上海城市精细化地表温度分布模拟

本文引入了一种模拟城市复杂下垫面地表温度的方法,该方法基于地表辐射参数化方案（NARP）计算城市净辐射通量,然后利用客观滞后模型OHM计算地表储热通量,再利用强迫恢复法计算表面温度。通过上海地区高分辨率卫星资料获取不同地表类型覆盖比例,以每个格点中各地表覆盖类型所占面积比例为权重计算格点的平均地表温度,并对2013年8月12日上海地区地表温度进行模拟。结果表明：上海城市下垫面与其他类型下垫面相比,地表温度白天升高较快,而夜间下降较慢。模拟结果与MODIS陆面温度及地面观测资料进行比较,模拟的上海地表温度分布结构更精细,与气象站观测值较接近。     

水循环

水循环是指地球上的水从地表蒸发,凝结成云,再以雨、雪等形式降落到陆地上,形成径流,积累到土中或水域,再次蒸发,周而复始的循环过程。这样的循环永无止境,包含蒸发、降水、径流3个大的步骤。     

卫星遥感地表植被及其在华南暴雨中尺度数值模拟中的应用试验

将我国植被资料和NCAR资料分别用于非静力平衡中尺度模式MM5, 对1998年5月23~24日华南暴雨进行数值模拟试验, 比较其对降水量和动力热力场预报的影响, 结果表明, 当网格格距为45 km时, 二者差别很小, 当网格格距减小到5~15 km, 预报降水量最大值增加了12%~14%, 更接近观测值, 同时对低层大气热力动力结构也有一定影响。     

气候变化对西北水循环和水资源影响的研究

西北地区全年水汽总输入为1 061.9 mm,但只有14.4%形成降水,85.6%成为过境水汽直接穿过该地区上空出境,水汽净输入量仅为31.1 mm.西北地区降水分布很不均匀,内陆河地区多年平均降水量大于300 mm的都是高山带,而平原盆地的降水量多在150mm以下,内陆河流域多年平均径流深仅有6.8 mm.西北水循环最突出的特点是径流系数小于蒸发系数,而干旱指数Ep/P(Ep:蒸发能力,P:降水)十分大,介于4～10之间.未来30年黄河及其以北地区气温平均升高2.0℃(HD模式)或2.38℃(MPI模式),黄河以南地区气候平均升高1.8℃(HD模式)或1.5℃(MPI模式),内陆河流域气温升高可能分别达到3.1℃(HD模式)或1.5℃(MPI模式).据MPI模式结果,未来30年黄河及其以北地区降水量平均增加1.6%,而黄河以南地区降水量平均增加11.4%,干旱少雨的内陆河地区降水量可能减少7%以上;黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增大15%左右,西北区地表径流量的变化范围预计为751～1017亿m3.气候变化使得该地区天然径流减少,水资源供需矛盾将更加突出.     

兰州市南北两山地表植被对气象场影响的模拟研究

本文利用美国NCAR流体非表力平衡中尺度数值模式MM5V3版，数值模拟研究大范围改变兰州市周围山体的地表植被状况，区域大气的温湿场的变化。模拟结果表明，绿化后，大气稳定度总体趋势是减小，尤其夜间减小幅度很大。因此，绿化后，随着大气稳定度的变小，冬季逆温，尤其是夜间逆温的情况会有所减弱。绿化后，夜间地表温度增大，从而削弱了皋兰山体夜间下滑冷空气的强度，山谷城市冷湖效应造成的逆温强度也应有所减弱；绿化后，白天午后山峰的感热减小，地表温度降低，山峰加热效应减弱，从而也减弱了由于山峰加热效应造成的逆温。另外，绿化后，近地面及对流层下部相对湿度的增加比较明显，以及随着相对湿度地增大，大气中污染物湿沉降过程的可能性也有增大的可能。     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9～11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明：模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。     

地表反照率的改变影响夏季北非副热带高压的数值模拟

利用 LASG L 9R1 5AGCM设计了两组不同地表反照率的数值试验。通过分析其夏季平均气候的差异来考察地表反照率改变对夏季北非副高的影响。结果表明 ,当北非地表反照率增大时 ,由于地面接收到的净辐射减少 ,地面温度降低 ,底层大气的感热加热减弱 ,抑制了局地的对流和降水 ,相应的对流层中层的凝结加热也减弱。这种中、低层的冷却强迫出高空的异常辐合与低空的异常辐散 ,导致北非地区下沉运动增强 ,从而加强了北非副高。另外 ,这种北非地区的环流异常 ,通过辐散风环流加强了南亚高空的辐散 ,在一定程度上加强了南亚高压。     

