黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

基于WRF-LES的干旱湖区近地面风场模拟与敏感性研究

基于6层嵌套的WRF-ARW模式,在新疆博斯腾湖某湖岸地区进行了实际大气条件下的LES近地面风场数值模拟,并依据该地观探测资料开展了模拟结果的比对分析。为了探讨该地陆面特征对模拟结果的影响,分别针对地形分辨率、土壤湿度和地表粗糙度开展了敏感性试验。研究结果表明,在所关注的小尺度研究区域内,WRF-LES通过对大气边界层内大尺度湍涡的直接解析,相比于中尺度模拟,模拟结果更能体现出近地层风场的高度起伏性,进而提高数值模拟的真实性和准确性。为达到预期应用效果,WRF-LES需要与之相匹配的高分辨率的地形数据,此外土壤湿度数据会通过改变地表热通量分配来影响日间大尺度湍涡的发展,进而影响近地面风场模拟结果,而地表粗糙度对WRF-LES近地面风速模拟的影响则较为复杂。     

混合云在GCM气候模拟中的重要性

文章提出了一种简单且适用于大气环流模式（GCM）的冰云辐射参数化。利用该参数化和UGAMP大气环流模式研究了混合云在GCM气候模拟中的重要性。结果表明，云的相态变化及其所产生的反馈作用对模拟的气候状态有显著的影响。在高纬地区，云的相态变化可使地气系统净辐射增加。而在热带则使净辐射减少。     

RegCM4模式对中国过去30a气温和降水的模拟

利用区域气候模式(Reg CM4)对中国区域过去30 a(1983年1月至2012年12月)的气温和降水进行了数值模拟和检验分析。模拟结果和观测的对比检验表明,模式能够较好地再现过去30 a中国区域气温和降水的空间分布特征,对于温度和降水的分布型能够较为准确地模拟再现。但是,模拟的气温整体偏低于观测;模拟误差在东北地区相对较小,而在青藏高原周边地区误差相对较大。降水模拟值高于观测结果,在华南、华中地区效果好于其他地区;误差较大的区域主要集中在青藏高原东麓、四川和云南地区,这可能主要受地形因素影响。气温均方根误差整体上呈现出北高南低的分布,降水均方根误差则呈现出南高北低的分布。30 a气温模拟值上升趋势接近实际观测,气温在冬季的模拟好于其他季节,夏季降水的模拟结果明显偏高于观测。模式模拟结果可提供空间分辨率较高的气候资料,也可为观测资料稀少的地区提供有效的气候资料。     

ENSO combination mode and its influence on seasonal precipitation over southern China simulated by ECHAM5/MPI-OM

对东亚气候年际变率的研究仍存在许多值得探寻之处。已有研究表明,产生于ENSO年际变率和暖池年循环相互作用的C-mode与东亚气候异常变化的关系密切,特别是自20世纪90年代以来,ENSO对中国南方降水的贡献减弱,而C-mode的影响则在2000年后凸显出来。本文利用600年长时间模拟结果评估了气候模式ECHAM5/MPI-OM对C-mode及其对华南季节降水影响的模拟。结果表明该模式能够再现C-mode的时空特征以及热带海气对其的非对称响应。同时也能较好地抓住C-mode影响华南冬春季降水异常的时空结构。这将有助于进一步利用ECHAM5/MPI-OM来模拟和预测与C-mode相关的华南季节降水异常变化。     

七月中、低纬地区定常波动和加热场的模拟特征

本文利用P-σ混合坐标原始分程球带模式的最新版本,对七月中、低纬地区的定常波动及非绝热加热场进行了数值模拟。结果表明,模式成功地模拟出了北半球夏季对流层中波数为2的定常波动。高层波峰出现在大陆,波谷出现在海洋上,低层则相反。南半球的副热带高压带也模拟出来了。降水量的模拟也是成功的,特别是位于ITCZ中的积云对流性降水。加热场的模拟结果指出,七月份的热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上,还分布在热带海洋上ITCZ所在区;其余的广大洋面则显示出冷源的性质。其中热带海洋的热源以潜热加热为主(主要分布于大气的中高层),大陆上的热源有的以感热为主(主要分布于大气的低层),有的仍以潜热加热贡献较大。海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的。      

