夏季金塔绿洲及邻近沙漠地面风场、气温和湿度场特性的对比分析

利用2004年7～8月金塔“绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究”观测试验期间的资料,对比分析了金塔绿洲及邻近沙漠地面风场和空气温湿特性的水平差异。结果表明：绿洲及邻近沙漠的温湿和风速差异明显,绿洲内部冷湿风弱,而外部干热风稍大;绿洲内的温湿场为非对称结构,冷湿中心偏离绿洲的几何中心,在绿洲东部,当地盛行风向的上风方位置上;而风速场结构对称,弱风中心与绿洲的几何中心一致;在不同的风向时空气比湿有较大的差异,存在明显的来自东北方沙漠戈壁的干平流和来自西南方水库及绿洲的湿平流。     

绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验

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,模拟了半干旱区绿洲戈壁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,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验.结果表明:绿洲的最小临界尺度为5～10 km之间,最大临界尺度为55～65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展.另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级.这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义.     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、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。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

绿洲边缘夏季小气候特征及地表辐射与能量平衡特征分析

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”加强期(IOP)在甘肃省酒泉市金塔绿洲观测的资料,分析了夏季金塔绿洲边缘的小气候特征及地表辐射收支和地表能量平衡特征。作为绿洲沙漠相互作用的界面,在白天绿洲边缘的垂直运动仍然是以上升气流为主,并且其小气候主要受土壤湿度的影响。中午前后绿洲边缘的总辐射最大值在1000W.m-2左右,净辐射>700W.m-2;在白天,仅有个别天数的感热通量超过100W.m-2,最大值仅为150W.m-2左右。在整个观测期,有超过70%的天数出现负感热通量。而Bowen比在±10-1量级,地表能量不平衡的差额较大,约28%。     

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。     

黑河地区绿洲一沙漠环流的数值模拟研究

地气相互作用现象的研究对预测未来气候变化意义重大。黑河地区绿洲和沙漠戈壁地表间水热特性的强烈差异所引发的绿洲—沙漠中尺度环流 ,能够影响该区绿洲生态系统的维持和发展。利用中尺度数值模式RAMS成功地再现了黑河地区绿洲—沙漠环流 ,同时对环流出现时温、湿场的模拟分析表明 ,绿洲—沙漠环流的发生和发展直接依赖于非均匀下垫面热力场的差异 ,白天发展强盛 ,夜间作用小。环流作用能够保证绿洲—沙漠系统的物质和能量平衡 ,对沙漠戈壁环境中绿洲的维持十分重要     

河西地区不同下垫面边界层特征分析

利用1991年10月HEIFE实验期间获取的系留气球梯度探测资料．对比分析了黑河地区常见的三种不同下垫面(绿洲、沙漠和戈壁)边界层风、温度、湿度场的分布规律。客观验证了河西地区秋季午夜后出现的低空急流和逆湿气层两大特点,为进一步研究黑河地区水分与能量循环对环境的影响、土地的开发利用等提供事实依据。     

绿洲周边荒漠戈壁夏末土壤-大气水分传输特征

利用“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”2000年8-9月在甘肃敦煌地区戈壁滩上取得的野外观测资料,分析了临近绿洲的戈壁土壤湿度和温度特征以及相对应的大气湿度特征,发现土壤热量活动层约为5cm厚,比一般土壤要薄得多;临近绿洲的荒漠戈壁上,不仅近地层大气多为逆湿,而且浅层土壤有时也出现逆湿。土壤湿度日变化能清楚地被区分为湿维持、水分损失、干维持和水分补充等四个阶段。土壤湿度廓线表明：土壤水分活动层厚度约为10m;湿维持阶段的浅层土壤逆湿是土壤湿度廓线最主要的结构特征,这一土壤湿度结构预示着夜间土壤可能通过凝结吸收大气水分,它与白天的土壤水分蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程。土壤逆湿的形成与土壤温度状态、大气逆湿强度和大气稳定度都有关。     

