近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.     

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.     

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...     

洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征

基于2012年涡动相关法取得的洱海湖气之间湍流通量资料,计算了湖面反照率、空气动力学粗糙度和整体输送系数等湖气交换过程的基本物理参数;分析高原湖泊表面动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征及其主要的控制因子;采用神经网络法对缺失蒸发量数据进行填补,估算了洱海湖面全年蒸发量。2012年全年蒸发量为（1165±15）mm,大于年实际降水量（2012年的年降水量为818mm）。洱海局地环流在全年范围内较显著;全年主导风向为东南（谷风／湖风）和西北风（山风／陆风）。高原湖泊感热通量通常只有每平方米几十瓦,通常午后感热通量为负值;即湖面向大气输送热量。夏季湖泊大气界面感热通量最大值出现在清晨,与湖气温差的出现时间一致;在白天湖面的有效能量主要分配为潜热通量;湖气温差和水汽压差分别是感热通量和潜热通量日变化的主要控制因子。湖气界面二氧化碳通量除夏季存在弱的吸收外,其余季节（冬季）表现为弱的排放。湖面反照率的季节变化规律与太阳高度角的季节变动有关,同时湖面反照率与水的浑浊度等有关。与实际观测得到的湖面反照率相比,CLM4湖泊模式在冬季低估（夏季高估）了湖面反照率。     

土壤含水量空间尺度分布非均匀对中尺度脉动量和通量的影响研究

本文采用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式模拟研究了没有背景风的情况下，土壤湿度非均匀分布的长度尺度分别为40km逐渐减小到2km时，地表通量的分布和大气边界层的响应.运用二维傅里叶变换，分析了地表通量、中尺度脉动量和中尺度通量的二维幅度谱分布，初步探讨大尺度模式中非均匀地表条件下的边界层参数化问题.分析结果显示各试验的地表水、热通量和中尺度脉动量的幅度谱的极大值都出现在与各自非均匀尺度相对应的波数处，当有不同尺度的非均匀斑块共存时，最大的非均匀尺度占主导.但是中尺度水、热通量的结果有所不同，除了在与各自非均匀尺度相对应的波数处有峰值之外，在其他波数还有多个峰值.这些结果表明地表水、热通量的空间分布尺度与非均匀尺度之间存在较好的对应关系，而中尺度水、热通量与非均匀尺度的关系并不明显，说明地表水、热通量的网格平均值的代表性较好，但是不能反映次网格脉动的影响，而中尺度通量的网格平均值的代表性较差.     

长江三角洲典型稻作区近地层二氧化碳等湍流通量的观测研究

利用1999年和2000年长江三角洲近地层大气与农田生态系统综合观测试验资料，对常熟地区水稻插秧、拔节、抽穗等不同生长期近地层二氧化碳和感热、潜热、动量等湍流通量特征及变化规律进行了初步研究. 研究结果表明, 平均而言在水稻各生长期，近地面为二氧化碳的汇，白天水稻通过光合作用吸收二氧化碳、夜间则放出二氧化碳，抽穗期消耗的二氧化碳要多于拔节和插秧期；近地面为大气的热源，主要以潜热方式加热大气，尤其是在抽穗期，感热与潜热之比仅为0.058；二氧化碳等湍流通量的变化与辐射平衡各分量及气象要素有显著关系.     

绿洲和戈壁近地面层热量和物质输送特征对比

利用甘肃金塔绿洲和戈壁10 m涡旋相关法的观测资料对比研究温度、湿度和二氧化碳浓度(CO₂)的平流和湍流通量特征.结果表明,在典型绿洲-戈壁复杂下垫面上,热量和物质的平流通量比湍流通量的值大1到2个量级;在绿洲和戈壁,受平流输送影响和下垫面强迫,不同性质标量湍流的水平和垂直通量分布具有不同的特征.     

中纬低层大气重力波动量通量谱的探空观测

本文利用中纬站点Miramar Nas(32.87°N,117.15°W)的探空数据提取了对流层和低平流层的惯性重力波参数并计算了动量通量-相速度谱.分析表明低层大气重力波动量通量谱很好地满足高斯分布.高斯拟合的参数分析显示:(1)冬季西风急流对向东传播的波的吸收使得对流层向西传播的波的高斯峰值明显强于向东传播的波;(2)重力波在由对流层向平流层的传播过程中谱展会增大,这可能是波与背景相互作用以及波-波相互作用的结果;(3)急流对重力波的吸收与反射以及对流层顶附近波的耗散使得低平流层总动量通量远小于对流层的.受背景风场影响,谱的季节变化呈现出一定规律.多普勒效应对谱产生了两方面的影响,一方面背景风较大时多普勒效应会使谱展宽,另一方面多普勒效应会显著改变谱的中心本征相速度,使得动量通量谱在同一方向上呈现不对称性.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

