地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性影响的大涡模拟

利用非均匀地表加热的大涡模拟试验,研究了不稳定条件下地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性的影响。结果发现,边界层的平均廓线基本不受地表热力非均匀性的影响。进一步分析发现,较大尺度的地表非均匀加热可以激发出有组织的大尺度次级环流,冷暖斑块的通量直到边界层上部才混合均匀;而当地表非均匀尺度较小时,次级环流难以形成有组织的结构,冷暖斑块的通量很快就可以混合均匀。然而,不管是哪种尺度的非均匀地表,非均匀斑块间的平流都对各斑块近地层结构产生重要影响,进而斑块近地层通量—梯度关系与相似理论产生偏差,其中风速梯度关系的偏差更为明显。最后,对目前大气模式中常用的基于相似理论的次网格非均匀地表通量参数化方法——Mosaic方法提出了改进思路。     

计算非均匀地表通量的一种简化PDF及其应用

提出描述地表非均匀特性的简化概率密度函数（PDF），它可代替各种具体的PDF用于求解次网格尺度平均通量而不影响其精度，这种简化PDF可直接加入陆面过程模式方程组中进行陆－气通量交换的数值试验。它对非均匀地表陆面过程参数化具有一定的普适性。本文仅讨论了对称分布的简化计算（非对称分布另文讨论），列举了非均匀分布的观测事实，并以地表净红外辐射通量计算为例，详细验证了应用这种简化PDF的可行性和可靠性。     

地表粗糙度非均匀性对模式湍流通量计算的影响

理论分析和数值试验结果表明,地表参量的不均匀性对网格区地表湍流通量的计算有重要影响。近中性大气层结条件下,次网格粗糙度长度的变差系数、网格平均粗糙度及参考高度的选取是影响网格湍流通量计算的主要因素,其中次网格粗糙度长度的变差系数对计算偏差起主要决定作用。实际计算表明,某些特定地区(如植被气候过渡带)粗糙度的地表非均匀性引起的计算相对误差可达40%以上,选取特定的参考高度能改善高网格湍流通量计算的效果。非中性大气层结条件下,由地表粗糙度不均匀性所致的平均风速、位温梯度以及近地层大气稳定度的次网格分布都对网格湍流通量(感热通量)计算产生影响,比较而言,相对误差大小对大气稳定度的次网格分布最为敏感。所以,在目前的数值模式中有必要进一步对湍流通量计算过程中由于地表不均匀性产生的计算偏差加以考虑。     

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 ,讨论了参数化非均匀大气的网格平均的次网格通量的一些新的想法及相关问题     

地形非均匀性对网格区地面长波辐射通量计算的影响

从理论和数值试验两个方面证明地形的非均匀性(如海拔高度)对网格区地面长波辐射通量的计算有重要影响,海拔高度场的区域平均值及其变差系数是影响网格区地面长波辐射通量的主要因素,仅仅用地表均匀假定下的区域平均参量(如平均海拔高度和平均温度)所计算的网格区地表有效辐射通量值与其真实值之间存在着一定的误差。由于地表有效辐射通量是海拔高度的非线性函数,在特定情况下,其影响相当大,可产生不容忽略的误差。相对而言,海拔高度自身非均匀性对误差的影响远大于地表温度非均匀性项及其混合扰动项所产生的误差。对于不同的地形平均高度,地形非均匀性影响的程度并不相同。平均高度较小时,非均匀性的影响几乎可以忽略,但随着地形平均高度的增加,地形非均匀性的影响程度呈非线性增长趋势。因而,在复杂地形区域,考虑次网格地形的热力作用非常必要。     

地表湿度及粗糙度非均匀分布情况下整体输送方法的初步研究

利用一个裸土与Pielke中尺度边界层的耦合模式，对大气环流模式网格尺度的地表湿度和粗糙度的非均匀分布情况下整体输送系数的平均方法进行了初步研究。首先估算了将单点陆面模式应用到大气环流模式的非均匀网格时所产生的误差，并且构造了一种有效阻抗的平均方法，与其他几种方法相比，它可以更有效地消除这种误差。     