西北干旱区绿洲—戈壁资料同化数据集的建立与分析

利用美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)共同开发的天气研究和预报系统WRF模式3.1版本,结合地球观测系统的中分辨率成像光谱仪EOS-MODIS反演的下垫面土地利用/植被类型资料,并同化2008年夏季金塔绿洲野外观测试验所取得的气象资料,对绿洲系统陆—气水热交换过程进行模拟,最终生成金塔高分辨率资料同化再分析数据集。此数据集包括黑河流域金塔绿洲2008年6-8月逐时水平分辨率1 km的土地利用类型、19层风温湿压、4层土壤温湿度以及地表植被覆盖、辐射分量、热通量等资料。同时,利用金塔绿洲观测期内的地表气压、地面气温和相对湿度实测值对该数据集进行初步验证,并分析了绿洲—戈壁系统的"冷湿岛效应"、平均大气环流特征和空气温湿度长期变化规律。结果表明,绿洲和戈壁下垫面的热力差异明显,绿洲和戈壁平均地表温度白天和夜间分别相差21℃和3℃;10 cm土壤温度白天最大相差17℃,并且绿洲比戈壁滞后3 h达到峰值;戈壁相对湿度比绿洲平均约低11%;白天绿洲的"冷岛效应"和"湿岛效应"影响高度平均可达2000 m和1500 m;夜间绿洲的近地层500 m以下则表现出弱的"冷岛效应";夜间绿洲上空的平均垂直气流为上升气流,白天出现大范围下沉气流,平均最大下沉气流速度可达-0.3 m·s-1。     

夏季金塔绿洲与沙漠次级环流近地层风场的初步分析

利用2004年6～8月在甘肃省酒泉金塔地区进行的“绿洲-沙漠能量和水分循环的野外观测试验”的风场资料,分析了该地区两种不同的绿洲沙漠低层风场结构。结果表明：绿洲沙漠的温差效应可以激发绿洲和沙漠间的次级环流,在白天绿洲沙漠边缘低层是辐散气流,夜间表现为辐合气流;在大背景风场较强的情况下,在背景风场风向方向上局地环流被掩盖,而其它方向上局地环流占主导地位;大背景风场处于转换期,如西风转东风时,当西风削弱。而东风还没有产生时,绿洲地区背景风场很小,绿洲沙漠环流较为明显。     

夏季金塔边界层风、温度和湿度结构特征的初步分析

利用2004年6～7月在河西走廊金塔陆-气相互作用试验的观测资料,分析了该地区夏季夜间和中午风、温、湿的垂直结构特征,结果表明：夏季夜间,当地面风较小时,金塔绿洲高空可能为偏西风气流,夜间稳定层高度大致在100～190m。夏季中午,当低空为偏东风时,风速随高度的变化比较复杂。总的来说,存在着东风急流,急流高度在1000-4000m之间,大气边界层顶盖（即逆温层底）约在3000-3600m高度,在500-800m高度以下存在绿洲内边界层;当低空为偏北风或西北风时,高空都为偏西风或西北风气流,低空风速随高度的变化比较平缓,风速有时存在极大值,大气边界层顶盖（即逆温层底）在3500m左右,在1200m以下可能存在绿洲内边界层,绿洲内边界层高度有时会很低。     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲\_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

Numerical Simulation of Fluxes Generated by Inhomogeneities of the Underlying Surface over the Jinta Oasisin Northwestern China

Using land-use types derived from satellite remote sensing data collected by the EOS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (EOS/MODIS), the mesoscale and turbulent fluxes generated by inhomogeneities of the underlying surface over the Jinta Oasis, northwestern China, were simulated using the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS4.4). The results indicate that mesoscale circulation generated by land-surface inhomogeneities over the Jinta Oasis is more important than turbulence. Vertical heat fluxes and water vapor are transported to higher levels by mesoscale circulation. Mesoscale circulation also produces mesoscale synoptic systems and prevents water vapor over the oasis from running off. Mesoscale circulation transports moisture to higher atmospheric levels as the land-surface moisture over the oasis increases, favoring the formation of clouds, which sometimes leads to rainfall. Large-scale wind speed has a significant impact on mesoscale heat fluxes. During the active phase of mesoscale circulation, the stronger large-scale winds are associated with small mesoscale fluxes; however, background wind seems to intensify the turbulent sensible heat flux and turbulent latent heat flux. If the area of oasis is enlarged properly, mesoscale circulation will be able to transport moisture to higher levels, favoring the formation of rainfall in the oasis and protecting its "cold island" effect. The impact of irrigation on rainfall is important, and increasing irrigation across the oasis is necessary to protect the oasis.     

Comparative Study on Methods for Computing Soil Heat Storage and Energy Balance in Arid and Semi-Arid Areas

Observations collected in the Badan Jaran desert hinterland and edge during 19-23 August 2009 and in the Jinta Oasis during 12-16 June 2005 are used to assess three methods for calculating the heat storage of the5-20-cm soil layer.The methods evaluated include the harmonic method,the conduction-convection method,and the temperature integral method.Soil heat storage calculated using the harmonic method provides the closest match with measured values.The conduction-convection method underestimates nighttime soil heat storage.The temperature integral method best captures fluctuations in soil heat storage on sub-diurnal timescales,but overestimates the amplitude and peak values of the diurnal cycle.The relative performance of each method varies with the underlying land surface.The land surface energy balance is evaluated using observations of soil heat flux at 5-cm depth and estimates of ground heat flux adjusted to account for soil heat storage.The energy balance closure rate increases and energy balance is improved when the ground heat flux is adjusted to account for soil heat storage.The results achieved using the harmonic and temperature integral methods are superior to those achieved using the conduction-convection method.     

