Zebiak-Cane海气耦合模式研究进展

系统、全面地总结了国内外关于Zebiak-Cane海气耦合模式的应用及分析研究，指出了模式的优点及存在的不足，并评析了模式改进工作，最后进行了讨论并展望未来的发展方向。     

初始强迫风场对Zebiak-Cane海气耦合模式预报能力的影响研究

结合观测的海表温度距平（SSTA）对925hPa NCEP／NCAR再分析风应力距平（以下简称NCEP风应力距平）资料与FSU风应力距平资料进行了比较分析。对比分析了分别以NCEP、FSU风应力距平作为初始强迫风场时的Zebiak-Cane海气耦合模式（简称ZC耦合模式）的预报能力。结果表明：1980、1990年代NCEP风应力距平较FSU风应力距平与观测SSTA匹配更为合理。NCEP风应力距平不仅较FSU风应力距平对ZC海洋模式初始化效果好,尤其在1990年代更为显著,而且在1980、1990年代以NCEP风应力距平替代FSU风应力距平作为ZC耦合模式的初始强迫风场,都提高了该耦合模式预报能力,尤其是可提前6-8个月成功地预报出1997／1998年EI Nifio事件。进一步分析表明,在1997／1998年EI Nifio事件前兆、爆发阶段,NCEP风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA比FSU风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA更接近观测SSTA的水平冷、暖分布特征,这为ZC耦合模式提供了更为合理的预报初始强迫场,从而有利于提高其预报能力。     

海气耦合环流模式的研制及其敏感性

文章介绍了近年来海气耦合模式的进展以及这些模式在气候敏感性试验中的应用。     

简化的中纬度冬季环流耦合模式中的大尺度海气相互作用

用包括有天气尺度大气变率、海温（ＳＳＴ）平流和海气热交换的简化耦合模式的模拟结果研究了中纬度海气相互作用问题。研究发现将模式ＳＳＴ的强暖型事件合成对显示海洋强迫大气迹象是有用的。还提供了海洋影响大气的其他证据，即海洋平流似乎通过反馈效应增强了模式ＳＳＴ异常的持续性。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

海气耦合环流模式及耦合技术的研究

介绍了近年来国内外海气耦合环流模式的研究、发展趋势,对不同模式的耦合技术及其人预报试验进行了综合分析,从ＥＮＳＯ预测与耦合环流模式的组成分类、模式的气候漂移及其处理技术（耦合方案）的特点,模式的季节、年际、年代际预报能力等方面评述了当前海气耦合环流模式的研究进展和影响耦合模式预报能力的有关问题,指出目前发展海气耦合模式的观难点所在,并就我国现状提出了进行针对性研究的具体想法。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式I.模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋大气系统相互作用和ＥｌＮｉｎ～ｏ／ＳｏｕｔｈｅｒｎＯｓ－ｃｉｌａｔｉｏｎ动力过程的混合型（ｈｙｂｒｉｄ）耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式（区域为热带太平洋：１２０°Ｅ～８０°Ｗ，３０°Ｎ～３０°Ｓ；水平分辨率为２°×２°），海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式（经纬圈方向水平分辨率分别为１°和２°，垂直方向分为不等距的１４层）。两模式间的耦合是这样进行的：简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量（蒸发与降水之差）由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式（ＯＧＣＭ）的强迫场；而ＯＧＣＭ计算出海表温度（ＳＳＴ），在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正（ｆｌｕｘｅｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ），耦合模式未出现气候漂移（ｃｌｉｍａｔｅｄｒｉｆｔ）现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估 I.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM 0模拟的热带太平洋年平均状态 ,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCARCCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM 0。主要的结论是 :( 1 )在“准确”的海表强迫下 ,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近 ,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅。 ( 2 )Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流 ,但存在两个问题 ,即 :暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大 ;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小 ,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关。这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM 0运行初期误差迅速发展的重要原因。 ( 3)FGCM 0模拟的赤道暖池区上层 1 0 0m的平均温度比观测低 3℃。分析表明FGCM 0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用 ,使得模拟的“暖池”在一定程度上具有冷舌的属性。FGCM 0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到 1 0 0m ,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称 ,成为“doubleITCZ”现象在上层海洋中的表现。风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估Ⅰ.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM-0模拟的热带太平洋年平均状态,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCAR CCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM-0.主要的结论是:(1)在"准确"的海表强迫下,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅.(2)Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流,但存在两个问题,即:暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关.这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM-0运行初期误差迅速发展的重要原因.(3)FGCM-0模拟的赤道暖池区上层100 m的平均温度比观测低3℃.分析表明FGCM-0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用,使得模拟的"暖池"在一定程度上具有冷舌的属性.FGCM-0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到100 m,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称,成为"double ITCZ"现象在上层海洋中的表现.风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快是温跃层偏浅的两个可能原因;FGCM-0中与北太平洋中高纬地区深厚冷偏差相关的经圈环流也有利于热带温跃层误差的维持.     

