降水气候强迫下非均匀地表区域平均径流的一种参数化方案

将任一中尺度区域的平均瞬间径流率考虑为区域平均降水量和地表土壤层水分渗透垦的余项.根据降水量在地理空间上分布的实测资料拟合其空间概率密度函数(PDF),并结合土壤入渗物理过程的数学描述及其经验公式,精确估计出地表土壤渗透率及其空间分布,由此建立区域地表径流率的统计-动力学估计方案.换言之,区域内地表产流率可视为区域平均降水量与区域平均的土壤下渗量之差值,而区域内土壤的平均下渗量又町分为非饱和区和饱和区两部分的下渗量来分别计算.就陆面水分循环的物理过程而言,地表入渗现象是在一定的下垫面特性基础上,由一定的水分供应源而形成的.根据大气降水向地表层输送水分的物理过程,在满足植被表层覆盖需水(截流水)和地表层土壤人渗水基础上,多余的降水量才会形成地表径流.凶此,推求地表产流率的主要关键在于地表土壤层需水量.为此奉文根据土壤水分通量方程推导出水分入渗公式.又从描述土壤水分和降水的空间PDF出发,推导出非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度区域平均径流率计算公式.利用长江三角洲地区1996年降水量和土壤特性等实测资料建立区域平均地表径流率的估计公式,并对其影响凶素进行敏感性试验.结果表明,该方法与用Mosaic方法计算的区域径流率(或产流率)结果十分接近.由此可见,该文提出的降水气候强迫下非均匀地表区域平均径流的这种统计-动力参数化方案,具有相当的可靠性与可行性.     

非均匀地表条件下区域平均径流率的一种参数化方法及其模拟试验

从陆面水文过程的物理机制出发，引进概率统计分布理论，推导出一种由非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度非均匀径流率的解析表达式，从而将通常的次网格尺度地表径流的参数化方案（mosaic方法）改进为考虑网格区整体非均匀性的统计-动力参数化方案。文中用仿真模拟资料验证了该方案的可靠性与可行性，并作数值试验。结果表明，该方案切实可行。     

区域气候模式中地表径流方案的数值试验

建立了不均匀的地表径流算法,修改了RegCM2中径流方案,这一算法适用于疏松土壤和紧密土壤.设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式.模拟了1998年夏季大暴雨期间6、7、8月降水的空间分布,分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响,结果表明：①本文提出的方案在模拟1998年长江流域夏季大暴雨期间降水的空间分布上有一定的合理性,在一定程度上改善了降水量的模拟,其影响大致是总降水量的10%左右.②地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量,这种作用随时间发生变化,这种变化与地表水分的再分配有关.③本方案计算的土壤渗透能力较强.在暴雨的初期,产生径流较少,而在暴雨后期土壤湿度增大,产生的地表径流较大,这一点更符合洪水形成的特点.     

区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验

建立不均匀的地表径流算法，修改RegCM2的径流方案，设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式，模拟了1998年6、7、8月降水的空间分布，分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响。结果表明：（1）该方案在模拟1998年长江流域降水空间分布上有一定的合理性，在一定程度上改善了降水量的模拟，其影响大致是总降水量的10％；（2）地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量，这种作用随时间发生变化，这种变化与地表水分的再分配有关；（3）本方案计算的土壤渗透率较强，在暴雨初期，产生径流较少，而在暴雨后期土壤湿度增大，产生的地表径流较大，这一点更符合洪水形成的特点；（4）水文一气候耦合模式模拟了两个长江水文站的流量，模拟值基本反映了实测值的变化趋势，也表明耦合模式基本能反映1998年夏季长江流域大暴雨期间的地表水文过程。     

地表类型影响区域水循环的模拟试验

利用1992-2001年10a逐日降水、气温、湿度、风速和气压资料，使用气候要素逐步插值方法，修改VIC模式同一栅格中多种覆盖类型蒸发的计算方法，采用遥感等4种地表覆盖类型，考虑植被分布不均匀性，计算各种植被类型对地表水循环的贡献，结果表明：1）均匀落叶阔叶林地表年平均流量误差为-24．82％，均匀农田地表年平均流量误差为21．82％，《中国资源与环境数据库（1：400万）》（REDC）地表年平均流量误差为-14．32％，遥感地表的年平均流量误差最小，为1．43％，与实测吻合。2）采用均匀落叶阔叶林地表类型计算的蒸散，与降水年平均分布一致，与地形无关；均匀农田地表类型计算的蒸散，受地形影响明显；REDC地表类型计算的蒸散空间分布与地表植被类型有较好的对应关系。3）VIC-3L具有描述各类地表类型的能力，能够模拟出同一网格单元中多种植被类型对地表蒸散、径流等的作用，计算得到的蒸散、蒸发、径流等地表水平衡分量和空间分布显示出与均匀地表类型结果明显的不同。4）应用遥感地表覆盖类型，计算的地面蒸散、径流、土壤湿度和积雪升华的空间分布表明，地面蒸散受植被类型的影响是显著的。     

