长三角城市群非均匀性对区域热岛效应影响的数值模拟

使用中尺度数值模式WRF3.9/Noah/UCM,对长三角地区无明显天气过程的2013年8月11至17日一周进行数值模拟,采用2013年500 m分辨率的MODIS数据更新土地覆盖资料,依据城镇比例将城市下垫面进一步分类为高中低3种类型,以此研究长三角城市群非均匀性对区域热岛效应的影响。结果表明:长三角城市群近地面气象要素场对城市下垫面的非均匀性比较敏感,平均热岛强度、干岛强度和风速衰减相较于不考虑城市非均匀性分别减小了16.41%、20.04%和6.25%;受背景风场影响,白天城市群的热岛强度弱于夜晚,均有向下游扩展现象,且内陆城市的热岛强度和干岛强度较沿岸区域更强;相比于均匀城市下垫面试验,考虑非均匀城市影响后,整体热岛强度和干岛强度减弱;白天垂直热岛环流结构明显,整体可以伸展至2 km高度,在东南风背景下,热岛上游高密度城市的热岛环流会抑制下游热岛环流发展,考虑城市非均匀性后,上游效应更显著;热岛强度受非均匀性影响在傍晚和夜间最高减弱可达0.2℃,且进入较强热岛的时间会推迟,维持时间也将缩短。因此,忽略城市下垫面的非均匀性,可能会高估区域热岛效应。     

非均匀下垫面大气边界层研究进展

总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的“冷湿岛效应”,并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构．阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和城市中绿地和水体的微气候效应．比较分析了不同陆面参数化方案以及边界层气候模式,提出未来在热力与动力非均匀的结合、湿地下垫面的数值模拟、城市复杂下垫面参数化以及气候模式的耦合等方面尚需进行深入的研究．     

城市下垫面空气动力学参数确定方法研究综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数,对于城市下垫面,粗糙元的形态非常复杂,空间分布上存在较大的非均匀性,如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法,包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作,并且提出,通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入,粗糙元形态学方法会有更好的发展前景。     

城市下垫面空气动力学参数确定方法综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数,对于城市下垫面,粗糙元的形态非常复杂,空间分布上存在较大的非均匀性,如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法,包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作,并且提出,通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入,粗糙元形态学方法会有更好的发展前景：     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。     

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

下垫面非均匀性的模拟

用美国大气科学中心ＧＥＮＥＳＩＳ模式中的陆面过程方案,我们在一个全球大气模式网格尺度范围内,研究了来自非均匀下垫面的水汽,能量等通量。基于３种不同的模拟下垫面非均匀性的方法,即马赛克法、混合法以及显式次网格法,我们设计了４种不同的试验。模拟结果表明,３种方法计算出的结果有很大的不同：地面吸收的太阳辐射差异达４％;感热通量达１２％;潜热通量达６６％;土壤水分可达３０％。这一结果说明有必要用实测数据来检验不同的模拟下垫面非均匀性的方法以及用区域气候模式来模拟下垫面的非均匀性。     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。     

大气气溶胶尺度分布分形特征研究

气溶胶作为大气环境中的重要组成部分,具有复杂的尺度分布结构。为研究其尺度分布特征,采用分形理论首先论述了常用的气溶胶谱分布函数具有分形不变性,然后在分形理论的指导下分别建立了气溶胶粒子和体积分形统计模型,而且以AERONET相关数据验证了分形模型的有效性和实用性,并采用分段分形的方法改进了气溶胶体积分形模型。最后分析研究了分维数的实用意义和分布情况,讨论了气溶胶分维数变化和粒度分布的关系。结果表明：气溶胶粒子数和体积分维数之间存在线性关系,上半年的大气溶胶粒子数分维数的变化幅度明显小于下半年的变化幅度;研究区域大气气溶胶中细粒子分布比较密集,大粒子分布比较分散。分形理论为研究大气气溶胶的尺度分布特征提供了新的方法与手段,具有广阔的研究与应用前景。     

北京城市下垫面动力学参数的计算与分析

采用北京325 m铁塔2008—2012年的单层超声观测资料,基于莫宁-奥布霍夫相似理论(Monin-Obukhov similarity theory)和前人提出的最小误差分析方法,计算了铁塔周边下垫面的零平面位移高度和动力粗糙度长度。结果表明,由于铁塔位于北京市区,其周边下垫面呈现极其复杂的非均匀性,所以对应铁塔周边不同的扇区,零平面位移高度和动力粗糙度长度各有不同。平均而言,在2008—2012年间,铁塔周边下垫面的零平面位移高度为34.4 m,动力粗糙度长度为1.16 m。此外,综合前人的计算结果发现,铁塔周边的零平面位移高度和动力粗糙度长度在2001年之前呈显著增加的趋势,而在2001年以后并未增长,这一现象与铁塔周边的城市化进程相对应。     

Fractal analysis of climatic data: Mean annual temperature records in Hungary

Summary Rescaled range analysis of the annual mean surface air temperatures at 7 meteorological stations in Hungary for the period of 1901–1991 indicates that the considered temperatures are fractals with a mean fractal dimension of 1.23 ± 0.01. This value compares favourably with the fractal dimensions of other climatic records, both on small time scale of 10–100 years and for time spans 10³–10⁶ years. Possibly such fractal dimensions are characteristic of climate change over the whole spectral range of 10 to 10⁶ years. If this assumption becomes confirmed through analysis of a wider set of climatic records, long-range climatic prediction (in statistical sense) on different time scales will appear feasible.With 4 Figures     

