应用E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型对东太湖湖-气交换的模拟

采用考虑沉水植物影响的E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型,模拟2013年8月东太湖湖-气交换过程,并利用太湖的站点观测数据对模型进行了验证。太湖水温的模拟值与观测值吻合较好,模型计算的各层水温与观测值相比,均方根误差均未超过1℃。同时模型也较好地模拟出太湖表面感热通量和潜热通量,潜热通量的模拟值与观测值的标准差为54.7 W/m2。由于湖水较浅,太湖的水温层结会明显受到天气状况的影响。晴朗小风条件下的湖水呈现显著的热分层现象,当风速为0.8 m/s,高层和底层的温差达到7.9℃。大风天气条件驱动较强的水体湍流混合,水温的热分层消失,风速为12 m/s,湖泊上层与底层的水温差仅0.12℃。此外,模拟结果较好地呈现出了东太湖沉水植物的存在通过增大湖体消光系数,减小到达湖体内部的热量,并增加对湖水的阻力,影响湖体中湍流动能的分布,并进而影响湖水温度的分布。综上所述,该模型能够较好地模拟出浅水大湖湖-气交换的过程。      

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。     

太湖蒸发量对未来气候变化响应的初步模拟分析

与深水湖泊相比,太湖等浅水湖泊更容易发生富营养化和水资源危机,且对气候变化的响应更为敏锐。本文利用气候模式产品数据驱动CLM4-LISSS湖泊陆面过程模型,模拟分析未来(2010—2100年)RCP2.6、RCP4.5、以及RCP8.5不同温室气体排放情景下太湖蒸发量的变化特征及其影响因子。结果表明:(1)CLM4-LISSS模型湖表温度的观测值与模拟值的相关系数为0.94,均方根误差为0.85℃,准确的湖表气温模拟使得通量的结果也比较准确,潜热模拟与观测的相关系数在0.78,均方根误差为55.32 W·m~(-2);(2)2010—2100年,三种不同温室气体排放情景下太湖蒸发都呈现增加的趋势,但增量比例不同,RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下,蒸发量每10 a增加量分别为23.7 mm,29.2 mm和34.5 mm。蒸发量的增加速率随着辐射强迫的增加而增大,其变化主要受风速与水汽压差的乘积的影响。     

2012年太湖蒸发量变化特征及蒸发模型评估研究

湖泊蒸发是全球能量分布,水文循环的重要组成部分,同时是气候及生态系统环境变化的指示因子。运用太湖湖上观测平台大浦口站2012年涡度相关数据分析了太湖蒸发量的月变化及日变化特征,并评估了11种蒸发模型。结果表明：太湖2012年总蒸发量为1066.2 mm。潜热通量是太湖净辐射能量分配中的主导项, 2012年太湖地区潜热通量占净辐射通量的91.9%。2～7月为太湖水体储热阶段,当净辐射在7月达到最大值时,蒸发值也达到最大值;净辐射8月开始减少,至12月达到最小值,期间湖体储热释放,使得蒸发量在2月才达到最小值。采用涡度相关系统观测太湖蒸发量的数据评估了11种蒸发模型,分别从年蒸发总量和蒸发量月变化特征来探讨模型对于太湖蒸发量计算的适用性,其中以波文比能量平衡模型表现最好,与涡度相关观测值的相关系数为0.99,中心化均方根误差为4.50 mm month^-1。     

一个新的湖—气热传输模型及其模拟能力评估

基于原有模型,采用温度为预报变量,改进了数值计算方法,并为模型中的浅湖部分加入了底部沉积层模块,建立了一个新的湖泊一维涡扩散水热传输模型。利用德国Kossenblatter 湖的观测资料（2003 年5～10 月）对模型进行了验证,并与其他四个湖泊模式的模拟结果进行了对比。进一步应用本模型和洱海水上观测站的资料（2012 年1～12 月）详细分析了湖泊水热状态的季节变化和日变化。模拟结果表明:模型可以很好地模拟出洱海水温的季节变化以及日变化,湖泊表面温度和剖面温度的模拟值与观测值吻合很好,最大误差均在2℃ 范围内;湖泊表面通量的模拟效果比温度略差,尤其对感热通量有明显低估,差值约为实测值的33%。这部分偏差可能是由观测误差、缺测数据的填补与订正方法以及模型表面参数化过于简单所共同导致。     

