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.     

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。     

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.     

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究

在陆面过程方案中考虑精细的水模型有助于改善对区域水及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入诊空间非均匀性的水模型，并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验，得到如下主要结论：陆面水的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感；考虑入渗非均匀性后，提高了径流系数，这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致；入渗非均匀参数化方案的引入对区域水及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大；不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。     

黑河实验(HEIFE)──对干旱地区陆面过程的一些新认识

综合介绍“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ＨＥＩＦＥ）”的概况。系统分析干旱地区陆面过程的一些基本问题，它们是：（１）干旱地区地表面热量平衡的基本特征：干旱地区蒸发量很小，地表热量平衡中以感热为主．潜热可以忽略不计。（２）干旱地区陆面过程参数化问题：干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响，否则将造成严重误差。（３）干旱地区一种特殊现象──绿洲与沙漠环境的相互作用：绿洲的“冷岛效应”和临近绿洲沙漠或戈壁的“逆湿现象”是这种相互作用的结果。这些研究结果将加深我们对干旱地区陆面过程的认识。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

基于不同陆面参数化方案的高温天气数值模拟

基于3种不同的陆面过程方案(SLAB、NOAH和RUC方案)利用WRF模式对2009年7月发生在江苏沿江及苏南地区包括沪宁高速公路在内的一次高温天气过程进行了对比模拟和分析.结果表明:①WRF模式中耦合陆面参数化方案后的试验结果更接近实况,且模拟的高温天气过程对不同陆面方案的选择较为敏感;②SLAB、NOAH、RUC ...     

青藏高原那曲地区冻融过程的数值模拟研究

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站冻融期(2013年3月1日至6月1日)的气象和土壤观测资料,通过陆面模式Co LM对那曲地区土壤冻融过程进行了数值模拟。模拟结果表明,Co LM模式对土壤温度、感热通量和潜热通量的模拟与观测较吻合,但对土壤湿度的模拟偏差较大,而模式冻融参数化方案的不足是造成这一较大偏差的主要原因。根据热力学平衡下土壤水势与温度之间的关系以及Clapp-Hornberger经验公式对冻融参数化方案进行了优化,优化冻融参数化方案后,模式能够更真实地模拟出土壤冻融过程特征,尤其是对土壤湿度偏低的现象改进较大。     

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究(英)

在陆面过程方案中考虑精细的水文模型有助于改善对区域水文及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入渗空间非均匀性的水文模型,并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验,得到如下主要结论:陆面水文的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感:考虑入渗非均匀性后,提高了径流系数,这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致;入渗非均匀参数化方案的引入对区域水文及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大:不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。     

干旱区天气、气候数值模拟的研究进展

干旱区的气候模拟有着很强特殊性。气候模式是研究和探讨干旱区形成物理机制的有效手段和工具。介绍了近年来国内外干旱气候数值模拟和试验的研究与进展．总结和评述了陆面过程中地表反照率、土壤湿度、植被状况的参数化和对气候的影响．讨论和阐述陆面过程在气候模拟中的重要性。对干旱区的气候和天气灾害的数值模式模拟研究作了一些评述，并对干旱区数值模拟的有关问题进行了讨论和展望。指出干旱区陆面过程的深入研究和干旱区陆面参数的标定，是改进干旱区气候模拟的重要途径。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

初冬青藏高原冻土过程的数值模拟

利用改进了的加进NCAR陆面过程(LSM)的NCAR MM5大气模式中的土壤冻融过程参数化方案和2001年10月2～30日的NCEP再分析资料,对青藏铁路沿线区域进行数值模拟试验。在新方案中改进了土壤径流和土壤渗透影响土壤层的水文过程,增加了对土壤含冰量的求解,较真实地反映了土壤的冻融过程。模拟结果表明,改进土壤冻融过程方案后,模式对地温、地面通量的模拟有一定的改进,能够反映土壤冻结初期陆面要素场的变化。     