地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响

次网格尺度地表非均匀性对于网格区平均通量具有重要影响。若将网格区视为均一地表 ,并不能真实描述地 气通量交换过程 ,且可造成很大误差。文中从理论上证明 ,区域平均水分通量的变化率可分解为两部分 :第一部分为区域水分通量的算术平均变化率 ;第二部分为非均匀性所引起的水分通量变化率扰动 ,它与区域内土壤水分空间分布的变差系数有关。数值试验表明 ,地表土壤水分的水平空间变差系数集中反映了区域内土壤水分分布的非均匀程度 ,不同土壤对同样的非均匀程度其敏感性是不同的。变差系数愈大 ,非均匀性愈强 ,在相同的土壤水分平均值下 ,不同土壤类型对地表非均匀程度的敏感性并不相同。例如沙土和粘土受非均匀性的影响就可相差数十倍。     

一些陆面要素非均匀分布对模式计算结果影响的理论分析

应用平均参数化方法,从理论上分别研究了地表温度、地面粗糙度、积雪深度和密度非均匀分布对相关物理量计算的影响。结果表明:考虑地表温度的非均匀分布影响后,模式网格上平均地面的长波辐射通量增加,地面饱和水汽压也增加;在相同的地表温度分布变差系数和常温情况下,与长波辐射通量相比,地面饱和水汽压的变化对地表温度非均匀分布较为敏感;地面粗糙度非均匀分布对地面中性曳力系数和BATS型地面积雪覆盖率有一定的影响;积雪深度和密度非均匀分布也对地面积雪覆盖率有一定的影响。     

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。     

沙漠绿洲非均匀分布引起的中尺度通量的数值模拟

为了研究大气环流模式次网格中尺度通量的参数化问题，本文发展了一个Pielke中尺度边界层与陆面过程的耦合模式，陆面过程模式中包括一个简单植被水热传输模式及一个裸土沙漠模式。利用这一耦合模式，对黑河试验区中沙漠和绿洲这种典型的非均匀下垫面进行了模拟，20多个数值试验的模拟结果表明:（1）中尺度通量在特定的情况下具有和湍流通量相当的重要性，因此，大尺度模式中对中尺度通量的参数化是十分必要的。（2）对于中尺度通量的发展存在一个明显的最优尺度和最优块数，即当绿洲尺度为60 km，3块时，中尺度通量最大。而且当块数增加到一定数目时，可以忽略非均匀效应。（3）背景风速的增大可以使中尺度通量减小；粗糙度的试验说明非均匀块之间的热力差异的减小可使中尺度通量非线性地减小。     

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。     

The impact of sub-grid scale sea-ice inhomogeneities on the performance of the atmospheric general circulation model ECHAM3

Leads and polynyas have a great impact on the energy budget of the polar ocean and atmosphere. Since atmospheric general circulation models are not able to resolve the spatial scales of these inhomogeneities, it is necessary to include the effect of fractional sub-grid scale sea-ice inhomogeneities on climate by a suitable parametrization. In order to do this we have divided each model grid-cell into an ice-covered and an ice-free part. Nevertheless, a numerical model requires effective transports representative for the whole grid-box. A simple procedure would be to use grid averages of the surface parameters for the calculation of the surface fluxes. However, as the surface fluxes are non-linearly dependent on the surface properties, the fluxes over ice and open water should be calculated separately according to the individual surface-layer structure of each surface type. Then these local fluxes should be averaged to obtain representative fluxes. Sensitivity experiments with the Hamburg atmospheric general circulation model ECHAM3 clearly show that a subgrid scale distribution of sea ice is a dominant factor controlling the exchange processes between ocean and atmosphere in the Arctic. The heat and water vapour transports are strongly enhanced leading to a significant warming and moistening of the polar troposphere. This affects the atmospheric circulation in high- and mid-latitudes; e.g. the stationary lows are modified and the transient cyclonic activity over the subpolar oceans is reduced. A pronounced impact of sub-grid scale sea-ice distribution on the model climate can only be obtained when the non-linear behaviour of the surface exchange processes is considered by a proper, physically based, averaging of the surface fluxes. A simple linear averaging of surface parameters is not sufficient. Received: 13 September 1994 / Accepted: 25 July 1995     

非均匀下垫面局地气候效应的数值模拟

使用美国NCAR非静力平衡模式MM 5V3,模拟了黑河地区非均匀下垫面局地小气候效应 ,再现了山谷风环流及夏季“绿洲效应”、沙漠上的“逆湿”和由于地表热力分布不均匀引起的绿洲—沙漠垂直环流等绿洲—沙漠相互作用的典型特征 ,较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的风、温、湿度场与陆面相互作用的物理机理 ,验证了野外实验的结果     

Large-Eddy Simulations of Surface Heterogeneity Effects on the Convective Boundary Layer During the LITFASS-2003 Experiment

