沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差     

应用E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型对东太湖湖-气交换的模拟

采用考虑沉水植物影响的E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型,模拟2013年8月东太湖湖-气交换过程,并利用太湖的站点观测数据对模型进行了验证。太湖水温的模拟值与观测值吻合较好,模型计算的各层水温与观测值相比,均方根误差均未超过1℃。同时模型也较好地模拟出太湖表面感热通量和潜热通量,潜热通量的模拟值与观测值的标准差为54.7 W/m2。由于湖水较浅,太湖的水温层结会明显受到天气状况的影响。晴朗小风条件下的湖水呈现显著的热分层现象,当风速为0.8 m/s,高层和底层的温差达到7.9℃。大风天气条件驱动较强的水体湍流混合,水温的热分层消失,风速为12 m/s,湖泊上层与底层的水温差仅0.12℃。此外,模拟结果较好地呈现出了东太湖沉水植物的存在通过增大湖体消光系数,减小到达湖体内部的热量,并增加对湖水的阻力,影响湖体中湍流动能的分布,并进而影响湖水温度的分布。综上所述,该模型能够较好地模拟出浅水大湖湖-气交换的过程。      

土壤水热耦合模型研究进展

土壤水热耦合模型的研究是20世纪50年代在等温水分运动模型的基础上发展起来的,与大气环流、水资源利用、农业及遥感技术的应用密切相关,具有广泛的应用价值,已经成为陆面过程研究中的重点。本文介绍了目前流行的几种土壤水热耦合模型及其特点,分析了这些模型在一些特定区域的检验效果及作用趋势,并讨论了土壤水热耦合模型存在的问题及未来发展方向。     

中国北方沙尘传输的数值模拟

利用PSU/NCAR的非静力中尺度气象预报模式MM5和三维欧拉型区域空气质量模式CAMx建起一套完整的空气质量模拟系统,对2001年春季北方地区的沙尘传输的数值模拟结果表明,该模式对沙尘传输和沙尘浓度分布有较好的模拟能力,TSP模拟值与激光雷达监测结果具有显著的相关性,置信度水平>99%。蒙古国和内蒙古自治区对北京的贡献率分别为30%~50%和30%~60%,河北省的贡献率最高可达29%。     

CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流模拟能力的评估

利用1960—1999年ECMWF月平均再分析资料(ERA40)和耦合模式比较计划(Phase 3 of the CoupledModel Intercomparison Project,简称CMIP3)21个气候耦合模式对20世纪气候模拟试验的模式结果,从气候态和年际变化两个方面,评估了CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流的模拟能力。结果表明:(1)模式对东亚地区冬季海平面气压、850 hPa纬向风、经向风和500 hPa高度场气候态的模拟存在不同程度的偏差,但均能较好模拟出上述要素气候态的空间分布特征。总体而言,模式对500 hPa高度场气候态的模拟效果最好,而对850 hPa经向风的模拟效果较差。(2)模式基本上能抓住近40年来东亚地区冬季500 hPa高度场的主要变化特征,但基本上不能模拟出冬季海平面气压、850 hPa纬向风和经向风的变化特征。此外,模式对阿留申低压、蒙古高压和东亚冬季风强度的变化特征几乎没有模拟能力。     

不同辐射传输方案对中尺度降水影响的对比分析

在MM5非静力稳定中尺度气象模式中引进了建立在δ-4流近似和相关-k分布基础上的对云水、雨水、冰晶和霰的辐射特性进行详细描述的辐射传输方案。新建立的辐射传输方案和MM5中原有的辐射传输方案在华南暴雨中的模拟结果相互比较,并与天气实况的对比表明：辐射在中尺度暴雨中起着重要的作用;辐射传输方案对云辐射特性描述的准确程度对于地面降水影响是明显的;不同的辐射传输方案对地面降水的影响存在较大的差异,并且这些差异在白天比在夜间明显;辐射传输过程对地面降水影响的差异主要表现在降水中心上,而对降水的地理分布改变很小;相对而言,不同的辐射传输方案之间对短波描述的差异对地面降水的影响明显,而对长波描述差异的影响不大;新辐射传输方案能够在一定程度上改进MM5对中尺度降水的模拟能力。     

