大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用

基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。     

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

边界层对流对示踪物抬升和传输影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加密观测期间敦煌站的实测资料以及大涡模式, 通过一系列改变地表热通量和风切变的敏感性数值试验, 分析了地表热通量和风切变对边界层对流的强度、形式, 以及对对流边界层结构和发展的影响。模拟结果显示风切变一定, 增大地表热通量时, 由于近地层湍流运动增强, 向上输送的热量也较多, 使对流边界层变暖增厚, 而且边界层对流的强度明显增强, 对流泡发展的高度也较高。当地表热通量一定, 增大风切变时, 由于风切变使夹卷作用增强, 将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中, 使对流边界层增暖增厚, 但是对流泡容易破碎, 对流的强度也较弱。另外通过在模式近地层释放绝对浓度为100的被动示踪物方法, 用最小二乘法定量地分析了地表热通量和风切变分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系。分析结果表明, 风切变小于10.5×10-3 s-1时, 增大地表热通量加强了上层动量的下传, 使示踪物的抬升效率也线性增大;地表热通量小于462.5 W m-2时, 增大风切变减弱了边界层对流的强度, 从而使示踪物的抬升效率减弱。当风切变一定时, 示踪物的平均传输高度随地表热通量增加而增大, 而地表热通量一定, 只有风切变大于临界值时, 示踪物平均传输高度才随风切变的增加而增大, 而临界风速的大小由地表热通量决定。     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

大涡模式分辨率对海洋信风区大气边界层结构和演变模拟的影响

利用BOMEX（巴巴多斯海洋与气象学试验）的探空资料和LEM（大涡模式）,通过改变LEM水平分辨率的敏感性数值试验,对比分析不同尺度的湍涡对信风积云边界层中混合层和云层的结构、演变以及对流形式和强度的影响。结果表明,水平分辨率较高时模拟的湍涡尺度较小、混合层顶的夹卷作用较强,模拟的混合层较暖、较干,而且模拟的对流泡尺度较小、强度较大,能够模拟出较精细的边界层结构;而水平分辨率较低时则相反。模拟的湍涡尺度对海洋信风区边界层积云中液态水混合比的模拟结果影响较大:LEM模拟的湍涡尺度较小时模拟的信风积云形成的时间较早、云顶高度较高,单个云块的体积较小但数目较多,液态水含量较高;而模拟的湍涡尺度较大时则相反。虽然水平分辨率为50 m和125 m的试验都能模拟出较精细的信风边界层中混合层、云层的结构和演变特征,但是,考虑到提高分辨率在模拟过程中产生的噪音信号对结果的影响以及计算时间等问题,LEM采用125 m的水平网格距是对海洋信风边界层积云对流模拟较为理想的选择。      

对流边界层发展受覆盖逆温影响的大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了存在覆盖逆温时对流边界层顶部的夹卷过程特征,并通过敏感性试验着重分析了在此情况之下的夹卷速度参数化问题,以及风切变的作用。模拟结果表明,初始覆盖逆温改变了夹卷层的结构特征,使得夹卷层结构参数明显增大,风切变使这一效应略有增强,以往关于夹卷速度的参数化方案不再适用。分析研究表明,在有覆盖逆温的情况下,夹卷层结构参数是控制夹卷速度的关键因子,应该将夹卷层结构参数作为变量引入夹卷速度参数化方案,该方案能够很好地预报出受覆盖逆温影响的对流边界层的发展过程。     

