边界层参数化影响“梅花”台风的敏感性试验

以GRAPES-TCM为试验模式,对1109台风“梅花”进行了36次72 h的预报试验,通过试验分析了2种边界层参数化方案——MRF方案与YSU方案在不同情况下对台风预报的影响.结果显示:“梅花”路径与强度对边界层方案的变化都表现出一定的敏感性,敏感性大小与对流参数化方案、台风的初始强度等因素有关,强度的敏感性比路径更明显;对弱台风的路径与强度,YSU方案的总体预报效果优于MRF方案,对于强台风,2种边界层方案中MRF方案的路径预报效果更好,哪种方案的强度预报效果更好与对流参数化方案有关;无论何种情况,YSU方案预报的“梅花”强度都明显强于MRF方案,YSU方案预报的降水及感热通量与潜热通量总体上大于MRF方案;YSU方案时更多的感热通量和潜热通量与该方案时边界层更强的湍流混合有关,更多的潜热通量导致更多的降水,从而释放更多的潜热,更多的潜热释放以及更多的感热通量导致台风强度更强.     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

扩散边界层对沉积物盐分释放的阻滞影响

扩散边界层是水环境沉积物与上覆水之间物质交换的必经区。通过无风和有风条件下两组沉积物盐分释放实验,研究海湾水库砂质沉积物-水界面扩散边界层的形成情况,并通过水动力扰动下穿过扩散边界层的实测盐分通量与Fick第一定律理论计算通量的比较,以及扰动与无扰动时通量的比较,探讨扩散边界层对沉积物盐分释放的影响。研究结果表明,在稳定风场条件下,沉积物-水界面处存在厚度约3.5 cm的扩散边界层,有风条件下的界面盐分交换通量略大于无风时的通量;分子扩散是边界层内盐分运移的主要机制,扩散边界层对沉积物盐分释放具有阻滞作用,并且边界层越厚,阻滞效应越显著。另外,由于扩散边界层的存在,限制了水动力对沉积物与上覆水之间物质交换的增强作用,所以海湾水库沉积物中蓄积盐分对上覆水的影响将是长期的过程。     

干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

海-气间化学物质交换通量的研究

从以下几个方面简要分析了海—气间化学物质交换通量的参数化研究情况：如果不考虑物质间的化学反应,经典的通量—梯度关系（Ｋ理论）可用于估计从大气进入海表面的物质通量。在有化学反应的情形下,应根据化学反应速度与湍流交换速度的相对大小对Ｋ理论做修正;已知海表面的物质浓度和物质的沉降速度,可由二者的乘积来估计通量的大小。降水对大气中物质的清除作用是很大的,如何对降水的物理过程进行参数化,直接影响到对湿沉降通量的估计;计算海—气间气体交换通量的一种方法是利用界面两侧的分压差和气体转移系数。这两个参数都可能造成通量估计的不确定性。     

大气边界层数值模拟研究与未来展望

大气边界层作为连接下垫面和自由大气的重要桥梁,不仅影响局地的各种天气过程的发展和演变,而且在区域和全球的天气和气候变化中也扮演着关键角色。鉴于大气边界层自身的复杂性,对其数值模拟一直以来都是大气数值模拟研究中的热点和难点。通过归纳近几十年来大气边界层数值模式发展经历的3个阶段,梳理了干旱半干旱区、青藏高原地区和城市复杂下垫面3个陆地气候关键区边界层过程,以及海洋上特殊的台风边界层数值模拟研究取得的重要进展;总结出当前大气边界层数值模拟研究所面临的5个亟待解决的关键科学问题:云与边界层相互作用、边界层参数化、模式分辨率、边界层资料同化以及边界层发展机制。并明确了该领域未来需要在加强不同类型大气边界层过程的认识、边界层底和顶界面交换过程的理解、特殊地区边界层发展机制的解释、边界层参数化方案的改进、大涡模拟在边界层模拟中优势的充分发挥等5个方面开展重点研究,以期能为今后更系统地开展大气边界层数值模拟及相关研究提供参考依据。     

青藏高原微地形对极值风速的影响及其参数化模拟方法研究

利用青藏高原铁路沿线1961-2006年7个气象台站和2003年9月-2004年9月7个野外观测点风资料, 结合地理信息系统分析了青藏高原腹地微地形对极值风速的影响. 通过地形因子的参数化处理, 建立了极值风速随海拔和地形参数变化的拟合模型以精确推算复杂地形的极值风速, 并利用临时观测点风资料对其进行了检验. 结果表明, 利用地理信息系统和地形参数化处理方法研究青藏高原微地形对极值风速的影响具有可操作性.     

