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...     

纳木错湖夏季典型大气边界层特征的数值模拟

为了进一步检验分析纳木错湖对当地地方性环流、湖气能量交换及大气边界层的影响,在本文中使用美国NCAR新版MM5V3.7非静力中尺度模式,设计了有湖面、3/4湖面、1/2湖面及无湖四组试验,以NCEP再分析资料做初、边值条件,做了48 h三重嵌套模拟试验,对比中国科学院"纳木错圈层相互作用"综合观测站实测资料,说明该模式模拟性能良好。白天在纳木错湖风与念青唐古拉山北坡谷风共同作用下,在念青唐古拉山脊处汇合,形成一强水平切变及辐合上升运动,造成了该地夏季白天复杂多变的天气;夜间由于南岸湖风与山风叠加,使得整个区域为强大南风气流控制,这也补给了水汽和热量,也为白天不稳定运动提供了能量。对大气边界层特征的模拟结果表明:由于白天(夜晚)纳木错湖的存在有很好的降温(保温)作用,该湖表现出了明显的冷(暖)湖效应;纳木错湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热均小于周围陆地,夜间湖面有强潜热通量;纳木错湖使得白天湖区边界层顶低,陆区边界层顶高,夜间相反。这样的地方性环流和大气边界层特征的配合,是该地中小尺度天气剧烈变化的重要原因。     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

滇池区域性环流的数值模拟

为了开发云南省滇池地区的磷资源，对云南滇池湖畔的中尺度环流状况进行了三维数值模拟，模式比较详细地考虑了各种物理过程，模拟结果与实测资料较吻合；滇池区域湖南白天为冷中心，夜间为暖中心；白天的垂直环流比夜间大得多，湖风比陆风影响范围也大得多，系统风对湖风影响较大。     

太湖地区湖陆风对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合了NOAH陆面模式的WRF中尺度数值模式,对2010年8月18日发生在太湖地区的一次强雷暴过程进行数值模拟,并将模拟结果与实况进行对比。结果表明:模式能较合理地模拟出雷暴演变过程及近地面要素变化。此次雷暴天气过程发生在湖风发展强盛时期,雷暴沿东岸湖风与背景风形成的辐合线发展。通过两个敏感性试验,研究了太湖地区湖陆风对雷暴过程的影响。湖风锋对雷暴过程起触发和增强作用,湖风锋的阻挡和抬升作用导致此次雷暴的产生。在湖风锋前缘形成的初始对流进一步发展加强为雷暴,发展成熟的雷暴低层出流又与湖风作用形成新的雷暴,湖风的辐合为对流云的发展提供水汽和能量。在雷暴的形成发展过程中,感热通量输送可改变大气边界层结构,使低层不稳定能量较易释放,潜热释放加强上升和下沉气流,使边界层湿度增大,对流进一步发展增强。     

博斯腾湖的湖陆风特征及其数值模拟研究

采用基本气象站和区域气象站观测资料分析了2013年6月至2014年5月期间博斯腾湖的湖陆风日变化特征和季节特征,进而通过中尺度数值模拟分析博斯腾湖湖陆风的发展过程及其与天山山谷风的相互作用。结果表明,博斯腾湖北侧湖风与中天山南侧谷风叠加效应造成局地环流增强,从湖岸到山体,叠加效应造成的局地环流最大振幅表现出增大、减小、再增大的特点;湖岸区域湖风开始时间与距离的关系不显著,当离岸距离增大到约20 km以上,距离每增加约6 km,湖风开始时间推迟1 h;湖北侧湖风锋穿透内陆距离比受天山主体影响较小的湖南侧远约11 km;随着湖北侧湖风锋向天山靠近,湖风与谷风耦合作用不断加强。     

黄河源区生态环境变化对湖泊效应影响的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF,设计了陆地生态环境好转、维持现状和退化3种情境下的模拟试验,分析了夏季黄河上游鄂陵湖湖泊效应的特征和生态环境变化对该湖泊效应的影响。结果表明,夏季晴天中午至傍晚,鄂陵湖有显著的湖风环流;白天湖面感热和潜热较小,昼(夜)表现出明显的冷(暖)湖效应;湖区低层全天呈现出"湿岛"效应;受湖风作用影响,环湖陆上白天形成"湿墙"和感热高值区;随着陆地生态环境由好转到退化,湖风环流加强,环湖"湿墙"增高,湖陆边界层高度差增大,陆面感热和潜热变化显著大于湖面;陆面边界层中下部的气温和比湿主要受下垫面影响,环境退化后分别升高和减小,而在边界层顶部由于受湖风环流的作用,两者变化趋势与中下部相反。     

