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。     

扎陵湖和鄂陵湖大气边界层特征的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的中尺度数值模式RAMS(Regional Atmos-pheric Modeling System),设计了有、无湖对比模拟试验,以NCEP再分析资料作为初始条件和边界条件进行了120h的三重嵌套模拟试验。结果表明,模式的模拟性能良好。模拟的大气边界层特征显示,由于扎陵湖、鄂陵湖的存在,白天(夜晚)具有很好的降温(保温)作用,并表现出明显的冷(暖)湖效应;在白天(夜晚)扎陵湖、鄂陵湖有明显的湖(陆)风效应;在两湖之间的陆地低层有辐合和风切变,且鄂陵湖西岸的湖风比扎陵湖东岸的强,削弱了扎陵湖东岸的湖风;扎陵湖、鄂陵湖使得白天湖区的边界层顶低,周边陆地区域的边界层顶高,夜间则相反;扎陵湖、鄂陵湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面的感热小于周围陆地,夜间湖面的潜热则大于周围陆地。     

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

大理苍山—洱海局地环流的数值模拟

利用耦合了湖泊模型的WRF_CLM模式模拟了秋季大理苍山—洱海地区的局地环流特征。结果表明:模式对近地面温度、风向、风速的模拟与观测基本一致,模拟结果能较好地再现该地区山谷风和湖陆风相互作用的局地环流特征。在秋季,大理苍山的谷风起止时间为08:00~17:00(北京时,下同),湖风起止时间为09:00~19:00。局地环流受高山地形及洱海湖面影响明显,山谷风形成早于湖陆风1 h,夜间山风、陆风强盛于白天谷风、湖风。白天苍山谷风与洱海湖风的叠加作用会驱动谷风到达2600 m的高度,而傍晚最先形成的苍山山风则会减弱洱海的湖风环流。夜间盆地南部在两侧山风、陆风的共同作用下,形成稳定而持续的气旋式环流。日出以后,对流边界层迅速发展,边界层高度逐渐增高。陆地17:00温度达到最高,边界层高度也达到峰值2000 m,之后逐渐降低。日落后形成稳定边界层,边界层高度在夜间基本保持在100 m。相对于陆地,湖面白天边界层高度低300 m,夜间边界层高度高100 m。     

黄河源区生态环境变化对湖泊效应影响的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF,设计了陆地生态环境好转、维持现状和退化3种情境下的模拟试验,分析了夏季黄河上游鄂陵湖湖泊效应的特征和生态环境变化对该湖泊效应的影响。结果表明,夏季晴天中午至傍晚,鄂陵湖有显著的湖风环流;白天湖面感热和潜热较小,昼(夜)表现出明显的冷(暖)湖效应;湖区低层全天呈现出"湿岛"效应;受湖风作用影响,环湖陆上白天形成"湿墙"和感热高值区;随着陆地生态环境由好转到退化,湖风环流加强,环湖"湿墙"增高,湖陆边界层高度差增大,陆面感热和潜热变化显著大于湖面;陆面边界层中下部的气温和比湿主要受下垫面影响,环境退化后分别升高和减小,而在边界层顶部由于受湖风环流的作用,两者变化趋势与中下部相反。     

西北干旱区夏季大气边界层结构及其陆面过程特征

在中国西北干旱区影响大气边界层形成和发展的气候环境和大气环流背景都具有一定特殊性.文中用外场观测试验资料,分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠夏季大气边界层气象要素结构特征,发现该地区无论白天的对流边界层还是夜间的稳定边界层均比一般地区更深厚.在夏季晴天,夜间稳定边界层厚度超过900 m,最厚可以达到1750 m,其上的残余层一般能达到4000 m左右的高度;白天混合层最高达3700 m,混合层顶的逆温层顶盖的厚度大约450 m,甚至更厚,对流边界层厚度能够超过4000 m,对流边界层进入残余层后发展十分迅速.研究表明,白天深厚的对流边界层是夜间保持清晰而深厚的残余混合层的先决条件,夜间深厚的残余混合层又为白天对流边界层的发展提供了一个非常有利的热力环境条件.该地区经常性出现连续性晴天使得大气残余层的累积效应得以较长时间持续发展,创造了比较有利于大气对流边界层发展的大气热力环境条件.同时,该地区陆面过程和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的支持.就该地区发展超厚大气对流边界层的物理机理而言,地表显著增温是强有力的外部热力强迫条件,近地层强感热通量提供了较充足的能量条件,较大的对流运动和湍流运动的速度是必要的运动学条件,大气残余层的累积效应提供了有利的热力环境条件.     

