Large-Eddy Simulations of Surface Heterogeneity Effects on the Convective Boundary Layer During the LITFASS-2003 Experiment

We investigate the impact of observed surface heterogeneities during the LITFASS-2003 experiment on the convective boundary layer (CBL). Large-eddy simulations (LES), driven by observed near-surface sensible and latent heat fluxes, were performed for the diurnal cycle and compare well with observations. As in former studies of idealized one- and two-dimensional heterogeneities, secondary circulations developed that are superimposed on the turbulent field and that partly take over the vertical transport of heat and moisture. The secondary circulation patterns vary between local and roll-like structures, depending on the background wind conditions. For higher background wind speeds, the flow feels an effective surface heat-flux pattern that derives from the original pattern by streamwise averaging. This effective pattern generates a roll-like secondary circulation with roll axes along the mean boundary-layer wind direction. Mainly the upstream surface conditions control the secondary circulation pattern, where the fetch increases with increasing background wind speed. Unlike the entrainment flux that appears to be slightly decreased compared to the homogeneously-heated CBL, the vertical flux of sensible heat appears not to be modified in the mixed layer, while the vertical flux of latent heat shows different responses to secondary circulations. The study illustrates that sufficient time averaging and ensemble averaging is required to separate the heterogeneity-induced signals from the raw LES turbulence data. This might be an important reason why experiments over heterogeneous terrain in the past did not give any clear evidence of heterogeneity-induced effects.     

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。     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

SOME NEW UNDERSTANDINGS OF LAND-SURFACE PROCESSES IN ARID AREA FROM THE HEIFE*

The survey for the HEIFE(Atmosphere-Land Surface Processes Experiment at Heihe River Basin,Western China) is given in the paper.The following basic subjects for land-surface processes in arid areas are studied:(1) the general characteristics of the energy budget on ground surface in arid areas;(2) the parameterization of the land surface processes;(3) the interaction between oasis and its desert circumstances,a special phenomenon in arid areas.The analysis shows that the sensible heat flux in the surface energy budget is in the majority,and the latent heat flux may be neglected.The influence of atmospheric stratification stability on the turbulent transfer of energy and substance must be considered in parameterization of land surface processes in arid areas.The "cold island effect" phenomenon in oasis and the "humidity inversion" phenomenon in desert near oasis are the result of the interaction between them.The results would improve the understanding of land surface processes in arid areas.     

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。     

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。R度在15km以上的绿洲可以形成绿洲一沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在儿公里的绿洲不能形成绿洲一沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。     

成都精细下垫面信息对城市气象影响的模拟试验

为了提高成都市精细化天气预报水平,使用成都地区精细下垫面土地利用资料,在WRF中耦合了单层城市冠层模式,对2008年7月6 日晴空背景下的成都城市气象特征进行了模拟,并和使用旧土地利用资料、slab模式的模拟结果进行了对比分析.模拟结果表明城区因为不透水下垫面的增加,使得地表蒸发和地表水汽通量显著减小,潜热通量减小,感...     

绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究

为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块（WRF-LES）在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验（分别简称为BI和AI）,其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前（BI）比灌溉后（AI）更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。     

黄土高原半干旱区异常能量闭合率特征分析

以兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称SACOL站）4 a的陆面通量数据为基础,利用普通最小二乘法（OLS）和能量平衡比率（EBR）方法,对能量平衡的异常闭合特征及其与相对垂直湍强（RIw）的关系进行了研究,并进行了能量滞后分析。结果表明,能量过闭合和负闭合现象分别主要发生在白天和夜间,大小遵从正态分布;较大异常闭合产生的原因主要是日出日落时净辐射与地表热通量接近以及降水影响造成湍流通量出现异常大值。一般来说,垂直湍流运动越强,异常闭合越少,闭合度越向1收敛,反之亦然。强湍流或极弱湍流都不利于产生异常闭合,过闭合、负闭合的最适相对垂直湍强RIw约为0.11、0.14。另外,能量支出项的相对滞后也是造成包括负闭合在内的异常闭合的原因之一。剔除湍强较弱的点或将地表热通量G0、感热H、潜热LE相位相对净辐射Rn提前30 min后,异常闭合所占比重减少;月平均EBR法过闭合度降低,OLS法闭合度提高。     

Atmospheric turbulence within and above a douglas-fir stand. Part II: Eddy fluxes of sensible heat and water vapour

