地气耦合模式中云和气溶胶温度效应的数值模拟

本文利用—维地气耦合模式研究了大气边界层气溶胶和云的气候效应。模拟结果表明,边界层内低云和气溶胶都能使地面和土壤温度下降;而低云还能使云下大气降温。当云和气溶胶并存时,气溶胶的作用不明显。云和气溶胶的温度效应不仅取决于它们的光学厚度和光学特性,还与下垫面的物理特性有关,沙漠下垫面所受的影响要比一般性裸土下垫面的大。      

半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟

在陆－气相互作用的中小尺度系统研究中，水平非均匀下垫面的强迫作用是主要的物理过程。本文利用能量闭合二维陆面过程与大气边界层耦合模式，研究了我国西北半干旱地区（３８°Ｎ，１０５°Ｅ）夏季下垫面物理特征的变化对区域边界层气候的影响。结果表明：土壤湿度、植被覆盖度对局地环流和区域边界层气候的形成起着决定性的作用。模拟结果揭示了在半干旱地区大面积植树造林、提高植被覆盖度，可涵养土壤水分，改善局地生态环境，是人工持续改造干旱、半干旱荒漠地区局地气候的重要途径。     

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。     

干旱地区中尺度非均匀边界层气候的数值研究

为了用中尺度模式研究干旱地区非均匀下垫面与大气的相互作用及其对边界层气候的影响，本对Nickerson等提出的β-中尺度模式进行了某些修改．在此基础上我们着重对模式进行了敏感性试验．结果表明：模式对植被覆盖度和背景风速十分敏感。其次我们用此模式研究了我国北方(40°N，100°E)夏季非均匀下垫面对边界层气候的影响．     

海冰在大气环流模式中的重要作用

文章简要综述了次网格尺度海冰非均匀性对大气环流模式性能的影响；南极冰在全球环流和短期气候变化中的作用；以及模式中不同的海冰反照率参数化对地表温度和辐射的影响等研究结果．说明海冰对极地海洋和大气的能量收支及短期气候变化有重要作用，不同的海冰参数化方案对气候模拟结果有重要影响．     

中尺度非均—边界层气候的数值研究——(Ⅱ)夏季的数值试验

用修改的 Nickerson 等提出的中尺度模式,对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明,在晴朗、静风和无扰动系统的条件下,下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象,是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会“十五”重点项目“稀疏植被下垫面与大气相互作用研究”的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析。研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性线效应：干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策,主要结果表明：（1）揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。（2）发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。（3）发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;提示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性抗干扰能力的生态环境建设对策。（4）发展了强沙尘暴发展的动力学模式,揭示了强沙尘暴发展辐射冷却的正反馈机制。展示了强沙尘暴预报的良好前景。     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

中尺度非均一边界层气候的数值研究: (Ⅱ) 夏季的数值试验

用修改的Nickerson等提出的中尺度模式，对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明，在晴朗、静风和无扰动系统的条件下，下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象，是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

城市边界层数值模式研究以及在香港地区复杂地形下的应用

由于城市表面复杂的下垫面的影响,使得城市边界层风温场结构较其他下垫面有很大不同.作者通过将城市中500 m网格内的各种地表类型,按照各自在网格中所占的百分比及各自的地表参数加权平均,得到此网格的平均的地表参数,以此准确反映下垫面的情况,建立分辨率为500 m的城市边界层能量平衡模式,将此城市边界层能量平衡模式嵌入动力学框架,并用中尺度模式MM5作为初始条件和边界条件,建立一个既考虑中尺度背景场又详细考虑城市下垫面复杂性与多样性的城市边界层模式系统.将模式系统运用于香港复杂地形下的边界层特点的模拟研究.通过与观测值的比较,模式能够较准确的模拟出海陆风、城市热岛等热力过程,及气流过山引起的绕流等动力过程,并且通过对边界层高度的模拟预测污染扩散的条件等.说明模式系统具有模拟在中尺度的背景场的控制下海陆风环流、过山堆积和绕流及城市热力影响的能力.     

关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论

本文是该会议关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论总结,涉及大气边界层观测试验、M-O相似理论的适用范、非均匀陆面边界层参数化、非均匀下垫面能量平衡、城市边界层,以及大气边界层湍流结构与特征等方面。希望这些讨论能为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。     

陆面面积平均通量的参数化问

目前,气候和大气边界层物理研究中一个十分重要的研究方向就是面积平均通量的参数化问题。本文对这一研究方向中存在的问题、可能的解决方法和目前的研究进展情况进行了阐述,简要介绍了非均匀陆面影响的高度及其尺度划分,阐述了混合高度、参考层高度（观测高度和模式第一层高度）、近地层高度、内边界层高度、平衡层高度、粗糙度副层和边界层高度等之间的关系及其在非均匀尺度划分中的作用,并且阐述了整体输送公式在不同尺度的非均匀陆面中存在的问题及相应的可能解决办法。同时还对中尺度的非均匀陆面驱动的一类非经典中尺度环流的参数化,即中尺度通量的参数化问题进行了评述。最后针对内蒙古草原实验和青藏高原实验等具体问题,提出了边界层观测和非均匀陆面参数化方法的几点问题。     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高，模式下垫面特征的描述更加仔细，针对东亚地区复杂的地形和植被特征，发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案，对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力。效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响，提出次网格地形热力效应的参数化方案，改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p—σ区域气候模式的数值试验结果表明，次网格地形热力效应参数化方案的引入，对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

长三角城市群非均匀性对区域热岛效应影响的数值模拟

使用中尺度数值模式WRF3.9/Noah/UCM,对长三角地区无明显天气过程的2013年8月11至17日一周进行数值模拟,采用2013年500 m分辨率的MODIS数据更新土地覆盖资料,依据城镇比例将城市下垫面进一步分类为高中低3种类型,以此研究长三角城市群非均匀性对区域热岛效应的影响。结果表明:长三角城市群近地面气象要素场对城市下垫面的非均匀性比较敏感,平均热岛强度、干岛强度和风速衰减相较于不考虑城市非均匀性分别减小了16.41%、20.04%和6.25%;受背景风场影响,白天城市群的热岛强度弱于夜晚,均有向下游扩展现象,且内陆城市的热岛强度和干岛强度较沿岸区域更强;相比于均匀城市下垫面试验,考虑非均匀城市影响后,整体热岛强度和干岛强度减弱;白天垂直热岛环流结构明显,整体可以伸展至2 km高度,在东南风背景下,热岛上游高密度城市的热岛环流会抑制下游热岛环流发展,考虑城市非均匀性后,上游效应更显著;热岛强度受非均匀性影响在傍晚和夜间最高减弱可达0.2℃,且进入较强热岛的时间会推迟,维持时间也将缩短。因此,忽略城市下垫面的非均匀性,可能会高估区域热岛效应。     

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出：由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

大亚湾核电站厂址区域大气扩散研究

采用一个基于流体静力平衡的动力学诊断模式对大亚湾核电站厂址区域的气象场进行实际模拟,研究了复杂地形和下垫面对流场的动力和热力作用。数值实验表明：模式能很好地模拟中尺度局地环流的基本特征和变化规律。在模拟气象场的基础上,利用Monte Carlo多源模式计算了污染物的时空分布和干湿沉积量。模拟结果显示：模式很好地反映在海陆风和山谷风环流及排牙山影响下大气参数的非均匀性和非平稳性。