基于WRF模式的兰州秋冬季大气污染预报模型研究

随着城市化进程的加快,城市大气环境问题成为人们关注的热点问题之一。诸多研究表明,特殊气象条件是造成城市大气污染事件的主要因子之一。本文利用WRF模式模拟得到的高时空分辨率气象场,结合污染物浓度监测数据,分析了风速、稳定能量、Froude数、边界层高度、位温递减率、输送指数和梯度理查森数与兰州大气污染物浓度的关系,并根据WRF的模拟要素建立了污染物浓度与气象影响因子的回归方程。研究发现,兰州城区边界层高度和位温递减率与大气污染物浓度的相关系数高,NO2与气象影响因子的相关性较PM10好。建立的回归方程对NO2的模拟效果好于对PM10的模拟效果,其对城区污染物浓度的模拟效果好于郊区。通过与不同地区空气质量数值模式模拟效果对比,结果表明：回归方程对污染物的模拟效果与数值模式模拟效果相当,甚至好于部分地区空气质量数值模式的模拟效果。因此,该研究方法为我国城市空气质量预报和大气污染研究提供了科学依据。     

基于广义线性模型和NCEP资料的降水随机发生器

天气发生器可以用来插补历史缺测气象数据或生成未来天气情境, 近年来被普遍应用于对气象变量的降尺度研究, 为陆面的水文、 生态模拟提供外强迫输入。广义线性模型 (GLM) 是近年来用于建立大尺度气象变量与地面气象因子之间的一种有效方法, 基于GLM的天气发生器具有一定的应用前景。本文以NCEP再分析资料中的单格点气温、 500 hPa位势高度、 位温、 相对湿度、 海平面气压等5个变量作为影响降水变化的大尺度因子建立模拟逐日降水量的广义线性模型。模型中对降水概率的描述采用Logistic模型模拟, 而对降水量则分别试用Gamma分布、 指数分布、 正态分布和对数正态分布来模拟, 试图比较和揭示这些基于不同理论分布的模型的能力。模型中待定参数的估计及对研究区逐日降水量的模拟采用了完全相同的实测逐日降水数据和同期NCEP再分析资料。参数的最大似然估计用遗传算法来实现, 对山东省临沂地区10个主要气象观测站降水资料的研究表明, Gamma分布模型的拟合效果最好, 对数正态分布次之, 指数分布再次, 正态分布最差; 参数估计分月获取的拟合效果略好于不分月的。模型逐日降水模拟表明, 对降水发生概率的模拟会低估各月的多年平均值, 基于指数分布的GLM会低估各月总降水量期望 (为月内每日降水量期望之和) 的多年平均值, 而基于对数正态分布的GLM则会在降水量较大时产生高估现象。由对应的天气发生器模型生成的随机模拟降水序列表明, 基于对数正态分布的模型会高估月降水量较大时的多年平均, 而基于指数分布及Gamma分布的模型则模拟效果较好。总体上看, 这种基于NCEP再分析资料和GLM的天气发生器对降水变率具有很强的解释和模拟能力。     

系统优化理论在CERES－大豆模式品种参数求解中的应用

根据田间试验资料，采用多维非线性单纯形法搜索求解模式中的品种参数，比较全面地评价了ＣＥＲＥＳ－大豆模式（ＳＯＹＧＲＯＶ５．４１）对我国大豆生长过程及其产量形成的模拟效果。结果表明：（１）若仅考虑某一单项的模拟效果，如发育期或收获产量等，而不涉及其余项目，则可以调整有关参数得到相当满意的模拟结果；若考虑所有模拟输出项的模拟效果，则其精度明显下降，相对误差在１０％～６０％之间。（２）对于某些生长过程，如叶面积指数动态和地上部分于物重的增重过程等，用ＣＥＲＥＳ大豆模式模拟得到的时间趋势与实例资料有较大差别；而对籽粒增重的模拟效果较好。     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

