用"综合观测站实测资料,说明该模式模拟性能良好。白天在纳木错湖风与念青唐古拉山北坡谷风共同作用下,在念青唐古拉山脊处汇合,形成一强水平切变及辐合上升运动,造成了该地夏季白天复杂多变的天气;夜间由于南岸湖风与山风叠加,使得整个区域为强大南风气流控制,这也补给了水汽和热量,也为白天不稳定运动提供了能量。对大气边界层特征的模拟结果表明:由于白天(夜晚)纳木错湖的存在有很好的降温(保温)作用,该湖表现出了明显的冷(暖)湖效应;纳木错湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热均小于周围陆地,夜间湖面有强潜热通量;纳木错湖使得白天湖区边界层顶低,陆区边界层顶高,夜间相反。这样的地方性环流和大气边界层特征的配合,是该地中小尺度天气剧烈变化的重要原因。     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

Characteristics of Lake Breezes and Their Impacts on Energy and Carbon Fluxes in Mountainous Areas

In mountainous lake areas, lake–land and mountain–valley breezes interact with each other, leading to an "extended lake breeze". These extended lake breezes can regulate and control energy and carbon cycles at different scales. Based on meteorological and turbulent fluxes data from an eddy covariance observation site at Erhai Lake in the Dali Basin,southwest China, characteristics of daytime and nighttime extended lake breezes and their impacts on energy and carbon dioxide exchange in 2015 are investigated. Lake breezes dominate during the daytime while, due to different prevailing circulations at night, there are two types of nighttime breezes. The mountain breeze from the Cangshan Mountain range leads to N1 type nighttime breeze events. When a cyclonic circulation forms and maintains in the southern part of Erhai Lake at night, its northern branch contributes to the formation of N2 type nighttime breeze events. The prevailing wind directions for daytime, N1, and N2 breeze events are southeast, west, and southeast, respectively. Daytime breeze events are more intense than N1 events and weaker than N2 events. During daytime breeze events, the lake breeze decreases the sensible heat flux(Hs) and carbon dioxide flux(F_{CO_2}) and increases the latent heat flux(LE). During N1 breeze events, the mountain breeze decreases Hs and LE and increases F_{CO_2}. For N2 breeze events, the southeast wind from the lake surface increases Hs and LE and decreases suppress carbon dioxide exchange.     

利用RAMS模式对山谷城市兰州冬季湖泊效应的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的RAMS中尺度气象模式, 以NECP再分析资料为初、 边值条件, 在兰州城区东面设计了有湖和无湖两个试验, 做了72 h三重嵌套模拟试验, 分别模拟了两种情况下冬季兰州山谷地区的湖泊效应和大气边界层特征。模拟结果表明： （1）白天兰州山谷地区谷风在14：00强度达到最大。加入湖泊后, 14：00湖风强度增大, 湖风对谷风没有明显影响, 只对湖区及岸边附近的风场有影响。兰州山谷地区20：00以后山风开始出现, 到05：00左右北山山风的风速大于南山山风。05：00以后南山山风风速增大, 山谷以偏西风为主。加入湖泊后, 陆风也在夜间02：00左右表现的最为明显, 陆风和山风相互叠加, 导致兰州山谷东部地区西风风速增大; （2）加入湖泊后, 对周围地区气温的影响表现为夜间有增温作用, 增温作用随着离湖泊的距离渐远而减弱。在靠近湖区处夜间的近地面逆温强度减弱; （3）加入湖泊后, 对靠近湖面处空气相对湿度的影响表现为减小, 对靠近湖西岸陆地上近地面空气相对湿度的影响表现为先减小后增加, 这一点在夜间表现的最明显, 对靠近湖面处空气绝对湿度的影响表现为增加; （4）加入湖泊后, 湖区的净辐射和感热通量都减小, 湖的东西两岸的净辐射和感热通量都增大。在22：00到凌晨05：00之间, 靠近湖西岸的陆地上净辐射和感热通量也有所增大。     

