夏季河西地区绿洲-沙漠环境相互作用热力过程的初步分析

从绿洲和沙漠地面能量平衡方程和水分平衡方程出发,得到了表达绿洲稳定度和绿洲环流的表达式,绿洲地表温度低于沙漠的最主要原因是绿洲地表明显的蒸发。绿洲上大气稳定度的增加对于维持绿洲是一个重要的自我保护机制。从动力学角度来看,绿洲区明显的下沉(上升)运动将使大气稳定(不稳定)。反照率效应将减弱绿洲风环流,相反,蒸发效应会驱动它。绿洲中过多的蒸发使绿洲地表温度低于周围沙漠。这种温度差异使绿洲风环流产生,并且使绿洲区产生下沉运动、沙漠区产生上升运动。     

地表反照率的改变影响夏季北非副热带高压的数值模拟

利用 LASG L 9R1 5AGCM设计了两组不同地表反照率的数值试验。通过分析其夏季平均气候的差异来考察地表反照率改变对夏季北非副高的影响。结果表明 ,当北非地表反照率增大时 ,由于地面接收到的净辐射减少 ,地面温度降低 ,底层大气的感热加热减弱 ,抑制了局地的对流和降水 ,相应的对流层中层的凝结加热也减弱。这种中、低层的冷却强迫出高空的异常辐合与低空的异常辐散 ,导致北非地区下沉运动增强 ,从而加强了北非副高。另外 ,这种北非地区的环流异常 ,通过辐散风环流加强了南亚高空的辐散 ,在一定程度上加强了南亚高压。     

我国西北大规模太阳能与风能发电场建设产生的可能气候效应

作为取之不尽的清洁能源,太阳能和风能将是未来潜力最大的可再生能源,是解决全球变暖、能源短缺、环境恶化等问题的有效途径。然而太阳能和风能的能量密度偏小,大规模建设太阳能和风能发电场将改变大面积的地表属性,有可能通过陆气相互作用过程,改变局地和区域气候,甚至有可能通过遥相关过程,产生更大的气候影响。本文利用RegCM4.5区域数值模式,模拟了在我国西北干旱和半干旱区域建设太阳能和风力发电场的气候效应,分析表明:（1）在西北地区大规模建立太阳能和风能发电场将导致局地地面净短波辐射增加,地表感热通量升高,近地面气温升高,增加新疆西部地区、河西走廊地区和我国黄淮等地的降水量,而华北部分地区降水减少。（2）地表反照率对气候的影响大于地表粗糙度对气候的影响,因此太阳能利用导致的气候效应大于风能利用的影响。（3）反照率改变导致低层形成气旋性环流,我国中部地区出现南风异常,西北地区产生异常东风;在高层形成反气旋环流,可以影响我国大部分地区。（4）当只在西北地区20%的面积上建立太阳能和风能发电场时,局地近地面气温不会产生明显的改变,河西走廊地区的降水稍有增加,环流的改变较弱,基本不会有显著的气候影响。     

局地经圈环流和沙漠

应用 Xie和 Arkin降水资料和 NECP／NCAR再分析资料，研究了撒哈拉和中国西北沙漠地区的干旱气候。结果表明，尽管该两区域都有在年降水量少于50mm的十分干旱的区域，但其年度特征却非常不同。在撒哈拉沙漠中心的南部地区和中国西北沙漠地区，超过70％的降水出现在6－8月；而在撒哈拉沙漠中心以北地区，降水主要集中在12－2月。这种十分干旱的气候不能用Channey提出的生物圈－辐射效应加以解释。由于6－7月的强下沉中心远在撒哈拉强干中心的北部，其形成也不能用Rodwell和Hoskins提出的季风－沙漠机制予以解释。利用局地经圈环流的概念对两地干旱气候的分析和比较发现，局地经圈环流的下沉在12－2月支配着局地的垂直环流，导致干旱气候形成。这时撒哈拉北部的弱的、相对的多雨的气候是因受中海气候型影响所改。而在6－7月局地该为上升运动，其中尤以中国西北地区为显著。因此撒哈拉南部及中国西北的沙漠地区降水多集中在6－8月。不过与此上升运动相伴的是低空来之中、高纬的强而干的北风，它携带的水汽甚少，不利深对流发展。正是这种局地经圈环流导致了该两处干旱气候的形成。     

局地云量变化气候效应的数值模拟

本文用统计得到的东半球夏季平均云量资料，利用改进的云－辐射计算模式，在三维有限区域模式中模拟局地云量变化的气候效应。模拟结果表明，高原地区和热带辐合带云量变化造成的气候效应都主要表现在青藏高原地区。在低反照率时，高原地区云量减少使该地区地表加热，引起高低空气压系统加强；高反照率时结果相反。热带辐合带云量减少会引起青藏高原地区降温和气压系统减弱。     

