GRAPES模式中的坡地辐射方案及其对短期天气过程模拟的影响

为了改进太阳短波辐射参数化, 在非静力中尺度模式GRAPES (全球/区域同化和预报系统) 中考虑了坡地辐射 (SLOPE), 并着重讨论其在不同分辨率情况下对我国短期天气过程的影响.数值试验结果表明: 地形坡度和坡向对地表短波辐射 (GSW) 计算有较大的影响, 与没有考虑坡地作用的参考运行 (FLAT) 相比, 早晨和傍晚的GSW最小可减小60%以下, 最大也可增加60%以上, 比一天中其他时间和平均值大得多.在江淮流域一次梅雨锋降水过程中, 坡地辐射参数化方案的引入对降水模拟有较明显的影响, 特别在高分辨率 (6 km) 情况下, 降水的增加和减小不仅发生在GSW改变比较大的地区, 且与复杂地形有较好的相关性.另外, 由于地形坡度和坡向引起地表温度的改变与地表热通量的变化一致, 且也发生在地形起伏的多山地区.因此, 当水平分辨率较高且地形陡峭起伏时, 应当包含坡地辐射.     

坡地坡向短波辐射参数化对不同天气过程的影响

为了改进太阳短波辐射参数化,运用考虑了坡地坡向短波辐射效应(SLOPE)的非静力中尺度模式GRAPES(全球/区域同化和预报系统),模拟和讨论了坡地坡向短波辐射效应在不同模式分辨率情况下对中国不同天气过程的影响.数值试验表明:(1)当水平分辨率较低且坡地平缓时,通常可忽略坡地辐射效应,但当水平分辨率较高且地形陡峭起伏时,则不能忽略;(2)在高分辨率(3 或6 km格距,下同)的情况下, 降水的增加和减少与坡地坡向引起的地表短波辐射(GSW)的减少和增加相对应,降水量的增减量大部分均为-5-5 mm;(3)在高分辨率的情况下,地表温度与地表热通量之间有较好的相关性,且大都发生在地形复杂的多山地区;(4)坡地坡向短波辐射效应引起的GSW、降水量、地表温度和地表热通量等要素的变化除了在地形复杂的多山地区比较明显之外,在其他地区也存在.这是由于考虑了坡度和坡向的作用后,影响了大气环流的变化,随着积分时间的增加,其他地区上述物理量也相应地存在一定的变化;(5)坡地坡向对短波辐射的作用,在降水量较小,云量较少的天气过程中,可以更真实地得到反映.因此,在地形复杂和水平分辨率较高情况下,需要考虑坡度坡向作用.     

藏东南草地下垫面地气通量交换日变化的数值模拟

利用2013年5月21日至7月9日藏东南地区草地下垫面的边界层观测数据,分别从典型晴天和长时间平均的角度,评估了中尺度模式WRF对藏东南草地下垫面在南亚季风爆发前后的感热、潜热、地表土壤热通量和地表辐射平衡各分量日变化的模拟能力,对比分析了模拟结果与边界层观测数据的异同点。对典型晴天少云状况的个例模拟和整个时段的平均结果分析均表明,模式对感热通量和潜热通量的日变化具有较好的模拟能力,感热比潜热的模拟效果好,在夜间感热和潜热的模拟效果好,而白天感热和潜热的模拟值大于观测值。典型晴天天气下的向下短波辐射和净辐射的模拟值与观测值基本一致,而向上短波辐射的模拟值在白天大于观测值。长时间平均的向下短波辐射、向上短波辐射和净辐射的模拟值在夜间也与观测数据基本一致,但在白天模拟值比观测值明显偏大。晴天个例和长时间模拟的向下长波辐射和向上长波辐射的模拟值在日循环整个过程中较观测值均偏小。长时间模拟的地表土壤热通量在早上和晚上低于观测值,而在白天高于观测值。虽然平均的结果分析和晴天个例的结果是类似的,但由于晴天个例没有降水过程的干扰,因此晴天天气状态下的分析结果更能一致地反映出这一地区的日变化特征。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

