陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.     

利用多模传输理论求解块状云的辐射特征

实际云层在水平与垂直方向都是不均匀的,但为了便于计算,绝大多数关于云辐射的理论模式,都采用平面平行模式.到目前为止,解决三维空间辐射传输问题的方法仍然不多.一般采用统计方法和二流近似法,但这两种方法分别在计算机时和计算精度上受到限制.作者在三维多模传输理论与辐射传输计算程序软件包--DISORT的基础上,发展出计算三维孤立云块多次散射过程的一套程序(MM-DISORT),并由此初步探讨了云块的三维立体结构对云的短波吸收的影响.     

两种计算长波辐射传输的近似方法

在二流近似的基础上,提出了两种计算晴空大气中长波辐射传输的方法,整个长波辐射区域被分成两个宽的光谱带,它们分别对相应的宽带光学厚度和发射率作参数化处理。这两种方法,所需的计算时间很少,但有相当好的精度,因而适于在大气环流模式中进行辐射传输的计算。     

陆面过程中冠层四流辐射传输模式的模拟性能检验

利用实际观测资料检验新发展的植被冠层四流辐射传输模式的模拟性能.将浙江大学田间观测数据用于模式试验,其结果表明:在可见光波段,因叶片散射率值较小,四流模式和二流模式模拟结果差别不大,模拟的冠层反照率都接近观测值.这表明在可见光波段,二流模式已经能够较好模拟芯层反照率,四流模式能够提高的精度范围有限;在近红外波段,因叶片散射率值较大,两个模式模拟结果差别较明显,四流模式模拟的冠层反照率相对二流模式的模拟结果更接近观测值.利用第2次雪模式比较计划SNOWMIP资料和改进的10层陆面模式BATS进行耦合试验,将四流模式以及二流模式均耦合到该陆面模式中,其目的是为考察四流模式对陆面模式模拟地表反射太刚短波辐射通量的影响.耦合后得到的结果与SNOWMIP中加拿大BERMS草地站和森林站的观测资料进行了对比.对比结果表明,采用网流模式、二流模式、BATS原辐射传输模式后,耦合四流模式的陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量最接近观测值.说明采用四流模式能够改善陆面模式对地表反射太阳短波辐射通啦的模拟.     

对计算作物蒸散量的几种方法的模糊综合评判

本文收集我国西北、华北、东北各地十七个灌溉试验站四年的资料,根据我国现用的五种计算作物需水量的主要方法,计算出五种代表性作物相应三个阶段的需水量.然后用二级模糊综合评判方法对五种算法作对比评价.其结论是修正彭曼法计算值与实际值吻合最好.其次,提出一种确定评判隶属函数及权重的数学模式,经初步的应用,结果令人满意.     

城市空气质量模式的性能评价研究

本文就常州空气质量模式作了性能的评价分析。建立的空气质量模式的性能如何,在实用中是尤为令人关注的问题,应予足够重视。常州模式的验证评价表明各种性能良好。文章以日均浓度的计算值与实测值之差值(d)作为性能评价基本量,计算了平均偏倚度(d),差值标准差(δd),差值均方根误(δd),计算浓度与实测浓度之比值的标准差(δk等廿余项指标,对常州模式作了性能评价分析。最后还对此类模式的灵敏度系数,用强力偏导数方法作了计算,分析各模式参变量对模式预测结果的影响程度。     

青藏高原太阳总辐射的计算方法的讨论

本文利用1982年8月—1983年7与1978—1980年青藏高原地区总辐射的观测资料与二流近似的模式计算讨论了高原地区总辐射的气候学计算方法,计算了纬度24°—46°不同海拔高度,不同地表反射率条件下的晴天地面总辐射的月平均值,并绘制了青藏高原地区1月与7月晴天地面总辐射的分布图。     

大气与地表的特性对太阳辐射收支影响的研究

本文应用Hense等的垂直不均匀大气的二流近似辐射模式,讨论了晴天条件下水汽、气溶胶和地表反射率与海拔高度等因子对地气系统的太阳辐射能量收支与加热率的影响。文中还利用高原地区高空温、压、湿的气候资料,计算了高原实际大气的太阳辐射收支和加热率,并与中纬度模式大气的计算结果进行了比较。本文模式计算得到的一些结果在利用卫星观测确定高原地区地气系统的辐射平衡的研究中将得到应用。     