用风廓线资料分析热带气旋“帕布”的风场结构

使用香港风廓线资料,进行时空转换,得到热带气旋“帕布”近香港时的水平和垂直风场剖面结构：气旋近地面层风场以径向风为主;气旋东西两侧水平风场结构明显不同,东侧偏东风明显,西侧随高度增加切向风不断增强,并监测到东北风急流的向下传播;尽管两侧风场结构不同,水平风速却表现出较好的对称性,但气旋西侧由于急流的存在,风速总体较东侧高;近中心上升气流明显偏于中心西侧,下沉气流总体较上升气流要强,且更对称。     

Non-Gaussian Lagrangian Stochastic Model for Wind Field Simulation in the Surface Layer

Wind field simulation in the surface layer is often used to manage natural resources in terms of air quality, gene flow(through pollen drift), and plant disease transmission(spore dispersion). Although Lagrangian stochastic(LS) models describe stochastic wind behaviors, such models assume that wind velocities follow Gaussian distributions. However,measured surface-layer wind velocities show a strong skewness and kurtosis. This paper presents an improved model, a non-Gaussian LS model, which inco...     

双Doppler雷达非同时性资料反演三维风场的改进方案

针对Doppler雷达观测资料具有非同时性的特点，对原有的从双Doppler雷达资料反演三维风场的MANDOP方法进行了改进。新方案同时反演两次体积扫描期间开始和结束两个时刻的三维风场并假设在该期间内风随时间线性变化，从而保证了在目标函数中反演量与观测量的时间一致性。用模式模拟资料和一次实测的超级风暴单体资料分别进行了反演试验，结果表明，采用该处理方案可以提高反演精度。     

一种改进的土壤水分平衡模式

将美国学者,Ｊ．Ｔ．Ｒｉｔｃｈｉｅ等研制的作物生长模拟模式（ＣＥＲＥＳ－小麦模式）中的土壤水分平衡子模式应用于我国半干旱地区甘肃省西峰市农业气象试验站固定地块麦地土壤水分的模拟,对原有模式中潜在蒸散、地表蒸发和作物蒸腾加以修正,同时,为增强模式的应用性能,引入一种由作物生育期来估算作物根系最大深度和土壤各层相对根密度的方法。改进后的土壤水分平衡模式取得较好的应用效果,为旱地农田土壤水分管理提供了一     

Performance of the Wind Farm Parameterization Scheme Coupled with the Weather Research and Forecasting Model under Multiple Resolution Regimes for Simulating an Onshore Wind Farm

We use the Wind Farm Parameterization(WFP) scheme coupled with the Weather Research and Forecasting model under multiple resolution regimes to simulate turbulent wake dynamics generated by a real onshore wind farm and their influence at the local meteorological scale. The model outputs are compared with earlier modeling and observation studies. It is found that higher vertical and horizontal resolutions have great impacts on the simulated wake flow dynamics. The corresponding wind speed deficit and turbulent kinetic energy results match well with previous studies. In addition, the effect of horizontal resolution on near-surface meteorology is significantly higher than that of vertical resolution. The wake flow field extends from the start of the wind farm to downstream within 10 km, where the wind speed deficit may exceed 4%. For a height of 150 m or at a distance of about 25 km downstream, the wind speed deficit is around 2%. This indicates that, at a distance of more than 25 km downstream, the impact of the wind turbines can be ignored. Analysis of near-surface meteorology indicates a night and early morning warming near the surface, and increase in near-surface water vapor mixing ratio with decreasing surface sensible and latent heat fluxes. During daytime, a slight cooling near the surface and decrease in the near-surface water vapor mixing ratio with increasing surface sensible and latent heat fluxes is noticed over the wind farm area.     

基于风向线性变化假定的单Doppler雷达风场IVAP反演技术

IVAP和扩展VAP技术是在常用的VAD和VAP技术基础上发展起来的单Doppler雷达风场反演技术.在IVAP和扩展VAP技术基础上,进一步改进IVAP技术,将IVAP技术反演假定从局地均匀扩展到局地风速均匀、风向随方位角线性变化,进而提高IVAP技术的反演能力.使用涡旋流场试验表明,改进后的IVAP技术对于风速稳定,而风向变化的风场的反演能力有明显提高.由于改进后的IVAP技术保持了IVAP技术反演时可不对原始资料进行平滑预处理,对于小尺度扰动具有滤波作用,其应用更为广泛.     

