陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

典型中尺度数值预报模式参数化方案的综述与展望

中尺度天气现象对人类的生产生活有重要影响,中尺度数值预报模式是进行数值天气预报的主要工具。受模式分辨率和对天气现象物理机制认识不足的限制,许多复杂天气过程只能用参数化方案来隐式表达,对参数化方案进行研究有助于推动中尺度数值预报模式的模拟和预报效果的不断优化。在探讨国内外典型中尺度数值预报模式特性的基础上,综述了积云对流参数化方案、云微物理参数化方案、边界层参数化方案、陆面过程参数化方案和辐射传输过程参数化方案的研究进展,比较了代表性参数化方案的理论基础和应用场景,发现对独立或组合参数化方案效果的对比试验和改进试验是该领域主要的研究范式。认为参数化方案未来将走向深入探讨各种天气现象的影响因素和物理机制,多要素、多尺度和多方案耦合,更加重视对“灰色区域”的模拟,应用选择更加多元化,并与机器学习技术融合的发展模式。     

大气环流模式中地面参数化的发展

用于气候模拟和天气预报的大气环流模式要用到地－气间的辐射,水汽和动量通量。这些通量为次网格模式,又被称为地面参数化。在过去２０年里,由于植物学,水文学,卫星遥感技术的不断发展和大量的外场观测试验,这些参数化方案由简单的,缺乏真实性的方案逐渐发展为逼真程度很高的全球土壤－植被－大气交换系统模拟方案。     

气候模式中积雪覆盖率参数化方案的对比研究

利用基于NCEP再分析的近地面气候资料驱动陆面过程模型NCAR CLM3,检验了6种积雪覆盖率参数化方案(CLM3、Douville1995、Roesch2001、Wu2004、Yang1997、Niu2007)模拟的积雪覆盖率的季节变化,并与NOAA AVHRR得到的观测结果进行了对比分析.结果表明,在NCARCLM3的物理过程框架之下,CLM3、Douville1995、Roesch2001三种方案低估了广大地区的积雪覆盖率,模拟的雪线位置偏北,尤其是在秋季积雪初期;Wu2004方案低估了秋季欧亚大陆的积雪覆盖率;Yang1997方案模拟的积雪覆盖率有些偏高,尤其是在积雪覆盖区的南部边缘;考虑积雪密度变化的Niu2007方案一定程度上克服了Yang1997方案的正偏差.春季末期,6种方案模拟的雪线位置都偏北.在地形比较平缓的地区,Niu2007方案的整体效果最好.观测和模拟的积雪覆盖率的出现频数大部分集中在低(小于0.2)和高(大于0.8)覆盖率等级,中等覆盖率所占比例很少.     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

不同微物理参数化方案对降雨数值模拟的影响试验——以北京为例

城市暴雨预报对防洪排涝具有重要意义。基于中尺度数值天气预报模型WRF,构建北京市暴雨模拟模型,采用13种微物理参数化方案,对2007年8月1日下午至8月2日凌晨的暴雨过程进行了模拟试验。结果表明,对该场降雨,Kessler方案模拟得到的面平均降雨量与实测值最接近;WSM5方案模拟得到的面平均降雨过程与实测过程吻合最好;累积降雨高值区域落区模拟和最大1h降雨强度模拟,Milbrandt方案表现最好;综合考虑降雨量、降雨过程、累积降雨高值区域落区范围和最大1h降雨强度指标,Milbrandt和Thompson方案表现最好。此外,相比单矩方案,采用多矩方案可能会提高对微物理过程的描述精度。研究结果对北京市暴雨预报具有一定参考意义。     

