黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

近地层内湍流特征量的参数化研究

以地表能量收支平衡方程为基础，将地表通量同近地层内的常规气象资料联系起来，模式要求输入地面风速、温度和总云量等常规气象观测资料，输出近地层的湍流特征参数U* 、θ* 、L和参数化的地表通量（净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量），澳大利亚Wangara试验资料被用来检验了该模式。计算结果和实际资料吻合较好。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

区域大气模式中陆面子模式起转过程的研究

模式的起转过程(spin-up)是指在非平衡初值或扰动的条件下,模式进行调整而达到平衡态的过程.以黑河实验(HEIFE) 1991年6月20日到7月20日张掖站观测的地表能量通量和土壤温度资料为基础,用大量数值实验研究了RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)陆面子模式起转过程所需的时间范围.数值实验中,为细致考虑土壤初始参数对此过程的影响,共设计了40余组不同的初始土壤水、热参数.通过模拟结果分析,把RAMS陆面模式起转过程的表现归纳为4大类,并说明了这个过程的持续时间可能因为土壤初始参数的不同而产生较大的差异,其范围可能为数小时至一周以上.在判断RAMS模拟地表、低空物理量时,土壤含水量是判断模式是否达到平衡态的重要因子.     

干旱及半干旱地区地表能量通量的卫星遥感参数化

对干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表能量通量的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。作者提出了一个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于中国西北地区“我国重大气候和天气灾害形成和预测理论的研究”(国家重点基础研究发展规划项目G1998040900,1999-2003)的“敦煌试验”区和“黑河试验”(HEIFE,1989-1994)区,并利用4个景(“敦煌试验区”:2000年6月3日-初夏、2000年8月22日-夏末和2001年1月29日-冬天:“黑河试验”区:1991年7月9日-夏季)的陆地资源卫星Landsat5 TM和Landsat-7 TM资料进行了分析研究,得到了有关干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的分布图像。最后还讨论了参数化方案的适用范围和需改进之处。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

植被覆盖度对兰州地区气象场影响的模拟研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式耦合Noah陆面过程模式,模拟了兰州地区冬季气象场,并用观测资料对模拟结果进行了检验。利用2006年中分辨率成像分光辐射计(MODIS)植被归一化指数(NDVI)计算得到的植被覆盖度替换模式默认的植被覆盖度,研究了植被覆盖度对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,新的植被覆盖度数据使研究区域的地表反照率减小,发射率增加,感热通量白天增加、夜间减小;还明显地改进了WRF模式对近地面温度和风速的模拟;植被覆盖度对地表蒸发有很大影响,冬季干旱半干旱地区的植被基本处于休眠状态,地表蒸发以直接蒸发为主,使用新的植被覆盖度数据后,模拟区域的植被覆盖度增加,地表蒸发减小,近地面水汽含量减少,WRF模式模拟的边界层高度增大。     

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。     

黑河地区近地面层辐射和温度的适用性模拟研究

为了检验中尺度区域大气模式在中国高原复杂下垫面区域气候模拟中的适用性,文中采用该模式在40余种不同的初始参数条件下模拟了1991年6月20日至7月20日黑河区域的近地面辐射收支平衡和空气温度。并分析了中尺度区域大气模式应用于中国西北部大起伏地形和高原地区复杂下垫面(HEIFE)的模拟能力。结果表明,在仅使用NCEP再分析资料、探空资料和常规地面观测资料(RAMS标准输入),而不根据当地特征调整区域大气模式初始参数的情况下,对近地面层的辐射收支和空气温度具有一定的模拟能力,但可能引发较大的误差;特别是地面向上长波辐射通量和2 m空气温度,其模拟结果与实测结果相差甚远。只有合理地调整模式的初始参数,主要是初始土壤层的温度和湿度,才能得到与实测资料符合良好的结果;而要进一步地模拟出这些物理量在复杂天气情况下的细致变化,则需要把土壤深度扩大到4 m左右,并使用较为可靠的数据初始化垂直非均匀的土壤湿度。     

A climate version of the regional atmospheric modeling system

Summary  The Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) has been widely used to simulate relatively short-term atmospheric processes. To perform full-year to multi-year model integrations, a climate version of RAMS (ClimRAMS) has been developed, and is used to simulate diurnal, seasonal, and annual cycles of atmospheric and hydrologic variables and interactions within the central United States during 1989. The model simulation uses a 200-km grid covering the conterminous United States, and a nested, 50-km grid covering the Great Plains and Rocky Mountain states of Kansas, Nebraska, South Dakota, Wyoming, and Colorado. The model’s lateral boundary conditions are forced by six-hourly NCEP reanalysis products. ClimRAMS includes simplified precipitation and radiation sub-models, and representations that describe the seasonal evolution of vegetation-related parameters. In addition, ClimRAMS can use all of the general RAMS capabilities, like its more complex radiation sub-models, and explicit cloud and precipitation microphysics schemes. Thus, together with its nonhydrostatic and fully-interactive telescoping-grid capabilities, ClimRAMS can be applied to a wide variety of problems. Because of non-linear interactions between the land surface and atmosphere, simulating the observed climate requires simulating the observed diurnal, synoptic, and seasonal cycles. While previous regional climate modeling studies have demonstrated their ability to simulate the seasonal cycles through comparison with observed monthly-mean temperature and precipitation data sets, this study demonstrates that a regional climate model can also capture observed diurnal and synoptic variability. Observed values of daily precipitation and maximum and minimum screen-height air temperature are used to demonstrate this ability. Received September 27, 1999 Revised December 11, 1999     

