鄱阳湖对降水强度减弱的物理过程的数值模拟研究

为量化分析研究湖泊对局地降水强度及性质的影响,基于WRF3.8版本中尺度数值模式及NCEP/NCAR提供的1°×1°时间间隔为6 h的FNL分析资料,进行控制性试验、湖泊陆面化的敏感性试验,对2011年6月14—15日鄱阳湖附近强降水的高值中心开展分析。结果表明:鄱阳湖水体下垫面白天作为“冷源”,对其附近100 km的水平范围、800 m的垂直厚度大气的温度有明显的“降温”调节作用。这种热力条件减弱影响了对流层中低层上升运动的强度与持续时间,造成降水强度减弱、降水时长缩短,最终减少了湖泊附近10%左右的累积雨量;鄱阳湖水体下垫面仅能提高边界层大气水汽的饱和程度(相对湿度),但“降低”了水汽的绝对含量(比湿),是湖泊陆面化后的敏感性试验比控制性试验降水中心强度更大、强降水范围更广的原因之一;湖泊水体下垫面通过“降低”边界层大气温度与绝对湿度,从而使大气具有比敏感性试验更弱的对流有效位能,大气低层(1000~850 hPa)具有更弱的对流不稳定度,探空反映控制性试验近地层有浅薄逆温结构,其比湖泊陆面化敏感性试验具有更低的CAPE,最终减弱控制性试验降水的对流性质。总体而言,鄱阳湖水体下垫面通过调节边界层大气的温度与绝对湿度,从而改变大气低层的环境条件,并影响初始抬升气块的温湿条件,延缓并减弱垂直运动的持续时间与强度,减弱湖泊附近低层的对流,对大气加热有45%的抑制率,最终减小降水强度与范围。     

地表物理参数影响MM5模式预报的个例分析

根据美国国家大气研究中心（NCAR）提供的和利用卫星遥感反演资料所得到的地表物理参数分别应用于中尺度数值模式MM5中．选取1998年6月28～30目的辽宁强降水过程进行了敏感性试验。结果表明：卫星反演的下垫面物理参数使模拟结果更接近观测值，其优势随着网格距的减小而逐渐明显。同时，下垫面物理参数的改变对于动力、热力场也有一定的影响。     

大气边界层物理研究进展(2012~2017年)

本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面（城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等）大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。     

地表物理参数影响MM5模式预报的个例分析

据美国国家大气研究中心(NCAR)提供的和利用卫星遥感反演资料所得到的地表物理参数分别应用于中尺度数值模式MM5中,选取1998年6月28～30日的辽宁强降水过程进行了敏感性试验。结果表明卫星反演的下垫面物理参数使模拟结果更接近观测值,其优势随着网格距的减小而逐渐明显。同时,下垫面物理参数的改变对于动力、热力场也有一定的影响。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

《大气环流模式》

《计算物理方法》系美国加里福尼亚大学主编丛书,该丛书第17卷《大气环流模式》在1977年出版。由五个课题组成,现分别介绍如下。一、天气预报和气候模拟中数值模式的计算方面。由美国国家大气研究中心笠原(Kasahara)撰写。研究大气和海洋运动规律的学科是地球物理流体动力学。天气预报和气候模拟就是由这门学科的基础理论所建立起来的一整套方程组控制。这套基本方程组通称“数学模式”,当数值近似方法应用于这组方     

湿地下垫面大气边界层温、湿廓线的数值模拟及影响因素分析

应用大气二维边界层数值模式,对2008年夏季洪河国家级自然保护区沼泽湿地1000m高度边界层的温度、湿度廓线进行了3次模拟试验,并模拟分析了风速和下垫面粗糙度对湿地边界层温、湿廓线结构的影响.结果表明:(1)大气二维边界层模式可以较好的模拟湿地下垫面边界层的温、湿结构,并且该模式对位温的模拟效果优于比湿;(2)风速和粗...     

