一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

一个近地层中的三维随机扩散模式

利用横向Lagrange时间尺度T_(LY),与稳定度及高度的关系,本文建立了一个三维随机扩散模式,并用它模拟了近地层中地面源的扩散过程。模式计算结果表明:在稳定层结条件下该模式比取T_(LY)为常数得到的模式有明显的改进,而在不稳定条件下这一模式改进不大。     

城市面源SO2允许排放总量的网格分配方法

为了弥补A—P值法的不足，本文以A值法和SSIM模式为基础。提出了一种合理分配城市面源SO2允许排放总量的方法。该方法将A值法计算出的面源SO2允许排放总量作为一个约束条件放入SSIM（Source Strength Inversed Model）模式，调整该模式中各组源强的分担率，直至模式反演出的城市控制区各网格内的面源允许排放量之和与约束条件相等为止，此时模式输出的网格面源SO2允许排放量就是城市控制区内面源SO2允许排放总量的分配结果。应用该方法对石家庄市面源SO2允许排放总量进行网格分配，并采用美国工业源长期浓度复合模式（ISC3LT）对石家庄市SO2总量控制效果进行检验。结果表明：采用该方法分配面源SO2允许排放总量，可保证城市总量控制区内各网格上的SO2浓度值均满足国家标准。     

基于GRAPES的气象-水文模式在淮河流域的一次试验

Global-regional assimilation and prediction system(GRAPES)模式为中国气象局于2000年开始组织研究开发的数值预报系统,GRAPES_Meso模式是其区域中尺度数值预报系统版。GRAPES_Meso中的陆面模式选取的是Noah-Land Surface Model(NOAH-LSM)模式。NOAH-LSM陆面模式选取Simple Water Balance(SWB)对陆面水文过程进行描述。SWB是一个简单水量平衡模型,不能完整地描述陆面水文过程,特别是对径流的模拟存在不足。随着GRAPES_Meso模式不断的发展,对预报能力的要求逐渐提高,对其陆面模式中产流过程的描述也需要进一步的研究。本文中所应用的改进陆面水文过程的NOAH-LSM陆面模式,借鉴了水文模型的思想,利用蓄水容量曲线描述单元网格内产流面积的变化,并在模式中增加Muskingum汇流模块,完整陆面模式水文循环。将原GRAPES模式和改进陆面水文过程的GRAPES模式分别与新安江模型进行单向耦合,选取模式TS评分相差不大的试验流域——淮河流域上游控制站王家坝站,进行流量模拟对比。从试验结果可以看出,改进后的模式在洪量相对误差、洪峰相对误差、确定性系数上均优于原模式,并为未来利用水文模型对降水落区检验进行了探索性研究。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

初冬青藏高原冻土过程的数值模拟

利用改进了的加进NCAR陆面过程(LSM)的NCAR MM5大气模式中的土壤冻融过程参数化方案和2001年10月2～30日的NCEP再分析资料,对青藏铁路沿线区域进行数值模拟试验。在新方案中改进了土壤径流和土壤渗透影响土壤层的水文过程,增加了对土壤含冰量的求解,较真实地反映了土壤的冻融过程。模拟结果表明,改进土壤冻融过程方案后,模式对地温、地面通量的模拟有一定的改进,能够反映土壤冻结初期陆面要素场的变化。     

黄河源区若尔盖站冻融期土壤温、湿度的模拟与改进

利用陆面过程模式CLM3.5对黄河源区若尔盖站进行了一年的数值模拟试验,通过比较土壤温度、土壤含水量的观测值与模拟值,检验了该模式在黄河源季节性冻土地区的模拟能力。结果表明,模式对土壤温度的模拟,非冻结期较好,深层土壤温度稍偏高;冻结期模拟值偏低,冻结深度偏大。对土壤含水量的模拟,在冻融期出现了较大偏差,含水量骤降(冻结)、骤增(消融)的时间均较观测提前。模式土壤热传导参数化方案中的土壤基质热导率计算偏大是造成土壤温、湿度偏差的主要原因。将Johansen土壤基质热导率方案替换了原模式参数化方案后,模拟结果有一定的改进,土壤温度暖舌、冷舌的模拟深度显著减小,冻结期土壤温度模拟偏低的现象也得到了改进,土壤含水量骤降、骤增的时间与观测更为接近。     