河西走廊风能变化及储量

利用河西走廊地区1970~2004年风速气候资料和2004年9月至2005年8月风塔精细资料,研究了河西走廊风能资源特征。结果表明:河西走廊地区环境风速比较稳定,在气候上没有明显的减小趋势;绿洲内风速下降明显。风能分布存在区域差别,存在2个风能大值区域。全区风能普遍较高,10 m层内风能密度都在100 W/m2以上,大部分地方在150 W/m2以上,大值地带在200 W/m2以上;在10~70 m高度层风能随高度按线性关系增长,平均每升高10 m风能增加28 W/m2;70 m层普遍在300 W/m2以上。河西走廊风能存在日和年变化,2~6月是风能密集阶段;距地面10 m高度处风能在07:00前后处于低值,从08:00以后不断增大,到18:00前后达到日最大,然后逐渐减小。河西走廊年有效风速时数普遍在6000 h以上,大值区接近7500 h。     

夏季金塔绿洲风环流的数值模拟及结构分析

利用中尺度数值模式MM5，替换了模式第三重嵌套模拟域中金塔绿洲及周围地区与实际不符的植被类型，对2004年7月5日金塔绿洲效应进行了较为成功的模拟。模拟结果显示：白天绿洲是一冷源，这一现象可维持到3000m左右，临近地面沙漠绿洲温差最大，冷中心强度由低层向高层逐渐减弱；气压距平场低层为沙漠低，绿洲高，较高层则反之，转变发生在1300m。低层绿洲风盛行，随高度增加，辐散风渐弱；750hPa以上转为以背景风为主，存在向绿洲中心辐合的趋势；距平风场低层为辐散风，高层为辐合风，绿洲中部风速较小，越远离风场辐散（辐合）中心，风速越大；沙漠上为上升气流，绿洲基本上全为下沉运动所控制，但剖面图上显示绿洲上并不是只有一个闭合中心，且绿洲上、下沉运动的顶部高度也不一致，绿洲中心最低，两侧逐渐增高。最大下沉运动出现在绿洲边缘；绿洲低层分布着强度均匀的辐散区，而沙漠上则为零散辐合区，750hPa辐合区开始侵入绿洲，700hPa时绿洲基本为辐合区，绿洲边缘辐合最强，沙漠以辐散为主，分布少许辐合中心。比湿同湿位温具有相似特征，在一定高度以上，在下沉气流的作用和西风背景场的影响下等值线形成低槽形状，低槽中心从高层向低层、由西向东偏移。     

金塔绿洲湍流资料的质量控制研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”2005年绿洲、 戈壁点的观测资料, 分析了三种坐标旋转方案对摩擦速度、 感热、 潜热以及非定常性检验与湍流积分统计性检验的影响, 对两种非定常检验方法进行了比较, 并对通量资料进行了总体的质量控制和分级。结果表明： 三种坐标旋转方案对摩擦速度、 感热、 潜热通量以及非定常性检验与湍流积分统计性检验的影响存在着一定的差异, 这与坐标旋转方案本身有着密不可分的关系。两种非定常性检验方法存在一定的不一致性, 这种不一致性的产生不仅与两种NS检验方法有关, 也可能与湍流测定成分随时间、 天气条件或测定点相对于气象条件的变化以及与观测仪器本身有关。归一化标准差随稳定度的变化基本满足“1/3次方规律”或“-1/3次方规律”, 但坐标旋转方案不同, 归一化标准差与稳定度的拟合关系不同, 其差异在于三种坐标旋转方案对平均垂直速度的处理方法以及平均水平风的选择上。整体分级后各级资料所占百分比要明显低于任一个单独检验的各级资料所占百分比, 非理想的观测值多出现在夜间以及日出日落前后。     

山东沿海风能资源分布特征及评估

利用山东省沿海测风塔70 m高度完整1 a的观测资料计算分析风能资源参数特征.结果表明：山东沿海地区平均风速与有效风功率密度分布特征相似,烟台沿海区域平均风速及有效风功率密度最大分别达到6.7 m/s、463.5 W/m²,沿海北部地区风能资源最为丰富,日照地区最少;受海陆风作用,春季风能资源最好,其次是冬季,夏季最差,风速最大值基本出现在14-16时;年有效风能时数及百分率分别为7 440 h、85%;风能密度分布基本以偏北或偏南方位较大.沿海区域风能资源分布特征与长年代评估结果及数值模拟结果基本一致.