云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

洱海湖滨大气边界层结构及特征分析

利用JICA计划中日合作"2008年季风过程与暴雨天气上游关键区综合气象观测试验"期间在大理国家气候观象台的GPS探空加密观测资料,分析了洱海湖滨区大气边界层厚度、位温、比湿、风速、风向的垂直结构。结果表明,洱海湖滨大气边界层结构具有显著的日变化特征,边界层厚度日变化较大,对流边界层厚度在190～2500 m之间,平均厚度为1061 m;稳定边界层厚度在60～1760 m之间,平均厚度为467 m。无论在干季还是在湿季,大约在2400 m以上,气流主要受大尺度的大气环流的控制,以西风气流为主。在2400 m以下,气流主要受苍山和洱海的影响,可能存在着山谷风和湖陆风两者叠加效应引起的局地环流。大约在500 m以下,白天多为东风和东南风,夜间多为西风和西南风。     

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。     

高黎贡山复杂地形下局地环流的数值模拟研究

本文利用中尺度模式WRF（weather research and forecasting）模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段（腾冲—保山地区）山谷风环流,分析YSU、MYJ、MYNN3、ACM2和BouLac五种边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU方案和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午09时（北京时,下同）出现谷风环流,夜间19时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。     

复杂地形下局地山谷风环流的理想数值模拟

利用计算流体力学手段,结合基于气象站观测事实并理想化的初始条件,对重庆复杂地形下局地山谷风环流进行高精度数值模拟,探讨因复杂地形而导致的热力差异对山谷风环流形成的影响。结果表明,仅仅由地形高低起伏导致的热力差异能够在局地形成山谷风环流。在白天,受太阳辐射作用,山坡升温幅度比山谷明显,在同一海拔处形成温度差异,形成谷风环流。理想的谷风在山脊两侧坡度较大的近地面最为明显,风速可达0. 15 m·s~(-1),但在山坡和山谷地势较为平坦的区域则不显著。在凌晨,山谷的保温作用明显,且山坡辐射冷却较强,故产生由山坡吹向山谷的山风环流。模拟的山风特征与谷风基本一致,但强度稍小(0. 1 m·s~(-1)),方向相反。扩大山坡与山谷热力差异的敏感性试验表明,白天的谷风环流能明显增强,近地面全风速可达0. 4 m·s~(-1),且对应的垂直速度以及边界层高度均有所增加;但晚上山风环流的增强则不明显。     

洱海盆地水面与地面气象要素变化特征的比较

依据大理国家气候观象台在洱海湖中建立的自动观测系统以及大理国家基本气象站观测资料,对2008至2009年的风、温、湿、压、降水要素的日变化和季节变化特征进行了对比分析。结果表明：受局地复杂地形和洱海的影响,洱海盆地近地层常年存在湖陆风、山谷风、峡谷风三者叠加效应引起的局地环流。水面盛行风向白天以东南风为主,夜间以东南风和西西南风为主,而地面白天以东东南风为主,夜间以静风和西西北风为主。年平均风速小,水面为2.9m/s,地面为2.4m/s。水面年平均气温为16.8℃,而地面为16.0℃。两观测点气温、相对湿度、气压均表现出明显的日变化特征,水面气温、相对湿度出现极大值和极小值的时间均比地面晚。全年降水多集中在5—10月。     

黄河源区生态环境变化对湖泊效应影响的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF,设计了陆地生态环境好转、维持现状和退化3种情境下的模拟试验,分析了夏季黄河上游鄂陵湖湖泊效应的特征和生态环境变化对该湖泊效应的影响。结果表明,夏季晴天中午至傍晚,鄂陵湖有显著的湖风环流;白天湖面感热和潜热较小,昼(夜)表现出明显的冷(暖)湖效应;湖区低层全天呈现出"湿岛"效应;受湖风作用影响,环湖陆上白天形成"湿墙"和感热高值区;随着陆地生态环境由好转到退化,湖风环流加强,环湖"湿墙"增高,湖陆边界层高度差增大,陆面感热和潜热变化显著大于湖面;陆面边界层中下部的气温和比湿主要受下垫面影响,环境退化后分别升高和减小,而在边界层顶部由于受湖风环流的作用,两者变化趋势与中下部相反。     

