WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR),对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明:城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

应用城市地表能量平衡方案研究城市冠层结构对城市热岛的热力影响

用南京大学区域边界层模式NJU-RBLM, 通过对一组理想试验的模拟, 研究了TEB方案 (town energy balance) 和SVAT方案 (soil－vegetation－atmosphere transfer) 模拟城市热岛现象的差异及本质原因, 发现TEB方案对城市热岛 (UHI) 尤其是夜间UHI模拟效果更优, 这是由于TEB方案具备较强模拟城市储热项的能力形成的。此外, 深入探讨UHI对大气边界层热力结构的影响, 发现UHI现象使城市和郊区的近地层位温廓线在清晨和傍晚都存在明显差异, 同时使城市区域气温全天高于郊区, 且日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间。分析人为热源和建筑物冠层对UHI的影响时发现: 人为热源对UHI的影响在夜间强于白天, 而建筑物对白天城市湍能的影响强于人为热源的作用。     

土壤热异常影响地表能量平衡的个例分析和数值模拟

The statistical relationship between soil thermal anomaly and short-term climate change is presented based on a typical case study. Furthermore, possible physical mechanisms behind the relationship are revealed through using an off-line land surface model with a reasonable soil thermal forcing at the bottom of the soil layer.In the first experiment, the given heat flux is 5 W m-2 at the bottom of the soil layer (in depth of 6.3 m)for 3 months, while only a positive ground temperature anomaly of 0.06℃ can be found compared to the control run. The anomaly, however, could reach 0.65℃ if the soil thermal conductivity was one order of magnitude larger. It could be even as large as 0.81℃ assuming the heat flux at bottom is 10 W m-2. Meanwhile, an increase of about 10 W m-2 was detected both for heat flux in soil and sensible heat on land surface, which is not neglectable to the short-term climate change. The results show that considerable response in land surface energy budget could be expected when the soil thermal forcing reaches a certain spatial-tem poral scale. Therefore, land surface models should not ignore the upward heat flux from the bottom of the soil layer. Moreover, integration for a longer period of time and coupled land-atmosphere model are also necessary for the better understanding of this issue.     

一种城市地表能量平衡模式在上海的模拟评估

利用一整年的上海城区常规气象和地表能量平衡观测资料,驱动和检验了局地城市地表能量(水分)平衡模式(SUEWS/LUMPS)在上海地区的模拟能力,并对模式输入参数进行了部分本地化。模拟结果表明,SUEWS模式较好地再现了各辐射通量的日变化形态,对净辐射通量(Q~*)中午日峰值低估约为25 W·m~(-2);模式对四个季节向下长波辐射通量(L_↓)的日变化幅度均被低估,对向上长波辐射通量(L_↑)的模拟明显优于L_↓。SUEWS/LUMPS模式对感热通量(Q_H)各季节(春季除外)日峰值出现时次均有准确模拟,而对Q_H量值各季节均为低估;SUEWS模式在夏、秋季对白天潜热通量(Q_E)的模拟均优于LUMPS模式,而在冬、春季的模拟情况两者接近;SUEWS模式成功再现了储热通量(△Q_S)冬、春、秋季早、晚正负值转换时间,而在夏季滞后了2 h,模拟的△Q_S量值季节差异性较大。对模式误差随气温、风速及风向变化进行分析表明,在较高气温和较大风速下,Q_H、Q_E均表现为低估误差增大,而△Q_S则相反,表现为更显著地高估;风向的影响主要表现为模式未考虑东面密集建筑群而使得Q_H较明显低估约为-50 W·m~(-2),而西侧公园绿地的存在使得Q_H高估约15 W·m~(-2)。     