WRF模式分辨率对新疆异常降雨天气要素模拟的影响

利用新一代中尺度气候数值模式WRF对中国西北干旱典型地区——新疆2000年10月的异常降雨事件进行模拟,主要研究了不同水平分辨率、垂直分辨率以及不同积云参数化过程对气温、降雨和土壤温度模拟的影响。结果表明：不同分辨率的模拟基本上均模拟出了地面气温的分布特征,且随着水平分辨率的提高,模式模拟能力显著提高,对地面气温值、分布范围的模拟渐趋合理,同时模式对于地形引起的温度分布变化的模拟更加趋近实际。水平分辨率、垂直分辨率的提高同样改善了模式对降水的模拟能力,分辨率的提高不仅改进了模式对降雨分布区模拟的精度,也增强了对于地形引起的降雨变异的模拟能力。在土壤温度模拟上,不同分辨率的试验均能模拟出土壤温度的分布特征,较高水平分辨率有利于描述土壤温度分布细节,但更容易出现“数值点风暴”现象。     

边界层参数化方案对高原低涡东移模拟的影响

利用新一代中尺度气象数值模式WRF的三种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2方案),对比检验了2008年7月1-3日和2009年7月29-30日两次高原低涡东移过程的模拟效果,初步分析了三种参数化方案模拟的高原大气边界层物理量特征.结果表明,从高原低涡生成后模拟至24 h,不同边界层方案均能较好地模拟出高原低涡的路径和中心强度.其中,采用MYJ方案得到的结果最接近观测值,而ACM2方案的偏差最大.不同的边界层参数化方案模拟的水平风速、位温、垂直速度场以及相当位温场的垂直分布特征有所不同.三种方案都较好地模拟出高原边界层高度的时空分布特征,而且日变化明显,空间上呈西高东低分布.通过对比分析地表感热和潜热通量,表明局地闭合的MYJ方案较适用于模拟潜热通量,由于受较强湍流交换和高层夹卷作用,非局地闭合的YSU和ACM2方案模拟的感热通量值偏大.根据研究对象的特点采用合适的边界层参数化方案,模拟效果有明显的改进.     

对流边界层中粒子随机扩散模式和高斯模式的比较

用粒子随机扩散模式和高斯模式模拟的对应３种源高的横风向各分浓度的结果与水槽试验的结果进行比较，发现粒子随机扩散模式能较好地模拟出水槽试验结果，说明该模式能用来模拟对流边界层的扩散，而高斯模式不能完全反映对流边界层的扩散。比较两种模式的模拟结果，发现粒子随机扩散模式由于考虑了对流边界中由卷流和热泡引起的垂直方向上湍流的非均一性，比高斯模式能较好的模拟出污染物在垂直方向上充分混合较快、水平方向上扩散范     

对流边界层大涡模式的改进及对夹卷速度的研究

对已建的对流边界层(CBL)大涡模式进行了改进，将次网格闭合方案改为次网格能量闭合，并考虑了水汽的源汇项和水汽相变潜热的作用。通过对均匀下垫面上由热扰动发展的对流边界层的模拟及与实验结果的比较表明，模式较好地模拟了对流边界层的主要物理结构，较好地反映了各物理量之间的对应关系。本文在一定的对流理查森数(Ri*)范围内给出了一些算例，对无量纲夹卷速度(We/W*)进行了研究。结果表明，无量纲夹卷速度随地表热通量(Qs)的增大而增大，随对流边界层上部温度递减率（γ)的增大而减小。当9.06≤Ri*≤45.29时，无量纲夹卷速度We/W*可以拟合成A(Ri*)-1的形式，其中A=0.226。并且与我们的对流槽实验结果，Sullivan等人的大涡模拟结果以及Deardorff等人的对流槽实验结果作了比较，四者吻合较好。     

大兴安岭植被NDVI变化及其对气候的响应

利用S-G(Savitsky-Golay)滤波对2000—2016年呼伦贝尔市境内的大兴安岭植被NDVI序列进行逐栅格重构并剔除突变点,结合大兴安岭海拔、坡向、坡度等地理因子和气温、降水等气象因子,分析大兴安岭植被生长季NDVI的变化及其对气候的响应。结果表明:大兴安岭植被NDVI生长季均值呈上升趋势,平均增速为0. 029/10 a。植被NDVI随海拔的增加呈现先缓慢减小后迅速增加的趋势,随坡向变化不大,随坡度的增加而增加。植被NDVI的生长季均值与1 a前和2 a年前的降水呈现显著的正相关,具有明显的滞后性。在每年植被恢复生长初期各海拔植被均与气温呈现极显著的正相关,年内植被NDVI与降水的相关性在垂直方向上存在较大差异。     