A global analysis of land take in cropland areas and production displacement from urbanization

Urban growth has received little attention in large-scale land change assessments, because the area of built-up land is relatively small on a global scale. However, this area is increasing rapidly, due to population growth, rural-to-urban migration, and wealth increases in many parts of the world. Moreover, the impacts of urban growth on other land uses further amplified by associated land uses, such as recreation and urban green. In this study we analyze urban land take in cropland areas for the years 2000 and 2040, using a land systems approach. As of the year 2000, 213 Mha can be classified as urban land, which is 2.06% of the earth’s surface. However, this urban land is more than proportionally located on land that is suitable and available for crop production. In the year 2040, these figures increase to 621 Mha, or 4.72% of all the earth’s surface. The increase in urban land between 2000 and 2040 is also more than proportionally located on land that is suitable and available for crop production, thus further limiting our food production capacity. The share of urban land take in cropland areas is highest in Europe, the Middle-East and Northern Africa, and China, while it is relatively low in Oceania and Sub-Saharan Africa. Between 2000 and 2040, urban growth caused the displacement of almost 65 Mton of crop production, which could yield an expansion of up to 35 Mha of new cropland. Land-use planning can influence both the location and the form of urbanization, and thus appears as an important measure to minimize further losses in crop production.     

鄂尔多斯市城区发展对局地大气环境影响的数值模拟

选取鄂尔多斯市东胜区为代表区域。基于该区域1961—2006年定时地面气象观测资料和2002—2006年08时、20时各标准层探空以及2001—2006年主要污染源源强、1961—2006年社会经济数据、2002年卫星遥感反演资料、2003—2020年城市总体规划资料等,利用区域边界层模式模拟方法,分析鄂尔多斯市城市化进程对局地大气环境的影响。结果表明：东胜区发展后（2020年）气温低于现状（2002年）,使城区中心气温与周边地区气温差异变小,对城区大气环境的改善较为有利。东胜城区扩展后,在污染严重的冬季,气流辐合区域减少,辐散能力增强,对减轻城区污染和改善大气环境有利。城区拓展后由于下垫面等布局发生变化,气流场变化较大,但从污染物的扩散能力来看,按规划发展后城区污染轻于现状。     

All-Sky Surface Radiation and Clear-Sky Surface Energy Budgets: Summer to Freeze-Up in the Western Maritime Arctic

The 2009 ArcticNet expedition was a field campaign in the Amundsen Gulf–eastern Beaufort Sea region from mid-July to the beginning of November aboard the CCGS Amundsen that provided an opportunity to describe the all-sky surface radiation and the clear-sky surface energy budgets from summer to freeze-up in the data sparse western maritime Arctic. Because the fractional area of open water was generally larger than the fractional area of ice floes, the net radiation at the water surface controlled the radiation budget. Because the water albedo is much less than the albedo of the ice floes, the extent and duration of open water in summer is an important albedo feedback mechanism. From summer to freeze-up, the net all-sky shortwave radiation declined steadily as the solar angle lowered, while coincidently the net all-sky longwave radiation became increasingly negative. The all-sky net surface radiation switched from positive in summer to negative during the freeze-up period. From summer to freeze-up, both upward and downward turbulent heat fluxes occurred. In summer, a positive surface energy budget residual contributed to the melting of ice floes and/or to the warming of the Arctic Ocean's mixed layer. During the freeze-up period, with temperatures below approximately ?5°C, the residuals were mainly negative suggesting that heat loss from the ocean's mixed layer and heat released by the phase change of water were significant components of the energy budget's residual.     

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。     

Short-term climate variability and its stochastic modeling

Summary The structure of the temporal variability of temperature records has been investigated by means of different statistical methods including also fractal analysis. Data both from meteorological stations and averaged over wider networks show very similar behaviour; combine a long-run persistence (characterized by a fractal dimension ofD = 1.2–1.3) and short-run properties indicating high year-by-year variability. Synthetic temperature records were created with the use of Mandelbrot's fast fractional Gaussian noise generating algorithm. These fractal sets show the same stochastic properties as real temperature records do, and have even a very similar appearance. The results suggest that the fractal reconstruction algorithm could be used to extrapolate the present tendencies to the future and to forecast future fluctuations.With 8 Figures     

Fractal analysis of climatic data: Annual precipitation records in Spain

Summary The rescaled range analysis was applied to the annual precipitation series from 10 weather stations in Spain for the period 1901–1989. The analysis reveals that the series of precipitations fits a fractal distribution, with a mean fractal dimension of 1.32 ± 0.01. This lies in the same order of magnitude as the fractal dimensions obtained from other macrometeorological and paleoclimatic registers. The favourable comparison between fractal dimensions of the variables on both small time scales and long-term time spans suggests that such values are characteristic of climatic change over the spectral range of 10 to 10⁶ years. The results contribute to the establishment of this assumption as a valid hypothesis for the interpolation of climatic change from one scale to the next, and also in applications such as hydrological design.With 2 Figures     

Classification of daily solar irradiation by fractional analysis of 10-min-means of solar irradiance

Summary This paper deals with fractal analysis of daily solar irradiances measured with a time step of 10 minutes at Golden and Boulder located in Colorado. The aim is to estimate the fractal dimensions in order to perform classification of daily solar irradiances. The estimated fractal dimension and the clearness index KT are used as classification criteria. The results show that these criteria lead to three classes: clear sky, partially covered sky and overcast sky. The results also show that the evaluation of the fractal dimension of the irradiance signal based on a data set with 10 minutes time step is possible.