陕北地区植被治理与退化对一次区域降水过程影响的数值模拟

针对陕北地区一次区域性降雨个例 ,运用中尺度模式MM5V3 5进行了陕北地区植被治理和退化的敏感性试验。结果表明 ,植被生态治理后 ,能够使区域的平均降水量增加 ,使地表净盈余水分 7 6% ;植被退化使降水量减少 ,地表亏失水分 3 6%。植被变化对降水的影响有热力和动力两方面原因 :一方面 ,植被改善后 ,地气之间的热通量增大 ,地表对大气的增温作用增强 ,使低层大气更趋于不稳定 ;另一方面 ,植被改善增大了地表的非均一性 ,能够激发出一定强度的局地次级环流叠加于天气尺度系统上。这两种作用 ,使系统加深并发展 ,增加到达地面的降水量。植被退化则产生与上述相反的作用 ,导致局地降雨量的减小 ,使地面进一步干旱化。     

地表反照率研究进展

地表反照率是陆面过程模式及气候模拟研究中的一个重要参数,地表反照率的变化会改变整个地气系统的能量收支平衡,并引起局地以至全球的气候变化。不同下垫面地表反照率存在明显的差异,中国区域地表反照率的空间分布也存在明显的区域差异。遥感反演地表反照率在空间上具有较高的精度,但反演结果很难直接应用于陆面过程模式。各种陆面模式对地表反照率计算主要基于陆面土地覆盖分类,包含了许多先验的预定参数,由于某些过程处理中的简化假设,从而对地表反照率的计算带来一定的误差。      

2015/2016年超强El Nio在成熟/衰减阶段对澳洲夏季风环流与降水异常的影响

2015/2016年发生了超强El Nio事件,Nio3区海温异常在2015/2016年冬季超过了2.5℃,其对全球气候异常的产生具有重大影响。此次El Nio事件可归类为东部型。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过诊断分析,揭示了2015/2016年强El Nio事件盛期和衰减期海温异常对澳洲夏季风环流异常和降水变化的影响及其途径。澳洲地区受此次El Nio事件影响,大部分地区降水显著减少,某些地区降水减少达60%~80%。影响途径主要有:1)海温异常通过Gill型响应造成水平环流异常并进而影响澳洲夏季风减弱。2015/2016年ENSO事件成熟期及衰减期,在西太平洋赤道地区出现海温负异常,导致此处热带地区产生了负异常的热源分布,并由此激发产生了位于赤道北侧和南侧的异常反气旋式环流。位于海洋性大陆南侧的异常反气旋性环流引起澳洲夏季风减弱,从而利于抑制上升运动,造成了澳大利亚降水量显著减少;2)通过赤道中东太平洋地区上升和澳洲地区下沉的垂直环流异常导致澳洲降水显著减少。在El Nio事件盛期,因海温异常偏暖导致赤道中东太平洋地区产生显著的异常上升运动,其补偿性的下沉运动因Walker环流而出现在海洋性大陆地区,以及因澳洲大陆夏季风减弱而出现在澳大利亚中东部地区,由此构成了中东太平洋—澳洲副热带的垂直环流圈,此东北—西南向的垂直环流圈对澳洲降水减少的维持起到了重要作用。另外,中国南方的上升运动与海洋性大陆及澳洲地区的下沉运动之间通过局地经圈环流产生了联系,表明东亚冬季风异常减弱对澳洲夏季风减弱可能存在间接影响。这些结果对深刻认识超强ENSO事件对亚澳季风的影响机理以及寻找澳洲降水预测线索具有重要意义。     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

第二讲 OLR资料应用于热带大气环流系统的分析

引言 如上一讲所述,OLR能很好地反映热带大气中的大规模上升与下沉区。而热带大气中最主要的两大环流系统——热带辐合带(ITCZ)和副热带高压,分别对应于大规模的上升和下沉运动区。故OLR对这两个热带大气环流系统的分析很有用。本讲介绍如何用OLR分析ITCZ及副热带高压,以及用OLR     

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。     

全球植被分布对气候影响的数值试验

利用一个新的陆－气双向耦合模式R42_AVIM, 通过有无植被覆盖的对比试验分析, 探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。得出: 陆面植被覆盖使得地表特征参数发生行星尺度的明显改变, 在叶面积指数大的热带和中高纬度森林带尤其显著。在现实植被分布下, 陆地表面反照率减小, 地表净辐射收支和地表潜热通量增加, 而地表感热通量减小。植被叶面积指数比较大的区域地表温度降低, 并且这种温度的改变一直延伸到对流层中上层, 在热带表现为斜压结构, 而在中高纬表现为相当正压结构。植被的存在使热带和中高纬度森林带的蒸发和相应的高层凝结潜热加热增强, 从而增强了经圈环流的上升支, 使得冬季在热带和南半球中纬度降水增多, 夏季在热带和北半球中高纬地区降水明显增多; 而经圈环流下沉支的增强致使副热带降水减少且更干旱。同时, 植被的存在使大陆潜热释放增强, 气温下降, 减小了海陆温度对比, 亚洲夏季风也有所减弱。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