美国干旱监测预测业务发展及其科学挑战

干旱是全球普遍存在的对人类影响最为严重的一种自然灾害。近百年气候显著变暖和社会快速发展,加剧了干旱的影响程度,增强了干旱灾害的风险,给全球农业、水资源、生态环境安全以及社会可持续发展造成巨大威胁。提高干旱监测和早期预警技术是应对、管理干旱以及减轻干旱脆弱性的基础。本文介绍了近年来美国在干旱监测、预测业务及研究方面取得的新进展,回顾了美国在区域和全球尺度下干旱监测及数值模式预报系统的发展,重点概述了干旱科学研究与技术进步,并结合2016年美国政府部门的抗旱任务书,讨论了干旱监测和预测面临的机遇与挑战,为我国干旱监测与预测发展提供新视角。     

甘肃一次冰雹过程降水及闪电活动特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的测雨雷达(PR)、微波辐射计(TMI)和闪电成像仪(LIS)资料分析2012年8月25日甘肃省一次较强冰雹过程。结果表明,本次过程受3个分散的β中尺度对流系统影响,对流云像素点约为层云的1/2,对流云平均降水率是层云的8.2倍。冰雹云回波顶高度近13 km,回波强度大于55 dBZ的最大高度为7.5 km左右,降水率大于45 mm·h^-1的云层厚度约7 km。降水廓线反映出降水率垂直分布不均匀,对流降水中50、10 mm·h^-1的降水率随着高度的升高先增加后减小,在9 km左右减小明显。此次冰雹过程的闪电发生临近处6 km雷达反射率高于40 dBZ,85 GHz极化修正亮温低于210 K。     

黄河源区多、少雪年土壤冻融特征分析

利用2011年10月至2017年12月黄河源区鄂陵湖野外观测数据,对比分析多雪年与少雪年土壤冻结与消融时间、土壤温湿度、地表能量分量的变化特征。结果表明:多雪年地表反照率偏高,净辐射偏低,地表感热输送偏低,土壤由热“源”转为热“汇”的时间晚于少雪年。积雪可减少土壤吸收辐射能量,减少地表感热通量,在土壤完全冻结期与消融期增大地表潜热通量,在完全冻结期,减少土壤向大气的热输送,在消融期,减少大气向土壤的热输送。积雪在冻结期有降温作用,使得多雪年土壤较早发生冻结,且同一时期土壤温度偏低;在完全冻结期有保温作用,使得土壤温度偏高;在消融期有保温(“凉”)作用,使得消融较晚,且同一时期土壤温度偏低。在整个积雪年内,多雪年浅层土壤湿度高于少雪年,积雪对浅层土壤有保湿作用。积雪使土壤开始冻结时间有所提前,开始消融的时间有所滞后,可延长该年土壤完全冻结持续天数。     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。     

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。     

全球不同类型气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MERRA-2(第2版现代研究与应用再分析)资料分析了1980-2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘及总气溶胶光学厚度的时空分布特征;选取了北美、北非、南非、印度、中国和印度洋6个典型区域研究了硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献率。结果表明,硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶在全球非均匀分布,并且具有季节变化;全球总气溶胶的光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)在夏季最大(0.137),春季次之(0.130),冬季最小(0.118);在6个典型区域里,北非地区总气溶胶的光学厚度最大,为0.43;其次是中国的东部地区,为0.41;每个区域其主要气溶胶的类型并不相同,在北美、中国东部及印度中部地区,硫酸盐是主导的气溶胶类型,贡献率分别为66%,63%和42%,在印度洋、南非及北非地区,海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型,贡献率分别为65%,51%和82%;对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶,中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势,其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007 a^-1和0.0056 a^-1,但在2010年以后,中国东部地区出现明显的下降。     

