The numerical scheme development of a simplified frozen soil model

In almost all frozen soil models used currently, three variables of temperature, ice content and moisture content are used as prognostic variables and the rate term, accounting for the contribution of the phase change between water and ice, is shown explicitly in both the energy and mass balance equations. The models must be solved by a numerical method with an iterative process, and the rate term of the phase change needs to be pre-estimated at the beginning in each iteration step. Since the rate term of the phase change in the energy equation is closely related to the release or absorption of the great amount of fusion heat, a small error in the rate term estimation will introduce greater error in the energy balance, which will amplify the error in the temperature calculation and in turn, cause problems for the numerical solution convergence. In this work, in order to first reduce the trouble, the methodology of the variable transformation is applied to a simplified frozen soil model used currently, which leads to new frozen soil scheme used in this work. In the new scheme, the enthalpy and the total water equivalent are used as predictive variables in the governing equations to replace temperature, volumetric soil moisture and ice content used in many current models. By doing so, the rate terms of the phase change are not shown explicitly in both the mass and energy equations and its pre-estimation is avoided. Secondly, in order to solve this new scheme more functionally, the development of the numerical scheme to the new scheme is described and a numerical algorithm appropriate to the numerical scheme is developed. In order to evaluate the new scheme of the frozen soil model and its relevant algorithm, a series of model evaluations are conducted by comparing numerical results from the new model scheme with three observational data sets. The comparisons show that the results from the model are in good agreement with these data sets in both the change trend of variables and their magnitude values, and the new scheme, together with the algorithm, is more efficient and saves more computer time.     

Spatial dependence of diurnal temperature range trends on precipitation from 1950 to 2004

This paper analyzes the spatial dependence of annual diurnal temperature range (DTR) trends from 1950–2004 on the annual climatology of three variables: precipitation, cloud cover, and leaf area index (LAI), by classifying the global land into various climatic regions based on the climatological annual precipitation. The regional average trends for annual minimum temperature (T _min) and DTR exhibit significant spatial correlations with the climatological values of these three variables, while such correlation for annual maximum temperature (T _max) is very weak. In general, the magnitude of the downward trend of DTR and the warming trend of T _min decreases with increasing precipitation amount, cloud cover, and LAI, i.e., with stronger DTR decreasing trends over drier regions. Such spatial dependence of T _min and DTR trends on the climatological precipitation possibly reflects large-scale effects of increased global greenhouse gases and aerosols (and associated changes in cloudiness, soil moisture, and water vapor) during the later half of the twentieth century.     

近45年来河北省极端降水事件的变化研究

利用河北省1961-2005年逐日降水资料,采用通用的极端气候指数,分析了近45年河北省极端降水事件频率变化的时空特征.结果表明,全省平均年最大日降水量呈下降趋势,1980年为由多向少的转折点;强降水日数和暴雨日数变化不大,但南部平原地区一般减少,北部山地区域多有增加,暴雨日数和强度在1990年代中后期显著增加;降水日数有较明显减少,南部和东南部平原减少更显著;降水日数的减少主要是中、小雨(雪)日数减少造成的.这些结果说明,河北省强降水日数和暴雨日数在降水日数中的比重有增大趋势,强降水量和暴雨降水量在总降水量中的比重可能增加了.这种相对增加趋势主要发生在1990年代中期以后.     

基于历史样本投影的四维变分陆面数据同化方法及其初步应用

法面临着计算量上的挑战。本研究将一种历史样本投影的四维变分同化方法(Historical-Sample-Projection4DVar,简写为HSP-4DVar)应用于陆面数据同化,建立起CoLM陆面模型的HSP-4DVar系统。相比其他四维变分同化方法,HSP-4DVar的分析值是显式求解,不需要编写和使用伴随模式,从而大大节省了计算量,是一种易于实现的同化方案。通过同化56个月的土壤湿度观测数据表明,新的陆面同化系统不仅省时,而且能够有效吸取观测信息,使得同化后的均方根误差显著降低,各层土壤湿度模拟都有所改善,陆表1000mm层的改善最为明显。     