利用步长模拟对青藏高原涡度方差测量法的质量评价

利用痕迹模拟方法对青藏高原两处地方涡度方差的测量数据进行了质量分析，揭示了其空间和时间结构。分析表明高达1/3的测量没有达到必要的数据正确假设。尽管这样对潜热、CO2、动量通量的测量基本通过测试，可以适用于基础研究，但是经常发现特定的风矢量违背基本假设条件。感热通量的测量允许使用不间断的连续测量法，然而由于局地地形的影响少量评估指数未能合理解释，但能够指示出组织结构及用于导出边界层中尺度流体模型假说。     

冰川/积雪-大气相互作用研究进展

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分,在全球或区域气候系统中起着极其重要的作用.开展冰川/积雪-大气相互作用研究,是研究冰冻圈物理过程及其对气候系统反馈作用的必然需求,也是研究冰川/积雪对气候变化响应的有效手段,同时还可为全球(区域)气候和水文模式提供冰川/积雪面的地表特征参数.近一个世纪以来,在冰川/积雪面辐射特征、能量通量计算方法和平衡特征等方面开展了许多观测试验和理论研究,并取得了卓有成效的研究结果.但是在准确获取辐射通量、研发普适性较强的反照率参数化方案、复杂地形条件下能量通量的计算,以及发展分布式能量平衡模式等方面尚存在许多不确定性,仍面临许多技术难点,也是未来的研究重点.     

北冰洋浮冰区近冰层湍流通量计算方法比较

利用2003年中国第二次北极科学考察获得的北冰洋浮冰区近冰层气象要素梯度观测资料,应用空气动力学的廓线法和总体输送法以及不同的普适函数,计算分析了2003年8月23日至9月4日浮冰区近冰层的摩擦速度、感热通量和潜热通量.结果表明:Holtslag普适函数的计算结果明显优于其它普适函数,总体输送法计算的不同层次湍流通量比廓线法更能够满足近冰层的常值通量层的假设,其结果可望为进一步优化北冰洋浮冰区边界层参数化方案和提高计算精度提供重要依据.     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

基于GLDAS的中国区地表能量平衡数值试验

利用全球陆面数据同化系统(GLDAS)的软件平台—陆面信息系统(LIS)模拟了中国区域2003年能量平衡方程的各个分量,在此基础上进行了残差分析和地表温度的对比验证。残差的分布具有一定的时空分布特征,残差的时间分布特征表明LIS对春秋两季的模拟效果要好于其它季节,残差的空间分布特征表明LIS对纬度较高和海拔较高地区的模拟效果要逊于其他地区。对比了模拟的GLDAS地表温度与MODIS地表温度产品,结果显示两者之间的差值介于-5～5K之间,两者的散点图和标准离差显示模拟的夜间地表温度要比模拟的白天地表温度精确2～3K。     

区域蒸发研究综述

概述了区域蒸发近年来的研究进展,包括目前估计区域蒸发的4个方面,即①单点蒸发测定的精确化;②利用遥感信息提取参数;③CBL模型模拟地-气水汽交换通量;④植被-大气相互作用模型与区域大气模型结合,模拟区域水分和热量平衡.这些方法从影响区域蒸发的不同方面探讨估算方法,但由于区域尺度下垫面特征的空间变异性,蒸发过程的不确定性,区域蒸发过程仍有待深入认识.本文分析了这些方法的原理和优点,同时也指出了其中存在的问题和今后的研究方向.     