上海秋冬季地表能量平衡及CO2通量特征分析

利用2012年11月11日至2013年1月20日上海秋冬季涡动相关通量观测资料,对比分析地表能量平衡和CO₂通量在不同天气条件下的日变化特征。结果表明：2012-2013年上海晴天和多云天气条件下,最大能量通量为储热项,其次为感热项;用于蒸发的潜热通量项最小,低于50 w·m^-2。储热项日峰值出现在11时,出现时间早于净辐射通量,而在日落前转为负值。感热项日变化曲线并不以12时为中心呈对称分布,日落后感热项仍为明显正值。中午至日落时波文比值为3以上。感热通量受风向影响最大,在主导风向为西北风时,感热通量日峰值从其他风向的175 w·m^-2左右减小至120 w·m^-2左右。霾和云对短波辐射均表现为衰减作用,云的衰减作用明显大于霾。云使地表向上长波辐射和净长波辐射明显减少,而使大气逆辐射增加。晴天条件下,全天表现为CO₂排放源,且日变化呈双峰型,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上峰值。     

基于多年卫星遥感的江苏省夏季城市热岛特征分析

利用2003—2020年的MODIS土地覆盖类型和地表温度等数据,从地表温度、气温和城市化的角度分析了江苏省夏季城市热岛强度和面积的时空分布和变化趋势。结果表明：近20 a快速的城市化导致了江苏省夏季热岛强度(0.07℃·a^-1)和热岛面积(529 km²·a^-1)整体均呈增加趋势;其中热岛强度前期受城区升温影响,呈明显增强(0.18℃·a^-1),后期受郊区升温影响,呈明显减弱(-0.14℃·a^-1);热岛面积变化主要由弱热岛面积(297 km²·a^-1)和较强热岛面积(192 km²·a^-1)的增长趋势主导,强热岛面积呈前期增长(133 km²·a^-1)和后期减少(185 km²·a^-1)的变化趋势;高温对整个城区的热岛效应影响有限,但对城市核心区的热岛效应影响明显,对应的强热岛面积增加和热岛强度增强。     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

陇中黄土高原夏季地表能量平衡观测研究

利用2003年6～8月的实际观测资料,分析了陇中黄土高原夏季地表通量特征。在春小麦下垫面,无论晴天或阴天,能量主要消耗于农田蒸散。在裸地下垫面各能量通量表现出同样的变化特征,但由于降雨量的增加,导致潜热占净辐射的比例比春小麦地的还高。在晴天或阴天地气之间能量传输引起土壤温度变化的深度,主要出现50cm以上,其日变化均呈现准正弦曲线形式,50cm以下的土壤温度不存在日变化。在半干旱区云和降水对地表辐射和能量平衡造成的影响不容忽视。波文比在日出以后逐渐增大,到正午达最大值;春小麦下垫面时的波文比大于裸地时的值,两者的极值分别是1．01和0．75。     

湍流低频贡献对半干旱区地表能量平衡的影响

利用中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地的陆面过程观测资料,通过Finnigan等提出的获取湍流低频贡献的总块平均方法研究了低频部分对地表能量不平衡的影响。结果发现:(1)感热和潜热的低频部分较小,对感热的贡献在-1%～11%之间,对潜热的贡献在-7.3%～0.3%之间,对感热与潜热和的贡献在-1.4%～0.7%之间;(2)低频部分对感热和潜热的贡献随平均周期呈现先增后减的变化趋势;(3)不计低频部分时,地表能量的闭合度在晴天、阴天和阴晴混合天分别为0.93、0.76和0.87;(4)计入低频部分时,闭合度在晴天、阴天和混合天分别提高到0.98、0.86和0.93,提高了5%～10%;(5)阴天低频部分对闭合度的贡献随平均周期的加长而加大,晴天则增至1.5 h后开始递减,混合天增至1.5 h后保持定值。所以,低频贡献可以显著提高地表能量闭合度。但是考虑低频贡献后,仍存在2%～14%的欠闭合度,地表能量平衡问题还有未知的原因存在。     