地表通量输送对飑线过程影响的数值模拟研究

使用水平分辨率20km的RSM-RANAL再分析资料和WRF模式,对2004年7月12日影响上海地区的一次飑线过程进行分析和数值模拟,结果表明:(1)雷暴发生区域的西北侧约300km处有一冷锋,地面风场辐合;中低层为一致西南急流,雷暴发生区域上空300hPa位于西风急流右后侧辐散区中;地面存在明显的温度梯度。(2)雷暴发生前浙皖交界山区处的CAPE增至1000J/kg,CIN减至30J/kg以下;杭州湾附近的CAPE值大于2000J/kg。这些地方之后均有强对流单体生成,并成为飑线的一部分。(3)WRF模式对这次飑线过程的主要特征模拟较好,包括地面风场和飑线的结构。(4)敏感性试验指出陆面过程对本次飑线过程的形成发展起了重要作用。一方面通过潜热通量输送增大边界层湿度;另一方面通过感热通量输送改变了边界层的层结结构,使得低层辐合(或抬升)比较容易释放不稳定。在强对流天气的预报中地表条件不可忽略。     

硫酸盐气溶胶对全球水循环因子的影响

  利用卫星资料进一步检验了CAM3.0模式对云的模拟能力,该模式可以较好地再现全球云的分布和季节变化的主要特征。在硫循环过程与辐射和动力过程之间双向耦合的情况下,探讨了硫酸盐气溶胶直接气候效应对水循环过程的影响。模式较好地模拟了硫酸盐气溶胶的浓度和分布变化。硫酸盐气溶胶对水循环因子的影响在不同季节和区域是不同的,其中,北半球夏季的影响最大,这是因为北半球夏季硫酸盐浓度最高。纬向平均的云量、降水和水汽的变化形势大部分相似,存在比较密切的联系。     

Effects of heterogeneous vegetation on the surface hydrological cycle

Using the three-layer variable infiltration capacity (VIC-3L) hydrological model and the successive interpolation approach (SIA) of climate factors, the authors studied the effect of different land cover types on the surface hydrological cycle. Daily climate data from 1992 to 2001 and remotely-sensed leaf area index (LAI) are used in the model. The model is applied to the Baohe River basin, a subbasin of the Yangtze River basin, China, with an area of 2500 km2. The vegetation cover types in the Baohe River basin consist mostly of the mixed forest type (85%). Comparison of the modeled results with the observed discharge data suggests that: (1) Daily discharges over the period of 1992–2001 simulated with inputs of remotely-sensed land cover data and LAI data can generally produce observed discharge variations, and the modeled annual total discharge agrees with observations with a mean difference of 1.4%. The use of remote sensing images also makes the modeled spatial distributions of evapotranspiration physically meaningful. (2) The relative computing error (RCE) of the annual average discharge is ?24.8% when the homogeneous broadleaf deciduous forestry cover is assumed for the watershed. The error is 21.8% when a homogeneous cropland cover is assumed and ?14.32% when an REDC (Resource and Environment Database of China) land cover map is used. The error is reduced to 1.4% when a remotely-sensed land cover at 1000-m resolution is used.     

Simulations of Hydrological Cycle Changes Between the LGM and the Present Day over China

Based on the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) data in 1983–2006,it is found that there is a high value center of high cloud amount over the Tibetan Plateau (TP),while there is a high value center of middle cloud amount over the Sichuan Basin extending to the coastal area of southeastern China along the same latitude,and a low one over the TP.The present day (PD) and Last Glacial Maximum (LGM) climates are simulated by using the NCAR Community Climate Model (CCM3) nested with a regio...     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维。气候模式与气候系统内反馈机制的研究

紧于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在，气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论：（１）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（２）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（３）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（４）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，共正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。（５）大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（６）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种北线性方式相互作用。     

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

采用生物-大气传输模式（BATS模型）模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地-大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明：对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气-水文之间关系与作用的不同特征。     

The Influence of Large-Scale Circulation on the Summer Hydrological Cycle in the Haihe River Basin of China