盆地环流型及冷湖的形成和消散的数值研究

本文建立了一个三维原始方程数值模式，模拟三维盆地中的环流，重点讨论在热力强迫环流型的转变过程中能量场的动量场的配置情况及环流演变过程。模拟结果表明，夜间地面强烈的辐射冷却过程引起盆地各坡面冷迳流的发展，盆地中成为冷空气湖，逆温层结建立。日出后对流边界层从大气低层向上发展，逆温从底部随之消蚀，仅在上层存在了夜间逆温残余，即所谓稳定核，上坡风在对流边界层发展，而稳定核内仍维持夜间下坡风环流。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

太湖地区湖陆风对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合了NOAH陆面模式的WRF中尺度数值模式,对2010年8月18日发生在太湖地区的一次强雷暴过程进行数值模拟,并将模拟结果与实况进行对比。结果表明:模式能较合理地模拟出雷暴演变过程及近地面要素变化。此次雷暴天气过程发生在湖风发展强盛时期,雷暴沿东岸湖风与背景风形成的辐合线发展。通过两个敏感性试验,研究了太湖地区湖陆风对雷暴过程的影响。湖风锋对雷暴过程起触发和增强作用,湖风锋的阻挡和抬升作用导致此次雷暴的产生。在湖风锋前缘形成的初始对流进一步发展加强为雷暴,发展成熟的雷暴低层出流又与湖风作用形成新的雷暴,湖风的辐合为对流云的发展提供水汽和能量。在雷暴的形成发展过程中,感热通量输送可改变大气边界层结构,使低层不稳定能量较易释放,潜热释放加强上升和下沉气流,使边界层湿度增大,对流进一步发展增强。     

WRF湖泊模型对青藏高原纳木错湖的适用性研究

WRF模式是目前应用最广泛的区域天气模式之一,在其最近的版本里耦合了一维湖泊模型,用于模拟陆面大型水体与底层大气的相互作用。本研究利用中国高时空分辨率气象驱动数据在西藏大湖之一的纳木错对该湖泊模型作离线模拟,并利用MODIS卫星数据、湖温观测数据和湖面能量平衡评估了模型在青藏高原纳木错湖的适用性。结果表明:WRF中的湖泊模型方案并不适用于纳木错,其原因是在模拟深湖时,模型中垂向混合能力不足,导致大量能量堆积在湖水浅层,湖温廓线和湖表能量平衡存在较大误差。通过加大湖体内部的湍流混合能力,模型对湖水未冻结期的湖温和湖表能量平衡的模拟有很大改进。     

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...     

昆明城市热岛效应的数值模拟研究

本文利用WRF（V3.9.1）模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control试验,研究了土地利用类型（Md04试验）、陆面过程（NoUCM试验）和湖泊（Nolake试验）对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布影响。主要结论如下:（1）四个试验城市热岛强度的平均日变化趋势相似,白天城市热岛强度较弱、夜间较强,在20时（北京时,下同）左右达到最大值。城市冠层（湖泊）对城市热岛有较明显的减（增）温,Control-NoUCM（Nolake）试验中,平均日最大差值为?0.79°C（+1.07°C）。（2）从能量平衡方程分析Control-Md04试验,感热（潜热）通量的差值为+46.18（?79.71）W m?2,潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM试验中,感热（潜热）通量的差值为?40.88（+29.60）W m?2;因NoUCM试验未考虑几何建筑物储热与遮挡,太阳辐射大部分被地表所吸收,导致感热通量偏大。（3）四种试验中,15（07）时边界层高度达到最大（小）值。NoUCM（Nolake）试验中城市边界层高度分别降低103 m（32 m）左右,而Md04试验中城市边界层高度增加102 m左右。（4）湖泊（滇池）对城市热岛环流影响的试验表明,湖泊上空垂直运动较弱,但水平方向湖陆风较大,这有利于向城市输送水汽,增加干空气湿度,使城市中空气的水汽含量增加,同时增大潜热能量释放,降低感热通量,减小了垂直温度梯度。     