绿洲边缘夏季小气候特征及地表辐射与能量平衡特征分析

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”加强期(IOP)在甘肃省酒泉市金塔绿洲观测的资料,分析了夏季金塔绿洲边缘的小气候特征及地表辐射收支和地表能量平衡特征。作为绿洲沙漠相互作用的界面,在白天绿洲边缘的垂直运动仍然是以上升气流为主,并且其小气候主要受土壤湿度的影响。中午前后绿洲边缘的总辐射最大值在1000W.m-2左右,净辐射>700W.m-2;在白天,仅有个别天数的感热通量超过100W.m-2,最大值仅为150W.m-2左右。在整个观测期,有超过70%的天数出现负感热通量。而Bowen比在±10-1量级,地表能量不平衡的差额较大,约28%。     

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

珠峰复杂地表区域能量通量的卫星遥感

珠峰地区地表状况十分复杂,既有冰川(雪山)、高寒草垫,又有裸露山地及荒漠戈壁.如何确定这样复杂下垫面上的地气间的区域能量通量,一直是困扰国内外科学家的难题.本文提出了一个利用卫星遥感资料结合地面观测求取珠峰地区区域地表特征参数(地表反射率与地表温度)、植被参数(NDVI、植被覆盖度、修正的土壤调整植被指数MSAVI及叶面指数LAI)和地表能量通量(净辐射通量、土壤热通量、感热通量及潜热通量)的参数化方案,并讨论了此方案的优缺点.     

SiB2和SiB3对高寒草甸和茶树地表能量通量模拟的比较

运用简单生物圈模式第2版(SiB2)和第3版(SiB3),分别模拟青藏高原两个观测站(那曲、安多)和长江三角洲苏州东山观测站的近地面能量收支,并与相应观测数据进行比较研究,分析SiB2、SiB3模拟结果和观测资料产生差异的原因,以此来认识上述地区地表能量收支特点。结果表明,SiB2和SiB3模拟的近地面能量通量与观测数据有较好的一致性。对感热通量,那曲和安多站SiB3比SiB2模拟的结果更接近观测资料,但苏州站SiB2模拟的结果与观测资料更吻合;对潜热通量,SiB3比SiB2模拟的日变化与观测资料更一致,SiB3的模拟结果与观测资料(除苏州站外)相关系数都在0.8以上;对地表土壤热通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测数据相关系数都在0.8以上;对净辐射通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测资料相关系数接近1.0。与SiB2相比,SiB3引用通用陆面模式的土壤描述并增加对冠层空间层温度、湿度和痕量气体的预报,使其能够改善潜热通量和土壤热通量的模拟,但对复杂下垫面的感热和净辐射通量模拟能力提高不明显。     

黄土高原典型塬区冬小麦地表辐射和能量平衡特征

利用2006年4～7月黄土高原陆气相互作用试验实际观测资料,分析了黄土高原典型塬区冬小麦生长过程中不同天气条件下的地表通量特征。发现在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。地面向上长波辐射在晴天、阴天、降水天时依次减小,到达峰值时间约滞后总辐射峰值到达时间1 h左右。大气向下长波辐射与地表向上长波恰恰相反,晴天量值最小,基本稳定在300 W·m-2左右,阴天和降水天依次增大。潜热是能量通量的主要消耗项,在夜间也大于零,夜间感热则为负值。土壤热通量达到峰值时间滞后于净辐射峰值到达时间约1.5 h,其日平均值晴天为正,阴天约为零,降水天则为负值。日平均波文比阴天大于晴天和降水天。植被覆盖度高时,土壤植被系统截留的总辐射也高。     

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。     

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。     

半干旱区退化草地地表能量收支

利用吉林通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测试验站2002年10月~2003年12月在退化草地下垫面获得的近地层湍流通量及能量的连续观测资料(样本间隔30min),分析了半干旱地区退化草地下垫面近地层能量的日变化、季节变化特征;同时还讨论了干湿季转换期及不同季节近地层能量收支特征,以及天气状况对近地面层能量收支的影响。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。