青藏高原地表辐射通量的气候特征分析

基于对"全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究"(GAME/Tibet)和"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)设在藏北高原的安多站、BJ站、D105站和NPAM站以及中国科学院珠峰站和中国科学院纳木错站10～20年晴天日间的辐射观测资料求年均值,分析了高原草甸(草高为5 cm的高原草甸,10 cm的高原草甸和高原稀疏草甸,15 cm的高原草甸)、戈壁和临湖高原草甸这些典型下垫面观测站多年观测的短波向下辐射、短波向上辐射、长波向上辐射、长波向下辐射、净辐射通量和地表反照率的年际变化,得出了青藏高原地表辐射通量的气候特征,发现高原上大部分站点观测到的短波向下辐射有不同程度的减小的年变化趋势,基本所有站点观测的长波向上辐射有不同程度的逐年增加趋势,且高原上基本所有站点观测的长波向下辐射有不同程度的增加趋势,高原地区大部分站点的净辐射通量的年变化趋势基本与短波向下辐射的年变化相一致,青藏高原大部分站点的地表反照率在不同程度上逐年减小。     

次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高，模式下垫面特征的描述更加仔细，针对东亚地区复杂的地形和植被特征，发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案，对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力。效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响，提出次网格地形热力效应的参数化方案，改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p—σ区域气候模式的数值试验结果表明，次网格地形热力效应参数化方案的引入，对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。     

青藏高原东坡高原草甸近地层气象要素与能量输送季节变化分析

本文简要介绍了青藏高原东坡理塘大气综合观测站的情况。利用该站20072008年观测资料, 分析比较了青藏高原东坡地区高原草甸下垫面情况下近地层气象要素及能量输送的季节变化特征。结果表明:理塘地区近地层气象要素及能量输送的季节变化显著, 具有明显的水热同期特点。各个季节近地层气象要素和湍流通量, 如风、气温、感热通量、潜热通量等, 日变化显著。风速、动量通量、摩擦速度等要素的平均日最大值和最小值分别出现在下午和日出前。比湿的峰值出现在日出前。辐射和热平衡分量的日均最大值与最小值分别出现在正午及日出前。地表热源强度分析表明, 理塘白天为热源, 在春夏秋三季夜间为弱的热源与冷源交替出现。在雨季, 潜热输送在陆气间热量交换过程中占主导作用, 感热输送是次要的;干季的结果与雨季相反, 感热是首要的。      

青藏高原东坡高原草甸近地层气象要素与能量输送季节变化分析

本文简要介绍了青藏高原东坡理塘大气综合观测站的情况。利用该站2007~2008年观测资料,分析比较了青藏高原东坡地区高原草甸下垫面情况下近地层气象要素及能量输送的季节变化特征。结果表明：理塘地区近地层气象要素及能量输送的季节变化显著,具有明显的水热同期特点。各个季节近地层气象要素和湍流通量,如风、气温、感热通量、潜热通量等,日变化显著。风速、动量通量、摩擦速度等要素的平均日最大值和最小值分别出现在下午和日出前。比湿的峰值出现在日出前。辐射和热平衡分量的日均最大值与最小值分别出现在正午及日出前。地表热源强度分析表明,理塘白天为热源,在春夏秋三季夜间为弱的热源与冷源交替出现。在雨季,潜热输送在陆气间热量交换过程中占主导作用,感热输送是次要的;干季的结果与雨季相反,感热是首要的。     

青藏高原西部冻融期陆面过程的模拟分析

利用CAMP/Tibet中CEOP-EOP3改则站2002年10月—2003年9月的观测资料作为强迫场,运用陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部陆面特征的模拟研究表明,在高原西部地表能量平衡过程中,冬半年,感热通量占主要地位,潜热通量较小;尤其在冻结期,潜热通量几乎等于零。但在高原西部的融冻期,潜热通量有显著变化。在干季向湿季转化时段的5月中下旬,表层土壤由于融冻而引起的频繁水分相变,使得潜热通量随之变化并开始增加,Bowen比由大变小。地表有效通量的变化与降水及土壤表层频繁的冻结—消融相联系。     

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。     

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.     