关于海面湍流通量参数化的两种方案试验

本文对海气间湍流通量计算的参数化进行了两个方案的试验。第一个是对气候模式ＣＣＭ３中的计算方案作了改进,用半解析的计算方法代替纯迭代的方法,减少了计算量而达到相同精度。第二个是用Ｂｒｕｔｓａｅｒｔ提出的廓线函数计算海面通量,达到了当前最精确模式相同的精度。这二种方案均可用于大气模式或用于由实测气象资料求通量。     

大气遥感辐射传输模式的一种有效的Jacobian算法

介绍并验证了一种快速、精确地计算Jacobian的解析方法(辐射传输方程的线性化,简称LR方法),将其结果与NAST-I真正的线性模式及数值方法(差分方法)的Jacobian值进行比较。结果表明,这种解析算法不仅快速、精确,而且独立于辐射传输方程,在有效Jacobian计算中只需要输入大气透过率,可适用于任何垂直探测器权重函数的计算。     

有限区域风速场求解流函数和速度势场的有效方案

流函数和速度势是表示风场的一种变量, 在数值天气预报模式和分析、同化方案中经常使用, 通常可以用风速分量场求解Poisson方程得到。对于有限区域系统, 往往采用差分方法, 但由于存在边界问题, 用计算所得到的流函数和速度势场重建风速场, 在边界附近经常出现明显的偏差。基于差分方法、利用有限区域风速场求解流函数和速度势场的基本方法和特点的分析, 在Arakawa A网格分布的有限区域, 设计了一种用差分方法求解流函数和速度势场的有效方案。在该有效方案中, 通过将有限区域向外扩展二圈, 风速场线性外推, 改进计算边界风速值和边界定解条件的效果; 尽可能使用协调、一致的差分格式, 提高求解精度; 最后利用一种增量订正迭代方法, 迭代2~3次就可以获得令人满意的结果。实例试验的对比、检验显示, 用该方案计算求得的流函数和速度势场重建风速场, 具有非常高的精度。     

一种基于进化策略的3D Var代价函数优化方法

数值天气预报准确性直接取决于好的预报模式和初始场;资料同化方法就是一种有效的求解初始场方法.鉴于进化算法在求解这些数值问题方面的优越性,将进化策略算法应用到变分同化方法中,即将三维变分方法中的代价函数作为进化策略算法优化的目标函数,应用进化策略算法优化此目标函数,均衡背景场和观测场,以求得最优分析场.以Lorenz-63和Lorenz-96模式为例,进行了理想个例试验,与传统三维变分方法进行对比.试验结果表明经优化后的误差与传统方法相比非常一致,从而验证了进化策略算法在资料同化问题中应用的可行性.     

Nelder-Mead单纯形算法改进及在气象上的应用

Nelder-Mead Simplex (NMS)算法是一种查找多元函数局地最小值的无微分算法,在现代科学计算中得到广泛应用,该文提出了一种对NMS算法的改进方法.改进后,大大简化了其计算过程,提高了该算法的收敛速度.利用改进后的算法对陆面过程参数进行了拟合计算,结果表明:改进的NMS算法对非线性公式具有非常高的拟合精度,可将其应用于气象学上非线性问题计算或非线性方程组求解.     

计算有限区域内的流函数和势函数的新方法

本文给出了一种在有限区域上计算流函数和函数的新方法,实验结果表明这种方法不仅可以使计算结果具有物理意义,收敛快,而且可以使误差减小到任意给定的精度。     

Nelder-Mead单纯形算法改进及在气象上的应用

Nelder-Mead Simplex (NMS)算法是一种查找多元函数局地最小值的无微分算法,在现代科学计算中得到广泛应用,该文提出了一种对NMS算法的改进方法.改进后,大大简化了其计算过程,提高了该算法的收敛速度.利用改进后的算法对陆面过程参数进行了拟合计算,结果表明:改进的NMS算法对非线性公式具有非常高的拟合精...     