2014年夏季青藏高原狮泉河与林芝降水低频振荡及陆—气过程日变化特征

根据“第三次青藏高原大气科学试验” 2014年7、8月青藏高原西南部狮泉河站、东南部林芝站的3 m涡动相关系统原始数据和10 Hz湍流资料以及中国气象局台站观测资料、JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）逐日再分析资料、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）全球降水逐日观测资料,分别讨论了这两个站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。结果表明:两站高低空环流场、水汽通量场、热源的10~20天低频分量在其干、湿位相期间的配置相反。低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。狮泉河站的低频振荡在纬向上自西向东传播,而林芝站的低频振荡在纬向上自东向西传播,结果表明这两个站分别存在两种不同起源的低频振荡。两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时（北京时,下同）,但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时;由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,06时之前以潜热为主,06时之后以感热为主;林芝站干、湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流平均动能与平均风速正相关,垂直动量表现为向下传输,热量和水汽表现为向上传输。     

晋江市海陆风对城市热岛的影响

利用2017年晋江市及其周边共27个自动气象站逐小时气象资料,分析了2017年晋江城市热岛强度的日变化及有无海陆风对城市热岛强度的影响,同时研究了不同季节海陆风风速对城市热岛强度的影响,最后通过典型个例海陆风日验证了晋江城市热岛的日变化特征。结果表明:晋江市全年平均热岛强度的日变化趋势呈“V”字型分布;海风能使城市降温,减弱城市热岛强度,而陆风能使夜间热岛显著增强,故与非海陆风日相比,海陆风日热岛强度的日变化幅度增大;热岛强度与海陆风风速呈负相关,海陆风风速越大对城市热岛有一定的缓解作用。     

Heat flux apportionment to heterogeneous surfaces using flux footprint analysis

Heat flux data collected from the Baiyangdian Heterogeneous Field Experiment were analyzed using the footprint method. High resolution （25 m） Landsat-5 satellite imaging was used to determine the land cover as one of four surface types： farmland, lake, wetland, or village. Data from two observation sites in September 2005 were used. One site （Wangjiazhai） was characterized by highly heterogeneous surfaces in the central area of the Baiyangdian： lake/wetland. The other site （Xiongxian） was on land with more uniform surface cover. An improved Eulerian analytical flux footprint model was used to determine “source areas” of the heat fluxes measured at towers located at each site from surrounding landscapes of mixed surface types. In relative terms results show that wetland and lake areas generally contributed most to the observed heat flux at Wangjiazhai, while farmland contributed most at Xiongxian. Given the areal distribution of surface type contributions, calculations were made to obtain the magnitudes of the heat flux from lake, wetland and farmland to the total observed flux and apportioned contributions of each surface type to the sensible and latent heat fluxes. Results show that on average the sensible heat flux from wetland and farmland were comparable over the diurnal cycle, while the latent heat flux from farmland was somewhat larger by about 30-50 W m-2 during daytime. The latent and sensible fluxes from the lake source in daytime were about 50 W m-2 and 100 W m-2 less, respectively, than from wetland and farmland. The results are judged reasonable and serve to demonstrate the potential for flux apportionment over heterogeneous surfaces.     

Numerical Modelling of the Effects of Vegetation and Environmental Conditions on the Lake Breeze

The influence of vegetation and environmental conditions on the lake breeze and associated boundary-layer turbulence structure has been studied using a two-dimensional nonhydrostatic, compressible mesoscale model coupled with the SiB2 land-surface scheme. The results show that the impacts of vegetation on the lake effects are dependent on the environmental conditions, such as soil wetness and background wind, as well as vegetation characteristics. Both soil wetness and background wind play important roles in modifying lake effects on boundary-layer turbulence and the lake breeze, while the effects of vegetation type are secondary compared to the other factors. Without background wind, and under the same soil wetness, the maximum horizontal windspeed of the lake breeze is insensitive to the type of vegetation. Soil wetness can greatly affect both the maximum horizontal windspeed and the maximum vertical velocities of the lake breeze. With background wind, the lake-breeze circulations, upward motion regions, and boundary-layer turbulence structure all change markedly. A weaker background wind can strengthen the lake breeze, while stronger background wind suppresses the lake breeze circulations. The distribution of sensible and latent heat fluxes is also very sensitive to the soil wetness and background wind. However, for the same soil wetness (0.25 and 0.4 were chosen), there is only a small difference in the distribution of sensible and latent heat fluxes between the bare soil and vegetated soil or between the types of vegetated soils.     

扎陵湖和鄂陵湖夏季典型地表水热交换特征的数值模拟

选用由美国国家环境预报中心NCEP和美国国家大气研究中心NCAR联合开发的新一代中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式,采用两重网格单向反馈嵌套的方法对扎陵湖和鄂陵湖区域的大气边界层特征进行数值模拟,并把湖泊水体下垫面替换为草地下垫面以设计另一组去除湖泊...