不同湖泊模式对青藏高原典型湖泊适用性对比研究

一维湖泊模式是青藏高原湖泊研究的主要手段之一,但不同湖泊模式在青藏高原适用性及其差异依然不够明确。利用MODIS地表温度数据、青藏高原鄂陵湖站点观测的气象数据、湖温及湖面能量数据,驱动、评估和对比了目前应用最为广泛的两个一维湖泊模式Freshwater Lake Model(FLake)和Community Land Model version 4.5(CLM4.5)中耦合的湖泊模块在青藏高原典型湖泊的适用性。结果表明:FLake和CLM模式均能较好的对湖泊热力状况进行模拟,CLM模式对于湖表面温度和湖泊内部不同深度的温度模拟优于Flake模式,净辐射和能量的累积也是CLM模式的模拟值更接近观测值。造成Flake模式模拟偏差更大的原因与模式中计算感热、潜热的摩擦速度有关,观测的摩擦速度均值为0.22 m·s-1,CLM模式中的摩擦速度与观测值接近,为Flake模式的1.5倍,将CLM模式中的摩擦速度替换到Flake模式中后模拟结果有明显的改善。     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

三套再分析资料在青藏高原湖泊模拟研究中的适用性分析

湖泊模式为青藏高原湖-气相互作用研究提供了有效方法,而驱动数据对模拟结果影响显著,但目前用来驱动模式的再分析资料对高原不同地区湖泊的适用性依然不够清楚。利用野外观测数据、M ODIS地表温度数据和WRF耦合的一维湖泊模式,对比分析了中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(简称ITPCAS)、ERA-Interim和NCEP/NCAR三套再分析资料在青藏高原地区纳木错、班公错和鄂陵湖三个不同深度湖泊的适用性,并对三套再分析资料的准确性进行了初步验证,进一步分析了不同校正方式后的再分析资料对模拟结果的影响。结果表明,用三套不同再分析资料作为模式驱动数据时,WRF耦合的一维湖泊模型均能够较好地模拟出高原湖泊表面温度的变化,但仍然与MODIS观测结果存在偏差。三套再分析资料中ITPCAS数据集的各气象要素与站点观测更为接近,ERA-Interim数据的向下长波和短波辐射比观测值偏大,NCEP/NCAR数据中的向下长波较观测值偏小而风速偏大。利用站点观测对再分析资料进行校正,ITPCAS数据进行全要素校正前后模拟结果差别不大,ERA-Interim和NCEP/NCAR进行全要素校正后模拟结果准确性显著提高;对于实地观测资料匮乏的地区,单独对ERA-Interim向下短波辐射数据进行校正以及同时对NCEP/NCAR气温和向下长波辐射数据进行校正均能优化湖表面温度的模拟结果。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。     

WRF模拟青藏高原东南部极端旱涝年降水的参数敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对青藏高原地区极端气候的模拟能力,利用WRF模式,采用不同模式参数(包括边界位置、积云对流、边界层参数化方案和水平分辨率)模拟了青藏高原东南部极端旱(2006年)、涝(1998年)年夏季降水。对比不同参数模拟的降水结果表明:整体而言,无论是旱年还是涝年,除南边界以外的模式边界位置对高原主体和东南部降水模拟的影响较小;边界层方案对降水空间形态的模拟影响较小,而对降水量级的影响较大;积云对流方案对降水空间形态和量级的影响均较大;采用15 km水平分辨率时可显著改善模式对高原主体和东南部降水的模拟水平。WRF采用适当的参数组合能较好地模拟高原主体和东南部降水的空间分布,但降水量偏大。整体而言,能较好模拟旱年降水的边界层和积云对流参数化方案组合也能较好模拟涝年降水。模式模拟的高原南侧降水偏多可能使高原南侧西风偏强,并进一步造成云南西南部降水偏多;湖南南部降水偏多可能在云南东北部至贵州地区激发出较强的气旋式环流偏差,该偏差环流在四川盆地形成异常强的偏北风,导致低纬度地区进入四川盆地的水汽偏小,从而在四川盆地形成明显的相对干偏差。因此,模式在四川盆地降水模拟能力的提高不仅要做好参数的本地化工作,还需要关注盆地以外地区的影响。     