CoLM模式地表温度变分同化研究

本文采用变分方法对通用陆面模式 (CoLM) 中的地表温度进行同化.同化伴随约束条件采用CoLM模式中的地表及植被能量平衡方程,调节因子采用裸土及植被蒸发比.采用美国通量网 (AmeriFlux) 中的Bonville站数据对同化方法进行了单点验证,验证结果表明同化后地表温度以及蒸散结果更加接近于实测值.选取中国华北地区对同化方法进行区域验证,结果显示每天仅采用白天一次观测值对地表温度进行同化的方法是有效的.通过对同化前后地表温度误差直方图比较可以发现,在有MODIS观测值的区域,同化后白天地表温度误差大大降低,同时,同化后地表蒸散空间分布图也发生了变化.单点验证以及区域验证结果都表明了变分同化方法是可靠的.变分同化方法可以改进陆面模式模拟结果,对于地表过程研究中的植被生态、水文等研究具有重要意义,同时,陆面模式可以与数值预报模式进行耦合,改进数值预报结果.     

一种陆面过程模式对径流的模拟研究

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热、潜热等其他通量的计算结果.作者针对陆面过程模式AVIM(Atmosphere VegetationInteraction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数化方法.并将改进后的模式用于内蒙古的锡林河流域,以检验模式对径流的模拟能力.1991～1994年的径流模拟结果表明,改进后的模式对径流的模拟有较好的改善.     

INFLUENCE OF INTERACTION BETWEEN LOW AND MIDDLE LATITUDES ON ENSO VARIABILITY IN THE CANE-ZEBIAK MODEL*

In this paper,an error source in the atmospheric component of the CZ(Cane-Zebiak) model is discussed,which is missing a free mode in "the exact solutions".However,the improved scheme is proposed,which is the computational scheme with adjusted wind or observed u and v as lateral boundaries.The simulations show that the simulated surface wind by the improved scheme strongly bears resemblance to the observation except for the area near the west and the east boundaries of the integrated area.These results support the conclusion that the wind stress simulated by the improved scheme with lateral boundaries is much better than that simulated by the CZ model,and show that interaction between low and middle latitudes has an important influence on the ENSO variability in the CZ model.Therefore,considering its impact on the CZ model can improve capability of the CZ model for simulating ENSO variability.     

Split-explicit integration of primitive equation barotropic model for the prediction of movement of monsoon depression

The split-explicit version of a limited area primitive equation barotropic model is formulated and tested for the prediction of movement of monsoon depressions. The model is integrated upto 48 hours with split-explicit time inte-gration scheme (Gadd, 1978a) using input of four synoptic cases. The model is also integrated explicitly. The forecast results obtained from both the versions are compared and discussed. The computational time in former version is less than half of the computational time needed in explicit version.     

Applying the energy- and water balance model for incorporation of the cryospheric component into a climate model. Part II. Modeled mass balance on the green land ice sheet surface

The Greenland ice sheet is a very important potential source of fresh water inflow to the World Ocean under warming climate conditions. Apparently, it was the same during the Last Interglacial 130-115 thousand years ago. In order to quantify input of the Greenland ice sheet to the rise of the global mean sea level in the past or in the future, we include a surface mass balance model block into the Earth System Model. The computational algorithm is based on the calculation of energy balance on the ice sheet surface. The key tuning parameter of the model is the daily amplitude of air surface temperature. It defines the area and the rate of snow or ice melting. The range of possible values of this parameter is determined during a series of numerical experiments. High sensitivity of meltwater runoff volume to surface air temperature amplitude is revealed.     

The modification of plume models to account for dry deposition

The assumptions and predictions of four diffusion-deposition models are compared, and two simple plume depletion models are recommended. One model applies an analytical, constant eddy-diffusivity solution of the advection-diffusion equation as a deposition correction to the general Gaussian plume model. Predictions of this model compare moderately well with those of the surface depletion model, an exact treatment of plume depletion, and it is particularly useful for estimating the transport and deposition of settling particles. The second model is a correction to the simple source depletion model that also accounts for the change in the vertical concentration profile caused by deposition. The computational requirements of this model are similar to those of the unmodified source depletion model, while its predictions near the surface are very close to those of the surface depletion model.     