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。     

一维热扩散湖模式在太湖的应用研究

利用在太湖获得的2010年8月11-28日的观测资料研究了一维热扩散湖模式在太湖的适用性,通过对比模拟进一步研究了影响太湖湖表温度模拟的主要因子。该湖模式对太湖最初的模拟结果并不理想,模拟的湖表面温度与观测有较大的系统性偏差,温度的日变化幅度与观测相比也偏小。通过分析该模式对太湖的模拟效果不理想的可能原因,针对太湖的生态环境和污染情况,设计了18个测试参数的敏感性试验,从敏感性试验的结果分析得到,适用于太湖的、依赖于湖泊类型的3个参数应做如下修改:消光系数（η₀）应放大3倍,湖泊表层吸收的太阳辐射系数（β）应取0.8,粗糙长度（z₀）采用公式计算得到。用新得到的适用于太湖的3个参数,模拟得到的结果与最初的模拟结果和观测资料对比,发现采用新的参数后,模拟结果比最初的模拟结果有了很大的改进,模拟的湖表温度基本接近观测,模拟的湖水垂直剖面时间序列图也跟观测吻合得较好,随之的感热、潜热通量的模拟也都与观测接近。最后,对输入湖模式的主要大气参量（太阳辐射、2 m气温及风场）±10%的误差引起的模式模拟的湖表面温度误差进行分析,结果表明该湖模式对大气强迫场的误差敏感度不高;相比之下,模拟结果对风场敏感性最小,对辐射和气温的敏感度相当。     

青海湖热力状况对气候变化响应的数值研究北大核心CSCD

湖泊对气候变化非常敏感,是气候变化的指示器。青藏高原湖泊众多,但由于观测数据的缺乏,目前对全球变暖背景下高原湖泊热力状况的研究依然不足且多为短期研究。利用中国科学院青藏高原研究所(ITPCAS)开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集、MODIS地表温度数据、青海湖浮标观测数据,分析了Freshwater Lake Model(简称Flake模式)在青海湖的适用性,揭示了青海湖热力状况对气候变化的响应。结果表明,Flake模式能够很好的模拟出青海湖的热力状况,但对夏季与秋季的湖表面水温(特别是夜间)模拟偏高,部分是驱动数据误差造成的,修正驱动数据后模拟效果得到改善。对1989 2012年Flake模拟的湖表面温度与ITPCAS数据不同驱动要素之间的年际变化趋势与相关性进行分析,发现青海湖表面温度呈现上升趋势,与气温、向下长波辐射有较好的正相关性,而与风速负相关。内部热力状况的模拟结果显示,青海湖混合层温度基本全年呈上升趋势,其中5、6月及12月增温最显著;湖泊底层温度在5月以及12月的两次季节性翻转时期呈上升趋势,在6 10月湖水分层期呈下降趋势,分层期湖泊上层温度升高会加强湖水层结稳定性,使湖水混合减弱,导致底层温度下降。     

青海湖热力状况对气候变化响应的数值研究

湖泊对气候变化非常敏感,是气候变化的指示器。青藏高原湖泊众多,但由于观测数据的缺乏,目前对全球变暖背景下高原湖泊热力状况的研究依然不足且多为短期研究。利用中国科学院青藏高原研究所(ITPCAS)开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集、MODIS地表温度数据、青海湖浮标观测数据,分析了Freshwater Lake Model(简称Flake模式)在青海湖的适用性,揭示了青海湖热力状况对气候变化的响应。结果表明,Flake模式能够很好的模拟出青海湖的热力状况,但对夏季与秋季的湖表面水温(特别是夜间)模拟偏高,部分是驱动数据误差造成的,修正驱动数据后模拟效果得到改善。对1989 2012年Flake模拟的湖表面温度与ITPCAS数据不同驱动要素之间的年际变化趋势与相关性进行分析,发现青海湖表面温度呈现上升趋势,与气温、向下长波辐射有较好的正相关性,而与风速负相关。内部热力状况的模拟结果显示,青海湖混合层温度基本全年呈上升趋势,其中5、6月及12月增温最显著;湖泊底层温度在5月以及12月的两次季节性翻转时期呈上升趋势,在6 10月湖水分层期呈下降趋势,分层期湖泊上层温度升高会加强湖水层结稳定性,使湖水混合减弱,导致底层温度下降。     

顶点Pk覆盖问题的研究综述

顶点覆盖问题是经典的NP完全问题,在排序、计算机网络等现实生活中有许多的应用.近几年来,许多研究者开始探究它的推广形式——顶点P_k覆盖（VCP_k）问题,即寻找一个顶点子集,从拓扑结构图中删除后使得剩下的顶点导出的子图不包含P_k路,其中P_k是指包含k个顶点的路.本文简单介绍了VCP_k问题的应用背景,归纳了它在近似算法、精确算法、参数化算法3个方面的主要研究进展,并分析了一些主要的方法和技巧.在此基础上,对VCP_k问题及其相关问题的研究前景进行了展望.     