大型灌区陆地水循环模式的参数化方案:LWCMPS_ID

地表水系统、地下水系统和土壤植物大气连续体的强烈耦合作用是大型灌区水文过程的基本特点,这导致对大型灌区的陆地水循环和水资源进行评价必须采取综合的方法,然而目前还缺少适用的模拟工具。农业灌区的水文特征与天然流域存在显著差别,常规流域水文模型和陆面过程参数化方案用于大型灌区陆地水循环的分析还存在较大的困难。LWCMPS_ID是本文提出的一个适用于大型灌区陆地水循环模式的参数化方案,采用分块集中参数模型简明地实现了地表水、地下水和土壤水的动力学耦合分析,并且包含了一个土壤水冻结融化的简化模型。对处在黄河流域的内蒙古河套灌区,用LWCMPS_ID进行20 年水文动态的模拟,取得了较好的效果。     

城市气象与边界层数值模拟研究

综合评述关于城市气象与边界层数值模拟的近期研究进展,主要就城市气候研究、城市能量平衡、城市热岛研究以及城市陆面过程与城市地表能量平衡模式等方面国内外主要研究工作,结合作者近期的研究工作和认识作一评述.从中提出一些现实与观点方面的问题,给出一些看法和讨论.最后,就当今比较流行并显示十分有效的城市气象和城市边界层数值模拟作一些讨论,着重对这一领域面临的现行研究和未来的挑战,提出一些思考.评述结果表明:①今后需针对我国不同气候区、不同城市特点和建筑物形态特征,开展城市气候、城市地表能量平衡、城市热岛等方面的观测与模拟研究;②在城市气象观测方法与技术导则、观测站网布局、新型观测手段的综合使用等方面的深入研究需进一步展开;③需建立基于时间、天气条件、建筑特征的简单的城市热岛强度预报方法;④可探索采用计算流体力学(CFD)模式作为"桥梁",检验并改进中尺度模式对城市地区的模拟效果.     

耦合冻土方案的大气模式对祁连山区春季土壤状况的模拟

对黑河流域上游山区水源涵养林区2003年春季土壤温度、湿度变化进行分析,运用耦合冻土参数化和没有耦合冻土参数化的大气模式MM5对该区春季过程进行了模拟,并与观测值进行对比,对模拟的产流量做了初步分析.结果显示:考虑冻土参数化方案对土壤温度模拟的改进主要体现在表层土壤,对深层土壤温度的模拟没有大的改进;考虑冻土参数化方案改进了对100 cm深度以内的土壤含水量的模拟,很大程度上缩小了模拟值与观测值之间的绝对误差.总体来讲,考虑了冻土参数化的模拟结果在一定程度上改进了模式对黑河流域上游季节冻土区土壤温、湿状况的模拟,在一定程度上逼近祁连山区的春季土壤状况.考虑冻土参数化和没有考虑冻土参数化对产流量的模拟表明,冻土参数化对产流量模拟有很大影响,冻土形成的不透水层可以产生更多的地表径流.尽管考虑冻土参数化过程对模拟结果有一定程度的改进,但模拟结果与实测结果还是有一定差距的.因此,进行寒区冻土过程模拟时,还需要进一步对土壤信息、模式物理过程,大气背景场驱动数据以及局地因素进行详细而精确的考虑,以期进一步提高模式在寒区的模拟性能,特别是为高寒山区无观测地带陆气相互作用研究提供依据.     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

Research Progress on Physical Parameterization Schemes in Numerical Weather Prediction Models

Atmospheric physics in numerical weather prediction model which predominantly determines the evolution of atmospheric processes is mainly described by physical parameterization. As a result, the development of physical parameterization has been a hot research issue in the area of numerical prediction for a long time. In this regard, the theoretical background and history of physical parameterization schemes for convection, microphysics, and planetary boundary layer, were reviewed in this study. It is suggested that the advance of physical parameterization for the model with high-resolution grid spaces should be considered as a principle issue for numerical model development in the future. Although the gird spaces in current operational numerical models generally decrease toward 10 km owing to the rapid development of high-performance computation, yet most of these schemes are designed for coarse grid spaces. Because of this kind of deficiency, the theoretical basis of these schemes inevitably faces controversy. Directions for development of physical parameterization were also suggested according to the trends of research in numerical prediction.     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