2008年秋季从化山谷风观测研究

利用2008年10月15日—11月16日在广州从化获得的基线小球测风资料,分析研究了秋季从化山谷风的特征。研究表明:从化山谷风主要出现在系统风速小于1.5 m/s,谷风出现时间为10:00—18:00,山风强度比谷风强度大;山谷风厚度大致为300 m,回流出现高度在300～700 m;山谷风转换期间,静小风频率较高;系统风与山谷风方向相反时,山谷风高度内多为静小风。冷锋过境时不会出现山谷风。     

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。     

京津冀地区低层局地大气环流的气候特征研究

本文采用2007-2016年的中尺度数值模拟结果和15个地面气象站观测资料,定义了局地风场表征风速,研究京津冀平原地区局地大气环流日变化的气候特征,并对区域大气污染及其输送的影响进行分析。此外,对2016年12月30日至2017年1月7日北京地区跨年大气重污染过程进行了个例分析。得到结论:京津冀平原地区低空风场变化是天气系统与局地大气环流共同作用的结果,山谷风环流致使太行山和燕山沿线平原地区大气边界层内的长年主导风向为偏北和偏南;太行山和燕山沿线地区山谷风环流本身呈顺时针旋转的日变化特征,夜间至早晨谷风转向山风,午后至夜间山风转向谷风;在午后谷风向山风转向期间,容易形成沿太行山东麓和燕山南麓、自南向东北的"弓形"气流输送通道,此气流输送通道在1月于21时左右形成,持续时间大约3 h,在7月于18时左右形成,持续时间可达9 h;冬季午后至晚间盛行谷风时,受山体的阻挡,污染物容易在山前累积,导致污染浓度增高;夏季同样的情况会发生在后半夜。     

Characteristics of Lake Breezes and Their Impacts on Energy and Carbon Fluxes in Mountainous Areas

In mountainous lake areas, lake–land and mountain–valley breezes interact with each other, leading to an "extended lake breeze". These extended lake breezes can regulate and control energy and carbon cycles at different scales. Based on meteorological and turbulent fluxes data from an eddy covariance observation site at Erhai Lake in the Dali Basin,southwest China, characteristics of daytime and nighttime extended lake breezes and their impacts on energy and carbon dioxide exchange in 2015 are investigated. Lake breezes dominate during the daytime while, due to different prevailing circulations at night, there are two types of nighttime breezes. The mountain breeze from the Cangshan Mountain range leads to N1 type nighttime breeze events. When a cyclonic circulation forms and maintains in the southern part of Erhai Lake at night, its northern branch contributes to the formation of N2 type nighttime breeze events. The prevailing wind directions for daytime, N1, and N2 breeze events are southeast, west, and southeast, respectively. Daytime breeze events are more intense than N1 events and weaker than N2 events. During daytime breeze events, the lake breeze decreases the sensible heat flux(Hs) and carbon dioxide flux(F_{CO_2}) and increases the latent heat flux(LE). During N1 breeze events, the mountain breeze decreases Hs and LE and increases F_{CO_2}. For N2 breeze events, the southeast wind from the lake surface increases Hs and LE and decreases suppress carbon dioxide exchange.     

巢湖流域典型站点的风场特征分析

研究巢湖流域流场特征对于认识该地区热量、水汽交换和水流运动规律具有重要意义。利用2006年合肥、肥东、巢湖、庐江站以及姥山岛自动气象站的风场资料,分析了巢湖流域典型站点的风速和风向变化特征。结果表明,陆面站点年平均风速为2.17m/s,湖面站点风速为2.41m/s。所有站点春夏季风速大于秋冬季,陆上风速具有明显的日变化,白天风速大于夜间,而湖面风速日变化较不显著。陆面站点风向季节变化明显,春夏季以偏南风为主,秋冬季以偏北风为主,春夏季的风向日变化特征较秋冬季明显,湖面站风向没有明显的季节变化。陆面站点不同程度地受到湖陆风的影响,距离湖面较近的站点受到的影响较大。湖面和陆面站点风向差距平与气温差距平的日变化保持一致,表明湖陆温差是影响巢湖流域湖陆风的关键因子。     

