山地雪被边界层及融雪过程数值模拟

雪被边界层及融雪过程的模拟涉及大气、雪被、土壤三部分。对雪被及土壤，主要考虑其垂直于表面的热传导过程和融雪水渗透过程；对雪被边界层则建立了一个二维的准静力的中尺度模式加以模拟。模拟结果揭示了山地自然雪被及采取融雪措施后的受污雪被的风温场结构及其日变化。此外，还研究了反射率、粗糙度、坡地方位，山体大小对融雪效果的影响。     

融雪期中国天山西部山地表层积雪能量收支特征

表层积雪的能量收支特征对积雪物理特性变化和融雪等过程具有重要影响。本研究利用2010年融雪期在中国科学院天山积雪雪崩研究站内的雪层密度、含水率、雪层温度以及热通量等观测数据,分析在距雪表40 cm范围内雪层能量收支的时空变化特征。结果表明:表层积雪的能量交换主要发生在距雪表20 cm范围内,短波穿透辐射是表层积雪最重要的能量来源。热传导、短波穿透辐射和潜热均随时间逐渐增加。在过渡期和融雪前期,表层积雪的平均总能量为负,融雪主要发生在积雪表层。由于夜晚潜热影响使得融雪后期表层积雪总能量为正值。融雪能影响整个雪层。     

基于常规气象资料融雪模式的建立及应用

以能量平衡方程为基础,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,建立了利用常规气象观测资料预测雪面温度和积雪深度变化的融雪模型。利用2009年1—3月以及2009年12月—2010年1月在湖北恩施雷达站的积雪观测数据进行模拟和验证,结果表明：该模型对于雪面温度和积雪深度都有较好的模拟效果。当下垫面导热系数λg〈0.5时,下垫面对雪深的影响很小;当λg≥0.5时,积雪融化速度随λg的增大而加快,说明下垫面的热传导是影响积雪深度变化的主要因素之一。     

土壤热异常对地表能量平衡影响初探

将来自土壤深部的热通量引入off line的陆面过程模式 (NCAR—LSM ) ,通过长达 2a的数值试验对比分析了它对各层次土壤温度和地表能量平衡的影响。　　在土壤底部引入 5W /m2 的热通量使底层土壤显著升温 ,但升温随着接近表层而迅速衰减。积分 3个月后 ,由地下进入地表的热流量增幅可达 1W/m2 以上 ,并持续增大到 5W /m2 ,地表最大升温约 0 .5K ,同时地表感热、蒸发潜热及长波辐射通量均有 1W /m2 左右的正异常 ;若将土壤热传导系数放大一个量级以加速热量交换 ,则地表升温提高到 1K以上 ,长波辐射增加 3W /m2 以上 ,超过了气溶胶全球平均的辐射效应。结果表明 :一定量值的土壤热异常对地表能量平衡和短期气候变化 (10 -1～ 10 1a)有着不可忽略的影响。同时 ,深入的资料分析、完善的陆面过程模式以及它与大气模式的耦合试验也是亟待进行的相关工作。     

应用城市地表能量平衡方案研究城市冠层结构对城市热岛的热力影响

用南京大学区域边界层模式NJU-RBLM, 通过对一组理想试验的模拟, 研究了TEB方案 (town energy balance) 和SVAT方案 (soil－vegetation－atmosphere transfer) 模拟城市热岛现象的差异及本质原因, 发现TEB方案对城市热岛 (UHI) 尤其是夜间UHI模拟效果更优, 这是由于TEB方案具备较强模拟城市储热项的能力形成的。此外, 深入探讨UHI对大气边界层热力结构的影响, 发现UHI现象使城市和郊区的近地层位温廓线在清晨和傍晚都存在明显差异, 同时使城市区域气温全天高于郊区, 且日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间。分析人为热源和建筑物冠层对UHI的影响时发现: 人为热源对UHI的影响在夜间强于白天, 而建筑物对白天城市湍能的影响强于人为热源的作用。     

论大洋环流的能量平衡

驱动大洋环流的能源和能汇包括潮汐,海表大气压力脉动,风应力,海表加热和冷却,海表淡水通量,以及海底地热。即使用未来最快的计算机也不可能把湍流的细节算出来,因而次网格尺度过程参数化总是不可避免的,所以大洋环流理论和数值模式的理论框架必须建立在次网格过程参数化的基础上。特别需要指出的是这种理论框架必须有“外来”的机械能源来维持在层结海洋中的混合过程。这种所谓的“外来”能源事实上并非是外来的,它是能量由海盆尺度到小尺度串级的结果。在一个基于次网格尺度过程参数化的模式中,这部分能量在表面上看来就是外来的。最重要的一点是系统所能提供给混合所需要的能量的多少是控制海洋环流强弱的关键因素。因此,能量守恒应当作为大洋环流模式的重要约束之一。     

