计算非均匀地表通量的一种简化PDF及其应用

提出描述地表非均匀特性的简化概率密度函数（PDF），它可代替各种具体的PDF用于求解次网格尺度平均通量而不影响其精度，这种简化PDF可直接加入陆面过程模式方程组中进行陆－气通量交换的数值试验。它对非均匀地表陆面过程参数化具有一定的普适性。本文仅讨论了对称分布的简化计算（非对称分布另文讨论），列举了非均匀分布的观测事实，并以地表净红外辐射通量计算为例，详细验证了应用这种简化PDF的可行性和可靠性。     

非均匀下垫面陆面过程参数化问题研究进展

非均匀下垫面对陆面过程模式应用有着重要影响。若将下垫面一概视为均一,在很多情况下会影响模式模拟的准确性。本文详细介绍了目前非均匀地表陆面过程参数化的方法(Mosaic法、统计—动力法和其它方法),初步分析了这些参数化方法的缺陷,并简单探讨了陆面参数尺度转换问题,最后对今后研究的问题给出了建议,其中特别提出要寻找适当方法实现陆面物理量不同尺度间的转换。     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

非均匀地表条件下区域平均径流率的一种参数化方法及其模拟试验

从陆面水文过程的物理机制出发，引进概率统计分布理论，推导出一种由非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度非均匀径流率的解析表达式，从而将通常的次网格尺度地表径流的参数化方案（mosaic方法）改进为考虑网格区整体非均匀性的统计-动力参数化方案。文中用仿真模拟资料验证了该方案的可靠性与可行性，并作数值试验。结果表明，该方案切实可行。     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

沙漠绿洲非均匀分布引起的中尺度通量的数值模拟

为了研究大气环流模式次网格中尺度通量的参数化问题，本文发展了一个Pielke中尺度边界层与陆面过程的耦合模式，陆面过程模式中包括一个简单植被水热传输模式及一个裸土沙漠模式。利用这一耦合模式，对黑河试验区中沙漠和绿洲这种典型的非均匀下垫面进行了模拟，20多个数值试验的模拟结果表明:（1）中尺度通量在特定的情况下具有和湍流通量相当的重要性，因此，大尺度模式中对中尺度通量的参数化是十分必要的。（2）对于中尺度通量的发展存在一个明显的最优尺度和最优块数，即当绿洲尺度为60 km，3块时，中尺度通量最大。而且当块数增加到一定数目时，可以忽略非均匀效应。（3）背景风速的增大可以使中尺度通量减小；粗糙度的试验说明非均匀块之间的热力差异的减小可使中尺度通量非线性地减小。     

面积平均通量与光闪烁方法

本文是对近20年新发展的双波段光闪烁方法的一个综述.陆面过程模式常常是基于局地或斑块尺度上的观测发展的,其与大气模式较大网格尺度的不匹配,显然会对后者的效能带来很大影响.如何扩展野外实验站点的代表性尺度已成为当前更好地了解陆面过程,进而改善陆面过程模式与大气模式网格尺度匹配问题的关键.可用的面积平均通量观测方法,包括以...     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

海冰在大气环流模型中的重要作用

文章简要综述了次网格尺度海非均匀性大对大气环流模式性能的影响，南极冰在全球环流和短期气候变化中的作用，以及模式中不同的海冰反照率参数化对地表温度和辐射的影响等研究结果，说明海冰对极地海洋和大气的能量收支及短期气候变化有重要作用，不同的海洋参数化方案对气候模拟结果有重要影响。     

GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

本文采用中尺度数值预报模式GRAPES_Meso V3.3.2.5版本以及NECP的GFS资料,分别选用模式中不同陆面参数化方案(SLAB、LSM、NOAH)对2013年9月14-17日新疆强降水过程进行数值模拟试验,模拟的结果表明：陆面方案对主要雨带的落区和大致走向影响并不大,但对降强度的模拟还是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量存在一定差异,它们对降水中心落点、强度以及类型方面各有所长;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