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地区活动层土壤水热特征模拟

利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料, 结合SHAW模型在3种不同地表反照率选取方案下进行模拟试验, 对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究.通过观测值与3种模拟值的对比分析, 结果表明: SHAW模型能够较为好地模拟多年冻土区地表能量通量、 活动层土壤温度特征, 而对土壤含水量模拟不太理想, 但对其变化趋势模拟较好; 在模拟试验中, 模型输入参数地表反照率取1-12月各月平均地表反照率后, 模型对地表能量通量、 活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高; 而用一种地表反照率参数化方案的计算结果对模型输入参数进行修正后, 模型对活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高, 对地表能量通量的模拟效果提高不明显.总体上, SHAW模型对高原多年冻土区土壤冻融过程的模拟具有优势, 是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较为理想的陆面模型.     

西南喀斯特地区地表水热过程研究进展与展望

西南喀斯特地区水文二元结构以及生境条件的异质性导致地表水热过程异常复杂。水热过程机理研究薄弱,已经成为生态系统退化关键过程识别、生态恢复重建推进的关键限制因素。首先从野外科学实验、陆面过程参数化、遥感反演技术3个方面简要论述了地表水热过程的研究方法,指出在喀斯特地区,目前亟需开展的工作是在样地和坡面尺度上对地表水热过程进行系统的观测和实验,以深化水热过程机理研究,并发展适用于喀斯特地区的陆面过程模式和遥感反演模型。进而评述西南喀斯特地区地表水热过程已有研究进展与存在问题:水分循环研究的重视,但在特殊的地质背景与复杂的生境条件下,土壤水分时空异质性及降雨入渗产流和土壤侵蚀过程的机理仍不明晰,而且水热耦合研究非常缺失。最后从地表水热过程机理、水热过程变化影响机制、生态系统恢复重建水热调控等方面展望了其未来发展趋势。     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to boundary layer and convective processes

This study examines the role of the parameterization of convection, planetary boundary layer (PBL) and explicit moisture processes on tropical cyclone intensification. A high-resolution mesoscale model, National Center for Atmospheric Research (NCAR) model MM5, with two interactive nested domains at resolutions 90 km and 30 km was used to simulate the Orissa Super cyclone, the most intense Indian cyclone of the past century. The initial fields and time-varying boundary variables and sea surface temperatures were taken from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) (FNL) one-degree data set. Three categories of sensitivity experiments were conducted to examine the various schemes of PBL, convection and explicit moisture processes. The results show that the PBL processes play crucial roles in determining the intensity of the cyclone and that the scheme of Mellor-Yamada (MY) produces the strongest cyclone. The combination of the parameterization schemes of MY for planetary boundary layer, Kain-Fritsch2 for convection and Mixed-Phase for explicit moisture produced the best simulation in terms of intensity and track. The simulated cyclone produced a minimum sea level pressure of 930 hPa and a maximum wind of 65 m s⁻¹ as well as all of the characteristics of a mature tropical cyclone with an eye and eye-wall along with a warm core structure. The model-simulated precipitation intensity and distribution were in good agreement with the observations. The ensemble mean of all 12 experiments produced reasonable intensity and the best track.     

Noah-MP模型中积雪模拟对参数化方案的敏感性评估

针对Noah-MP模型多参数化方案、模拟结果不确定性范围难以确定的特点,选取北疆地区具有代表性的阿勒泰站气象资料作为模型驱动数据,探讨了积雪对多参数化方案的敏感性。在不考虑模型参数和驱动数据不确定性的条件下,设计了集合数为13824的多参数化方案集合模拟试验。选用Natural selection方法对物理过程的敏感性进行分析,并在敏感性分析结果的基础上进一步讨论了模拟结果的不确定性。结果表明:积雪对地表热交换、雨雪分离、土壤温度底层边界条件和第一层积雪或土壤时间方案4个物理过程敏感;在不考虑驱动数据和模型参数不确定性的条件下,多参数化方案集合模拟试验中的不确定性主要来源于敏感物理过程。去除敏感物理过程中能够明显降低模拟性能的参数化方案后,集合模拟结果的不确定性大幅减小。最后,根据分析结果构建了该站雪深和雪水当量模拟的最优参数化方案组合。