珠江三角洲地区一次辐射雾的数值模拟研究

本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5对珠江三角洲地区夏季出现的一次辐射雾过程进行了数值模拟研究。模拟的结果在辐射雾出现的时间以及辐射雾的高度方面都与实况十分相近。我们对辐射雾的形成机制也进行了分析和数值试验．结果表明．地面的长波辐射冷却促使辐射雾形成．而短波辐射的加热是辐射雾消散的主要原因。另外．增加模式的垂直分辨率以及改变珠江三角洲地区的下垫面类型都可以使模式模拟的辐射雾的结果有明显的改善。     

全球大气数值模式动力框架研究进展

随着数值计算方法和高性能计算机技术的发展以及大气科学理论的完善,国外研制出了许多全球高分辨率非静力大气数值模式,为了让国内的模式开发者对当前全球大气数值模式的现状有一个清晰的了解,归纳总结2012年8月在美国大气研究中心参与评估测试的全世界17个非静力全球大气数值模式,主要从基本方程组、球面网格、离散方法、守恒性质、参数化物理过程与动力框架的耦合和全球大气模式的评估等进行回顾、归纳和讨论,对国内的模式研发者有一定的参考意义。     

局地环流与大气边界层湍流相互作用的数值研究

本文建立了一个二维定常大气中尺度数值模式，并用该模式讨论了由下垫面粗糙分布非均匀（局地动力强迫）和温度分布非均匀（局地热力强迫）而产生的局地大气环流与大气边界层湍流的相互作用。结果指出：下垫面存在温度分布非均匀时运动方程中的湍流交换项与水平气压梯项一样可促使局地热力环境的形成，由粗糙度分布非均匀强迫产生的局地环流与由下垫面温度分布非均匀强迫产和的局地热力环流间的非线笥相互作用是通过湍流交换实现的。     

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。     

纳木错湖夏季典型大气边界层特征的数值模拟

为了进一步检验分析纳木错湖对当地地方性环流、湖气能量交换及大气边界层的影响,在本文中使用美国NCAR新版MM5V3.7非静力中尺度模式,设计了有湖面、3/4湖面、1/2湖面及无湖四组试验,以NCEP再分析资料做初、边值条件,做了48 h三重嵌套模拟试验,对比中国科学院"纳木错圈层相互作用"综合观测站实测资料,说明该模式模拟性能良好。白天在纳木错湖风与念青唐古拉山北坡谷风共同作用下,在念青唐古拉山脊处汇合,形成一强水平切变及辐合上升运动,造成了该地夏季白天复杂多变的天气;夜间由于南岸湖风与山风叠加,使得整个区域为强大南风气流控制,这也补给了水汽和热量,也为白天不稳定运动提供了能量。对大气边界层特征的模拟结果表明:由于白天(夜晚)纳木错湖的存在有很好的降温(保温)作用,该湖表现出了明显的冷(暖)湖效应;纳木错湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热均小于周围陆地,夜间湖面有强潜热通量;纳木错湖使得白天湖区边界层顶低,陆区边界层顶高,夜间相反。这样的地方性环流和大气边界层特征的配合,是该地中小尺度天气剧烈变化的重要原因。     

风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠晴天边界层的探测分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年8和10月边界层风廓线雷达资料,分析了沙漠晴天边界层湍流、大气温度、水平风速风向以及垂直速度的发展演变特征和日变化规律。研究表明：（1）大气折射率结构常数（C_n~2）能较好地反映晴空湍流对电磁波的后向散射能力,可以详细刻画湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征;沙漠夏季白天湍流发展剧烈,旺盛区域顶部可达4000 m高度左右。（2）RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度,其近地边界层温度符合一般的日变化规律,昼夜温差显著,白天高温维持时间长,升温过程相对滞后于近地表气温。（3）风廓线雷达对大气风场的探测结果与地面风速风向一致,沙漠晴天主要受东风和东北风控制,风速较小,平均在2.0～6.0 m·s~（-1）范围变化。（4）沙漠腹地大气垂直速度变化符合静力平衡理论,铅直方向运动很弱,一般在-1.0～1.0 m·s~（-1）范围波动。     

