起伏地形中的散射辐射及其计算模式

本文根据对丘陵山区地形参数的数值模拟结果,应用野外试验观测资料,较详细地讨论了起伏山区散射辐射计算模式。主要讨论三个问题:天穹散射各向异性下的坡地散射辐射计算;实际地形遮蔽下的坡地散射辐射计算;由周围山地反射而到达坡面的散射辐射计算。最终分析了散射辐射在大别山南段赵公岭山区的分布特点。结果表明,山区散射辐射场与地形要素场配合较好,其中冬季以坡向影响为主,夏季则以地形遮蔽为最重要。     

次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高，模式下垫面特征的描述更加仔细，针对东亚地区复杂的地形和植被特征，发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案，对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力。效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响，提出次网格地形热力效应的参数化方案，改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p—σ区域气候模式的数值试验结果表明，次网格地形热力效应参数化方案的引入，对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。     

用三维大气-土壤耦合模式进行山地小气候模拟

本文在地形坐标系中建立了一个准静力平衡的三维大气-土壤耦合模式,模式中大气、土壤的耦合通过山地的能量平衡方程来实现,其中考虑了坡地对日照以及日出日没时角的影响。为了增加模式的稳定性,上边界采用了海绵边界条件,侧边界输入端采用了海绵辐射边界条件,输出端采用辐射边界条件。为了提高模拟精度,模式中还采用了静力扣除法。 用本模式对南京方山小气候进行模拟,各坡向的地表温度、1.5m高空气温度模拟结果与观测值吻合良好。此外,还对方山进行了阻塞、冷迳流、山谷环流现象的一系列数值试验,得出了一些有意义的结论。     

WRF-Solar模式对山东太阳总辐射的模拟效果检验

利用专门为太阳能资源评估应用的 WRF-Solar数值模式系统,结合 MODIS 气溶胶光学厚度（AOD550 nm）数据,设置了5种山东区域总辐射模拟方案,使用山东济南、福山、吉县3个太阳辐射站总辐射观测数据,对晴天、阴天、雨天以及四季代表月等逐时总辐射模拟结果进行了对比检验。 结果表明：WRF-Solar数值模式对总辐射模拟能力在晴天和少云天最好,阴雨天较差,四季代表月中,天气过程较少的秋季和冬季模拟效果较好,春季次之,夏季相对较差;晴天和少云天、阴天和雨天以及不考虑天气过程的四季代表月所有日条件下,长、短波辐射方案分别采用RRTMG方案、new Goddard 方案,积云对流参数化方案均采用Grell 3D集合方案,同时使用AOD550 nm的气溶胶数据的总辐射模拟能力最强;WRF-Solar模式中加入 MODIS 气溶胶光学厚度资料后,山东区域晴天总辐射模拟结果明显改善,秋季、冬季代表月亦明显改善,但阴天和雨天总辐射模拟结果改善不明显,低能见度日总辐射模拟结果有所改善。     

苏通大桥桥位江面风速的数值试验

用WRF中尺度模式对苏通大桥桥位江面的风速进行了数值模拟。在修改了模式自带的静态地形数据后模拟效果较修改前有所改善。并发现在对天气系统有较准确模拟的情况下模式对桥位江面最大风速的模拟也较为精确,反之结果相差较多。挑选了其中两个个例并使用修改过静态地形数据的模式分别对地形和一些物理方案作敏感性试验,发现各种因素对模拟结果都有着不同程度的影响,起决定性作用的是水陆分布;在没有强对流天气系统的情况下各种微物理参数化方案对模拟结果均不产生明显影响;模拟时需加入长短波辐射参数化和边界层参数化方案,并且其中YSU边界层参数化方案的模拟结果最为理想。在缺乏江面风观测数据的时段里模式对江面风速的模拟结果具有一定的参考价值。     