基于P-T模型估算雨养大豆田蒸散量

基于2005—2007年涡度相关系统实测值和小气候观测资料,利用Priestley-Taylor (简称P-T) 模型对三江平原雨养大豆田5—10月的蒸散量进行模拟和分析。结果表明:P-T模型参数α采用常规值1.26时,大豆出苗前和生长期模拟值明显大于实测值,大豆收割后模拟值明显小于实测值,模型不能用于模拟大豆田蒸散量。大豆生长期内参数α与叶面积指数呈对数正相关关系;当饱和水汽压差较小时,参数α与其呈幂函数正相关关系,当饱和水汽压差较大时,参数α与其呈幂函数负相关关系。大豆出苗前参数α与太阳辐射呈正相关关系,与饱和水汽压差呈负相关关系;大豆收割后参数α与风速呈显著正相关关系。依据回归方程修正参数α后,多个用于检验模型模拟效果的统计量均表明:P-T模型对不同时期大豆田蒸散量的模拟精度明显提高,能够较好地估算大豆田蒸散量。总而言之,P-T模型必须修正参数α方可用于估算三江平原雨养大豆田蒸散量。     

An Analytical Model for Mean Wind Profiles in Sparse Canopies

Existing analytical models for mean wind profiles within canopies are applicable only in dense canopy scenarios, where all momentum is absorbed by canopy elements and, hence, the effect of the ground on turbulent mixing is not important. Here, we propose a new analytical model that can simulate mean wind profiles within sparse canopies under neutral conditions. The model adopts a linearized canopy-drag parametrization and a first-order turbulence closure scheme taking into account the effects of both the ground and canopy elements on turbulent mixing. The resulting wind profile within a sparser canopy appears to be more like a logarithmic form, with the no-slip condition at the ground being satisfied. The analytical solution converges exactly to the standard surface-layer logarithmic wind profile in the case of zero canopy density (i.e., no-canopy scenario) and tends to be an exponential wind profile for a dense canopy; this feature is unique compared with existing analytical models for canopy wind profiles. Results from the new model are in good agreement with those from laboratory experiments and numerical simulations.     

城市近地面高分辨率快速风场模型构建与应用

介绍了城市近地面高分辨率快速风场模型的构建,以中尺度模式结果作为背景驱动场,5m分辨率建筑物资料作为模型数据输入,通过区块处理、分区函数插值和质量守恒约束,实现了在较短时间(2～3 h)内获得可覆盖城市尺度的高分辨率(10 m左右)的近地面风场。基于该模型对北京四环内主城区(20 km×19 km)在8个典型时刻的10 m分辨率风场进行了模拟和检验,结果如下:(1)在风速方面,模拟值与观测值相比往往会偏大些,夏季4个时刻模拟的准确率在90%以上,冬季4个时刻模拟的准确率在60%以上;在风向方面,8个时刻的准确率均在40%以上。(2)基于该风场模型模拟得到的高分辨率风场能够反映出北京主城区风的山谷风日变化特征;明显的风速大值区往往对应着粗糙度较小的下垫面,而一些密集高层建筑区域始终是流场凌乱的风速小值区。(3)以东二环某一区块为例,该高分辨率风场模型还可对重点街区的精细化风场特征进行展示,可以清晰地反映出流场因建筑物分布产生的分流、汇合、局部环流,以及尾流。综上所述,该城市风场模型为实现短时间内获得覆盖城市尺度的高分辨率近地面风场提供了有效途径。掌握城市尺度的精细化风环境特征,有助于识别亟需改善或限制开发的关键区域,辅助城市通风廊道的合理构建和实施,从而达到优化城市内部通风性能、缓解城市热岛、增加风环境舒适度的最终目标。     

8616号台风风场非对称研究

本文对8616号台风动力学特征和能量学特征量进行了计算和分析。研究结果表明,这个台风风速分布不对称,气旋性最大切向风位于台风右前象限。风速的垂直切变随台风加强而减弱。强流入位于台风南半圆300hPa以下,流入最大值在700hPa层附近。高层最强反气旋流出在150—100hPa层附近,流出主要位于台风北半圆。在台风内区,正涡度分布近似准对称,散度分布很不对称。这个台风垂直运动分布与台风的发展及位置有密切关系。台风整个生命期均具有暖心结构,250—200hPa附近增暖最明显。扰动期500hPa以上存在干燥层,