土壤热异常影响地表能量平衡的个例分析和数值模拟

The statistical relationship between soil thermal anomaly and short-term climate change is presented based on a typical case study. Furthermore, possible physical mechanisms behind the relationship are revealed through using an off-line land surface model with a reasonable soil thermal forcing at the bottom of the soil layer.In the first experiment, the given heat flux is 5 W m-2 at the bottom of the soil layer (in depth of 6.3 m)for 3 months, while only a positive ground temperature anomaly of 0.06℃ can be found compared to the control run. The anomaly, however, could reach 0.65℃ if the soil thermal conductivity was one order of magnitude larger. It could be even as large as 0.81℃ assuming the heat flux at bottom is 10 W m-2. Meanwhile, an increase of about 10 W m-2 was detected both for heat flux in soil and sensible heat on land surface, which is not neglectable to the short-term climate change. The results show that considerable response in land surface energy budget could be expected when the soil thermal forcing reaches a certain spatial-tem poral scale. Therefore, land surface models should not ignore the upward heat flux from the bottom of the soil layer. Moreover, integration for a longer period of time and coupled land-atmosphere model are also necessary for the better understanding of this issue.     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

近海台风结构和能量平衡的对比研究

本文以8006和8309两个台风为例,分析了近海台风的结构,指出其重要特点是运动场和热力场的显著不对称和只有弱的暖心。本文还着重对它们在近海及登陆后的总动能和涡动动能收支及加热场情况,进行了对比诊断研究。指出近海台风的不对称结构中,隐含着消亡机制,这是由于不对称的暖区和上升区都偏离台风中心且不相一致,使台风区有效位能向动能转换的过程很弱甚至反向。另外,如台风登陆后继续维持热带系统特点,未能迅速将主要能源由潜热释放转变为斜压过程,也易迅速消亡。在加热场方面,登陆后迅速减弱的台风,最大加热强度较大,其所在层次也较高。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

西天山气象因子对融雪期积雪深度影响通径分析

积雪深度的变化受到多种气象因子共同影响。基于天山积雪雪崩站观测的水文气象资料,通过数理统计、标准化处理、通径分析等方法探索气象因子之间的相互作用对积雪深度变化的影响。研究结果表明:融雪期大气温度、净辐射、相对湿度等6个气象因子对积雪深度变化的影响程度不同,净辐射与积雪深度相关程度最高。气象因子之间有着不同程度的相互联系,相对湿度与降水之间的相关系数高达0.854,相对湿度与降水之间有着密切的联系。直接通径系数反映独立气象因子对积雪深度的直接影响程度,间接通径系数反映独立气象因子在其他气象因子的影响下对积雪深度的间接影响程度。根据积雪深度决定系数绝对值的大小可以得到,对积雪深度变化贡献力由大到小的气象因子依次为:净辐射、地表温度、大气温度、降水、相对湿度、风速;积雪深度的剩余系数为0.353,说明除了本研究的6个气象因子以外还存在着其他影响积雪深度变化的因素。     

基于遥感积雪面积监测的春季融雪型洪水风险分析

利用2002-2016年MODIS的MOD10A2卫星遥感积雪面积监测产品,以呼伦贝尔市为例,对积雪面积变化与融雪型洪水发生风险进行分析。结果表明:呼伦贝尔市的积雪2月从大兴安岭两侧向中部开始融化,5月积雪基本融化,牙克石市、鄂温克旗等地的积雪融化时段集中,融雪型洪水灾害的发生风险较高。从各月积雪融化面积变化来看,由于呼伦贝尔市冬季积雪接近饱和,若2-3月和3-4月积雪融化面积较小,则爆发融雪型洪水的风险将升高,遥感积雪面积监测对春季融雪型洪水风险预判较为有利。     

华南汛期暴雨过程的潜热计算分析

利用NCEP/NCAR每日4次全球再分析1°×1°网格资料,计算了发生在华南汛期一次强暴雨过程中的潜热,并探讨了这次强暴雨过程中潜热的演变及垂直分布特征。结果表明:华南汛期暴雨过程中存在大量的潜热,其变化与暴雨强度的演变相一致。暴雨区上空强烈的对流凝结潜热在这次暴雨过程中起了主导作用。在垂直方向上对流凝结潜热的极大值呈双峰型特征,极大值所在高度随着暴雨的增强有上传的趋势。大尺度凝结潜热的极值大小及其所出现的高度层都异于对流凝结潜热。     