山地对积云的影响数值模拟

使用二维平面对称暖积云模式模拟了三种理想地形对随坏境风移动的积云的作用,试验了山地处理技术,计算结果与观测事实比较一致。结果表明,积云移过孤立山地或移入山区时受到增强,雨量增大;而移出山地的积云则被减弱。地形作用在积云发展初期较明显。山地表面加热形成的山地环流回流下沉运动区对向山地靠拢的积云有一定削弱作用。     

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP-89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中, 得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式, 利用这个改进的三维模式对20 km×20 km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明, 由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强, 进而造成近地面温度梯度和感热支出小, 最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高; 而且随着山高的增加, 这种现象更加明显, 即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力; 模拟结果合理, 对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。     

一次华南暴雨过程的数值模拟和试验

本文利用有限区域数值预报模式MM4对一次华南暴雨过程进行了数值模拟和试验.用该模式预报的形势场与实况较一致,预报的暴雨强度、位置也与实况相近.此外由控制试验和敏感性试验可知,该暴雨强度对地形、辐射和下垫面过程比较敏感.     

基于WRF和CFD软件结合的风能资源数值模拟试验研究

运用中尺度数值模式WRF与法国CFD软件MeteodynwT相结合的方法（WRF／WT）,进行了广东省海陵岛地区的水平分辨率100m×100m的风能资源数值模拟试验,采用海陵岛上7座测风塔观测资料对WRF／WT模式的模拟风场进行误差检验,并与WRF／WAsP模式系统对单点风能参数模拟误差进行对比,研究WRF／WT模式系统在风电场微观选址和分散式风电开发利用中应用的可行性。结果表明：中尺度模式与CFD软件结合的数值模拟方法对区域风能资源分布趋势的模拟比单纯应用CFD软件更准确;WRF／WT模式系统应用于复杂地形风能资源数值模拟评估是可行的,其对区域风能资源参数分布模拟的准确率与WRF／WAsP对2km范围内风能资源参数模拟的准确率相当;WRF／WT模式系统在风速频率分布不满足Weibull分布的情况下和陡峭地形条件下有较好的模拟效果,相对WRF／wAsP有明显优势。今后需进一步研究中尺度模式与CFD软件的衔接方法,以及对中尺度模式模拟结果的误差订正。     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

A NUMERICAL MODEL FOR HILLY-LAND GLOBAL RADIATION

Based on the simulations of the hilly-land topographic parameters,i.e.,average orientation and slope,and topographic screen angle,a theoretical model is detailed to greater extent for global radiation overhilly countries in terms of the experimental data.Three main aspects are examined:the model construction;numerical run with the model parameters;discussion of simulations obtained locally in the model run for thesouthern Dabie Mountains.Results show that the significant effect of the topography on global radiation.The present model applies inprinciple to the numerical simulation of global radiation for any form of topography of various regions.     

物理守恒律保真全球谱模式辐射—云—对流过程的改进

辐射—云一对流相互作用的正确和合理描述是改进湿物理过程描述和数值模式的重要方面.在一个物理守恒律保真的全球模式中引入描述更细致的云参数化方案和辐射参数化方案,对6个30天实时资料数值积分进行分析.结果表明,通过云参数化方案中云描述的细化,改进了模式对云分布、云量、以及云水、云冰不同相态的模拟;辐射方案中对这些云水物质的...     

A new kind of cloudy sky model to compute instantaneous values of diffuse and global solar irradiance

Summary A model that uses two parameters to describe the state of the sky is presented. The parameters are the total cloud amount and a new two-value parameter – the sunshine number – stating whether the sun is covered or uncovered by clouds. Regression formulae to compute instantaneous cloudy sky global and diffuse irradiance on a horizontal surface are proposed. Fitting these relationships to Romanian data shows low bias errors for global radiation but larger errors for diffuse radiation. The model’s accuracy is significantly higher than one based on total cloud amount alone. The model is used to generate time-series of solar radiation data. A first approximate relationship, neglecting auto-correlation of the sunshine number, is used in the computations. Received July 17, 2001 Revised November 7, 2001     