三套再分析资料在青藏高原湖泊模拟研究中的适用性分析

湖泊模式为青藏高原湖-气相互作用研究提供了有效方法,而驱动数据对模拟结果影响显著,但目前用来驱动模式的再分析资料对高原不同地区湖泊的适用性依然不够清楚。利用野外观测数据、M ODIS地表温度数据和WRF耦合的一维湖泊模式,对比分析了中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(简称ITPCAS)、ERA-Interim和NCEP/NCAR三套再分析资料在青藏高原地区纳木错、班公错和鄂陵湖三个不同深度湖泊的适用性,并对三套再分析资料的准确性进行了初步验证,进一步分析了不同校正方式后的再分析资料对模拟结果的影响。结果表明,用三套不同再分析资料作为模式驱动数据时,WRF耦合的一维湖泊模型均能够较好地模拟出高原湖泊表面温度的变化,但仍然与MODIS观测结果存在偏差。三套再分析资料中ITPCAS数据集的各气象要素与站点观测更为接近,ERA-Interim数据的向下长波和短波辐射比观测值偏大,NCEP/NCAR数据中的向下长波较观测值偏小而风速偏大。利用站点观测对再分析资料进行校正,ITPCAS数据进行全要素校正前后模拟结果差别不大,ERA-Interim和NCEP/NCAR进行全要素校正后模拟结果准确性显著提高;对于实地观测资料匮乏的地区,单独对ERA-Interim向下短波辐射数据进行校正以及同时对NCEP/NCAR气温和向下长波辐射数据进行校正均能优化湖表面温度的模拟结果。     

新型高效吸水材料(γ-PGA)的农业应用研究初报

对由南京化工大学制药与生命科学学院新研制的生物聚合高效吸水材料——γ-聚谷氨酸(γ-PGA)在农业上的应用前景进行了初步研究。试验结果表明,γ-PGA两次重复的平均吸水率可达到1108.4倍,比目前市售的聚丙烯酸盐类吸水树脂高2.85倍。γ-PGA对土壤水分的吸收率为30～80倍。γ-PGA的水浸液在土壤中有较强的保水力和较理想的释放效果,具有明显的抗旱促苗效应。用不同浓度PEG(6000)试剂(聚乙二醇)模拟土壤吸水力的种子发芽试验表明,γ-PGA有较强的吸水和保水能力,可明显提高小麦和玉米的发芽率。γ-PGA的直接拌种试验和γ-PGA水浸液的鲜切花保鲜试验对提高植物种子发芽率和延长保鲜期都有显著效果。为进一步发挥γ-PGA在农业上的应用价值,需要进一步开展植物-土壤-γ-PGA的水分平衡模型研究。     

利用船测近海层湍流热通量资料验证OAFlux数据集

美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)的客观分析海气通量(Objectively Analyzed air-sea Fluxes,OAFlux)数据集中的近海层湍流热通量数据被公认为最可信,并被广泛地用于气候模式模拟结果检验。利用NOAA ETL(Environmental Technology Laboratory)两个固定观测站点的科学试验的船测通量数据库(TOGA COARE试验观测资料和KAWJEX试验观测资料),对OAFlux的热通量进行验证。结果表明:OAFlux的潜热通量普遍高于船测值,并且风速较大时,两者差异较大。风速对潜热通量的变化趋势起主导作用,海表和大气湿度差影响甚微。低风条件下,OAFlux的潜热通量和船测值差异则很小。海面湍流感热交换很弱,通量值本身依然受到风速的主导作用,但由于感热通量值与观测仪器误差十分接近,导致比较分析异常困难。分析结果表明:在上述两个观测试验期内,由于海表空气湿度和大气的湿度差变化不显著,海气相互作用的强度主要取决于海面风速的变化。     

BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋潜热通量的评估

利用1979—2005年OAFlux (Objectively Analyzed air-sea Fluxes) 观测资料以及CMIP5的15个耦合模式的模拟结果,评估了BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量气候态和变化趋势的模拟能力,并分析造成趋势偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM1.1(m) 模式模拟热带太平洋年平均潜热通量气候态在各纬度上差异较大, 其中在赤道的模拟能力较佳,而在10°N和8°S附近模拟偏差较大;BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势的模拟能力一般,造成趋势偏差的主要原因是该模式低估了风速对潜热通量的局地贡献以及它对风速的非局地贡献的模拟存在较大偏差。此外,该模式未能较好地模拟出风速对全球变暖响应。因此,BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势模拟的改进需加强其对风速模拟的改进。     