应用E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型对东太湖湖-气交换的模拟

采用考虑沉水植物影响的E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型,模拟2013年8月东太湖湖-气交换过程,并利用太湖的站点观测数据对模型进行了验证。太湖水温的模拟值与观测值吻合较好,模型计算的各层水温与观测值相比,均方根误差均未超过1℃。同时模型也较好地模拟出太湖表面感热通量和潜热通量,潜热通量的模拟值与观测值的标准差为54.7 W/m²。由于湖水较浅,太湖的水温层结会明显受到天气状况的影响。晴朗小风条件下的湖水呈现显著的热分层现象,当风速为0.8 m/s,高层和底层的温差达到7.9℃。大风天气条件驱动较强的水体湍流混合,水温的热分层消失,风速为12 m/s,湖泊上层与底层的水温差仅0.12℃。此外,模拟结果较好地呈现出了东太湖沉水植物的存在通过增大湖体消光系数,减小到达湖体内部的热量,并增加对湖水的阻力,影响湖体中湍流动能的分布,并进而影响湖水温度的分布。综上所述,该模型能够较好地模拟出浅水大湖湖-气交换的过程。     

随机天气模型参数化方案的研究及其模拟能力评估

文中介绍了随机天气模型 WGEN的基本结构及其模拟原理 ,并针对其中随机过程的统计结构特征和 GCMs输出要素的不同时空尺度特点 ,利用动态数据的参数化分析方法等统计学技术 ,确定了该模型参数的估计方法。同时基于蒙特卡罗数值计算原理 ,给出了 WGEN的随机试验方法 ,并通过模拟基准气候 ,从时间分布和空间场两方面对模型在中国东北地区的模拟效果及其能力进行了评估。结果表明 ,模型对于最高气温、最低气温、降水和辐射等要素均具有较好的模拟效果 ,模拟序列与观测序列的取值分布有较一致的概率特性。由此可以结合 GCMs大尺度网格上输出的月和年要素值 ,通过调控随机过程的参数 ,生成具有不同气候变率的 2× CO2 逐日气候变化情景 ,实现气候预测模式与气候影响模式的嵌套 ,进一步研究气候变率变化的可能影响。     

不同互补模型对青藏高原多年冻土区地表实际蒸散发的模拟能力评估

蒸散发是地气水热交换的重要环节,其变化对水资源管理和生态环境具有重要的影响。气候变暖背景下,青藏高原多年冻土不断退化,多年冻土区近地表水热条件发生改变,进而影响着该区域的蒸散发过程。本文利用位于青藏高原多年冻土区腹地的唐古拉综合观测场2010年1月1日至2011年12月31日的气象和涡动等实测资料,选择基于互补蒸散原理的四种半经验模型,评估了不同模型率定参数前后模拟日实际蒸散发的能力,分析了不同模型中参数的敏感性。结果表明,模拟的实际蒸散发量对模型中参数α的取值非常敏感,不合理的参数取值会对模拟精度产生重要影响。使用默认参数值会导致日蒸散发量模拟值明显偏高,其中,S2017模型模拟精度最高,均方根误差值为0.44 mm·d^-1;率定参数后各模型整体上均能较好地模拟出日实际蒸散发量及其变化特征,均方根误差值在0.3～0.4 mm·d^-1,各模型中模拟精度最高的为C2016模型,其次分别为H2018模型、B2015模型和S2017模型,相较而言,H2018模型在率定前后模拟结果更为稳定,显示出该模型对参数的依赖性最低;另外,年内不同时期的模拟精度...     

SDSM统计降尺度方法对江淮地区地面气温模拟能力评估及其未来情景预估

运用SDSM统计降尺度对江淮地区五个代表站点进行统计降尺度研究,应用独立观测资料验证发现统计降尺度模式具有一定的可靠性.在A2排放情景下,对5个测站的未来情景研究发现,到21世纪中叶,各测站普遍增温1.5℃左右,到本世纪末,增温幅度在4℃左右.这一结论与LMDZ动力降尺度模式结果基本一致,但统计降尺度的模拟值要略高于动力降尺度.     

利用RAMS模式对山谷城市兰州冬季湖泊效应的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的RAMS中尺度气象模式, 以NECP再分析资料为初、 边值条件, 在兰州城区东面设计了有湖和无湖两个试验, 做了72 h三重嵌套模拟试验, 分别模拟了两种情况下冬季兰州山谷地区的湖泊效应和大气边界层特征。模拟结果表明： （1）白天兰州山谷地区谷风在14：00强度达到最大。加入湖泊后, 14：00湖风强度增大, 湖风对谷风没有明显影响, 只对湖区及岸边附近的风场有影响。兰州山谷地区20：00以后山风开始出现, 到05：00左右北山山风的风速大于南山山风。05：00以后南山山风风速增大, 山谷以偏西风为主。加入湖泊后, 陆风也在夜间02：00左右表现的最为明显, 陆风和山风相互叠加, 导致兰州山谷东部地区西风风速增大; （2）加入湖泊后, 对周围地区气温的影响表现为夜间有增温作用, 增温作用随着离湖泊的距离渐远而减弱。在靠近湖区处夜间的近地面逆温强度减弱; （3）加入湖泊后, 对靠近湖面处空气相对湿度的影响表现为减小, 对靠近湖西岸陆地上近地面空气相对湿度的影响表现为先减小后增加, 这一点在夜间表现的最明显, 对靠近湖面处空气绝对湿度的影响表现为增加; （4）加入湖泊后, 湖区的净辐射和感热通量都减小, 湖的东西两岸的净辐射和感热通量都增大。在22：00到凌晨05：00之间, 靠近湖西岸的陆地上净辐射和感热通量也有所增大。     