Solar Radiation Climatology of Alaska

Summary There are only six locations in Alaska for which global radiation data of more than a year in duration are available. This is an extremely sparse coverage for a state which covers 1.5×10&⁶ km² and stretches over at least three climatic zones. Cloud observations are, however, available from 18 stations. We used fractional cloud cover and cloud type data to model the global radiation and thus obtain a more complete radiation coverage for Alaska. This extended data set allowed an analysis of geographic and seasonal trends. A simple 1-layer model based on Haurwitz’s semi-empirical approach, allowing for changes in cloud type and fractional coverage, was developed. The model predicts the annual global radiation fluxes to within 2–11% of the observed values. Estimated monthly mean values gave an average accuracy within about 6% of the measurements. The estimates agree well with the observations during the first four months of the year but less so for the last four. Changing surface albedo might explain this deviation. Previously, the 1993 National Solar Radiation Data Base (NSRDB) from the National Renewable Energy Laboratory (NREL) modeled global radiation data for 16 Alaskan stations. Although more complete and complex, the NREL model requires a larger number of input parameters, which are not available for Alaska. Hence, we believe that our model, which is based on cloud-radiation relationship and is specifically tuned to Alaskan conditions, produces better results for this region. Annual global solar radiation flux measurements are compared with results from global coverage models based on the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) data. Contour plots of seasonal and mean annual spatial distribution of global radiation for Alaska are presented and discussed in the context of their climatic and geographic settings. Received July 16, 1997 Revised May 18,1998     

云天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方法

为减少计算机时,满足实时预报要求,全球数值预报模式中的辐射计算频率通常设定为三小时。这样处理会大大减少计算量,但也同时导致较大辐射日变化偏差,并影响模式对地面能量平衡,对流及降水的模拟。为改进这一缺陷,我们开发了一种辐射快速计算方案,可用于计算瞬时地面太阳总辐射和净辐射,使到达地面的太阳辐射计算可与模式积分同步进行,从而改善地面太阳辐射日变化模拟。本文介绍云天的计算方法。该方案所用的输入变量均为预报模式或卫星观测所能提供的量。结果表明：该方案既可用于数值预报模式也可利用观测资料独立计算地面太阳辐射。经与美国能源部大气辐射观测资料检验,该方案的精度很高,地面总辐射瞬时值的平均计算误差小于7%。     

二维能量平衡模式中极冰对气候的影响——参数敏感性分析(二)

本文应用一个非定常的二维能量平衡气候模式,用数值解方法研究了极冰-温度-反照率的反馈对气候的影响问题。计算表明,定常解是确实存在的。与国外一维模式的结果不同,对应于观测的太阳常数,只能得到唯一的现在气候解。若出现小冰河期(即冰界在50°N左右),则太阳常数要比现在的值减小17％左右。同时发现各种参数值即使改变±20％,这种冰界纬度对太阳常数的变化也不敏感。这表明,现代气候对于太阳常数的变化,是处于相当稳定的状态,而气候状态对参数的依赖性,以热量的垂直湍流交换系数和对辐射的吸收系数为最重要。这也说明了能量的垂直输送过程在决定气候状态中是起重要作用的,而这恰好是国外一维能量平衡模式所没有考虑的过程,因而必然会得到不同的结论。     

晴天地表总辐射和净辐射瞬时值计算方法

以较为精确的大气辐射传输模式为基础,研制出晴天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方案。与以往的经验计算方法不同,该方案将辐射传输带模式的思路引入地面太阳辐射计算,并尽可能将大气中吸收和散射物质对太阳辐射的影响考虑进去,从而使该方法具有较好的精确性和普适性。在此基础上采用了Kokhanovsky等人提出的大气气溶胶反射率和透过率参数化方案,使得气溶胶对地面总辐射和净辐射的影响得到较好的处理。采用的自变量都是数值预报模式或卫星观测能提供的气象要素,因此该方案即可用于数值预报模式或陆面过程模式计算地表辐射平衡,又可以利用卫星观测或再分析资料估算地面太阳能资源分布。利用美国能源部三个大气辐射观测站点2005年全年的观测资料及欧洲宇航局提供的卫星反演气溶胶资料对计算方案进行了检验。结果表明,该方法十分精确,所有点的平均相对误差都小于6%,误差的均方差都小于0.3 W•m^-2。     