近地层参数化对海南岛海风降水模拟的影响

利用WRF模式探讨了两种近地层参数化方案(MM5方案和Eta方案)对2013年5月31日海南岛一次海风降水过程模拟的影响.结果表明,改变近地层方案可对当地的海风环流及相应的降水特征产生明显影响,两个试验最重要的差别主要体现在模拟的海风及降水的强度差异上,与MM5试验相比,Eta试验的低层海风及辐合程度更强,相应的降水也更强,表现为岛屿总格点降水量、大于10mm的降水区域、最大格点降水三个量化指标均比较大.通过分析两种方案在不同降水阶段的地表通量及近地层变量场,发现Eta试验模拟的降水前环境场更有利于对流的启动,随着午后热力湍流的不断增强,将MM5方案替换为Eta方案可使近地层感热通量、潜热通量分别增加约3.57%、5.65%,动量通量减小约10.79%,感热、潜热的增加使Eta试验中近地层大气的加热加湿作用更加明显,相应的低层大气不稳定度更高,再配合海风锋前较强的辐合上升运动,局地不稳定能量的释放变的更加容易,因此降水强度更大.     

三峡水库香溪河库湾水-气界面热交换过程及水体稳定性

水库或湖泊的热分层结构是其动力与环境过程的重要研究方面,虽然很多学者针对水体分层结构和演变机理开展了大量研究,但水体通过水-气界面与大气进行热交换的过程,各气象因子的贡献机理等研究成果还很缺乏。本文基于三峡水库香溪河库湾2019年3月-2020年2月期间的水温、水位及气象等监测数据,针对水-气界面热交换过程如何影响水温垂向结构及表层水体湍流混合作用开展研究。结果表明,(1)香溪河水体年内呈高温期分层、低温期混合的基本特征,高温期混合层深度小于8 m,低温期混合层深度超过30 m。(2)太阳短波辐射是香溪河水体的主要热源,潜热通量和长波辐射是香溪河水体的主要冷源,感热通量贡献极小。(3)香溪河平均风速较弱,约为1.6 m/s,主要通过增强潜热和感热通量的方式影响水体垂向稳定性结构特征,其机械扰动作用较弱。(4)表层水体湍能通量在高温期较低(10^-7m³/s³量级),此时水体处于分层状态,风应力大概率主导表层水体湍流发育;低温期表层水体湍能通量较高(10^-6 m³/s^3<...     

黄土高原复杂地形上高质量湍流通量数据获取方法

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL)湍流观测资料,分析了二次坐标旋转(double rotation,DR)、平面拟合(planar fit,PF)和分风区平面拟合(fetch planar fit,FPF)在复杂地形上的适用性,总结出一套适用于SACOL的总体湍流特征参数化方案.经过超声虚温订正、坐标旋转、空气密度脉动订正以及平稳性检验、总体湍流特征检验、总体质量分级处理,摩擦速度(u*)、感热通量、潜热通量、CO_2通量高质量数据所占比例分别为45%~62%、66%~68%、62%~65%、52%~54%.采用DR得到的高质量数据比例与采用PF相比,u*提高了17%,后三种通量略降低2%~3%.PF和FPF两种结果的差别主要体现在u*上,只考虑主导风向数据DR得到的u*质量仍最好.综合兼顾数据质量和计算工作量,在复杂地形上处理湍流观测资料的最优坐标旋转方法是DR.     

Numerical simulations of land surface physical processes and land-atmosphere interactions over oasis-desert/Gobi region

A land-surface physical process model was coupled with a mesoscale atmospheric model. This cou- pled model was then used to simulate the interactions between land and the atmosphere, including surface temperature, net radiation, sensible heat flux and latent heat flux over a desert/Gobi with an oasis in northwestern semiarid regions in China. Comparisons between observations and simulations were made over the oasis and the desert/Gobi, respectively. Both cold island effect and wet island ef- fect, the so-called oasis effect, were observed and simulated. Lower temperature, higher specific hu- midity and weaker turbulent transfer were present over the oasis than the desert/Gobi. A subsidence occurred over the oasis, leading to a thermally-generated mesoscale circulation.     