青藏高原东侧常规观测资料对WRF模式预报误差的贡献分析

利用WRFDA-FSO(Forecast Sensitivity to Observation)系统,统计分析2009年和2010年5—10月青藏高原东侧常规地面和高空观测对WRF模式预报误差的贡献。结果表明:地面观测资料各要素中,温度场对模式预报误差贡献最大,风场、气压和水汽场的贡献相对小;四川东部、广西大部和云南南部边缘地区的资料对改进预报产生正贡献较大。高空资料各要素中,温度场对模式预报误差贡献最大,其次是水汽场,风场贡献最小;高空站资料对改进预报产生正贡献较大的区域主要分布在云南大部、贵州西部边缘和广西西北部边缘地区。依据误差统计结果,剔除对改进预报产生负贡献较大的地面和高空站资料后,模式降水和温度预报效果有所改善。     

青藏高原CMIP6土壤湿度适用性评估

为了解第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）土壤湿度数据在青藏高原的适用性,利用全球陆面数据同化系统（GLDAS）Noah模型输出的土壤湿度产品,对CMIP6 Historical试验的土壤湿度数据进行评估。结果表明：在青藏高原地区,CMIP6集合平均土壤湿度总体高于Noah产品,季节变化幅度明显小于Noah产品;各模式模拟的土壤湿度差异较大,在偏差、线性相关、标准差、场相关4个维度上,表现最好的模式分别为AWI-ESM-1-1-LR、NorESM2-MM、CanESM5、TaiESM1,而EC-Earth3、EC-Earth3-Veg和GFDL-CM4在两个维度上表现突出;综合考虑4个维度,AWI-ESM-1-1-LR等10个模式在高原适用性较好。     

预报模型适用性研究初探

一引言在众多的预报模型中,怎样选择适当的模型作预报,这是统计预报中十分关键的一个问题,但又难以确定,也就是说没有一个统一的标准。通常是在各种预报模型求得各自不同的预报结果的基础上再进行预报集成,或对各种预报模型的预报结果进行综合评价后冠以不同的权重得出预报结果,这样得出的结果往往只是体现了各种预报结果的平均状况。本文提出了从各种预报模型对历史样本的实际预测能力着手,根据预测精度的优劣来衡量预报模型的适用性,从而选用预测精度较高的预报模型作预报。经实际试用取得了较为满意的预报效果。     

基于WRF模式的兰州秋冬季大气污染预报模型研究

随着城市化进程的加快,城市大气环境问题成为人们关注的热点问题之一。诸多研究表明,特殊气象条件是造成城市大气污染事件的主要因子之一。本文利用WRF模式模拟得到的高时空分辨率气象场,结合污染物浓度监测数据,分析了风速、稳定能量、Froude数、边界层高度、位温递减率、输送指数和梯度理查森数与兰州大气污染物浓度的关系,并根据WRF的模拟要素建立了污染物浓度与气象影响因子的回归方程。研究发现,兰州城区边界层高度和位温递减率与大气污染物浓度的相关系数高,NO2与气象影响因子的相关性较PM10好。建立的回归方程对NO2的模拟效果好于对PM10的模拟效果,其对城区污染物浓度的模拟效果好于郊区。通过与不同地区空气质量数值模式模拟效果对比,结果表明：回归方程对污染物的模拟效果与数值模式模拟效果相当,甚至好于部分地区空气质量数值模式的模拟效果。因此,该研究方法为我国城市空气质量预报和大气污染研究提供了科学依据。     

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。     

多套土壤温湿度资料在青藏高原的适用性

利用青藏高原中部和东部土壤温度和湿度观测资料,通过计算两套再分析资料(ERA-Interim和CFSR)和六套陆面模式资料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-M OSAIC和GLDAS-VIC)分别与观测资料之间的平均偏差、偏差标准差、相关系数、标准差比等统计参数,结合Brunke排名法,综合评估了再分析资料和陆面模式资料中土壤温湿度数据在青藏高原的适用性。结果表明:对于土壤温度,CFSR与观测值最接近,其次是MERRA/land和GLDAS-CLM,而ERA-Interim和ERA/land与观测值相差较大;除GLDAS-CLM土壤温度比观测值偏高外,其他资料土壤温度在大部分站点比观测值偏低,其中ERA-Interim和ERA/land土壤温度比观测值偏低较多,部分站点平均偏差超过-20℃。对于非冻结期(5 10月)土壤湿度,GLDAS-CLM与观测值最接近,其次是GLDAS-NOAH或ERA-Interim;与观测值相比,CFSR、ERA-Interim和ERA/land的土壤湿度偏湿,平均偏差大部分在0.05~0.20 m3·m-3之间,而GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM和GLDAS-M OSAIC的土壤湿度偏干。     