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。     

利用区域边界层模式对杭州市热岛的模拟研究

利用一个三维非静力区域边界层数值模式,对杭州地区城市热岛现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,杭州地区存在明显的城市热岛现象。夏季城市热岛现象较强,春秋季次之,冬季较弱。利用资源卫星遥感资料反演所得的地表温度,以及与地面气象站观测资料和数值模拟结果相比较,数值模拟结果和实测结果吻合得较好。在此基础上,模拟并探讨了人为热源、风速、地面粗糙度等因素对城市热岛强度的影响。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

高寒草甸生态系统陆地生物圈模式研究及应用

改进了适合于高寒草甸生态系统的陆地生物圈模式，分析了模式中温度变化与水分运动分层的物理原因，说明了气候状况对地表面能量交换的影响，给出了净辐射和蒸散量新的计算方法，提出了有限差分计算中具有二阶精度的Euler隐式格式，介绍了中国科学院海北高寒草甸生态站的气候概况和野外观测情况。最后利用本模式对高寒草甸生态站地区的土壤－－植被－－大气间水热交换过程进行了数值模拟，模拟值与实测值吻合较好。     

A Note on Wind Speed and sea State Dependence of the Heat Exchange Coefficient

Both mean and wave-induced motions generate turbulence in the air flow above sea waves. Assuming a local balance between production of turbulent kinetic energy and its dissipation, an explicit relation for the heat exchange coefficient CH is obtained. It is shown that CH follows a square-root dependence on the drag coefficient CD. However, the proportionality coefficient appears to depend on the sea state, expressed in terms of the coupling parameter. Dependence on the sea state suppresses the CD1/2 wind-speed dependence, and results in a marginal increase of CH with increase in the wind speed.     

CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

ENSO动力学及其数值模拟的研究评述

文章系统地评述了ENSO事件的观测事实及热带海-气相互作用方面的动力学、数值模拟研究进展,并指出了有待解决的主要科学问题和发展前景。     

扎陵湖和鄂陵湖夏季典型地表水热交换特征的数值模拟

选用由美国国家环境预报中心NCEP和美国国家大气研究中心NCAR联合开发的新一代中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式,采用两重网格单向反馈嵌套的方法对扎陵湖和鄂陵湖区域的大气边界层特征进行数值模拟,并把湖泊水体下垫面替换为草地下垫面以设计另一组去除湖泊...     

Mesoscale Heat Transport Over Complex Terrain By Slope Winds – A Conceptual Model And Numerical Simulations

Vertical heat fluxes induced by mesoscale thermally driven circulations maycontribute significantly to the subgrid-scale fluxes in large-scale models (e.g.,general circulation models). However, they are not considered in these modelsyet. To gain insight into the importance and possible parameterisation of themesoscale flux associated with slope winds, an analytical (conceptual) modelis developed to describe the relationship between the mesoscale heat flux andatmospheric and land-surface characteristics. The analytical model allows usto evaluate the mesoscale flux induced by slope winds from only a few profilemeasurements within a domain. To validate the analytical model the resultingheat flux profiles are compared to profiles of highly resolved wind and temperaturefields obtained by simulations with a mesoscale numerical model.With no or moderate synoptic wind the mesoscale heat flux generated by the slopewind circulation may be as large as, or even larger than, the turbulent fluxes at thesame height. At altitudes lower than the crest of the hills the mesoscale flux is alwayspositive (upward). Generally it causes cooling within the boundary layer and heatingabove. Despite the simplifications made to derive the analytical model, it reproducesthe profiles of the mesoscale flux quite well. According to the analytical model, themesoscale heat flux is governed by the temperature deviation at the slope surface, thedepth of the slope-wind layer, the large-scale lapse rate, and the wavelength of thetopographical features.