非均匀下垫面局地气候效应的数值模拟

使用美国NCAR非静力平衡模式MM 5V3,模拟了黑河地区非均匀下垫面局地小气候效应 ,再现了山谷风环流及夏季“绿洲效应”、沙漠上的“逆湿”和由于地表热力分布不均匀引起的绿洲—沙漠垂直环流等绿洲—沙漠相互作用的典型特征 ,较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的风、温、湿度场与陆面相互作用的物理机理 ,验证了野外实验的结果     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

荒漠绿洲边界层结构的数值模拟

陆-气相互作用和中小尺度天气系统的研究中,水平不均匀边界层和水平不均匀地表的强迫作用都是重要的物理过程.本文用已建立的陆面过程与大气边界层耦合模式(BLCM),较详细地研究了草地周围为荒漠(半沙漠)的地表植被不均匀而造成的边界层结构特征和局地环流及其昼夜变化.通过边界层顶影响自由大气不同尺度的运动.模式结果揭示出最强的上升和下沉运动是发生在荒漠-草地间动力和热力不连续的界面附近,且呈现出不对称性.     

珠穆朗玛峰北坡局地环流日变化的观测研究

青藏高原地-气间的物质/能量交换是高原与全球大气系统相联系的重要纽带.陡峭的地形和强烈的地表差异在高原山区形成特殊的局地大气环流系统,在地气交换中起着重要作用.为研究珠峰北坡的局地环流系统,于2006年5～6月间在珠峰北坡绒布河谷实施强化观测实验HEST2006,对该地区的局地环流以及辐射和热力状况进行观测,分析了该地区局地环流的日变化过程,包括:(1)地面风场的分布和变化;(2)风场垂直结构;(3)垂直运动及可能的驱动机制.研究表明,该地区局地大气环流是由地形与地表状态调整的大气辐射加热和冷却所驱动,包含多种不同的山地环流成分,与典型山谷风环流不同,具有很强的特殊性,对地气问的交换有重要影响.     

科尔沁沙地流动沙丘与玉米地辐射特性比较分析

利用2001年夏季内蒙古科尔沁沙地地区大气边界层实验观测资料，对比分析了流动沙丘和临近流动沙丘的玉米地两种典型下垫面的辐射通量特征。结果表明:流动沙丘和玉米地地区的总辐射与大气逆辐射相近，差异不足2%。净辐射、地表反照率、有效辐射存在较大差异，流动沙丘的净辐射明显小于玉米地，其中反照率差异的贡献约为60%，长波辐射差异的贡献约为40%。流动沙丘的反照率、有效辐射明显大于玉米地，反照率高出中国西北HEIFE实验沙漠地区约10%，有效辐射则小于沙漠地区。     

南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关.本文利用线性局地经向环流诊断模式,定量诊断分析了1979~2003年5月1~15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异,分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子,从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制.结果表明,在季风爆发早年期间,局地经向环流异常呈现为"Hadley环流"形态:上升运动(下沉运动)影响南海中北部(江淮地区),低空非地转南风(北风)影响南海中南部(华南和江南地区).季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反.对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现,经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大,其次是温度平流和西风动量输送过程,与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献.相应的天气学分析表明,季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南,其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧(北侧)的华南(华北)地区出现高空辐散(辐合)和低层辐合上升(辐散下沉).与此同时,中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出,中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖,进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常.华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风,显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放,从而激发出强烈上升运动.由此可见,中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布,从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化.     

1998年夏季风爆发前后南海地区的水汽输送和水汽收支

利用NCEP逐日再分析资料、Micaps系统提供的气象观测资料及局地经向环流线性诊断模式，定量分析了2003年夏季东亚地区局地经向环流的演变情况。结果表明：(1)东亚地区夏季雨带的移动与局地经向环流的演变紧密联系。当淮河流域发生强降水时，在淮河流域上升和华南地区下沉的副热带季风环流圈尤为显著，该环流圈主要由潜热加热、热量垂直输送、温度平流和西风动量经向输送等物理因子所驱动；(2)潜热加热主要影响副热带季风环流上升支的强度，反映了梅雨锋对流系统的重要作用；(3)热量垂直输送、温度平流及西风动量经向输送则主要影响副热带季风环流上升支的北移，其中热量垂直输送、与强(弱)斜压槽活动有关的经向温度平流和涡动西风动量经向输送(纬向温度平流和平均西风动量经向输送)对上升支北移的作用在华南地区汛期后期(在其余夏季降水阶段)较突出。以上这些物理因子具有预报东亚地区局地经向环流演变和雨带移动的参考价值。