不均匀植被分布对地表面和大气边界层影响的数值试验

研究陆地与大气间相互作用的方法之一是建立联系地表面层与大气间各种过程的数值模式进行模拟。本文是建立一个陆面过程与二维大气边界层相耦合的模式,耦合模式中包含了发生在大气边界层、植被冠层和土壤表层各种动力、热力和水文过程。运用这一模式模拟了荒漠环境中一片绿洲的不均匀地表面形成的局地气候。由于绿洲植被与周围荒漠有着显著不同的水份与能量平衡关系,使绿洲表面与边界层较四周荒漠冷而湿,并形成了相应的局地环流,即所谓“绿洲效应”。试验结果表明,模拟的气候状况与观测现象是一致的。模式可以用于陆气相互作用的研究。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究（Ⅰ）：冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像

利用HEIFE、DHEX和GAME／TIbet3个观测试验和部分常规气象站观测资料，分析了下垫面非均匀条件下产生的冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像以及它们对地表能量和五水转化的影响。分析结果表明，下垫面非均匀特征对五水转化有着明显的影响；冷岛效应和逆湿现象是下垫面非均匀性的必然结果，它们在自然界普遍存在；现有陆面过程模式很难刻画冷岛效应和逆湿现象，通常现有陆面过程模式很难将冷岛效应中的热量平流转化成蒸发潜热，同时陆面过程模式也混淆了逆湿现象和发生在下垫面上的大气水的冷却凝结。这些评述将有助于今后非均匀陆面过程的进一步研究。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究(I):冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像

利用HEIFE、DHEX和GAME/Tibet 3个观测试验和部分常规气象站观测资料,分析了下垫面非均匀条件下产生的冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像以及它们对地表能量和五水转化的影响.分析结果表明,下垫面非均匀特征对五水转化有着明显的影响;冷岛效应和逆湿现象是下垫面非均匀性的必然结果,它们在自然界普遍存在;现有陆面过程模式很难刻画冷岛效应和逆湿现象,通常现有陆面过程模式很难将冷岛效应中的热量平流转化成蒸发潜热,同时陆面过程模式也混淆了逆湿现象和发生在下垫面上的大气水的冷却凝结.这些评述将有助于今后非均匀陆面过程的进一步研究.     

局地云量变化气候效应的数值模拟

本文用统计得到的东半球夏季平均云量资料，利用改进的云－辐射计算模式，在三维有限区域模式中模拟局地云量变化的气候效应。模拟结果表明，高原地区和热带辐合带云量变化造成的气候效应都主要表现在青藏高原地区。在低反照率时，高原地区云量减少使该地区地表加热，引起高低空气压系统加强；高反照率时结果相反。热带辐合带云量减少会引起青藏高原地区降温和气压系统减弱。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究（Ⅱ）：逆湿现象的数值模拟研究

研究了逆湿现象，针对陆面过程模式的缺陷，利用文献[1]给出的逆湿现象形成的物理模型，设计了新的陆面过程参数化方案。该新方案成功地模拟出厂发生在绿洲附近的沙漠上的逆湿现象，模拟结果与实际观测的结果相互吻合，这表明所建立的新的陆面过程参数化方案是可行的。这些结论将为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。     

干旱区绿洲与荒漠相互作用下陆面特征的数值模拟

用新发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式,系统地模拟了绿洲与荒漠相互作用下的陆面特征和地表面能量输送特征。这一模拟结果不仅部分地验证了陆面过程野外实验的观测结果。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究(II):逆湿现象的数值模拟研究

研究了逆湿现象,针对陆面过程模式的缺陷,利用文献[1]给出的逆湿现象形成的物理模型,设计了新的陆面过程参数化方案.该新方案成功地模拟出了发生在绿洲附近的沙漠上的逆湿现象,模拟结果与实际观测的结果相互吻合,这表明所建立的新的陆面过程参数化方案是可行的.这些结论将为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示.     

金塔绿洲大气边界层特征的数值模拟研究

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF(weather Research and Forecast Model),对金塔绿洲的环流场、温度场及湿度场结构及其日变化进行了较为全面细致的模拟研究,WRF模式很好地模拟出了绿洲一沙漠环流的日变化特征和这种局地热力环流的空间结构,模拟再现了绿洲“冷岛效应”和邻近绿洲的沙漠“逆湿”等边界层特征．模拟还发州了白天绿洲湿度场“凹型槽,,式分布的特征。     

Numerical Simulation Experiment of Land Surface Physical Processes and Local Climate Effect in Forest Underlying Surface

Based on the basic principles of atmospheric boundary layer and plant canopy micrometeorology, a forest underlying surface land surface physical process model and a two-dimensional atmospheric boundary layer numerical model are developed and numerical simulation experiments of biosphere and physiological processes of vegetation and soil volumetric water content have been done on land surface processes with local climate effect. The numerical simulation results are in good agreement with realistic observations, which can be used to obtain reasonable simulations for diurnal variations of canopy temperature, air temperature in canopy, ground surface temperature, and temporal and spatial distributions of potential temperature and vertical wind velocity as well as relative humidity and turbulence exchange coefficient over non-homogeneous underlying surfaces. It indicates that the model developed can be used to study the interaction between land surface process and atmospheric boundary layer over various underlying surfaces and can be extended to local climate studies. This work will settle a solid foundation for coupling climate models with the biosphere.     