白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究——实验介绍及近地层微气象特征分析

介绍了国家自然科学基金重点项目 "地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究" 在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验(时间分别是2004年11月16～22日和2005年9月8～27日),这两次实验获得了大量宝贵的资料,全面深入的资料分析正在进行中.此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析.结果表明: 陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大,而风速比水域上的小,其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高,夜间比水域上的低,11月份两地白天气温接近,但夜间陆地上的气温明显偏低; 无论是9月还是11月,水域上近地面层都是以下沉气流为主,而陆地则在中午前后存在弱的上升运动; 9月份,两地的近地面层短波射入辐射比较接近,但水域上的短波射出辐射比陆地上的大; 长波射入辐射则是陆地比水域的大,而长波射出辐射则是水域的比陆地的大; 两地的净辐射白天接近,夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大; 9月份,水陆两地的感热通量相差不大,为150～200 W/m2,而潜热通量比感热通量大,天气晴朗时可达到300 W/m2; 11月份,陆地的感热通量比潜热通量大,为100～120 W/m2,而水域地区的感热通量则与潜热通量相当; 两地的潜热通量相差不大,一般不超过50 W/m2.无论是9月还是11月,水域地区夜间都存在水汽向下输送的逆湿现象,而陆地只在9月份存在逆湿现象.2005年9月份的水温观测结果表明,白洋淀水体平均温度比水表平均温度明显偏高,而且日变化幅度很小,水表平均温度则日变化较大.     

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.     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

The significance of surface temperature patterns on the energy balance of a small lake in the Canadian Shield

Abstract

Temperature patterns of a small lake in the Canadian Shield are examined by means of thermal imagery. The effect of the different surface temperatures on the daytime energy balance is examined for two points over the lake at the time the thermal imagery was taken. For 14 June 1979, two distinct energy balance regimes are noted. At the lake centre, where the deeper water registers a relatively cool thermal signature, a boundary‐layer inversion is observed. The downward sensible heat flux augments the net radiation, and the latent heat flux is 105% of the radiant input. Along the lake margins, the shallows register warm thermal signatures and a lapse profile is observed. The sensible heat flux is an energy sink and the latent heat flux is diminished to 88% of the net radiation. This difference indicates that a single point estimate may introduce a bias if it is assumed to be representative of the lake average for the purposes of studying lake evaporation.

The calculation of the latent heat flux and evaporation is very sensitive to the value of the surface temperature. When the spatial patterns of surface temperature are considered in an estimate of the lake evaporation, the spatially integrated value differs by —6% from the estimate based upon a single point observation at the lake centre for a mid‐day in June and by +10% from the estimate based upon observations collected over the warm shallows.     

The role of wintertime radiation in maintaining and destroying stable layers

Summary Strong stable layers are a common occurrence during western Colorado's winter. Analysis of radiosonde observations indicate wintertime boundary layer heights are near 500 m. The terrain in this region consists of mountains that rise approximately 1500–2000 m above the ground to the east, providing an effective blocking barrier. An experiment is described to observe upwelling and downwelling, longwave and shortwave radiative fluxes at two sites in western Colorado during January and February 1992, for combinations of clear, cloudy, snow covered, and bare ground periods. Analysis of the observations and the surface energy budget for typical Bowen ratios provides a better understanding of the role of radiation in maintaining and destroying stable layers.During the day, the surface received a net gain of energy from radiation, while at night there was a net loss. Over snow, the 24-hour net radiative flux was small and either positive or negative. Over bare soil, the 24-hour net radiative flux was positive but still small. There is little difference in the net radiative flux between clear and cloudy days; the reduction of the incident solar flux by clouds is nearly compensated by the hindering of the longwave cooling. The cumulative effects of the 24-hour net radiative flux were negative over snow early in the experiment. The 24-hour values shifted to near zero as the snow albedo decreased and were positive for bare ground.If the daytime net radiative flux is partitioned into sensible and latent heat flux using typical Bowen ratios, the daytime sensible heat available for destroying boundary layers is small for the low solar angles of the winter season. With a Bowen ratio of 0.5, the daytime sensible heat flux available is only 0.3 to 1.2 MJ m^–2 over a snow surface and 1.4 to 2.3 MJ m^–2 over soil. These heat fluxes will not build a deep enough boundary layer to break a typical wintertime inversion. The 24-hour sensible heat flux was negative at both sites for the entire experiment with this Bowen ratio.The radiation observations and the use of typical Bowen ratios lead to the conclusion that the net radiation will sustain or strengthen a stable atmosphere in the winter season in western Colorado. Analysis of the radiosonde observations confirm this result as the boundary layer depths were less than 500 m early in the experiment and grew to only 700 m later in the experiment.With 12 Figures