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。     

A subgrid parameterization of orographic precipitation

Summary Estimates of the impact of global climate change on land surface hydrology require climate information on spatial scales far smaller than those explicitly resolved by global climate models of today and the foreseeable future. To bridge the gap between what is required and what is resolved, we propose a subgrid-scale parameterization of the influence of topography on clouds, precipitation, and land surface hydrology. The parameterization represents subgrid variations in surface elevation in terms of probability distributions of discrete elevation classes. Separate cloud, radiative, and surface processes are calculated for each elevation class. Rainshadow effects are not treated by the parameterization; they have to be explicitly resolved by the host model. The simulated surface temperature, precipitation, and snow cover for each elevation class are distributed to different geographical locations according to the spatial distribution of surface elevation within each grid cell.The subgrid parameterization has been implemented in the Pacific Northwest Laboratory's climate version of the Penn State/NCAR Mesoscale Model. The scheme is evaluated by driving the regional climate model with observed lateral boundary conditions for the Pacific Northwest and comparing simulated fields with surface observations. The method yields more realistic spatial distributions of precipitation and snow cover in mountainous areas and is considerably more computationally efficient than achieving high resolution by the use of nesting in the regional climate model.With 17 Figures     

Mosaic方法在非均匀下垫面上的适用性研究

在非均匀下垫面情况下, Mosaic方法是目前国际上广泛运用于模式中计算地表通量的方法.大量的研究表明, 下垫面的非均匀分布会引发局地环流, 非均匀分布的空间尺度较大时, 所引起的环流甚至可以达到海陆风的强度.这种环流的存在直接影响到次网格地表通量的计算.次网格地表非均匀分布, 尤其是大尺度模式中的次网格非均匀分布, 必将影响地表通量的计算.本文针对次网格地表非均匀问题, 设计了高分辨率的Mosaic试验和非均匀试验, 开展了不同背景风情况下的一系列数值试验, 以探讨这种影响的程度.结果表明, 在土壤湿度空间分布不均匀的情况下, 运用Mosaic方法计算得到的地表潜热通量偏小, 背景风较小的时候偏差较大, 背景风增强时偏差减小.     

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 ...     

陆面过程对气候影响的数值模拟:SSiB与IAP/LASG L9R15 AGCM耦合及其模式性能

利用陆面过程模式 SSi B与 IAP/LASG发展的 L9R1 5AGCM的耦合 1 0 a积分试验 ,研究了全球尺度大气与地表的水分和能量交换以及陆地与大气环流和气候的相互作用。模拟表明 :SSi B模式可模拟出陆地上较为真实的表面通量及其日变化 ,较好地定量描述土壤 -植被 -大气连续体系 ( SPAC)中能量和水分的传输过程。因此 ,将其引入气候模式中能够模拟出比 CTL- AGCM更合理的气候平均状态、水汽分布以及水汽输送的气候特征 ,特别是亚洲夏季风水汽输送独特的地域性 ,再现了大气环流 ,尤其是陆面气候的基本特征。并指出 ,陆面过程参数化的引进及其陆面状况的变化显著地改善了全球陆地上的水分平衡状况。利用改进的再循环降水模式 ,进一步研究了陆面过程参数化明显改进降水模拟的物理机制。指出全球陆地 ,特别是盛夏北半球干旱、半干旱地区的再循环降水率明显减小 ,与陆面上表面潜热通量的显著减小区一致 ,从而克服了许多未耦合陆面过程的 AGCMs因对地表水过程非常简单地参数化导致的普遍存在着整个陆地降水偏高 ,改善了全球陆地上的水分平衡状况。因此 ,在充分耦合的陆气环流模式中模拟的降水分布与实况接近。     

A simple parameterization of sub-grid scale open water for climate models

The effects of small fractions ( < 30%) of open water covering a grid element are currently neglected even in atmospheric general circulation models (AGCMs) which incorporate complex land surface parameterization schemes. Here, a method for simulating sub-grid scale open water is proposed which permits any existing land surface model to be modified to account for open water. This new parameterization is tested as an addition to an advanced land surface scheme and, as expected, is shown to produce general increases in the surface latent heat flux at the expense of the surface sensible heat flux. Small changes in temperature are associated with this change in the partitioning of available energy which is driven by an increase in the wetness of the grid element. The sensitivity of the land surface to increasing amounts of open water is dependent upon the type of vegetation represented. Dense vegetation (with a high leaf area index) is shown to complicate the apparently simple model sensitivity and indicates that more advanced methods of incorporating open water into AGCMs need to be considered and compared against the parameterization suggested here. However, the sensitivity of one land surface model to incorporating open water is large enough to warrant consideration of its incorporation into climate models.