Estimations of Land Surface Characteristic Parameters and TurbulentHeat Fluxes over the Tibetan Plateau Based on FY-4A/AGRI Data

正Nan GE1, Lei ZHONG*1,2,3, Yaoming MA4,5,6, Yunfei FU1, Mijun ZOU1,Meilin CHENG1, Xian WANG1, and Ziyu HUANG1     

内蒙古奈曼麦田和沙丘微气象特性研究

本文分析了内蒙古奈曼旗尧勒甸子村麦田冠层上方和流动沙丘的微气象特性，结果表明：（１）麦田和沙丘的反射率分别为２１％和３４％；（２）麦田白天约有６０％的净辐用于潜热交换，夜里净辐的大部分来自土壤热交换（３５％）和潜热交换（４１％）；沙丘白天的４８％的净辐射用于土壤热交换，夜里有５２％的净辐射由土壤热交换补给。（３）波文比在麦田和沙丘都是早晨和夜里大，白天小，（４）白天麦田上方的水汽压低于近麦层的，夜     

An all-slope 24-hour summer energy budget regime along a climatic-latitudinal transect

A physically-based solar radiation transmission model and a slope energy budget model were available which used climatic observations, averaged over 10-deg north-south latitude bands. This made possible the systematic examination of the diurnally changing energy budget components of net radiation, conduction, sensible, and latent heat flux occurring at all slope angles (0 to 90 deg) and slope directions (south-, west-, and north-facing). The present analysis utilized two contrasting landscapes along a latitudinal transect of the east coast of the Americas (northern hemisphere). Among the results, the maximum net radiation for all slope angles and directions occurred at noon on a 40-deg, south-facing slope for latitude 60. Generally, latent and sensible heat fluxes were similar in trend and magnitude between latitudes 0 and 35. Poleward, sensible heat flux increased with advancing latitude at the expense of latent heat flux. A great diversity in net radiation, sensible, and latent heat flux was obtained between different slopes and their orientation at a paniculate latitude. In addition to hourly rates of the energy budget components, daily positive sums of net radiation, sensible, and latent heat flux were examined. It is assumed that the portrayed patterns are general enough to add to our increasing understanding of the contrasts possible in a real-world north-south transect.     

黄土高原陆-气相互作用预试验及其晴天地表能量特征分析

详细介绍了在2004年8月24日～9月11日在甘肃平凉进行的陆-气相互作用野外预试验,对观测仪器进行了对比和标定,并利用观测资料,初步分析了黄土高原塬上裸地、塬上和塬下玉米地的地表净辐射各分量、感热、潜热和地热流的特征。由于作物（玉米）的存在,降低了地表反射率,使白天地面向上短波减少,同时向上长波也减少,增大了地表净辐射,地表潜热明显增大,玉米地白天向下的地热流和夜晚向上的地热流都比裸地小。与塬上相比,塬下玉米地的向下短波略小,向上短波明显偏小,向上长波基本一致;净辐射只在中午附近略小,地热流上午偏小,下午偏大,夜晚基本一致;感热和潜热在白天基本一致;塬下玉米地在凌晨明显存在负感热通量。     

Interannual Variability of Late-spring Circulation and Diabatic Heating over the Tibetan Plateau Associated with Indian Ocean Forcing

The thermal forcing of the Tibetan Plateau(TP) during boreal spring,which involves surface sensible heating,latent heating released by convection and radiation flux heat,is critical for the seasonal and subseasonal variation of the East Asian summer monsoon.Distinct from the situation in March and April when the TP thermal forcing is modulated by the sea surface temperature anomaly(SSTA) in the North Atlantic,the present study shows that it is altered mainly by the SSTA in the Indian Ocean Basin Mode(IOBM) in May,according to in-situ observations over the TP and MERRA reanalysis data.In the positive phase of the IOBM,a local Hadley circulation is enhanced,with its ascending branch over the southwestern Indian Ocean and a descending one over the southeastern TP,leading to suppressed precipitation and weaker latent heat over the eastern TP.Meanwhile,stronger westerly flow and surface sensible heating emerges over much of the TP,along with slight variations in local net radiation flux due to cancellation between its components.The opposite trends occur in the negative phase of the IOBM.Moreover,the main associated physical processes can be validated by a series of sensitivity experiments based on an atmospheric general circulation model,FAMIL.Therefore,rather than influenced by the remote SSTAs of the northern Atlantic in the early spring,the thermal forcing of the TP is altered by the Indian Ocean SSTA in the late spring on an interannual timescale.     