基于不同参数化方案的高速公路大雾过程的数值模拟试验

为了比较不同微物理方案、边界层方案和陆面方案对大雾过程模拟效果的影响,本文利用WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)对江苏省高速公路网2011—2013年发生的21场大雾过程进行了数值模拟,探讨了模式不同参数化方案对大雾过程数值模拟的影响,确定了基于模式输出结果的成雾判别指标。研究结果表明:(1)综合考虑微物理方案、边界层方案和陆面方案对地面气象要素、高空温度及雾区分布等要素的影响,微物理方案选用WDM6方案,边界层方案选用QNSE方案,陆面方案选用SLAB方案时,雾的数值模拟效果最优;(2)在最优参数化方案设置下,兼顾气象业务部门有限的计算资源和较高的模式垂直分辨率,对21个大雾个例发生的大气背景进行数值模拟和诊断分析后发现:江苏省境内雾的预报指标应为模式最低层(30~40 m高度)液态含水量0.015 g·kg~(-1),或2 m相对湿度95%,且10 m风速3 m·s~(-1)。     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

采用不同参数化方案对沪宁高速公路浓雾过程的模拟试验

以2006年12月24—27日沪宁高速公路及其周边地区出现的一次罕见持续性大雾为例,采用模式验证方法,研究了采用不同微物理过程和陆面过程参数化方案对浓雾模拟效果的影响。结果表明,对相对湿度等常规气象要素的模拟,各个参数化方案的模拟效果都较好,与实况都有很好的一致性。对直接表征能见度的变量———液态水含量的模拟,各个参数化方案中以微物理过程采用Lin方案,陆面过程采用SLAB方案模拟效果最好,其他方案的模拟效果与实况相比偏差较大。     

基于CLM4.5的高寒草地辐射收支和水热交换的数值模拟研究

利用那曲高寒气候环境观测研究站本部BJ观测点2014年6-8月的近地层观测资料,结合CLM4.5陆面模型,探究空气动力学粗糙长度、叶面积指数、植被覆盖度和热力学粗糙长度参数化方案的改变对陆面能水平衡的模拟结果产生的影响,并且探讨了粗糙度及植被状态指数影响陆面能水平衡模拟性能的机制.结果表明:(1)CLM4.5默认的热力...     

WRF模式对乌鲁木齐机场一次冻雾天气的数值预报对比试验分析

利用WRF模式和GFS资料对2016年11月28—29日乌鲁木齐机场一次冻雾天气过程进行预报,针对不同微物理过程、近地层、陆面过程、边界层等方案设计了13个预报方案组合,并将预报结果与观测资料进行对比分析发现,此次冻雾过程预报中,模式对陆面过程、近地层、边界层等参数化方案组合较为敏感,最优方案组合微物理过程为WDM6、近地层方案为QNSE,陆面过程方案为Noah,边界层方案QNSE。以最优的方案组合预报结果对此次冻雾进行分析,发现利用模式预报的环流形势、层结条件、温湿条件、混合条件等能够很好的判断出此次冻雾过程。就此个例而言,WRF模式预报的机场上空稳定层的变化,湿层结构、风场的水平和垂直结构等,对冻雾的生消以及冻雾过程中的能见度变化有一定的指示意义。     

多圈层陆面过程参数化研究中遥感信息应用的进展和方向

近年来遥感技术的发展为多圈层中陆面过程和边界层研究提供了有力的工具。文章分析了目前用于陆面过程参数化研究的重要遥感信息源。并评述遥感信息在陆面过程参数化研究中的基本应用和存在问题，最后，提出发展方向和展望。     

沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。沙漠陆面过程及相应的小气候效应已经成为当前沙漠气象研究的热门问题。近年来,在沙漠陆面过程野外观测、陆面过程特征及参数化、陆面过程模拟、小气候及陆面过程对小气候影响等方面已取得重大进展。本文对于沙漠小气候、沙漠陆面过程及沙漠陆面过程参数化进行了简要概述,重点总结了国内外在沙漠地区气候考察、沙漠边界层高度、沙漠热力环流、绿洲效应、塔克拉玛干沙漠气候特征、沙漠陆面过程野外观测试验及结果、沙漠陆面过程对气候的影响、沙漠陆面过程参数化方案方面的成果,回顾了近年来利用地面观测设备和数值模式等对气候效应和陆面过程直接观测和数值模拟所获得的观测事实和模拟试验,并讨论了其陆面过程参数化对模拟的影响,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。