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。     

西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究

利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考"地-气相互作用与气候效应"立体综合加强期观测试验2019年5月、7月和10月珠峰、林芝、那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料.探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系.结果表明:西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风...     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

峨眉山地区近地层微气象特征研究

基于2019年12月至2020年11月峨眉山站梯度塔资料、辐射观测资料和地表通量资料,采用涡动相关法对峨眉山地区近地层的地表通量和蒸散发量的变化进行分析,并估算了零平面位移、空气动力粗糙度、空气热力粗糙度、动量通量输送系数和感热通量输送系数等重要的空气动力学和热力学参数.研究表明:近地面风速呈现高层高、低层低的特征,且...     

利用RAMS模式对山谷城市兰州冬季湖泊效应的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的RAMS中尺度气象模式, 以NECP再分析资料为初、 边值条件, 在兰州城区东面设计了有湖和无湖两个试验, 做了72 h三重嵌套模拟试验, 分别模拟了两种情况下冬季兰州山谷地区的湖泊效应和大气边界层特征。模拟结果表明： （1）白天兰州山谷地区谷风在14：00强度达到最大。加入湖泊后, 14：00湖风强度增大, 湖风对谷风没有明显影响, 只对湖区及岸边附近的风场有影响。兰州山谷地区20：00以后山风开始出现, 到05：00左右北山山风的风速大于南山山风。05：00以后南山山风风速增大, 山谷以偏西风为主。加入湖泊后, 陆风也在夜间02：00左右表现的最为明显, 陆风和山风相互叠加, 导致兰州山谷东部地区西风风速增大; （2）加入湖泊后, 对周围地区气温的影响表现为夜间有增温作用, 增温作用随着离湖泊的距离渐远而减弱。在靠近湖区处夜间的近地面逆温强度减弱; （3）加入湖泊后, 对靠近湖面处空气相对湿度的影响表现为减小, 对靠近湖西岸陆地上近地面空气相对湿度的影响表现为先减小后增加, 这一点在夜间表现的最明显, 对靠近湖面处空气绝对湿度的影响表现为增加; （4）加入湖泊后, 湖区的净辐射和感热通量都减小, 湖的东西两岸的净辐射和感热通量都增大。在22：00到凌晨05：00之间, 靠近湖西岸的陆地上净辐射和感热通量也有所增大。     

雅鲁藏布大峡谷地区近地面-大气间水热交换特征分析

利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品,归类分析了藏东南雅鲁藏布大峡谷地区水汽输送类别.选取大峡谷地区排龙站、墨脱站两个站点2019年涡动相关系统观测数据,分析不同水汽条件下雅鲁藏布大峡谷地区不同位置近地面水热交换通量的日变化特征.结果表明:高原季风期对应大峡谷地区水汽强输送期和温湿期,高原非季风期则相反.墨脱站...     

Simulations of the Impact of Lakes on Local and Regional Climate Over the Tibetan Plateau

ABSTRACT

Because of the high elevation and complex topography of the Tibetan Plateau (TP), the role of lakes in the climate system over the Tibetan Plateau is not well understood. For this study, we investigated the impact of lake processes on local and regional climate using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, which includes a one-dimensional physically based lake model. The first simulation with the WRF model was performed for the TP over the 2000–2010 period, and the second was carried out during the same period but with the lakes filled with nearby land-use types. Results with the lake simulation show that the model captures the spatial and temporal patterns of annual mean precipitation and temperature well over the TP. Through comparison of the two simulations, we found that the TP lakes mainly cool the near-surface air, inducing a decreasing sensible heat flux for the entire year. Meanwhile, stronger evaporation produced by the lakes is found in the fall. During the summer, the cooling effect of the lakes decreases precipitation in the surrounding area and generates anomalous circulation patterns. In conclusion, the TP lakes cool the near-surface atmosphere most of the time, weaken the sensible heat flux, and strengthen the latent heat flux, resulting in changes in mesoscale precipitation and regional-scale circulation.