青藏高原中部聂荣半干旱草地夏季近地层能量平衡与输送分析

利用青藏高原中部聂荣地区草地下垫面2014年7~8月近地层气象要素梯度观测及湍流观测数据,分析讨论了该地区观测期间的基本气象要素特征、能量平衡特征以及能量输送特征,主要结论如下:(1)向下、向上短波辐射和净辐射日变化规律一致,向下、向上长波辐射日变化平缓。反照率呈"U"型分布,早晚大,中午小,聂荣夏季地表平均反照率为0.20。(2)在夏季白天,聂荣地区净辐射大部分以潜热的形式加热大气。考虑了土壤浅层热储存和垂直运动引起的平流输送后,能量闭合率由0.65提高到0.80,闭合率有显著的提高。(3)在不稳定层结下,动量总体输送系数CD平均值为4.7×10~(-3)和热量总体输送系数CH平均值为3.5×10~(-3);在稳定层结下,CD平均值为3.4×10~(-3),CH平均值为1.8×10~(-3);C_D和C_H在近中性层结下的平均值分别为4.30×10~(-3)和2.39 10~(-3)。     

一次华南暴雨过程中水汽输送和热量的研究

利用NCEP/NCAR 每日4 次全球再分析1°×1°网格资料,计算了2004年7月17-21日华南汛期暴雨过程的水汽通量、视热源(Q1)和视水汽汇(Q2),并探讨了其垂直分布特征.结果表明:华南汛期暴雨过程中存在大量的水汽和凝结潜热.孟加拉湾、南海和西太平洋都是这次华南暴雨过程重要的水汽供应源.暴雨区南边界为水汽的主要输入区,北边界为主要输出区,而暴雨区南、东边界的水汽输送主要发生在低层,西边界在中、低层的水汽输送大致相当.在这次降水过程中,视热源和视水汽汇的较大值与降水的大值区有很好的对应关系.视热源、视水汽汇和垂直上升运动与降水量的变化总体趋势是一致的.视热源垂直方向上的峰值在400 hPa附近,而视水汽汇呈双峰型特征,峰值分别在700 hPa和450 hPa附近.垂直平流项均是视热源、视水汽汇的主要贡献者.     

Transfer Coefficients of Momentum, Heat and Water Vapour in the Atmospheric Surface Layer of a Large Freshwater Lake

In studies of lake–atmosphere interactions, the fluxes of momentum, water vapour and sensible heat are often parametrized as being proportional to the differences in wind, humidity and air temperature between the water surface and a reference height above the surface. Here, the proportionality via transfer coefficients in these relationships was investigated with the eddy-covariance method at three sites within an eddy-covariance mesonet across Lake Taihu, China. The results indicate that the transfer coefficients decreased with increasing wind speed for weak winds and approached constant values for strong winds. The presence of submerged macrophytes reduced the momentum transfer (drag) coefficient significantly. At the two sites free of submerged macrophytes, the 10-m drag coefficients under neutral stability were 1.8 $(\pm \,0.4) \times \,10^{-3}$ ( ± 0.4 ) × 10 ? 3 and $1.7\,(\pm \,0.3) \times \,10^{-3 }$ 1.7 ( ± 0.3 ) × 10 ? 3 at the wind speed of $9\,\text{ m } \text{ s }^{-1}$ 9 m s ? 1 , which are 38 and 34 % greater than the prediction by the Garratt model for the marine environment.     

The Coherent Structure of Water Vapour Transfer in the Unstable Atmospheric Surface Layer

Observations of water vapour fluctuations over arice field show vapour ramps. Coherent structuresare first revealed by the frequently occurring ramp pattern in the vapourtrace. Wavelet and pseudo-wavelet analysis techniques were used inconditional sampling, and more than 100 hr of data have been analyzedto determine coherent structure characteristics. The most probablecoherent structure duration was in the range 2–12 sec andthe duration range of the most effective coherent structures shows somedifference between heat and water vapour transfers. Coherent structurescontribute to the major part of the total flux.     

乌鲁木齐降雪与非降雪天气边界层结构变化特征

利用Vaisala系留探空仪系统在2008年1月乌鲁木齐探测所得资料,分析了降雪和非降雪过程中温度、湿度和风的垂直结构及其变化特征。结果表明：降雪和非降雪天,白天对流边界层特征均较明显,但在暖气团影响下,对流边界层特征消失,出现深厚平流逆温,夜间多出现贴地逆温。白天平流逆温强度较夜间逆温更强,白天逆温层出现湿中心,上部出现干中心。降雪天湿中心高度低于非降雪天。夜间近地层出现微弱的逆湿现象,上部出现干中心,降雪天近地层逆湿现象比非降雪天弱;降雪天和非降雪天近地层风向分布均较散乱,主导风向为偏北风,高空主导风向为东南风。风速多因风向改变而出现极大值或极小值,其值常以“高-低-高-低”形式出现于特定高度,风速因风向变化呈波动状随高度递增。     

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球.大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于“横槽转竖型”,其中200 hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件.(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱.(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持.寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持.