祁连山七-冰川反照率的参数化研究

通过对2006年和2007年暖季消融期七一冰川反照率的观测资料分析,基于冰川反照率的变化规律及其影响因素,根据实测资料的统计建模和验证,初步给出了具有试验基础的冰川反照率多因子参数化公式,其时间分辨率为1 h.经检验,2006年和2007年考察期间冰川反照率的模拟值和观测值序列之间的相关系数分别达到了0.901和0.9...     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性,总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上,从耦合研究方法和目的出发,分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法,加强多学科的联合研究,深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析,研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响,从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

Progress in Lightning Forecast by Using Numerical Weather Models and Model Outputs

Lightning can threaten human and equipment safety. An indicator of sever convective weather, it plays an important role in atmospheric chemistry. The intensive studies have advanced the lightning forecast in the mesoscale weather models and its application in global climate models. There are three methods to forecast lightning by using numerical weather models: Numerical diagnosis prediction based on synoptic background filed statistical relations; Flash rate parameterization developed with the relationship between dynamical, microphysical and electrification processes, and The numerical weather model coupled with the explicit electrification and lightning parameterization schemes. In this paper, the research progress in lightning forecast with three above-mentioned methods were reviewed, and the future research issues on lightning forecast were also discussed.     

基于土壤植被不同参数化方法的流域蒸散发模拟

植被和土壤是水循环中的重要载体,模拟流域水循环时植被和土壤的参数化也显得尤为重要。通过对比流域蒸散发模拟中分布式模型和集总式概念模型的土壤植被参数化方法,计算了潘家口水库流域不同时间尺度上的流域蒸散发,分析了不同时间尺度下流域蒸散发的影响因素。通过分析得出:(1)分布式水文模型中的植被参数化方法包括对植被时空分布与变化的描述,以及与之相关的土壤-植被-大气中水分和能量的传输过程的描述。(2)从GBHM模型与流域水热耦合平衡模型的对比分析可知,在流域尺度上,年实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈互补的高度非线性关系;但在山坡和小时时间尺度上,实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈正比关系,并可近似为线性正比关系。(3)基于流域水热耦合平衡模型在不同时间尺度的参数化分析可知,考虑植被土壤水分和植被覆盖度能改善对流域蒸散发的年际和季节变化的模拟精度;土壤水分和植被的影响随着时间尺度变小表现得越来越显著。     

城市热岛效应对土的工程性质影响及灾害效应分析

随着世界各国,尤其我国的城市化进程的不断加快,城市规模不断扩大,城市中高层建筑的密度越来越高,城市热岛效应（UHIE）及其带来的各类环境问题日益突出。对于城市热岛效应的研究目前主要集中在城市范围内的大气部分,对于它对城市赖于存在的地质环境的影响研究很少,而对土的工程性质的影响及其灾害效应常被忽视。从UHIE与城市地下土体工程性质间的关系出发,介绍了UHIE的成因和发展程度,剖析了城市环境中的土体与自然环境中土体的差别以及UHIE影响土体工程性质的方式,初步分析了UHIE对土的工程性质的影响及其引起的灾害效应。分析成果对于开展城市热岛效应环境中土的工程性质变化及其灾害效应研究有重要的指导意义。     

区域中尺度模式云微物理参数化方案特征及其在中国的适用性

云微物理参数化方案在数值模式中起着重要的作用,是影响数值天气预报和气候预测准确性的最大因素。系统回顾了中尺度数值模式中云微物理参数化方案的研究进展,并统计分析了最近十余年云微物理参数化方案在中国范围内的敏感性试验研究成果。Lin方案和Rutledge-Hobbs方案奠定了中尺度模式中云微物理参数化方案的基础,其他方案都是直接或间接在这2个方案的基础上从多方面改进而形成的。这些改进主要体现在:①水凝物粒子分类数目;②冰核活化;③粒子谱分布描述函数;④粒子谱截距的取值;⑤粒子间相互转换阈值大小的设定。中国范围内云微物理参数化方案敏感性试验研究成果统计表明,使用WRF模式中Lin方案的模拟效果较好,MM5模式采用Goddard和Reisner方案效果较好。