两种边界层参数化方案对WRF模拟青藏高原2013年夏季降水的影响

本文利用区域气候模式WRF分析了YSU和MYJ两种边界层方案对青藏高原2013年夏季降水模拟的影响。结果表明:两种方案均能模拟出高原地区夏季降水南多北少的空间分布,但均低估了西藏地区而高估了青海南部的降水。并且,两种方案在高原南部都存在辐散环流偏差,而在青海南部存在辐合偏差。对比得到:YSU方案相对于MYJ方案更接近于观测,前者能更好的模拟出高原中、东部地区降水的空间分布。而造成两种方案模拟差异的主要原因是:MYJ方案模拟的位势高度在高原及其南侧地区比YSU方案高,导致西太平洋副热带高压更为偏西,孟加拉湾及南海进入高原的水汽偏少。     

CoLM模式在西北干旱区和青藏高原区的适用性研究

运用CoLM(CLM3.0)模式对典型干旱区(张掖站)和青藏高原区(安多站、MS3478站)进行了off-line验证试验,检验了CoLM模式在典型干旱区和青藏高原区的性能。结果表明:CoLM模式对典型干旱区绿洲灌溉农业的陆面过程模拟较好,土壤各层温度的日变化趋势和季节变化趋势都能较准确地模拟出来,模拟的地表温度与观测值相关系数为0.885,均方差为0.873;模拟的5 cm土壤温度值与实测值的相关系数为0.944,均方差为0.891。在高原地区能量平衡分量的模拟中,净辐射、感热模拟效果较好,潜热分量模拟值偏大,故将CoLM模式用于高原地区还有待进一步改进。     

WRF模式对西南地区干旱事件的模拟研究

2009—2010年在中国西南地区发生了严重的秋冬春三季持续性干旱,为了评估WRF模式两种陆面方案在中国西南地区干旱事件中的模拟性能,该文采用Noah陆面方案和Pleim_Xiu陆面方案两种WRF模拟方案对西南干旱事件进行模拟研究。两种陆面方案都合理的模拟出了西南地区极端干旱事件中的降水空间分布与时间序列,但与观测资料相比仍然存在一定的误差。两种陆面方案的相互比较表明,在极端干旱事件模拟中,Noah陆面方案在降水模拟中有着一定的改进作用。在对西南干旱时期的蒸发模拟当中,Noah和Px方案相比有着更低的误差,采用Noah陆面方案能更好的模拟蒸发状况。     

WOFOST模型对于云南烤烟的适用性研究

为研究WOFOST模型对于云南烤烟的适用性,使用2010—2011年在云南烟区玉溪、昭通的烤烟田间实验数据,应用WOFOST模型对云南烤烟潜在生长进行了模拟和验证.用昭通2010年的实验数据作参数校正,得到云南本地化的参数,再用其余实验数据验证.结果显示:WOFOST模型可以较好模拟云南烤烟的潜在生长过程,目前烤烟的产量水平仅相当于其生产潜力的88%左右,仍有提升的空间.     

HBV模型在汉江流域的适用性研究

利用区域气象资料、水文资料、土地利用资料,运用HBV模型对陕西安康水电站上游汉江流域进行日径流深模拟并尝试确定致灾临界面雨量值。结果表明:HBV模型在安康水电站上游流域具有较好的适用性,在率定期模型对日径流深模拟的确定性系数为0.84,Nash效率系数为0.72,验证期确定性系数为0.87,Nash效率系数为0.75;通过安康水电站逐日水位资料,根据不同基础水位,确定了安康水电站上游流域24h临界面雨量值,此值可为水电站汛期防汛泄洪工作提供有益参考。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

多套土壤湿度替代资料在青藏高原的适用性分析

目前,仍没有一套公认的能够很好的描述高原土壤湿度变化特征的替代资料,为此利用收集到的多套观测资料作为参考,分别对各种替代资料在高原的适用性进行了评估。结果表明:(1)观测资料表明,高原的土壤湿度在表层、中层、深层的变化具有较好的一致性,表层与中层、中层与深层的土壤湿度相关系数均在0.8以上。(2)卫星反演资料SSM/I RETRIEVALS在各个站点与观测值的相关系数都为正,在高原东南部、中部、北部相关系数都在0.5以上,且标准差与高原东南和中部的观测标准差较为接近,适用于高原的大范围地区,是研究青藏高原土壤湿度多年变化特征的一套较好的替代资料。(3)春季高原土壤湿度的空间分布具有南部边缘较大、由东南向西北递减的特征,大部分地区的土壤湿度具有明显的线性增加趋势;去除趋势后,高原东、西各有一个均方差大值区,东、西关键区内的土壤湿度从春到夏都具有较好的持续性,可以作为预测我国夏季降水的重要因子。