K(o)hler方程的分析与修正

Kohler方程是云物理学中的一个基础公式,是云滴形成理论的重要组成部分。我们在研究中对Kohler公式推导和假设提出了一些疑问,如未考虑液滴生长过程中浓度、范德霍夫系数等变化对方程所产生的影响,并给出了解决方式,同时利用另一种推导方式讨论Kohler公式的应用,加强了Kohler方程与实际云滴核化过程的结合。     

灵山县冬季气温空间分布特点的初步分析

基于广西灵山县2007/2008、2008/2009年冬季各乡镇自动气象站实况记录资料,按晴天、阴天、雨天、多云到晴及辐射寒害、平流寒害(湿冷)等天气类型,分析各天气类型下各时次气温变化特点及影响因素.结果表明:在晴天和辐射寒害天气类型下,气温昼夜变化及空间分布差异最为明显,多云到晴天气次之,阴天、雨天和平流寒害气温度昼夜变化及空间差异相对较小;气温空间分布的差异,既与自动气象站地理位置,包括纬度、海拔高度等因素有关,也与自动气象站临近环境状况有关.     

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

复合生烃系统--陆相断陷盆地烃源岩评价和油气预测的重要概念

复合生烃系统是指凹陷(或洼陷)具有两套或两套以上有机地球化学特征不同的有效烃源岩,它们具有多个成烃阶段和多期排烃运聚过程,形成了多种油气藏和多源油气藏。其特点可概括为“多套源岩、多阶段成烃、多源(混源)成藏的新模式”。渤海湾盆地油气勘探实践证明,丰富的油气资源及其分布特征与富含有机质生烃洼陷中存在的复合生烃系统具有十分密切的关系。渤海湾盆地复合生烃系统的组合特征可分为盐湖咸水湖相欠充填湖泊类型模式、半咸水微咸水深湖相平衡充填湖泊类型模式和淡水三角洲湖相过充填湖泊类型模式3种典型的湖相组合,其中所发育的烃源岩代表了复合生烃系统的基本特征。复合生烃系统发育在多幕式断陷活动的地质背景下,与不同油气储集性砂体相配合,通过不同的排烃方式和运移通道聚集成藏,形成了不同层系、不同区带和不同圈闭类型的复式油气聚集带,从而在空间上控制了盆地内各种油气藏的形成和分布。     

五台山高山带植被对气候变化的响应

根据五台山高山带草本群落特征种的生长、分布和高山林线树种的年轮分析,揭示了近20年来气候变暖对高山植被的影响。高山草甸和林线过渡带的某些植物种向上爬升的趋势与同期区域气温升高密切相关。草本群落及其特征种沿垂直梯度的爬升与五台山高山带近年来的增温趋势相符合,进一步说明了高山带植被对气候变暖的响应较为敏感,可作为气候变化的指示体。树木年轮宽度序列分析和响应函数表明夏季降水对五台山的高山带木本植物生长有较大影响。由于夏季温度较高,冻土融化,提高了降水的利用效率,促进了树木生长。根据树轮宽度指数与7月份降水量的相关关系,重建了20世纪五台山地区7月份的降水量,基本反映了其间降水量变化的规律。结果表明:五台山20世纪20年代、30年代中期至40年代是相对比较干旱的时期,30年代初期和50年代是相对湿润期,近年来,降水量有下降趋势。     

土地利用方式对荒漠草地生物量分配及碳密度的影响

草地生态系统群落生物量的分配模式对于研究生态系统碳储量和碳循环有着重要的意义。为了解内蒙古荒漠草地群落生物量垂直分配格局,从不同土地利用方式着手探讨群落生物量不同成层性分配规律并估算荒漠草地生物量碳密度。结果表明:(1)人工灌溉草地灌木层生物量明显高于放牧和原生草地,草本层生物量表现出灌溉草地>原生草地>放牧草地,而凋落物层表现出灌溉草地<放牧草地<原生草地,地上生物量集中在草本层(60%以上),地下0~10 cm生物量大于其他层生物量(P<0.05)。(2)灌木层生物量、草本层生物量、凋落物层间存在极显著的相关关系(P<0.0001);地下各层生物量之间存在极显著相关关系(P<0.0001);且灌溉草地与原生草地群落地上层生物量与地下层生物量之间存在显著相关关系(P<0.05),故可以建立生物量成层性分配模型。(3)生物量碳密度原生草地<放牧草地<灌溉草地。