非均匀灌溉棉田能量平衡特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和土壤观测资料,运用涡动相关法分析了非均匀灌溉引起的热内边界层发展条件下近地层感热、潜热通量特征,并对有无灌溉两种条件下的能量闭合度进行了对比分析.在计算感热、潜热通量过程中,分别将Schotanus订正和Webb订正纳入了考虑范围,研究了两种订正方法对计算湍流热通量的影响.研究结果发现,由于非均匀灌溉生成的热内边界层使得近地层感热通量受到抑制,潜热通量出现波动,该现象在8.7 m比2.7 m 更为显著.非均匀灌溉导致的热内边界层的存在使得近地层能量闭合度偏低,能量平衡比率约为0.65;而没有热内边界层存在时,近地层能量平衡比率约为0.70.本实验中,Schotanus订正使得感热通量显著减小,其订正量日平均值约为-8 W/m²,占净辐射的近4%;Webb订正量日平均值约为2 W/m²,对能量平衡的影响较小.     

黄海、东海海域出海气旋发展过程中尺度数值模拟

利用MM5中尺度模式对1999年6月两个出海气旋发展过程进行 数值模拟. 数值模拟的气旋出海后移动路径与实际情况基本一致. 在数值模拟基础上重点讨 论了出海气旋发展过程潜热通量和感热通量的分布及其演变情况. 气旋出海后在气旋中心区 南方和东方存在负潜热通量和感热通量区. 出海气旋的东移和发展，其前方强大正热通量区 的存在可能是重要原因之一.     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

辐射参数化对海南岛海风雷暴结构模拟的影响

本文利用高分辨率WRF模式探讨了两组短波、长波辐射参数化方案(Dudhia+RRTM、RRTMG+RRTMG)对海南岛一次海风雷暴模拟的影响及其可能的物理机制.结果表明,辐射参数化能影响大气的加热程度和近地面能量,决定海陆温差和气压差,改变海南岛的海风特征,最终影响海风雷暴的发生发展.Dudhia+RRTM方案模拟的短波、长波综合加热率、感热通量以及潜热通量都大于RRTMG+RRTMG方案,造成了前者模拟的近地面能量偏高,大气层结也表现得更加不稳定,进而使得该方案下的海陆温差和气压差相对较大,Dudhia+RRTM方案模拟的海风明显强于RRTMG+RRTMG方案,能提供更好的水汽输送和抬升条件,有利于海风雷暴的发生发展,因此其模拟的雷暴活动范围和对流中心强度都要大于RRTMG+RRTMG方案.     

WRF模式不同陆面方案对一次暴雨事件模拟的影响

本文利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model (WRF) 3.1版本及National Centers for Environmental Prediction (NCEP)分析资料,就2003年6月下旬我国江淮及南方地区的强降水事件, 以24 h短期天气模拟的方式,研究了模式中四个不同陆面方案对降水模拟的影响.结果表明,此次暴雨事件模拟对不同陆面方案是比较敏感的,模拟区域内雨量级别越高,不同方案的TS评分差异就越大,较大范围雨量可存在30%的差异,四种方案的暴雨中心值可存在100%～150%的较大差别;不同陆面方案还导致了模拟平均感热通量及潜热通量的系统性差异,这些差异的分布具有地域特点;陆面方案通过两种机理对模拟降水产生重要影响,即主要影响地表蒸发量,以及主要影响低层环流及水汽辐合,从而分别影响模拟的较大范围降水(如,平均约7%、最大约30%的较大范围雨量差异)及包含模拟降水中心的较小范围暴雨(如,方案间暴雨中心雨量可存在100%～150%的较大差别).可见,不同陆面过程可从不同空间尺度、不同程度上影响暴雨天气,改进陆面方案可以提高WRF模式对暴雨的模拟能力.     