西南地区主要水循环过程的数值模拟分析

利用NCAR的公用陆面模式CLM4.0(Community Land Model 4.0),以1961~2010年普林斯顿大学的大气驱动场资料作为大气强迫场,对西南地区陆面过程变化进行了非耦合模拟试验。分析结果表明:西南地区降水呈现明显的干湿季节特征,季风期降水量分布为东北—西南走向,以印度缅甸一带向东北方向递减;非季风期近似呈东西梯度,以两湖地区为中心向西递减。全年而言,西南地区约有16.7%的降水首先被冠层截留,到达地面后约有60.5%以渗透的形式进入土壤,另有约17.1%形成地表径流,还有少部分降水以直接蒸发的形式加湿低层大气。各水循环因子分布与降水分布密切相关,其中冠层截留、地表径流、冠层蒸发的季风期与非季风期特征差异不大,而地下排水和地表蒸发在非季风期均明显高于非季风期,渗透过程则相反。非季风期西南地区水循环的蒸发高、渗透小、地下排水量显著,这三个过程的共同作用,造成西南地区冬春季陆面水份显著流失,是引发西南春旱的可能原因之一。     

地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响

次网格尺度地表非均匀性对于网格区平均通量具有重要影响。若将网格区视为均一地表 ,并不能真实描述地 气通量交换过程 ,且可造成很大误差。文中从理论上证明 ,区域平均水分通量的变化率可分解为两部分 :第一部分为区域水分通量的算术平均变化率 ;第二部分为非均匀性所引起的水分通量变化率扰动 ,它与区域内土壤水分空间分布的变差系数有关。数值试验表明 ,地表土壤水分的水平空间变差系数集中反映了区域内土壤水分分布的非均匀程度 ,不同土壤对同样的非均匀程度其敏感性是不同的。变差系数愈大 ,非均匀性愈强 ,在相同的土壤水分平均值下 ,不同土壤类型对地表非均匀程度的敏感性并不相同。例如沙土和粘土受非均匀性的影响就可相差数十倍。     

具有Horton及Dunne机制的径流模型在VIC模型中的应用(英)

地表径流主要由蓄满(Dunne)和超渗产流(Horton)机制产生;土壤性质的空间变异性、前期土壤水、地形及降水的空间变异性导致不同的径流机制。在研究区域或模型网格内,蓄满产流及超渗产流可能同时出现,缺乏考虑任何一种机制以及土壤性质的次网格空间变率可能导致地表径流的过高或过低估计,从而影响土壤水的计算。利用Philip入渗公式用于时间压缩逼近(TCA)给出了一种径流参数化方法,该方法可以动态实现模型网格中的Horton及Dunne产流机理,它考虑了土壤空间变异性对Horton和Dunne径流的影响。该径流模型应用到基于水文原理的陆面过程模型VIC,在淮河流域及美国宾西法尼亚州的一个流域进行了测试,结果表明:新的参数化方法对地表径流和土壤水分含量的分配起着重要作用,对于改进径流和土壤水的模拟有重要意义。     

基于CCSM4.0长期积分试验评估不同辐射强迫对中国干旱半干旱区降水的影响

本文基于气候系统模式CESM4.0长期积分试验,分析评估了工业革命前（1850年）及当前（2000年）两种辐射强迫作用（分别为太阳活动和温室气体）对中国北方干旱半干旱区降水的影响。结果表明,模拟结果与观测之间尽管存在一定的偏差,但仍能再现降水气候态的空间分布以及季节变化特征;两种辐射强迫下的降水长期变化均无明显趋势,但二者的差异却呈现出70~100年的准周期振荡;由人类活动引起的当前辐射强迫作用对降水的多年际变率幅度有一定影响,造成极端强降水事件出现的概率增多,而由太阳活动引起的辐射强迫作用主要对降水多年代际周期具有一定的调制作用。进一步分析表明,两种辐射强迫下中国北方干旱半干旱区降水年多年代际变率的主要模态基本一致,但人类活动引起的辐射强迫作用会影响降水多年代际变率与热带海温异常的相互作用的强度,从而改变降水多年代际变率的幅度。     

一个区域气候模式水文过程的改进及年尺度模拟研究

本文将更符合物理过程实际的考虑入渗非均匀和降水非均匀的水文模型VXM并入区域气候模式RegCM3模式,利用此区域水文气候模式分别对1988、1990、1991年3个不同气候年的水文气候进行了模拟.模拟结果表明,模式对入渗非均匀和降水非均匀的响应在年尺度上是敏感的:模式能成功模拟年平均降水及降水的年内变化,较好地再现了降水分布和大小;并入VXM模型后模式对南方径流的模拟能力得到较大的提高,模拟的年平均及年内变化与实际较为一致.结果还表明,径流机制的改进有助于改善降水模拟能力,并引起蒸发、温度等气候要素相应的变化;并入VXM模型后对模拟结果的影响更主要体现在夏季.     