不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估

基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度,利用中国气象局2009-2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估。结果表明:从时间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差均呈季节性波动;从空间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差在中国东部地区相对于中国西部地区更小。选择Noah-MP陆面模式3种不同参数化方案模拟结果进行对比,结果表明:Noah-MP模式的非动态植被方案不变时,考虑植被覆盖度的二流近似辐射传输方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于考虑太阳高度角和植被三维结构的二流近似辐射传输方案Noah-MP陆面模式模拟的地表温度;选择动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于选择非动态植被方案的Noah-MP陆面模式;总体而言,考虑动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于其他两种参数化方案的Noah-MP陆面模式以及CLM3.5陆面模式模拟的地表温度。     

集合变分法在大气边界层湍流粘性系数反演中的应用

利用集合变分法研究了大气边界层EK模式(考虑了水平气压梯度力、科氏力和湍流粘性力3力平衡的大气边界层模式)中湍流粘性系数的反演问题.首先利用集合变分法推导了目标函数关于反演参数的梯度表达式,然后给出了反演计算方案,最后再就反演湍流粘性系数k进行了一系列理想数值试验.数值试验结果表明:利用集合变分法对EK模式中的湍流粘性系数的反演比较成功.通过适当调整集合数,初始扰动均方差及初始值的大小,可以进一步提高集合变分法对湍流粘性系数k的反演精度.将集合变分法应用于大气边界层参数的反演是一种值得研究的计算方案.     

联合反演大气气溶胶光学特性和地面反照率

利用一种直接由天空亮度的相对分布反演气溶胶光学特性的方法。数值试验表明天空亮度相对分布的变化对地面反照率并不敏感,这样通过地基多个方向天空亮度的测量,并与模式计算结果相比较,定出大气气溶胶的光学厚度和相函数。在得到大气气溶胶的相函数和光学厚度的基础上,用GMS-5气象卫星可见光通道的资料求出了北京地区可见光波段的地面反照率。     

两种计算极值分布参数方法的对比分析

矩法和经验频率法是极值分布计算待定参数最为常用的两种方法，因方法的选取不同，得到的极值分布函数会有所差异。哪种方法计算得到的理论模式与实际拟合得更优，是工程应用中值得研究讨论的问题。本文以吐鲁番地区最高气温的极值分布为例，分别对两种计算方法进行应用并适度检验，结论是在本例中矩法计算极值分布参数要优于经验频率法。     

确定数值预报模式中扩散系数的一个客观方法

当数值预报模式的分辨率得到提高时,模式中扩散系数的数值大小必然随之改变。通常情况下,一方面,扩散系数的数值应足够大（即有下限值）,以便过滤掉模式中不想要的小尺度噪音;另一方面,扩散系数的数值应尽量小（即有上限值）,以免出现计算不稳定。本文提出一种确定高分辨率模式中扩散系数数值大小的客观方法,即＂双试验＂（twin experiment）同化方法（初始低分辨率模式的预报结果作为＂观测资料＂,新的高分辨率模式作为同化模式）,从而通过伴随变分同化方法来确定控制变量（即扩散系数）的数值大小。本文采用一维浅水模式测试和描述上述试验方案。通过低分辨率模式预报结果和高分辨率模式预报结果的比较（高、低分辨率模式预报结果的比较在低分辨率模式格点上进行）,采用最小二乘法可客观求得适用于高分辨率模式的扩散系数的＂最优＂值。数值试验结果表明,采用这种方法得到的高分辨率模式的扩散系数,不仅能过滤掉模式中不想要的小尺度噪音,而且能够避免出现计算不稳定。研究还指出,当扩散系数的大小略微超过其上限值时（这种情况在极小化迭代中有可能会出现）,计算不稳定的出现将使目标函数的数值迅速增加,并导致极小化程序收敛的失败;时间步长的减小（约20%）可以显著地改进目标函数的条件数,从而可避免极小化程序收敛的失败。