关中平原麦田干热风过程陆气交换特征的数值模拟

干热风是常发生在中国北方冬小麦产区的高温、低湿、风速较大,并伴随有强热量交换和水分蒸发过程的农业气象灾害.当其发生时如果不能保证作物水分的供给,将严重影响产量.因此,开展干热风发生机理的准确模拟与预报,对指导采取适时的农田管理措施,保障小麦产量至关重要.本文应用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting)输出结果驱动北京大学陆面模式PKULM(Peking University Land Model)的模拟方法,结合气象台站观测与风云3A卫星遥感反演的叶面积指数数据,对关中平原2008-2013六年间干热风过程中农田生态系统温度、湿度、风速、感热通量、潜热通量等陆气交换特征进行了数值模拟.准确模拟出了干热风发生期间的大气温度、相对湿度、风速、土壤温度、土壤含水量及冠层感热通量、总感热通量、冠层潜热通量和总潜热通量等关键要素特征,揭示了本地区干热风的两种形成机制.模拟结果表明:WRF对干热风过程的温度场、湿度场与风场模拟比较准确,PKULM对于植物在干热风过程中、特别是气孔关闭阶段的感热、潜热通量的模拟明显优于WRF-Noah LSM(Noah Land Surface Model)的模拟效果.模拟结果与相应气象要素的观测值数值接近、变化趋势一致,在实际干热风发生时间段内的各要素模拟值均达到干热风指标,因此使用本模式系统模拟预报干热风灾害是可行的.     

夏季亚洲大地形双加热及近对流层顶位涡强迫的激发Ⅱ:伊朗高原-青藏高原感热加热

基于诊断和数值模拟,研究了夏季青藏高原和伊朗高原热力强迫的相互作用,其对亚洲副热带季风区水汽通量辐合的贡献及对欧亚大陆上空高对流层顶和平流层低层冷中心形成的影响.结果表明两大高原感热加热存在相互影响和反馈,伊朗高原感热加热减少青藏高原的表面加热,而青藏高原的感热加热则增加伊朗高原的表面加热;形成了观测到的伊朗高原感热加热-青藏高原感热加热和凝结潜热释放-大气垂直环流之间的准平衡耦合系统(TIPS),影响大气环流.青藏高原上的感热-潜热相互反馈在这个TIPS耦合系统中起主要作用.两大高原感热加热对其他地区的影响有相互加强也有相互抵消;青藏高原感热加热引发的对亚洲副热带季风区水汽通量辐合贡献率为伊朗高原感热影响的2倍以上;伊朗高原和青藏高原的感热加热共同作用对亚洲副热带季风区的水汽辐合作出最主要的贡献.TIPS的加热作用使对流层温度升高,并抬升了其上空的对流层顶,造成了那里平流层下层温度偏低;与欧亚大陆大尺度热力强迫共同作用,形成了对流层上层的暖性但在平流层下层为冷性的强大的反气旋环流南亚高压,从而影响区域和全球的天气气候.     

CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

青藏高原植被变化与地表热源及中国降水关系的初步分析

利用设在青藏高原的5个自动气象站（AWS）近地层梯度观测资料、归一化植被指数（GIMMS NDVI）和中国624个台站月降水资料,初步分析了青藏高原植被变化与地表热源及中国降水的关系．结果表明：青藏高原植被与地表热源之间存在明显的正相关关系．高原西部感热与NDVI的正相关关系较高原东部显著,而高原东部地表潜热与NDVI的正相关关系则好于高原西部．植被改善后,各季节地表热源以增加为主,尤其夏季,热源增量最大;冬、春季感热对地表热源增量贡献较大,潜热贡献相对较小;夏、秋季感热与潜热对地表热源增量贡献同等重要．青藏高原植被与中国夏季降水相关系数从南到北,呈“＋-＋”带状分布．植被变化引起的高原地表加热异常可能是影响中国夏季降水的重要因子之一．     

白洋淀水陆下垫面上行星边界层空间变动研究

利用三维非静力中尺度模式ARPS,对白洋淀地区水陆非均匀下垫面上大气边界层结构及其变动进行了模拟研究.结果表明,晴天弱背景下,白洋淀地区陆地大气比湿高于水域的情况发生在白天大部分时间内,是普遍存在的一种现象,该现象首先出现在近地层,然后不断向高空延伸,与水陆两种不同的下垫面特征密切相关.由于水陆下垫面的差异,导致水域感热和潜热通量全天较小,变化平稳,而陆地日间感热和潜热通量较大,且潜热高于感热.水陆两地近地层湍流运动状态存在较大差异,湍流输送在水陆比湿空间变动过程中起决定性作用.形成的局地环流同样影响着水陆比湿的空间变动,主要表现在环流上下支对近地层湍流发展以及水汽的垂直输送的影响.陆地上空水汽主要来源于土壤植被的蒸发蒸腾,而来自水域的仅占很少一部分.     