澳门及其邻近地区海陆风的模拟

利用宾州／美国国家大气研究中心的ＭＭ５模式来模拟澳门的海陆风和珠江口的三维风场。模式设计为四重套网格,分辨率分别为 １ｋｍ,３ ｋｍ,９ ｋｍ,２７ ｋｍ。使用常规观测资料作为初始场,模拟时间为３０小时。结果表明采用高分辨率（１ｋｍ）模拟能很好地捕捉到澳门的海风和陆风。海风锋和热力内边界层也清楚可见。如果最小分辨率为３ ｋｍ,则只捕捉到海风,陆风却模拟不出来。     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

古气候模拟

古气候模式与现代气候模式控制因子不完全相同,有的因子在现代气候模拟中可以不考虑,但是在古气候模拟中则是必不可少的,例如轨道参数、大气中温室气体的浓度、大陆冰盖、大洋热盐环流等。而且,随着模拟的时间尺度不同,这些因子的作用也不同。评价古气候模拟,可以从3处着眼:气候变化的方向、幅度和速度。但是,长期以来古气候模拟仅仅涉及到前两个问题,也就是研究气候对外强迫的平衡响应。集其大成者是古气候模式比较计划(Paleaoclimate Modelling Intercomparison Project,     

一次辐射雾过程的数值模拟研究

利用中尺度模式MM5对2007年10月26日中国东部的一次大雾生消过程进行了数值模拟研究,并对影响辐射雾生消的辐射条件和模式的分辨率做了6组敏感性实验。结果表明,地面的长波辐射冷却是雾形成的决定性因子,太阳短波辐射是雾消散的主要因素;RRTM长波辐射方案模拟效果较云辐射方案更好,适当提高模式水平分辨率对水平尺度很大的雾模拟效果帮助不大,而适当提高模式垂直分辨率模拟则会更准确。     

低层环境风场对积云模拟的作用

采用二维和三维完全弹性参数化冷云数值模式模拟研究了低层单向切变风场中积云的发展演变过程和地面降水特征。结果表明:在低层切变风场中，用热泡扰动方式激发对流的启动条件提高，而冷出流方式激发对流则更加容易。适当强度的低层切变使对流峰值强度减小，但积云生命史延长，地面累计总降水量增大，雨区拓宽，峰值雨强则减小。采用二维模式来模拟单向切变风场的对流活动虽然存在严重歪曲，但积云最大升速以及地面总降水随时间的演变特征与三维模拟结果一致。     

BCC_CSM气候模式对风暴轴的模拟能力评估

本文利用NCEP/NCAR再分析资料从不同角度评估了BCC_CSM气候模式对风暴轴的模拟能力。对于气候态的模拟,BCC_CSM气候模式可以准确地模拟出各季节风暴轴主体的强度与位置。对于时空分布的年际变化的模拟,BCC_CSM模拟的冬季风暴轴EOF分解的第一与第二模态特征向量场同NCEP再分析资料对应的特征向量场结构类似,前两个模态分别为全区一致及南北反向型,第三模态则有所不同。对于年内逐月的风暴轴强度和纬度指数变化,BCC_CSM有着较好的模拟效果,可以模拟出太平洋风暴轴独有的“深冬抑制”现象,但对经度指数变化的模拟则与再分析资料有着较大差异。对于风暴轴向极移动情况的模拟,太平洋地区的模拟结果没有表现出向极移动,而大西洋地区则模拟出1970年以后风暴轴位置向极地偏移的趋势。     