一次甘肃天水强冰雹的雷达回波特征及成因分析

利用常规气象观测资料、天气雷达以及NCEP FNL再分析资料,对2017年5月18日下午天水一次强冰雹天气的雷达回波结构演变特征和成因进行了详细分析。结果表明:(1)降雹对流单体低层反射率因子呈现出明显的"V"型缺口,最大回波强度出现在低层,为63 d Bz。反射率因子垂直剖面呈对流单体有界弱回波区和其上的回波悬垂,相应的径向速度垂直剖面呈中低层径向风有明显的辐合特征,高层转为辐散,尤其风暴顶附近。(2)对流单体发生在对流层中层河套地区至甘肃河东东部低涡及其附近冷区和河西中部高压脊及其东北部冷池和低层甘肃与宁夏交界处冷性低涡分别为干冷空气入侵和暖湿气流辐合抬升提供有利条件的环境背景下;较高CAPE值和低CIN值有利于强对流天气发生;对流层中低层深厚的上升气流,中层下沉气流和0℃层以上强气流上升有利于对流单体水汽输送以及生成、发展和维持;距地高度2600～2900 m的0℃层为大冰雹落地提供了环境条件。(3)冰雹临近预警的雷达参数化指标为最大反射率因子达55 d Bz,VIL最大值和VIL密度分别达25 kg·m-2和2. 3 g·m-3。     

全球变暖背景下青藏高原夏季大气中水汽含量的变化特征

利用中国气象局提供的0. 5°×0. 5°降水和温度的日值资料,联合ERA-Interim、MERRA2(second M odern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)再分析资料以及全球陆面数据同化系统(Global Land surface Data Asimilation System,GLDAS-2. 0)资料,研究了全球变暖背景下青藏高原夏季地表气温及降水的变化特征,以及该地区大气中水汽含量及水汽输送特征。结果表明,1979—1998年期间,高原的地表气温呈增加趋势,降水呈减少趋势;而在全球增温减缓期间(1999—2010年),地表气温及降水较1979—1998年期间呈现更为显著的增加趋势。在青藏高原上空,大气中水汽含量在1979—2010年间整体呈增加趋势;然而,进一步分析表明,在此期间由外界向高原输送的水汽逐年降低,尤其在1998年后,由于西南季风强度的大幅减弱,使得外界向高原的净水汽输送量减少得更为显著;青藏高原地表蒸散量的分析表明,自1998年后,高原地表的蒸散量显著增加,成为高原地区大气中水汽增加的主要原因。     

黄土高原典型塬区土壤热性质变化特征研究

利用2014年7月至2015年1月黄土高原地区土壤含水量和土壤热性质观测资料,分析了该区域土壤热性质及其变化特征,并讨论了降水对土壤热性质的影响,结果显示:(1)除10 cm外,各层土壤热扩散率整体上呈现夏季下降,秋季平稳,冬季上升三个阶段,土壤体积比热容和土壤导热率表现为夏季上升,秋季平稳,冬季下降的趋势;100 cm处的土壤热扩散率始终高于40 cm,土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加。(2)5 cm与10 cm层的土壤热性质均有明显日变化特征,且振幅较大,40 cm与100 cm处的日变化振幅逐渐变小。由于10 cm层土壤含水量的波动最大,该层的土壤热性质变化波动也最大。(3)土壤温度与土壤热扩散率随降水增加而下降,土壤热扩散率下降主要是土壤含水量较高时,土壤导热率与土壤体积比热容变化的幅度不一致所致;土壤体积比热容与土壤导热率随降水量增加而上升,降水主要通过土壤含水量的变化影响土壤热性质。