We investigate the impact of observed surface heterogeneities during the LITFASS-2003 experiment on the convective boundary layer (CBL). Large-eddy simulations (LES), driven by observed near-surface sensible and latent heat fluxes, were performed for the diurnal cycle and compare well with observations. As in former studies of idealized one- and two-dimensional heterogeneities, secondary circulations developed that are superimposed on the turbulent field and that partly take over the vertical transport of heat and moisture. The secondary circulation patterns vary between local and roll-like structures, depending on the background wind conditions. For higher background wind speeds, the flow feels an effective surface heat-flux pattern that derives from the original pattern by streamwise averaging. This effective pattern generates a roll-like secondary circulation with roll axes along the mean boundary-layer wind direction. Mainly the upstream surface conditions control the secondary circulation pattern, where the fetch increases with increasing background wind speed. Unlike the entrainment flux that appears to be slightly decreased compared to the homogeneously-heated CBL, the vertical flux of sensible heat appears not to be modified in the mixed layer, while the vertical flux of latent heat shows different responses to secondary circulations. The study illustrates that sufficient time averaging and ensemble averaging is required to separate the heterogeneity-induced signals from the raw LES turbulence data. This might be an important reason why experiments over heterogeneous terrain in the past did not give any clear evidence of heterogeneity-induced effects.     

A Numerical Study on Effects of Land-Surface Heterogeneity from ‘Combined Approach’ on Atmospheric Process Part II: Coupling-Model Simulations

1.IntroductionInthecompanionPaper(hereafterreferredtoas299),wecombinedthemosaicapproachandtheanalyticaltypeofstatistical--dynamicalapproach,andproPOsedaacombinedapProach",whichcouldrepresentbothinterpatchvariabilityandintrapatchvariabilityaswellascomputationallycostless.Aftertheheterogeneityoftheroughnesslengthic(or/andzeroplanedisplacementheightd,)isconsideredbythecombinedapproachinBiosphere/AtmosphereTransferSchemeVersionie(BATSie)(Dickinsonetal.,1993),expressions,suchasdragcoefficienta…     

Near-Surface Vertical Flux Divergence in the Stable Boundary Layer

Flow in the stable boundary layer is examined at four contrasting sites with greater upwind surface roughness. The surface heterogeneity is disorganized and in some cases weak as commonly occurs. With low wind speeds, the vertical divergence (or convergence) of the momentum and heat fluxes can be large near the surface in what is normally assumed to be the surface layer where such divergence is neglected. For the two most heterogeneous sites, a shallow “new” boundary layer is captured by the tower observations, analogous to an internal boundary layer but more complex. Above the new boundary layer, the magnitudes of the downward fluxes of heat and momentum increase with height in a transition layer, reach a maximum, and then decrease with height in an overlying regional boundary layer. Similar structure is observed at the site with rolling terrain where the shallow new boundary layer at the surface is identified as cold-air drainage generated by the local slope above which the flow undergoes transition to an overlying regional flow. Significant flux divergence near the surface is generated even over an ice floe for low wind speeds and in a shallow Ekman layer that forms during the polar night. For higher wind speeds, the magnitude of the downward fluxes decreases gradually with height at all levels as in a traditional boundary layer.     

基于三种WRF陆面过程方案的东南亚毁林增温响应研究

选取东南亚中南半岛地区作为模拟区域,基于高分辨率的遥感观测森林变化数据和WRF数值模式,设计毁林前后的两种情景对旱季气候进行模拟,评估NoahMP、CLM和Noah mosaic三种陆面过程方案对热带毁林增温响应的模拟能力。结果表明,CLM方案在模拟历史气温中有着更好的表现,Noah mosaic方案的结果存在明显低估。然而,对比毁林前后两种情景的模拟结果,本文发现,只有采用了"次格网"方式的Noah mosaic方案较好地模拟出毁林增温响应特征。在格网尺度采用"主导类型"计算方式的NoahMP方案没有合理地呈现出森林损失对区域气候的影响。理论上,CLM模式在计算中同时考虑格网内所有植被类型,然而本文发现CLM方案在主导类型不变的格网对森林损失比例不敏感,而且对毁林反馈的模拟结果与NoahMP方案的结果更接近。据此推测,在WRF模式耦合CLM方案的过程中,格网内参数处理方式可能产生了错误,实际采用的是"主导类型"方式。在模拟土地覆盖类型变化对气候的影响时,本文推荐使用Noah mosaic方案。同时,建议在未来版本的WRF模型中修正目前耦合的CLM方案关于次格网方法的处理方式,提供更合理的水热通量模拟。