基于WheatSM模型参数优化的鹤壁地区冬小麦生长发育模拟研究

采用EFAST方法和SCE-UA算法优化WheatSM模型参数,采用区域模拟和单站插值的方法对2013—2017年鹤壁市冬小麦各发育期日数和产量进行模拟修订,为WheatSM作物模型在豫北地区的业务应用提供参考。研究发现:区域模拟方法对鹤壁地区冬小麦生育期开始日期的模拟效果除出苗期、越冬期的外,其他均好于单点插值方法的。单点插值方法对越冬期的模拟效果明显好于区域模拟方法的。冬小麦产量的模拟效果区域模拟方法也比单点插值方法好,但两种结果的相对误差均较大。通过对WheatSM模型得到的冬小麦气象产量模拟结果进行修订,可以明显提高模型产量模拟结果。2013—2017年鹤壁地区模拟产量的误差为-17. 92%～-2. 98%,RMSE为1114. 9 kg/hm~2,NMSE为12. 59,模拟效果较好。利用区域模拟方法可以对区域内单个站点的冬小麦生长发育和产量进行模拟,但对越冬期开始时间的模拟需要参考单点插值方法的相应结果。     

非均匀对流边界层的地转强迫流动和动量输送

用大涡模拟方法研究地转强迫下的对流边界层流动和地表热力非均匀性影响.模拟重现了典型对流边界层的平均风廓线和动量通量垂直分布.地表热力非均匀性对区域平均风速和动量通量分布无明显影响,但边界层内的局地流动性状和湍流动量输送情况有系统性的改变.下风较热区近地面风速增强而高空流动受到阻塞,上风较冷区之上情况则正好相反.对应于平均流动场的畸变,地表较热区之上边界层大部可以出现动量向上输送的情况,较冷区成为大气动量下传的主要通道.地面应力在较热区增强、较冷区减弱的趋势明显.     

结合气象模式与GloBEIS模式研究气象条件对BVOCs排放的影响

BVOCs对全球碳收支、对流层化学反应及臭氧的形成和气候变化都有很大的影响.选取森林覆盖率高且BVOCs排放尚未有研究报道的中国东北地区作为研究区域,利用美国NCAR中心提供的1°×1°的6 h NCEP再分析资料,运行MM5模式,得到模拟结果,从中提取GloBEIS模型所需要的近地面层的温度、湿度、风速和云量的格点气象数据,实现了将MM5模式与GloBEIS相结合对BVOCs进行研究.研究中需要的植被种类及分布数据来自于最新的"植被信息系统"数据库,选取温度较高,太阳辐射较强,植被生长茂盛的2006年7月和2010年7月作为模拟时段,运行GloBEIS模型,对研究区域内的BVOCs的排放情况进行了估算.模拟结果与温度和云量等气象要素的分析结果表明,异戊二烯的排放速率受温度和PAR(光合有效辐射通量)的共同影响,日变化趋势显著,随着温度升高,PAR增强,异戊二烯的排放速率增大,在午后14:00左右达到最大值,之后降低.由于云量与PAR成反比,因此云量越少,异戊二烯的排放量就越高,反之,则越低;与异戊二烯不同,温度是单萜烯和其他VOC的排放的主导因素,受PAR和云量的影响较小,温度越高,排放量越大,反之,则越小.     

多普勒雷达资料同化在福建地区暴雨过程中的模拟试验

利用中尺度模式WRFV3.5,对福建地区的一次暴雨过程进行了模式参数化方案模拟效果的敏感性试验,并同化了多普勒雷达资料进行了模拟研究。结果表明,WSM5微物理方案与BMJ积云对流方案的组合模拟大雨和暴雨量级降水的TS评分可达0.29,模拟效果优于其他各种组合。在此基础上,采用WRFV3.5三维变分系统,直接同化多普勒雷达资料,并和登陆台风的外围暴雨过程的控制试验比较,结果表明,仅同化反射率资料使得暴雨落区会向南调整,更接近于实况(TS评分提高了0.12),而仅同化径向风资料使得模拟的降水强度更趋近于实况(TS评分提高了0.13);同时同化反射率和径向风资料,使得暴雨落区及其强度的模拟最接近于实况(TS评分从0.12提高到0.28);敏感性试验的对比结果以时间间隔为3 h时模拟效果最优,6 h间隔次之。因此,合理同化雷达资料会显著改进福建登陆台风的降水模拟效果。