黄淮地区辐射模型适用性评价及参数优化

利用1961—2015年黄淮地区8个辐射站太阳辐射和日照时数等常规气象资料,分别评价6种常用的太阳总辐射和有效辐射估算模型在黄淮地区的适用性,同时采用多元回归分析和迭代等方法,对辐射参数进行优化调整,建立了适合本地区的辐射最优化估算模型。结果表明:童宏良公式和邓根云公式分别在估算太阳总辐射和地面有效辐射时的误差最小,相比其余的辐射估算模型,两者在黄淮地区适用性最好。另外太阳总辐射本地化修正模型的相对误差绝对值(value of Absolute Relative Error, ARE)和均方根误差(Root Mean Squared Error, RMSE)分别为16.28%和1.730 MJ·m~(-2)·d~(-1),优于童宏良公式等常用太阳辐射估算模型;有效辐射本地化修正模型的ARE和RMSE分别为23.19%和1.404 MJ·m~(-2)·d~(-1),优于邓根云公式等常用有效辐射估算模型;因此黄淮地区本地化辐射修正模型适用于当地地表净辐射估算,且具有较好的估算精度。     

Non-linear climate feedback analysis in an atmospheric general circulation model

 A method is described for evaluating the ‘partial derivatives’ of globally averaged top-of-atmosphere (TOA) radiation changes with respect to basic climate model physical parameters. This method is used to analyse feedbacks in the Australian Bureau of Meteorology Research Centre general circulation model. The parameters considered are surface temperature, water vapour, lapse rate and cloud cover. The climate forcing which produces the changes is a globally uniform sea surface temperature (SST) perturbation. The first and second order differentials of model parameters with respect to the forcing (i.e. SST changes) are estimated from quadratic least square fitting. Except for total cloud cover, variables are found to be strong functions of global SST. Strongly non-linear variations of lapse rate and high cloud amount and height appear to relate to the non-linear response in penetrative convection. Globally averaged TOA radiation differentials with respect to model parameters are also evaluated. With the exception of total cloud contributions, a high correlation is generally found to exist, on the global mean level, between TOA radiation and the respective parameter perturbations. The largest non-linear terms contributing to radiative changes are those due to lapse rate and high cloud. The contributions of linear and non-linear terms to the overall radiative response from a 4 K SST perturbation are assessed. Significant non-linear responses are found to be associated with lapse rate, water vapour and cloud changes. Although the exact magnitude of these responses is likely to be a function of the particular model as well as the imposed SST perturbation pattern, the present experiments flag these as processes which cannot properly be understood from linear theory in the evaluation of climate change sensitivity. Received: 16 January 1997/Accepted: 9 May 1997     

长三角城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

利用法国动力气象实验室发展的高分辨可变网格大气环流模式LMDZ,分别通过LMDZ的高分辨可变网格区域版及其全球版模式的数值模拟,研究长三角城市群下垫面变化带来的夏季气候效应,并尝试探讨大尺度环流的响应.其中LMDZ高分辨区域模式的模拟结果表明长三角城市群下垫面变化可导致夏季长三角地区接受的净辐射明显增加,感热通量上升,潜热通量下降,引起局地地表温度显著上升.同时西太平洋副热带高压西伸北抬控制长三角地区,反气旋性水汽通量异常,导致该地区降水异常减少.进一步对LMDZ全球模式的模拟结果分析,发现长三角城市群下垫面变化可能会引起大气基本模态的变化,进而引起南北半球中高纬异常波列结构的出现.