中国地区山谷风研究进展

随着城市化的发展,越来越多的城市建立在山区附近或山谷之中。受地理环境和气象条件等因素影响,各地山谷风特征各不相同。山谷风对局地风场、气候特征有着重要作用,与逆温和污染物浓度变化也具有良好相关。本文从山谷风研究的主要手段—观测、理论和数值模拟出发,重点回顾了国内山谷风研究成果,并讨论了与其他中尺度环流(海陆风、湖陆风、城市热岛、植被风、冰川风环流)的相互作用,以及包括山谷风在内的山地环流对大气污染的影响。最后对国内研究进展进行总结,并提出了一些还需深入研究和探讨的问题。     

洞庭湖湖陆风特征与降水

本文利用洞庭湖周围岳阳、常德和益阳三站1、4、7、10月的气象资料,研究了洞庭湖湖陆风的气候特征及其对降水、特别是对暴雨的影响。分析表明洞庭湖的湖陆风是显著的,湖陆风厚度大约为300米;湖陆风转换可以引起湖陆风散度和涡度的变化,从而引起清晨和傍晚降水的加强;一年四季都有湖陆风,但夏季更为显著,冬季不太明显。     

利用RAMS模式对山谷城市冬季局地风场的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的中尺度数值模式RAMS, 采用三重嵌套的方法, 模拟研究了兰州山谷地区局地环流特征。结果表明： （1）兰州市近地面流场以偏东风为主, 在城市东西部之间的狭窄地带, 风速相对较大些, 在东西部山谷城市中心区域有大片的静风区; 冬季兰州市山谷夜间是辐合流场, 白天是辐散流场。受城市热岛环流的影响, 白天热岛环流抑制谷风环流, 夜间增大山风环流, 夜间的山风风速大于白天的谷风风速。（2）白天, 兰州市区山顶和山谷之间上空气柱以下沉气流为主, 这主要是由于地形作用使得白天盛行谷风环流和山峰加热作用的共同影响。夜间, 兰州市区山顶和山谷之间上空以上升气流为主, 这主要是由于地形作用使得市区和山谷在夜间盛行山风环流, 但是冬天夜间兰州市区和山谷上空有较厚的逆温层存在, 抑制了气流的上升运动。（3）在午后13：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐散场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐合场; 皋兰山顶上空从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐散场。在凌晨01：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐增强, 到400 m高度达到最强, 从400 m到510 m高度又逐渐减弱; 皋兰山顶上空从近地面到220 m左右的高度, 辐散场在逐渐减弱, 在400 m左右的高度辐散场转变为辐合场, 从400 m到510 m左右的高度, 皋兰山顶的辐合场逐渐增强。     

多云天气下海南岛海风环流结构的数值模拟

利用WRF-Noah耦合中尺度模式对海南岛2012年7月5日的多云海风个例进行三维高分辨率数值模拟,重点分析多云天气条件下复杂地形区域的海风环流结构及其演变特征。通过观测资料与模拟结果的对比发现,WRF模式能够合理地模拟出岛屿四周的海风演变特征。与少云海风日相似,多云海风日中全岛海风于12时开始形成,15时海风发展最为强盛,影响范围最广,18时全岛海风的辐合程度最强,海风辐合区是主要的潜在降水区域。对比山区与平坦地区的海风环流发现,山区海风环流强盛期为13—18时,而平坦地区海风环流强盛期为15—18时。复杂的山地对海风环流结构有直接和间接的影响:一方面在山地地形动力阻挡和抬升作用下,海风环流变得更加清晰完整,间接延长了海风环流的维持时间;另一方面局地地形热力作用形成的谷风环流与海风几乎同时产生和消亡,两者汇合后,谷风的瞬间加强会引起海风锋锋消,瞬间减弱会引起海风锋锋生;两者同相叠加会使得海风环流结构更加完整。相比之下,平坦地区的海风受到的地形动力和热力作用小,海风水平分布比较规则,海风环流垂直结构的变化主要取决于不同方向海风之间的相互作用。