A Climate Version of the Regional Atmospheric Modeling System

Summary The Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) has been widely used to simulate relatively short-term atmospheric processes. To perform full-year to multi-year model integrations, a climate version of RAMS (ClimRAMS) has been developed, and is used to simulate diurnal, seasonal, and annual cycles of atmospheric and hydrologic variables and interactions within the central United States during 1989. The model simulation uses a 200-km grid covering the conterminous United States, and a nested, 50-km grid covering the Great Plains and Rocky Mountain states of Kansas, Nebraska, South Dakota, Wyoming, and Colorado. The model’s lateral boundary conditions are forced by six-hourly NCEP reanalysis products. ClimRAMS includes simplified precipitation and radiation sub-models, and representations that describe the seasonal evolution of vegetation-related parameters. In addition, ClimRAMS can use all of the general RAMS capabilities, like its more complex radiation sub-models, and explicit cloud and precipitation microphysics schemes. Thus, together with its nonhydrostatic and fully-interactive telescoping-grid capabilities, ClimRAMS can be applied to a wide variety of problems. Because of non-linear interactions between the land surface and atmosphere, simulating the observed climate requires simulating the observed diurnal, synoptic, and seasonal cycles. While previous regional climate modeling studies have demonstrated their ability to simulate the seasonal cycles through comparison with observed monthly-mean temperature and precipitation data sets, this study demonstrates that a regional climate model can also capture observed diurnal and synoptic variability. Observed values of daily precipitation and maximum and minimum screen-height air temperature are used to demonstrate this ability. Received September 27, 1999 Revised December 11, 1999     

卫星遥感结合数值模式估算金塔绿洲非均匀地表能量通量

针对遥感在面上计算的特点,将模式模拟的气象要素区域分布替代以往使用的单点观测值作为遥感估算蒸散发模型的初始场,引入到SEBS(Surface Energy Balance System)模型中,利用EOS/MODIS遥感资料对金塔绿洲非均匀下垫面地表能量通量进行了估算。对比估算结果与实测值表明,引入数值模拟结果后,绿洲地表感热通量的估算误差平均减小了5.8%,潜热通量的误差平均减小了5.5%,说明数值模拟结果的引入比较成功。通过分析地表通量的区域分布特征表明,数值模拟结果的引入在一定程度上更加细致地刻画了荒漠绿洲能量平衡的分布特征,在戈壁荒漠地区,潜热通量非常小,而绿洲集中的地区及水库附近出现了潜热通量的极大值。     

Some Basic Properties of the Surrogate Subgrid-Scale Heat Flux in the Atmospheric Boundary Layer

The development of improved subgrid-scale (SGS) models for large-eddy simulation of scalar transport in the atmospheric boundary layer requires an improved understanding of basic properties of the SGS fluxes. High frequency atmospheric wind speed and temperature data sampled at a height of 1.7 m are used to measure SGS heat fluxes and dissipation of temperature variance, by means of one-dimensional filtering and invoking Taylor's hypothesis. Conditional averaging is used to isolate interesting features of the SGS signals, and to relate them to the large-scale characteristics of the flow, such as the presence of coherent structures. Both mean and conditionally averaged SGS quantities are compared with those obtained using a standard eddy-diffusivity model. Within the limitations imposed by the one-dimensional data analysis, we observe that the model appears unable to reproduce important features of the real signals, such as the negative dissipation of temperature variance associated with strong negative resolved temperature gradients due to the ejection of warm air under unstable atmospheric stability conditions.     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

一个引入近地层的土壤一植被－大气相互作用模式

本文在国外同类模式基础上，结合自己特点建立了一个土壤一植被－大气近地层的相互作用模式。在这个模式中，土壤和植被与大气之间的各种通量输送是与近地层大气进行的，而不是同较高层大气直接交换，更符合实际情况。以大气几十米高处的风、温度、湿度为输入参数，驱动运行本模式，进行敏感性试验，并用有限的观测数据相比较。结果证明，本模式能合理模拟土壤、植被、大气的温、湿以及各种通量的变化。进一步与中尺度大气模式耦合可以用于气候研究。     

SENSITIVITY TESTS OF INTERACTION BETWEEN LAND SURFACE PHYSICAL PROCESS AND ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

In this paper,an interactive model between land surface physical process and atmosphereboundary layer is established,and is used to simulate the features of soil environmental physics,surface heat fluxes,evaporation from soil and evapotranspiration from vegetation and structures ofatmosphere boundary layer over grassland underlying.The sensitivity experiments are engaged inprimary physics parameters.The results show that this model can obtain reasonable simulation fordiurnal variations of heat balance,soil volumetric water content,resistance of vegetationevaporation,flux of surface moisture,and profiles of turbulent exchange coefficient,turbulentmomentum,potential temperature,and specific humidity.The model developed can be used tostudy the interaction between land surface processes and atmospheric boundary layer in cityregions,and can also be used in the simulation of regional climate incorporating a mesoscalemodel.     

人为热源和城市绿化对冬季山谷城市边界层结构影响的数值模拟

为了探讨人为热源和城市绿化对城市边界层的影响,本文在RAMS模式中引入周期性日变化的人为热源和人工改变下垫面状况,初步模拟分析了人为热源和城市绿化对城市边界层结构的影响.结果表明:人为热源具有明显的增温效应,增强了城市的湍流交换,白天增加了大气不稳定度,促进了混合层的发展,夜间降低了大气稳定度,减弱了城市夜间逆温.城市绿化减小了地表反照率,增加了到达地面的净辐射,模拟期间土壤冻结,增加的净辐射其中一部分以感热的形式来加热大气;绿化后地气之间的湍流交换增强,增加了大气不稳定度,减弱了白天高空逆温;本文还讨论了不同绿化布局对白天高空逆温的影响以及人为热源和城市绿化之间的非线性相互作用.