地形追随坐标系下埃特尔位涡的计算

随着数值天气预报模式的日益普及以及位涡在不同天气、气候时、空尺度上的广泛应用,对采用模式输出资料计算的埃特尔（Ertel）位涡的精度提出了更高要求。将气象要素从中尺度模式普遍采用的地形追随坐标系向定义位涡的z或p坐标系的插值过程（插值法）,是导致埃特尔位涡计算误差的主要原因。文中利用地形追随坐标系与z（p）坐标系的变换关系,导出了z坐标系定义的埃特尔位涡在地形追随坐标系中的表达形式,实现了直接在模式格点上计算埃特尔位涡（直接法）,在提高计算精度的同时,保留了其在z坐标系中的物理意义,方便了分析与应用。为了进一步分析直接法在减少计算误差方面的作用,使用WRF模式对2016年7月发生在华北地区复杂地形背景下的一次黄淮气旋爆发过程进行了模拟,利用模式输出资料对此次天气过程中强降水时段插值法计算误差的分布进行了分析。结果表明,利用直接法计算位涡可有效减少插值法引入的计算误差,中低层均方根误差可达0.5 PVU,中高层可达0.3 PVU。将其应用到中小尺度对流性天气精细化结构的分析及气候统计研究中,可以有效减少插值法误差对结果产生的不良影响,提高计算和分析准确度。      

一次华南双雨带暴雨中的位涡演变与雨带间的相互作用

利用实况资料和WRF中尺度数值模式对2008年6月12日18时—14日00时的华南双雨带暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。结果表明:随着锋面的南压,在锋面的西南方向(广西沿海)生成一低涡,该低涡作为位涡源在中高层表现稳定,分别为锋面雨带(北雨带)与暖区雨带(南雨带)提供正位涡。南雨带对北雨带的作用主要体现在中层(112~114°E附近),南雨带中有位涡的大值向北输送,其输送过程导致两条雨带在该处相连,而在115°E以东的南雨带则无明显的输送过程。同时,北部高空槽中也有大值位涡向北雨带输送,以维持北雨带。研究还发现,本次过程中暖区暴雨与锋面暴雨雨带的结构差异明显,锋面雨带的结构与传统雨带的结构比较一致;有利于暖区暴雨降水的形势主要表现在中高层。RIP轨迹模式的结果也表明,质点在运动过程中位涡的输送源是位于广西沿海的低涡,可见该位涡源对双雨带形成有重要的作用。     

南京市大气NOx扩散规律与防治对策研究

以实用的多源大气扩散模型计算了南京市点源、面源及流动源等各类污染源对地面及不同高度的关心点上N0。年平均浓度分布状况及其各类源的平均浓度贡献率，分析了影响NO。在大气中扩散的主要因素，着重对交通源的排污扩散进行研究。发现2000年南京交通源对大气中NO。浓度的贡献率在市区绝大多数地区已超过70％。另外，还将美国的CAI．INE3模式引入南京。模拟了2000年交通源的排污扩散状况。结果表明，经过修正的CAuNE3模式基本上能合理地描述城市道路N0。的污染状况。根据城市管理部门给出的3种NO。减排方案，计算了实施这些方案后大气中NO。污染状况。结果表明。不能继续维持南京市的交通现状。而必须实施机动车车辆控制或排放因子的限制。     

Rise of Buoyant Emissions from Low-Level Sources in the Presence of Upstream and Downstream Obstacles

Field and laboratory studies have been conducted to investigate the effect of surrounding buildings on the plume rise from low-level buoyant sources, such as distributed power generators. The field experiments were conducted in Palm Springs, California, USA in November 2010 and plume rise from a 9.3 m stack was measured. In addition to the field study, a laboratory study was conducted in a water channel to investigate the effects of surrounding buildings on plume rise under relatively high wind-speed conditions. Different building geometries and source conditions were tested. The experiments revealed that plume rise from low-level buoyant sources is highly affected by the complex flows induced by buildings stationed upstream and downstream of the source. The laboratory results were compared with predictions from a newly developed numerical plume-rise model. Using the flow measurements associated with each building configuration, the numerical model accurately predicted plume rise from low-level buoyant sources that are influenced by buildings. This numerical plume rise model can be used as a part of a computational fluid dynamics model.     

A Note on k - ε Modelling of Vegetation Canopy Air-Flows

The k - turbulence model is a standard of computational software packages for engineering, yet its application to canopy turbulence has not received comparable attention. This is probably due to the additional source (and/or sink) terms, whose parameterization remained uncertain. This model must include source terms for both turbulent kinetic energy (k) and the viscous dissipation rate (), to account for vegetation wake turbulence budget. In this note, we show how Kolmogorov's relation allows for an analytical solution to be calculated within the portion of a dense and homogeneous canopy where the mixing length does not vary. By substitution within model equations, this solution allows for a set of constraints on source term model coefficients to be derived.Those constraints should meet both Reynolds averaged Navier–Stokes equationsand large-eddy simulation sub-grid scale turbulence modelling requirements.Although originating from within a limited portion of the canopy, the predictedcoefficients values must be valid elsewhere in order to make the model capable of predicting the whole canopy-layer flow with a single set of constants.