Sensitivity of Typhoon Vamei (2001) Simulation to Planetary Boundary Layer Parameterization Using PSU/NCAR MM5

This paper investigates the sensitivity of the numerical simulations of a near equatorial Typhoon Vamei (2001) to various planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes in the Pennsylvania State University (PSU)/National Centre for Atmospheric Research (NCAR) non-hydrostatic mesoscale model (MM5). The numerical simulations are conducted on two domains at 45 and 15 km grids nested in a one-way fashion. Four different PBL parameterization schemes including the Blackadar (BLK) scheme, the Burk–Thompson (BURKT) scheme, the NCEP Eta model scheme and the NCEP medium range forecast (MRF) model scheme are investigated. Results indicate that the intensity and propagation track of the simulated near equatorial typhoon system is not very sensitive to the different PBL treatments. The simulated minimum central pressures and the maximum surface wind speeds differ by only 5–6 hPa and 6–8 ms⁻¹, respectively. Larger variations between the simulations occur during the weakening phase of the typhoon system. While all schemes simulated the typhoon with reasonable accuracy, the ETA scheme produces the strongest storm intensity with the largest heat exchanges over the marine environment and the highest warm moisture air content in the PBL around the core of the storm.     

中尺度模式积云参数化方案的改进及其在暴雨模拟中的应用

本文针对中国暴雨发生发展天气特征,改进和发展了一种适合于描述东亚暴雨的中尺度积云参数化方案.首先基于近年来(1990—2010)江淮流域汛期降水合成分析的基础上,诊断出组织化对流降水环境的动力参数;其次利用该动力参数作为动力控制条件,改进了Kain-Fritsch Eta中尺度积云对流参数化方案;最后利用改进的中尺度积云参数化方案对梅雨期暴雨、华南前汛期暴雨过程进行了数值模拟,结果表明:改进后的中尺度积云参数化方案对上述两次暴雨过程的落区及强度的模拟,均有明显改进.     

巢湖对冬季陆面辐射和热量过程的影响

从物理气候学的观点出发,分析了湖泊对水体和陆地辐射平衡和热量平衡各分量的影响。以巢湖地区冬季观测资料为例,揭示了在晴稳天气湖陆风环流对陆面显热输送的影响,以及在冷平流天气,湖泊对上下风方陆面显热输送的影响。     

海面动量、感热和水汽输送的动力学分析

基于大气边界层动量、感热和水汽通量的基本方程,定量地计算了波动海面的动量、感热和水汽通量。首先,应用Prandtl的混合长概念,推导出贴海面大气层中风速、位温和比湿的涡动交换率及其贴海面层厚度,并且证明了波面上位温或比湿贴海面层厚度与速度贴海面层厚度的比值,和平面上的相应比值完全相等。随后,利用空气动力学理论讨论了贴海面动量、感热和水汽输送的参数化问题。最后,对现有五种理论模式进行了比较说明。     

Development and test of a multifactorial parameterization scheme of land surface aerodynamic roughness length for flat land surfaces with short vegetation

Aerodynamic roughness length is an important physical parameter in atmospheric numerical models and micrometeorological calculations, the accuracy of which can affect numerical model performance and the level of micrometeorological computations. Many factors influence the aerodynamic roughness length, but formulas for its parameterization often only consider the action of a single factor. This limits their adaptive capacity and often introduces considerable errors in the estimation of land surface momentum flux(friction velocity). In this study, based on research into the parameterization relations between aerodynamic roughness length and influencing factors such as windflow conditions, thermodynamic characteristics of the surface layer, natural rhythm of vegetation growth, ecological effects of interannual fluctuations of precipitation, and vegetation type, an aerodynamic roughness length parameterization scheme was established. This considers almost all the factors that affect aerodynamic roughness length on flat land surfaces with short vegetation. Furthermore, using many years' data recorded at the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University, a comparative analysis of the application of the proposed parameterization scheme and other experimental schemes was performed. It was found that the error in the friction velocity estimated by the proposed parameterization scheme was considerably less than that estimated using a constant aerodynamic roughness length and by the other parameterization schemes. Compared with the friction velocity estimated using a constant aerodynamic roughness length, the correlation coefficient with the observed friction velocity increased from 0.752 to 0.937, and the standard deviation and deviation decreased by about 20% and 80%, respectively. Its mean value differed from the observed value by only 0.004 ms~(-1) and the relative error was only about 1.6%, which indicates a significant decrease in the estimation error of surface-layer momentum flux. The test results show that the multifactorial universal parameterization scheme of aerodynamic roughness length for flat land surfaces with short vegetation can offer a more scientific parameterization scheme for numerical atmospheric models.     