夏季金塔地区绿洲环流的数值模拟

利用中尺度模式MM5,模拟研究了晴天时不同背景风场作用下的不同绿洲冷岛效应的三个个例。模拟结果显示,在背景风较强时,绿洲向四周辐散的风场不易形成,但是冷中心依然存在,只是中心会被环境风场吹离绿洲,而后再逐渐生成;或有时仅生成向背景风垂直方向辐散的风场。在背景风相对较弱时,可清楚地看到绿洲风场逐渐形成及衰退的演变,环境风场与同它反向的辐散绿洲风间的交界是次序进退的。对于不同个例,温度场和湿度场同风场的配合也不太一致。     

河西绿洲效应的数值模拟研究

利用MM5V3．6模式,设计了一组河西绿洲存存的控制试验和绿洲变为荒漠的“去绿洲”试验;模拟分析了剔除现有绿洲影响下,背景场的环流、温度及湿度情况,同时对比分析了绿洲存在状况下,环流场及温度、湿度场的特征。通过两者的对比分析,更加清晰地再现了河西绿洲效应的特点。     

夏季金塔绿洲风环流的数值模拟及结构分析

利用中尺度数值模式MM5，替换了模式第三重嵌套模拟域中金塔绿洲及周围地区与实际不符的植被类型，对2004年7月5日金塔绿洲效应进行了较为成功的模拟。模拟结果显示：白天绿洲是一冷源，这一现象可维持到3000m左右，临近地面沙漠绿洲温差最大，冷中心强度由低层向高层逐渐减弱；气压距平场低层为沙漠低，绿洲高，较高层则反之，转变发生在1300m。低层绿洲风盛行，随高度增加，辐散风渐弱；750hPa以上转为以背景风为主，存在向绿洲中心辐合的趋势；距平风场低层为辐散风，高层为辐合风，绿洲中部风速较小，越远离风场辐散（辐合）中心，风速越大；沙漠上为上升气流，绿洲基本上全为下沉运动所控制，但剖面图上显示绿洲上并不是只有一个闭合中心，且绿洲上、下沉运动的顶部高度也不一致，绿洲中心最低，两侧逐渐增高。最大下沉运动出现在绿洲边缘；绿洲低层分布着强度均匀的辐散区，而沙漠上则为零散辐合区，750hPa辐合区开始侵入绿洲，700hPa时绿洲基本为辐合区，绿洲边缘辐合最强，沙漠以辐散为主，分布少许辐合中心。比湿同湿位温具有相似特征，在一定高度以上，在下沉气流的作用和西风背景场的影响下等值线形成低槽形状，低槽中心从高层向低层、由西向东偏移。     

夏季金塔绿洲冷岛效应的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5对金塔绿洲2003年7月31日～8月2日的观测资料进行了模拟研究，分析了金塔绿洲的温、湿、气压、风场演变。结果表明，绿洲上白天为湿冷中心，气压场表现为低层（850hPa）高压，高层（700hPa）低压。受背景场影响，温、湿、气压中心偏离绿洲中心，风场向背景风的垂直向辐散。但绿洲上的感热和潜热场形状不受背景风场影响，不产生变形、偏离，同绿洲形状重合。     

山峰加热效应的数值试验研究

已有的资料分析和理论研究表明,山峰加热效应是形成冬季兰州市白天脱地逆温的主要原因。本文利用中尺度数值模式MM5,从数值试验角度研究了兰州市白天温度场和环流场的结构特征。模拟结果表明:冬季,白天日出后的皋兰山峰相对于周围空气是一个热源,在环流场的配合下,皋兰山峰的暖空气向市区上空输送,与河谷温度较低的冷空气形成了白天的脱地逆温;理想"削山"试验的结果表明,山峰海拔越高的山体,加热效应越明显,山谷城市的大气逆温强度和稳定度随着山峰海拔高度的降低而减小。数值试验结果进一步验证和补充了观测和理论分析的结论。     

九华山区下垫面对局地降水的影响分析

利用安徽中尺度自动气象站的探测数据和多年统计数据,对九华山区下垫面影响降水的地理分布及强度进行讨论,分析下垫面物理过程在降水天气中的作用。结果表明:山区的湿热条件及不稳定能量均强于周边地区,非均匀下垫面的热力作用和山区地形作用形成地面中尺度风场辐合线及其所造成的上升运动对低空急流起加强作用,这些均影响强对流天气的形成和发展。山区降水地理分布受地形影响很大,山区的降水量、降水日数及降水强度均明显多于周边丘陵地区,并有迎风坡降水明显及在一定高度内山体越高降水量越大的特点。逐小时地面自动站资料分析对山区强降水的形成、发展和消散具有很好的临近预报指示作用。