一次强降水风暴回波合并前后双偏振特征分析

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合卫星、探空和地面实况资料,对2020年8月6日发生在山东曲阜一带的强降水风暴合并前后双偏振参量特征和微物理特征进行分析。结果表明:(1)云带之间产生多次合并,合并后风暴加强发展,产生较大的分钟降水量和累计降水量。(2)新生单体最典型的双偏振特征是具有大的Z_DR和CC,以少许液态粒子为主;新生单体迅速发展过程中上升气流强度明显加强,出现明显的K_DP柱和Z_DR柱,液态粒子浓度明显增大并出现偏大的液态粒子。(3)合并后发展的主要特征是,风暴顶高、强回波区顶高和K_DP柱明显增高,-10℃层高度以下,特别是在风暴底层K_DP值明显增大。(4)合并之后风暴发展最典型的微物理特征是,-10℃层高度之下液态雨滴粒子浓度迅速增大,-10℃层高度之上冰晶或霰粒子层的厚度明显增大。发展旺盛的风暴中、低层有丰富的液态水,风暴高层含有丰富的冰相粒子,从而导致风暴产生高强度降水。     

模糊多智能体系统的H∞一致跟踪控制

本文研究非线性多智能体系统在有向拓扑下的领导跟随H_∞一致性问题.首先,提出一种新的多项式模糊建模方法来描述由领导者与跟随者构建的偏差动态系统.然后,设计一致控制协议使跟随者渐近跟踪领导者的轨迹.基于多项式李雅普诺夫函数技术,提出松弛的渐近一致的充分条件并确保存在外界干扰时多智能体系统具有H_∞抑制性能.将导出的条件转化为平方和形式并能够进行数值求解.最后,给出一个实例来验证所提出的一致控制协议的有效性.     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

玛曲积雪过程对近地层气象要素影响的数值模拟

利用2012年1—3月玛曲站的观测资料和单点模式Noah_LSM,通过敏感性试验研究了3次积雪过程对近地层气象要素的影响。结果表明:(1)Noah_LSM模式能较好地模拟出近地层气象要素的变化特征;(2)敏感性试验1模拟的净辐射、感热通量、潜热通量、气温和30、60 cm土壤温度均大于控制试验的模拟结果;(3)敏感性试验2模拟结果表明较大的风速可能是造成2月18日出现大潜热通量和负感热通量的一个原因。     

太湖湖陆风背景下的苏州城市化对城市热岛特征的影响

利用南京大学区域边界层模式,选取苏州地区2006年8月12日晴天小风的天气作为背景天气条件进行算例的模拟。分析了该地区在湖陆风环流背景下的城市化进程对热岛特征的影响。结果表明:苏州地区的风场受大尺度系统、湖陆风环流和城市热岛环流系统的共同影响,且湖陆风环流的强度大于热岛环流。苏州地区的城市热岛影响高度可达400 m左右,且在背景风场的影响下,该地区的温度分布会体现出比较明显的下游效应特征,下游效应的距离可达10 km左右。这种下游效应在400 m高度以下比较明显,随高度的升高而逐渐减弱。20 a的城市化进程(1986—2006年)导致苏州城区地表感热通量增加了200 W/m²、潜热通量减少了200 W/m²、湍能增加了0.045 m²/s²、日平均热岛强度增加了0.4 ℃;热岛环流加强,并使白天混合层最大高度升高了400 m,但对夜间逆温层发展的影响较小。太湖湖陆风,使靠近太湖的苏州市郊的混合层、逆温层高度明显下降,但对距离较远的苏州市区的混合层、逆温层高度影响不大。且太湖的存在对于城市化进程导致的苏州地区热岛强度增加、地表湍流动能增加、感热通量增加、潜热通量减少的趋势有比较明显的缓解作用。     

基于负μ传输线的电偶极子和环天线设计

负μ传输线是一种通过串联电容加载来获得等效负磁导率的人工电磁材料,利用其零传播常数的性质,可以设计具有无限大波长且谐振频率与尺寸无关的谐振器,从而实现天线的小型化和宽带化.本文以基于分段线结构的负μ传输线为例,分别设计了具有宽带特性的电偶极子和环天线.测试结果表明长度为107 mm（1.03λ₀@2.9 GHz）的电偶极子可获得的阻抗带宽约为1.4 GHz（2.2~3.6 GHz,48%）,并且该天线在工作带宽内具有稳定的E面方向图.直径为52 mm（0.5λ₀@2.9 GHz）的环天线可获得的阻抗带宽约为1 GHz（2.4~3.4 GHz,34%）,并且环上具有均匀的电流分布,从而具有磁偶极子的辐射特性.测试和仿真结果吻合较好.