This is the second paper describing a study of the turbulence regimes and exchange processes within and above an extensive Douglas-fir stand. The experiment was conducted on Vancouver Island during a two-week rainless period in July and August 1990. Two eddy correlation units were operated in the daytime to measure the fluxes of sensible heat and water vapour and other turbulence statistics at various heights within and above the stand. Net radiation was measured above the overstory using a stationary net radiometer and beneath the overstory using a tram system. Supplementary measurements included soil heat flux, humidity above and beneath the overstory, profiles of wind speed and air temperature, and the spatial variation of sensible heat flux near the forest floor.The sum of sensible and latent heat fluxes above the stand accounted for, on average, 83% of the available energy flux. On some days, energy budget closure was far better than on others. The average value of the Bowen ratio was 2.1 above the stand and 1.4 beneath the overstory. The mid-morning value of the canopy resistance was 150–450 s/m during the experiment and mid-day value of the Omega factor was about 0.20. The daytime mean canopy resistance showed a strong dependence on the mean saturation deficit during the two-week experimental period.The sum of sensible and latent heat fluxes beneath the overstory accounted for 74% of the available energy flux beneath the overstory. One of the reasons for this energy imbalance was that the small number of soil heat flux plates and the short pathway of the radiometer tram system was unable to account for the large horizontal heterogeneity in the available energy flux beneath the overstory. On the other hand, good agreement was obtained among the measurements of sensible heat flux made near the forest floor at four positions 15 m apart.There was a constant flux layer in the trunk space, a large flux divergence in the canopy layer, and a constant flux layer above the stand. Counter-gradient flux of sensible heat constantly occurred at the base of the canopy.The transfer of sensible heat and water vapour was dominated by intermittent cool downdraft and warm updraft events and dry downdraft and moist updraft events, respectively, at all levels. For sensible heat flux, the ratio of the contribution of cool downdrafts to that of warm updrafts was greater than one in the canopy layer and less than one above the stand and near the forest floor.     

西南季风爆发前后大理近地层风场及湍流通量的变化特征

利用2008年4~5月大理国家气候观象台近地面层观测系统的梯度、涡动相关通量观测资料,结合背景场环流分析,分析了西南季风爆发前后大理近地面层的风速、风向变化特征、风速廓线和垂直切变变化特征以及动量、感热和潜热通量变化特征。结果显示:西南季风爆发前,大理近地层风向以东南风为主,平均风速较大;风速日变化的双峰型特征较显著,风速的垂直切变大,动量通量数值较大且日变化特征较明显。西南季风爆发后,大理近地层西北风频率显著增加,平均风速减小;风速日变化以单锋型为主,风速垂直切变较前期显著减小,动量通量数值减小而日变化特征较不显著。西南季风开始前后大理地气热量交换都以潜热为主,西南季风开始前一旬期间,潜热通量的逐日变化特点是随时间逐渐减少,感热通量逐渐增大,二者差值逐渐减小;西南季风开始后潜热通量的逐日变化为逐渐增大而感热通量逐渐减少,二者差值逐渐增大。就月平均值的日变化而言,潜热通量峰值变化不大,雨季略低于干季的4月;感热通量4~6月的月平均逐月降低。其原因既与雨季天气的变化有关,也与下垫面状况的改变相联系。     

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明:新型的超声风温仪虽然带有雨滴防护沙网, 但雨滴对超声观测的误差影响显著, 尤其是对u, w方向。雨天情况下与z/L相关系数很低, 湍流强度与稳定度不存在1/3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近, 感热、潜热通量相关系数分别达到0.8699和0.8633, 两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻, 即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值, 其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Q_h+Q_e普遍偏小, 与可用能量R_n-Q_g多数情况下存在能量不平衡, 说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征, 但夏季的潜热大于感热, 而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程, 尔后上升到12月份浓度最高, 总体浓度值在350×10-6~400×10-6之间变化。     

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。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

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。      

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。     

夏季青藏高原低涡的能量场分析

本文采用视热源方程，视水汽汇方程，扰动能量方程和涡度方程对1979年6月的三次低涡进行了分析和研究，得到了以下结论:在低涡生成和发展过程中，积云和乱流引起的总热量的垂直涡旋输送很大。当大气处于条件不稳定时，γs＜γ＜γα，积云和乱流的这种输送结果，使得低涡的正涡度增长上升到较高层次；另外，积云和乱流对总热量的垂直涡旋输送使得低涡内扰动有效位能增加，然后向扰动动能转换，使低涡得以生成和发展。     

2014年夏季青藏高原狮泉河与林芝降水低频振荡及陆—气过程日变化特征

根据“第三次青藏高原大气科学试验” 2014年7、8月青藏高原西南部狮泉河站、东南部林芝站的3 m涡动相关系统原始数据和10 Hz湍流资料以及中国气象局台站观测资料、JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）逐日再分析资料、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）全球降水逐日观测资料,分别讨论了这两个站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。结果表明:两站高低空环流场、水汽通量场、热源的10~20天低频分量在其干、湿位相期间的配置相反。低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。狮泉河站的低频振荡在纬向上自西向东传播,而林芝站的低频振荡在纬向上自东向西传播,结果表明这两个站分别存在两种不同起源的低频振荡。两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时（北京时,下同）,但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时;由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,06时之前以潜热为主,06时之后以感热为主;林芝站干、湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流平均动能与平均风速正相关,垂直动量表现为向下传输,热量和水汽表现为向上传输。