鄱阳湖影响过湖对流强度的数值模拟及机理分析

湖陆下垫面的非均匀性对强对流天气的发展演变有很大的影响。鄱阳湖是我国最大的淡水湖,湖面积具有明显的月变化和季节变化,而模式中的下边界一般默认湖面积不变,这与实际情况的差异较大,必然带来模式预报误差。利用WRF模式对夏季夜间发生在鄱阳湖地区的一次强对流天气过程进行数值模拟,并通过湖面积变化的敏感性试验,深入研究鄱阳湖对强对流天气发展演变的影响及其机理,结果表明：夏季夜间湖面上空2 m温度明显高于陆面,向湖陆风在湖面上空辐合上升,岸边则存在下沉辐散气流。这导致降水在湖西岸减弱、湖上空增强。随后用去湖敏感性试验印证了鄱阳湖的暖湖效应,湖泊的存在能够通过激发陆风次级环流对湖西岸（湖面）上空降水起抑制（促进）作用。去湖试验的降水在湖西岸增强20%,在湖面上空减弱16%,体现出湖泊对降水强度的重要影响。此外,还发现湖面积扩大1.5、2.5、3.5、4.0倍的扩湖敏感性试验的降水在湖面上空分别增幅7%、16%、30%、43%,进一步证实了强对流强度对鄱阳湖面积变化较为敏感。这指示我们在预报夏季夜间穿湖而过的强对流天气时,应重点关注其可能存在的入湖前减弱、入湖后增强的变化趋势。同时,在利用数值模式模拟湖区强对流天气过程时,如果湖面积与模式中默认的湖面积相差较大,则应考虑将实际湖面积引入模式下边界,以期提升模式对于湖区对流的预报能力。     

三维湖陆风的数值模式试验

利用地形坐标建立了一个三维湖陆风的预报模式，其中对边界层及模式层顶高度采用预报方程求解，对边界层参数作了较仔细的考虑。计算表明，模式运行十分稳定，对复杂地形条件下的湖陆风扰动系统有着很好的描述能力。     

准噶尔盆地冬季一个例低空风、温、湿场的数值模拟

利用美国NCAR非静力平衡模式MM5V3，模拟了新疆准噶尔盆地冬季局地小气候效应，再现了山谷风环流和冬季“冷湖效应”。模拟结果与现有理论及观测事实基本一致。模拟结果表明：准噶尔盆地冬季大面积被积雪覆盖，下垫面反照率大，因此山谷风环流同黑河地区相比较弱，但“冷湖效应”显著，逆温特征明显，最强可达10℃。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

珠峰绒布河谷大气边界层结构的数值模拟

利用中尺度气象模式RAMS对2006年6月12～16日珠峰绒布河谷地区大气边界层结构进行了模拟,并将模拟的风温时空分布与风廓线仪LAP3000的观测资料进行了对比分析.结果表明,绒布河谷地区的局地环流具有明显的日变化(午后至夜间盛行山风,可持续12h,且风速较大;在山风盛行期间,山风的影响高度可达400～700m左右),其中下垫面不均匀性导致的温度差异是引起局地环流的主要因素;RAMS模式较好地反映了绒布河谷地区局地环流的时空变化特征.     

大理苍山—洱海局地环流的数值模拟

利用耦合了湖泊模型的WRF_CLM模式模拟了秋季大理苍山—洱海地区的局地环流特征。结果表明:模式对近地面温度、风向、风速的模拟与观测基本一致,模拟结果能较好地再现该地区山谷风和湖陆风相互作用的局地环流特征。在秋季,大理苍山的谷风起止时间为08:00~17:00(北京时,下同),湖风起止时间为09:00~19:00。局地环流受高山地形及洱海湖面影响明显,山谷风形成早于湖陆风1 h,夜间山风、陆风强盛于白天谷风、湖风。白天苍山谷风与洱海湖风的叠加作用会驱动谷风到达2600 m的高度,而傍晚最先形成的苍山山风则会减弱洱海的湖风环流。夜间盆地南部在两侧山风、陆风的共同作用下,形成稳定而持续的气旋式环流。日出以后,对流边界层迅速发展,边界层高度逐渐增高。陆地17:00温度达到最高,边界层高度也达到峰值2000 m,之后逐渐降低。日落后形成稳定边界层,边界层高度在夜间基本保持在100 m。相对于陆地,湖面白天边界层高度低300 m,夜间边界层高度高100 m。     

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。     

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响.最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验.