不同强度冷空气对太湖水热交换的定量影响

作为冷季主要的天气事件,冷空气过境会改变湖泊上方的气团性质,对湖泊的水热通量产生影响,进而影响湖泊的生物物理和化学过程.以亚热带大型浅水湖泊——太湖为研究对象,基于2012-2017年5个冷季（11月-翌年3月）的太湖中尺度通量网观测数据,量化不同强度冷空气（寒潮、强冷空气和较强冷空气）对太湖水热通量的影响.结果表明：在5个冷季中,寒潮、强冷空气和较强冷空气发生的总次数分别为4、11和33次,累积持续天数分别为14、31和78天.冷空气过境显著增强太湖的水热通量,3种冷空气过境使太湖的感热通量分别增至无冷空气时的10.3、6.0和4.3倍,潜热通量分别增至无冷空气时的4.0、2.1和2.7倍.虽然冷空气影响天数仅占冷季天数的16.4%,但对整个冷季的潜热和感热通量贡献分别为34.9%和51.7%,以较强冷空气贡献最大.冷空气影响时,水-气界面的温度梯度是太湖感热通量的主控因子,而潜热通量的主控因子为风速.与深水湖泊相比,太湖等浅水湖泊对冷空气过境的响应更快,寒潮过境时尤为明显.     

The effects of small water bodies on the atmospheric heat and water budgets over the MacKenzie River Basin

The effects of small water bodies or lakes on the surface sensible and latent heat fluxes and the transport of heat and water vapour in the atmospheric boundary layer (ABL) over the Mackenzie River Basin (MRB) are studied from two cases, which occurred on 2 and 8 June 1999 during the warm season. The synoptic condition for the cases is representative of about 33% of the synoptic situation over the MRB. The two events are simulated using the Canadian mesoscale compressible community (MC2) model. A one‐way nesting grid approach is employed with the highest resolution of 100 m over a domain of 100 km². Experiments were conducted with (LAKE) and without (NOLAKE) the presence of small water bodies, whose size distribution is obtained through an inversion algorithm using information of their linear dimension determined from aircraft measurement of surface temperature during MAGS (the Mackenzie GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment) Study) in 1999. The water bodies are assumed to be distributed randomly in space with a fractional area coverage of 10% over the MRB. The results show that, in the presence of lakes, the domain‐averaged surface sensible heat flux on 2 June 1999 (8 June 1999) decreases by 9·3% (6·6%). The surface latent heat flux is enhanced by 18·2% (81·5%). Low‐level temperature advection and the lake surface temperature affect the air–land/lake temperature contrast, which in turn controls the sensible heat flux. In the absence of lakes the surface wind speed impacts the latent heat flux, but in the presence of lakes the moisture availability and the atmospheric surface layer stability control the latent heat flux. The enhancement is smaller on 2 June 1999 as a result of a stable surface layer caused by the presence of colder lake temperatures. The domain‐averaged apparent heat source and moisture sink due to turbulent transports were also computed. The results show that, when lakes are present, heating and drying occur in the lowest 100 m from the surface. Above 100 m and within the ABL, there was apparent cooling. However, the apparent moistening profiles reveal that lakes tend to moisten the ABL through transfer of moisture from the lowest 50–100 m layer. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Energy balance above a boreal coniferous forest: a difference in turbulent fluxes between snow‐covered and snow‐free canopies

To evaluate the interactive effects of snow and forest on turbulent fluxes between the forest surface and the atmosphere, the surface energy balance above a forest was measured by the eddy correlation method during the winter of 1995–1996. The forest was a young coniferous plantation comprised of spruce and fir. The study site, in Sapporo, northern Japan, had heavy and frequent snowfalls and the canopy was frequently covered with snow during the study period. A comparison of the observed energy balance above the forest for periods with and without a snow‐covered canopy and an analysis using a single‐source model gave the following results: during daytime when the canopy was covered with snow, the upward latent heat flux was large, about 80% of the net radiation, and the sensible heat flux was positive but small. On the other hand, during daytime when the canopy was dry and free from snow, the sensible heat flux was dominant and the latent heat flux was minor, about 10% of the net radiation. To explain this difference of energy partition between snow‐covered and snow‐free conditions, not only differences in temperature but also differences in the bulk transfer coefficients for latent heat flux were necessary in the model. Therefore, the high evaporation rate from the snow‐covered canopy can be attributed largely to the high moisture availability of the canopy surface. Evaporation from the forest during a 60‐day period in midwinter was estimated on a daily basis as net radiation minus sensible heat flux. The overall average evaporation during the 60‐day period was 0·6 mm day⁻¹, which is larger than that from open snow fields. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.