In this study, we focus on changes in three important components of the hydrological-cycle in the Haihe River basin (HRB) during 1957-2005: precipitation (Prep), actual evaportranspiration (ETa), and pan evaporation (PE)-a measure of potential evaporation. The changes in these components have been evaluated in relation to changes in the East Asian summer monsoon. Summer Prep for the whole basin has decreased significantly during 1957-2005. Recent weakening of the convergence of the integrated water vapor flux, in combination with a change from cyclonic-like large-scale circulation conditions to anti-cyclonic-like conditions, led to the decrease in the summer Prep in the HRB. ETa is positively correlated with Prep on the interannual timescale. On longer timescales, however, ETa is less dependent on Prep or the large-scale circulation. We found negative trends in ETa when the ERA40 reanalysis data were used, but positive trends in ETa when the NCEP/NCAR reanalysis data were used. PE declined during the period 1957-2001. The declining of PE could be explained by a combination of declining solar radiation and declining surface wind. However, the declining solar radiation may itself be related to the weakening winds, due to weaker dispersion of pollution. If so, the downward trend of PE may be mainly caused by weakening winds.     

气候变暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认识

气候变化检测与归因的实践指南(GPGP)综合了4种检测归因方法,它囊括了目前研究这一因果链采用的不同途径。自1990年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第一次评估报告以来,气候变化的检测与归因从气温升高和其他系统或变量变化趋势的研究开始,经历了从全球、半球、海洋与陆地、七大洲乃至区域尺度的细化进程。人为气候变化的指纹检测与归因方法已普遍用于全球大尺度水文循环要素——纬度带平均降水、强降水、径流、比湿、水汽含量等时空型态变化的研究,个别地也应用到流域尺度,如以冰雪融水补给为主的河流的天然流量、积雪和最低温度变化的研究。对于以降水为主,且受人类活动干扰较大的流域,观测的水文循环要素变化的检测与归因,大多数聚焦于观测的气候要素及非气候变量对其的影响,而不回答变化是自然的还是人为强迫引起的。这种方法要求高质量长系列的观测数据、先进的统计检验技术以及物理基础好的水文模型。对于水文循环要素对气候变化敏感的流域,若观测数据满足要求,则采用正规的检测与归因方法或最优指纹法识别外强迫及驱动因子的影响研究,将具有重要科学意义和发展前景。     

末次冰期冰盛期中国地区水循环因子变化的模拟研究

ISCCP卫星资料（1983-2006年)的结果显示：青藏高原地区是高云的高值中心;而以四川为中心直到同纬度的中国东南沿海地区是中云的高值区,同时,青藏高原地区是中云的低值中心。利用全球气候模式CCM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和LGM时的气候。通过MM5模拟的结果与ISCCP的卫星资料对比表明：模拟结果再现了中国地区高云和中云分布的主要特征。这暗示云分布的气候特征可能主要由相对湿度决定。同时,通过MM5的结果与NCEP资料的对比也说明,模式结果可以较好地模拟水汽和温度的垂直分布。在此基础上,研究了LGM时水循环因子的变化。模式结果显示：LGM时夏季对流层的温度降低,在对流层中上层存在温度降低的中心;而在冬季在南方的对流层中层存在减温中心,在北方的对流层的中上层温度增加。大气中水汽含量与温度变化有很好的正相关,除了冬季北方对流层中上层水汽增加外,水汽含量一般减少,而且在近地层减少的最多,随高度增高水汽变化逐渐变小。但是,水汽的相对变化在对流层上层存在减少的高值中心。相对湿度存在变化,最大的变化超过15%,而且有增加,也有减少。在区域尺度相对湿度不是保守的。相对湿度变化与中云和低云的变化一致。在LGM,中国地区高云量减少,除中国西南地区外,中云和低云量减少,低云量减少的最多。降水的变化与中云和低云的变化相对应,云量增加降水增加,云量减少降水也减少。从相对湿度和有效降水可以看到在西南地区在LGM时变得潮湿,在夏季西北地区也变得潮湿。     

北京城市边界层热岛的日变化周期模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5来模拟北京冬季的热岛。模式采用三重嵌套网格,最高水平分辨率为3 km。在模式中加入分辨率为200 m×200 m的实测北京建筑物高度和地表利用资料,并将下垫面的城市人为热源分为常数部分和日周期变化部分。数值模拟结果显示:MM5模式对这次北京的热岛及热岛环流具有较好的模拟能力。考虑了日周期变化的人为热源作用的数值试验模拟出的热岛的日变化比将热源单纯考虑为常数与实况更接近,这表明加入与实际情况相符的人为热对模拟有改善。     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。