对流云降水过程中地形作用的数值模拟

该文利用地形追随坐标三维云模式，对湖北的一次对流降水过程进行了平坦地面和理想斜坡地形的模拟试验。结果发现平坦地面模拟的回波强度、最大降水强度和累积降水都与实况有相当的差距。理想地形的对流过程虽然不能模拟出对流群中多单体的生消过程，但最大降水强度和累积降水都比平坦地面的大，更接近实测结果。模拟试验表明，在地形坡度较大时，会产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛，产生较大的降水和较强的回波。所以在模拟山区和丘陵地带的对流系统时，采用地形坐标并考虑地形将会改善模式的模拟结果。     

陆地表面复杂过程模式及耦合植物生态过程的研究进展

植物生态过程在陆面过程模式起重要作用，本文从陆面过程的发展历程分析植物生态过程与其耦合的状况，包括在耦合过程中先后出现的孤立的物理过程模式、简单的耦合生物过程模式、机理的植物生理－生物化学耦合模式、复杂的生物地球化学循环耦合模式和动态的生物地理模型耦合模式。最后探讨了陆面过程模式的进一步发展的方向。     

西双版纳地区雾的物理过程研究

云南省西双版纳地区是世界著名的热带多雾区。1997年11月23－30日，实施了一项雾的外场考察计划。这期间雾过程每天都很有规律地出现。本文分析了雾的宏观结构特征，研究了雾生消的物理过程。结果发现，西双版纳谷地雾首先形成于低空，并且具有双层结构，及地后则在垂直方向突然增长，使雾层爆发性增厚。文中对植被在雾生消过程中的作用，进行了专门探讨。     

云微物理过程对暴雨影响的数值试验

本文利用美国科罗拉多州立大学95年完成的RAMS（Regional atmosphere Modeling system)3B版模式，通过冷、暖云两种方案，以常规报文资料为初值对1998年7月20－21日发生在湖北地区的特大暴雨过程进行了模拟分析，初步试验表明模式具有模拟此次强暴雨过程的能力，20日20时至21日20时24小时降水分别为304mm和206mm，最大雨强分别为48mm/hr和31mm/hr，降水中位于鄂东地区，与实况基本吻合。进一步分析表明聚合体粒子在此次降水中占有主要地位，冰相粒子的加入对降水有重要的增幅作用。     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

BECAPEX科学试验城市建筑群落边界层大气环境特征及其影响

20 0 1～ 2 0 0 3年在北京实施了大气边界层动力、热力、化学综合观测试验 (BECAPEX ,BeijingCityAtmosphericPollutionObservationFieldExperiment) ,获取了北京城市大气动力和大气化学三维结构图像。综合观测试验分析研究发现 ,城市区域呈非均匀次生尺度热岛分布 ,并伴随着城市次生尺度环流 ,影响了局地空气污染物分布特征。MODIS卫星遥感 地面观测资料经过变分分析 ,可发现北京城市空气污染与周边区域影响源有密切关系 ,并影响城市群落环境气候特征 ,导致该区域日照、雾日、低云量和能见度呈显著年代际变化趋势。     

0103号台风"榴莲"强度变化特征及暴雨成因的分析

应用天气图、探空资料、台风年鉴,逐小时降水和TBB资料,对0103号台风登陆后强度的变化和暴雨过程进行了分析,发现0103号台风暴雨过程是由两次中尺度暴雨过程构成的,分别发生于迅速减弱和持续阶段.通过对200 hPa西风槽的发展,低空急流和热带对流云图以及台风登陆前后台风和暴雨区热力、动力场特征的分析,取得一些初步的结果,这些结果将对今后进一步的研究和预报有一定的帮助.     

中国东南部冬季连降水日天气与低纬度及南半球高层环流的关系

分析了１９８４－１９８５年中国东南部连降水日与连晴日天气和低纬度与南半球高层环流间的联系。发出除了散度场有利于连降水日天气外，南支急流区低值系统与连降水日天气也有关。这可从高层经向分布及涡动动、热量分布等环流及低层高度场分布特征证实它们对东亚副热带急流及锋区的加强北移起推动作用。     

高低空急流和水汽凝结过程对锢囚锋环流演变的影响

文中利用包括湍流摩擦耗散的原始方程模式研究了高空西风急流、低空南风急流和水汽凝结过程对锢囚锋环流时间演变和降水强度变化的影响 ,计算结果表明 ,水汽凝结过程与高空西风急流或低空南风急流的共同作用对锢囚锋环流的演变起非常重要的作用 ,能在锢囚锋区形成强中尺度深对流系统 ,与干大气中高空西风急流对锢囚锋环流的作用远大于低空南风急流的情况相反 ,在存在水汽凝结过程的湿大气中 ,低空南风急流对锢囚锋的影响远大于高空西风急流 ,它产生的降水过程时间更长 ,降水强度更大 ,降水范围更广 ,是锢囚锋区产生强中尺度降水的重要因子。