Impacts of boundary layer parameterization schemes and air-sea coupling on WRF simulation of the East Asian summer monsoon

The planetary boundary layer(PBL)scheme in the regional climate model(RCM)has a significant impact on the interactions and exchanges of moisture,momentum,and energy between land,ocean,and atmosphere;however,its uncertainty will cause large systematic biases of RCM.Based on the four different PBL schemes(YSU,ACM2,Boulac,and MYJ)in Weather Research and Forecasting(WRF)model,the impacts of these schemes on the simulation of circulation and precipitation during the East Asian summer monsoon(EASM)are investigated.The simulated results of the two local turbulent kinetic energy(TKE)schemes,Boulac and MYJ,are more consistent with the observations than those in the two nonlocal closure schemes,YSU and ACM2.The former simulate more reasonable low-level southwesterly flow over East China and west pacific subtropical high(WPSH)than the latter.As to the modeling of summer monsoon precipitation,both the spatial distributions and temporal evolutions from Boulac and MYJ are also better than those in YSU and ACM2 schemes.In addition,through the comparison between YSU and Boulac experiments,the differences from the results of EASM simulation are more obvious over the oceanic area.In the experiments with the nonlocal schemes YSU and ACM2,the boundary layer mixing processes are much stronger,which lead to produce more sea surface latent heat flux and enhanced convection,and finally induce the overestimated precipitation and corresponding deviation of monsoon circulation.With the further study,it is found that the absence of air-sea interaction in WRF may amplify the biases caused by PBL scheme over the ocean.Consequently,there is a reduced latent heat flux over the sea surface and even more reasonable EASM simulation,if an ocean model coupled into WRF.     

Numerical Simulation of the Sensitivity of Summer Monsoon Circulation and Rainfall over India to Land Surface Processes

—The influence of soil moisture and vegetation variation on simulation of monsoon circulation and rainfall is investigated. For this purpose a simple land surface parameterization scheme is incorporated in a three-dimensional regional high resolution nested grid atmospheric model. Based on the land surface parameterization scheme, latent heat and sensible heat fluxes are explicitly estimated over the entire domain of the model. Two sensitivity studies are conducted; one with bare dry soil conditions (no latent heat flux from land surface) and the other with realistic representation of the land surface parameters such as soil moisture, vegetation cover and landuse patterns in the numerical simulation. The sensitivity of main monsoon features such as Somali jet, monsoon trough and tropical easterly jet to land surface processes are discussed.¶Results suggest the necessity of including a detailed land surface parameterization in the realistic short-range weather numerical predictions. An enhanced short-range prediction of hydrological cycle including precipitation was produced by the model, with land surface processes parameterized. This parameterization appears to simulate all the main circulation features associated with the summer monsoon in a realistic manner.     

污染天气下成都城市热岛环流结构的数值模拟

本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明:当地时间17∶00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19∶00热岛环流结构最显著.21∶00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2～2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,最终造成城市热岛减弱,环流减弱.     

南极中山站至Dome A考察断面湍流参数特征近地层湍流参数特征

利用南极中山站至Dome A考察断面上3个自动气象站2005～2007年的观测资料和2008年夏季在中山站附近冰盖获取的湍流观测资料,应用空气动力学方法和涡动相关法计算分析了中山站至Dome A断面上近地层各种湍流参数(感热通量,潜热通量,湍流温度、湿度和速度尺度,地表粗糙度,大气稳定度及动量输送系数)的季节变化、日变...