藏东南地区复杂下垫面能量收支特征分析

利用公益性行业（气象）科研专项项目＂藏东南地区复杂下垫面地气交换观测研究＂在藏东南地区进行的地气交换观测实验数据,分析典型晴天和阴天条件下不同下垫面能量过程的特征及其差异。结果表明：在典型晴空状态下,不同下垫面的地表净辐射均具有明显的日变化特征,在典型阴天的情况下,不同下垫面地表净辐射日均值显著减小;在典型晴空天气下,4种类型下垫面上潜热均随着净辐射的增加而表现为增加的趋势,在典型阴天的情况下,潜热通量明显比晴空天气小;不同下垫面感热通量的日变化存在显著的差异,不同下垫面感热的变化特征在典型晴空和阴天条件下的差异不明显;不同下垫面土壤热通量与净辐射的变化趋势基本一致,阴天夜晚土壤热流的交换与晴天夜晚的差异不大,四种下垫面土壤均存在能量损失,土壤处于降温状态。     

南海夏季风爆发前后海-气界面热交换特征

文中利用 2 0 0 0与 2 0 0 2年二次南海海 气通量观测资料和同期西沙站资料 ,研究了南海夏季风爆发前后海洋表面热收支变化特征。研究表明 :南海夏季风爆发前后 ,影响海面热收支变化的主要分量是净短波辐射通量和潜热通量 ,在季风爆发前后不同阶段 ,二个分量的变化有不同表现形式 ,但不论二者如何变化 ,季风爆发与活跃期 ,海面热收入减小或为净支出 ;季风爆发前及中断期间 ,海面热收入逐渐增加 ;由于大的热惯性 ,海温变化落后于海面热收支的变化 ,海温的这种滞后效应通过影响潜热通量调节海面热收支的变化 ,又反过来影响自身的变化 ,形成短期振荡过程 ,这种振荡过程与季风的活跃、中断过程相对应。     

Understanding the Surface Temperature Cold Bias in CMIP5 AGCMs over the Tibetan Plateau

The temperature biases of 28 CMIP5 AGCMs are evaluated over the Tibetan Plateau(TP) for the period 1979–2005. The results demonstrate that the majority of CMIP5 models underestimate annual and seasonal mean surface 2-m air temperatures(T_(as)) over the TP. In addition, the ensemble of the 28 AGCMs and half of the individual models underestimate annual mean skin temperatures(T_s) over the TP. The cold biases are larger in T_(as) than in T_s, and are larger over the western TP. By decomposing the T_s bias using the surface energy budget equation, we investigate the contributions to the cold surface temperature bias on the TP from various factors, including the surface albedo-induced bias, surface cloud radiative forcing, clear-sky shortwave radiation, clear-sky downward longwave radiation, surface sensible heat flux, latent heat flux,and heat storage. The results show a suite of physically interlinked processes contributing to the cold surface temperature bias.Strong negative surface albedo-induced bias associated with excessive snow cover and the surface heat fluxes are highly anticorrelated, and the cancelling out of these two terms leads to a relatively weak contribution to the cold bias. Smaller surface turbulent fluxes lead to colder lower-tropospheric temperature and lower water vapor content, which in turn cause negative clear-sky downward longwave radiation and cold bias. The results suggest that improvements in the parameterization of the area of snow cover, as well as the boundary layer, and hence surface turbulent fluxes, may help to reduce the cold bias over the TP in the models.     

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