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。     

鄱阳湖地区湖-陆-气相互作用的观测分析

利用2013年6月1日—2014年5月31日鄱阳湖东岸70 m铁塔的涡动相关观测资料、鄱阳湖水文观测资料、鄱阳气象站常规气象观测资料等,对鄱阳湖地区湖-陆-气相互作用过程进行了分析。结果表明:鄱阳湖地区潜热通量明显较感热通量大,感热通量最大值出现时间较潜热通量早约1.0 h。摩擦速度则是白天比夜间大,且下半夜大于上半夜,正午最强,日落日出时段最小。湖-陆-气相互作用同样具有显著的季节变化特征,潜热通量最大出现在夏季,最小出现在冬季;而感热通量最大出现在秋季,最小出现在夏季。摩擦速度则是下半年大于上半年。该地区Bowen比全年小于1.0,夏季7月最小,冬季2月最大,大部分维持在0.14~0.61。分析湖体区的感热通量和潜热通量得到,来自湖体区的感热通量中午前后较明显,但夜间表现出季节差异,春季下半夜湖体区感热通量明显加大,夏季则整个夜间湖体区感热通量均较大,秋季相差不大,而冬季下半夜湖体区感热通量最小。潜热通量方面,来自湖体区的潜热通量总体较大,但同样存在季节差异。春季湖体区潜热通量均较大,而夏季除中午前后较小外,其余时段都明显大,秋季夜间湖体区潜热通量明显偏小,冬季午后湖体区潜热通量增大。同时,秋冬季节湖体区常会出现逆温现象。分析还得到,水面蒸发量、鄱阳湖水域面积和最高气温与潜热通量关系较大。     

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。     

太湖湖陆风背景下的苏州城市化对城市热岛特征的影响

利用南京大学区域边界层模式,选取苏州地区2006年8月12日晴天小风的天气作为背景天气条件进行算例的模拟。分析了该地区在湖陆风环流背景下的城市化进程对热岛特征的影响。结果表明:苏州地区的风场受大尺度系统、湖陆风环流和城市热岛环流系统的共同影响,且湖陆风环流的强度大于热岛环流。苏州地区的城市热岛影响高度可达400 m左右,且在背景风场的影响下,该地区的温度分布会体现出比较明显的下游效应特征,下游效应的距离可达10 km左右。这种下游效应在400 m高度以下比较明显,随高度的升高而逐渐减弱。20 a的城市化进程(1986—2006年)导致苏州城区地表感热通量增加了200 W/m²、潜热通量减少了200 W/m²、湍能增加了0.045 m²/s²、日平均热岛强度增加了0.4 ℃;热岛环流加强,并使白天混合层最大高度升高了400 m,但对夜间逆温层发展的影响较小。太湖湖陆风,使靠近太湖的苏州市郊的混合层、逆温层高度明显下降,但对距离较远的苏州市区的混合层、逆温层高度影响不大。且太湖的存在对于城市化进程导致的苏州地区热岛强度增加、地表湍流动能增加、感热通量增加、潜热通量减少的趋势有比较明显的缓解作用。     

一个含植被影响的湖陆风数值模式

建立一个包含植被影响参数化的二维湖陆风数值模式。它以改进的Ｎｉｃｋｅｒｓｏｎ（１９７９）二维中－β尺度数值模式为动力学框架，并加入ＭｃＣｕｍｂｅｒ等（１９８１）的土壤模式和Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ（１９７８）的植被参数化方案，然后以Ｔｈｅｒｒｙ等（１９８３）的湍流参数化和Ｍａｈｒｅｒ等（１９７７）改进的辐射参数化方法闭合此控制系统。最后，以太湖湖陆风对陆地植被覆盖因子作了敏感性试验，结果表明植被覆盖对湖     

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。     

湖陆风效应为主导的地面弱风预报方法

对博斯腾湖东南陆地风场数据进行计算,结合湖陆风效应初步建立夏半年各月风场日变化模型,得出风场日变化的4个典型时段。结果表明,区域测站一致性系数和风场有较好的对应关系,一致性系数小于50说明风向不稳定且风速较小,一致性系数大于80说明风向趋于稳定且风速一般较大,弱风时段主要出现在日出日落前后,且具有2h左右的持续时间。该方法为该地区弱风时段预报提供了思路,在稳定的高压脊形势下效果尤为明显。     

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。     

湖陆风对滨湖夏季气温和岳阳市城市热岛强度的影响

利用逐日逐时气象资料对岳阳市主城区近年夏季城市热岛强度进行了评估,探讨了东洞庭湖湖陆风对滨湖夏季气温以及城市热岛强度的影响。结果表明：平均气温郊区较城区、滨湖低1.47、1.11 ℃,最低气温郊区较城区、滨湖低1.89、2.03 ℃,最高气温城区较郊区高0.61 ℃、郊区较滨湖高0.63 ℃。白天城区气温高于郊区,郊区气温高于滨湖;夜间城区气温与滨湖基本相当,且明显高于郊区。各区逐时气温变率郊区最大,城区次之,滨湖最小,三者在23:00—次日6:00基本相当且变化较小。城区平均、最高、最低气温分别比郊区高1.47、0.61、1.89 ℃,对应城市热岛强度分别为弱、弱、中等。8:00—19:00城市热岛强度为弱,20:00—次日7:00为中等。滨湖9:00—18:00湖风强,19:00—次日8:00陆风弱。湖陆风与各区气温以及城市热岛强度均极显著相关。夜间城市热岛效应强于白天湖泊冷效应,白天城市热岛效应和夜间湖泊热效应随着站点与滨湖和郊区的距离远近影响强度不同,离滨湖越近的城市站白天受城市热岛效应影响越小,夜间受城市热岛效应影响越大。     

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。     

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。     

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。     

夏季鄱阳湖上空对流系统减弱过程分析

利用6h一次的NCEP分析资料和南昌站新一代多普勒天气雷达6 min一次的组合反射率资料,分析了2007年7月23日10:00-16:00(北京时)江西西北部幕阜山脉上空对流云团东移经过鄱阳湖主体时明显减弱或消亡过程.同时,利用中尺度非静力模式WRF对这次过程分别进行了控制性试验(CTR)和敏感性试验(SES).结果表明,CTR试验能较好地模拟出对流云团经过鄱阳湖时的减弱过程;与CTR试验相比,SES试验模拟的鄱阳湖区向外长波辐射值明显偏低,表明鄱阳湖的存在对过境对流云团有减弱作用;两试验的地表比热差异造成CTR (SES)试验模拟的地面感热和潜热通量较低(较高);CTR试验还模拟出负的地面感热通量,即感热从大气向湖体传递;两试验模拟的地面能量通量的差异导致鄱阳湖主体低层(950 hPa)的风场差异显著,即在鄱阳湖主体上空出现了一反气旋性环流,鄱阳湖对过境对流云团的减弱作用是该反气旋环流的辐散下沉造成的.     

基于EFDC模型对鄱阳湖湖面面积的推算方法

鄱阳湖是中国最大的淡水湖泊,水位与面积是湖区生态系统中的重要参数.主要研究鄱阳湖水位与面积的数学关系,以便用水位来快速推求湖面面积.利用美国EFDC水动力学模型对典型年份面积进行模拟,得出逐日模拟面积,而后根据康山、棠荫、都昌和星子4站实际水位与模拟面积建立数学关系,最后使用遥感数据对模拟面积进行验证.结果表明,典型年份鄱阳湖水位与面积具有高动态性,平均相对误差为4.14%,模拟面积与实际面积误差较小.     

夏季鄱阳湖水体温度场及其气温效应

１９８７年和１９８８年７、８月在鄱阳湖中心的棠荫岛进行了小气候考察，资料分析表明，夏季鄱阳湖水体气温效应，阴天和晴天的夜间表现为正效应，晴天的白天（０９－１８时）为负效应；夏季水上点气温比陆上点高，宏观上鄱阳湖水体呈现为热源。      

鄱阳湖水体淹没模型研究

根据丰水季鄱阳湖流域降水对鄱阳湖水位的影响研究, 建立鄱阳湖水位变化降水预测模型;并利用近10年卫星遥感对鄱阳湖水域面积的监测及相应时相鄱阳湖水位资料的分析, 研究出丰水季鄱阳湖水体淹没模型, 解决了洪水季, 云天状况下, 气象卫星难以监测下垫面洪涝灾害的难题。通过对鄱阳湖水体淹没模型进行模拟验证, 结果表明, 鄱阳湖实施退田还湖以后, 湖体水面模拟结果与遥感测算值相对误差为0.9%～3.6%, 模拟效果好。     

登陆热带气旋在鄱阳湖区的活动特征及原因分析

鄱阳湖流域是受登陆热带气旋（简称TC）影响最为频繁的内陆地区之一。利用中国气象局热带气旋年鉴资料、地面观测资料、中国气象局一日两次的常规探空资料以及NCEP/NCAR一日四次的2.5°×2.5°再分析资料,研究了过鄱阳湖TC的活动特征及其影响。首先统计1949~2012年进入鄱阳湖区域61个TC的活动特征发现,平均而言进入鄱阳湖地区的TC具有移速减慢,强度衰减变缓及降水增幅特征。大尺度环流场分析表明,登陆进入鄱阳湖区的TC处于太平洋副热带高压和东亚大陆高压之间的鞍形场中,引导气流减弱,水平风垂直切变减小,有利于其移速减慢、衰减减缓以及降水累计。几个典型TC个例的观测分析发现,TC降水降低了鄱阳湖区浅层土壤温度和低层大气温度及其日较差,但增加了土壤和空气湿度。鄱阳湖区域下垫面较高的地面热量有利于TC维持。而湖区对流有效位能在TC进入后明显降低,说明TC触发了该区域对流有效位能释放,有利于其降水增幅。