森林下垫面大气环境多尺度模拟研究

植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运.     

北京地区城市环境对云和降水影响的个例数值模拟研究

本文利用中尺度可分辨云模式(WRF,Weather Research and Forecasting)对2011年8月14日北京地区一次强降水过程进行了数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(包括城市气溶胶和城市地表)对北京地区云和降水的影响.研究结果表明:城市气溶胶污染增强和城市地表使得北京地区(城区和周边)降水量减少,对城区平均累积降水量的影响作用分别为-38.92%和-3.4%.降水系统向北京主城区移动过程中,城市气溶胶在城市环境影响降水过程中的作用逐渐减小为85.13%,城市地表的作用增加到14.87%.城市污染气溶胶增强,使得非降水性粒子增多,而降水性粒子减少,这不利于对流的发展增强,使得水汽的垂直输送减弱,导致区域降水量减小.城市地表对强对流的发展也表现为减弱作用,这使得水汽的垂直输送减小,区域降水量减小.     

大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献

大气和地表之间热辐射交换引起的地气温度耦合(即大气温度反馈)是影响地表能量收支平衡的重要因子.文章旨在阐述大气温度反馈机理,讨论影响其强度和空间分布的主要因子;并以全球变暖为例,论述大气温度反馈如何与外强迫和气候反馈过程耦合最终对全球增暖产生贡献.基于ERA-Interim再分析资料,利用地表反馈响应分析方法,计算大气温度反馈核,以此来阐述大气温度反馈的物理机制及其强度的空间分布与气候态温度、水汽和云水含量空间分布的关系,以及全球增暖加速期间大气温度反馈对全球平均表面温度增加的贡献.分析表明大气温度反馈过程主要通过与气候系统外强迫和内部过程的耦合作用,将各独立过程引起的地表能量收支异常信号放大.研究结果表明大气温度反馈显著放大了CO_2浓度升高、冰雪融化、水汽含量增加和海洋热量吸收减缓引起的地表增暖,削弱了云量增加引起的地表降温效应.同时,也放大了地表潜热通量增加造成的地表冷却效应.从全球平均结果来看,全球快速变暖前后,尽管外强迫和气候系统内部过程引起的全球平均总地面直接能量通量扰动为负,但大气温度反馈造成的全球平均总地面能量通量扰动却为正,且后者幅度远大于前者,这导致全球平均总地面净能量通量扰动正异常.由此可见,大气温度反馈对全球变暖起到了至关重要的作用.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

北京城市化对夏季大气边界层结构及 降水的月平均影响

为克服针对一次或几次天气过程研究城市化对边界层结构及降水影响的局限性,尝试研究北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响,本文首先总结了2006年8月份的主要天气过程,分析了气象站观测的10 m高度风速、2 m高度气温、2 m高度比湿和24 h降水的月平均分布特征,然后利用WRF/Noah/UCM模拟系统,进行了该月30个个例的高分辨率数值模拟及检验分析,并通过多组不同城市化情景的敏感性试验对比分析了城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响.研究表明:本文所用对高分辨率数值模拟结果进行月平均的方法可以较合理地模拟出城市化对大气边界层结构及降水的影响,并再现观测到的各站风频差异.8月份,北京城市化对气温的影响高度白天约为800 m,近地面气温升高1℃以上;夜间约为200 m,对近地面气温的影响达到最大(1.4℃以上).白天,城市化使城市及下风向的一些区域风速略有减小;夜间,城市及周边区域200 m以下风速明显减小,且在100 m左右高度处风速减小最明显,减小达0.8 m/s以上.城市化白天使700 m以下比湿减小,近地面处减小达1.2g/kg以上,夜间使近地面空气比湿略有减小.城市化对城市区域平均降水量的影响随城市发展的不同阶段而不同.初步模拟分析表明, 北京城市化已使上风向区域以及城区三环以内降水量减少,海淀和昌平降水明显增加.     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征

基于2012年涡动相关法取得的洱海湖气之间湍流通量资料,计算了湖面反照率、空气动力学粗糙度和整体输送系数等湖气交换过程的基本物理参数;分析高原湖泊表面动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征及其主要的控制因子;采用神经网络法对缺失蒸发量数据进行填补,估算了洱海湖面全年蒸发量。2012年全年蒸发量为（1165±15）mm,大于年实际降水量（2012年的年降水量为818mm）。洱海局地环流在全年范围内较显著;全年主导风向为东南（谷风／湖风）和西北风（山风／陆风）。高原湖泊感热通量通常只有每平方米几十瓦,通常午后感热通量为负值;即湖面向大气输送热量。夏季湖泊大气界面感热通量最大值出现在清晨,与湖气温差的出现时间一致;在白天湖面的有效能量主要分配为潜热通量;湖气温差和水汽压差分别是感热通量和潜热通量日变化的主要控制因子。湖气界面二氧化碳通量除夏季存在弱的吸收外,其余季节（冬季）表现为弱的排放。湖面反照率的季节变化规律与太阳高度角的季节变动有关,同时湖面反照率与水的浑浊度等有关。与实际观测得到的湖面反照率相比,CLM4湖泊模式在冬季低估（夏季高估）了湖面反照率。     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

利用回归修正方法改善区域耦合模式中的ENSO模拟

通过对数值实验的比较和分析, 提出了一种旨在改善区域耦合模式中ENSO模拟的回归修正方法. 该方法主要用于修正耦合模式中海气间交换的通量. 具体步骤如下: 首先, 利用多年的观测资料计算得到驱动海洋模式所需的动量及热量通量, 驱动海洋模式进行长期积分; 其次, 用海洋模式模拟的SST作为大气模式的边界条件, 相应积分大气模式; 再利用大气模式模拟变量和相应观测资料建立线性关系, 通过线性拟合得到修正系数; 最后, 利用随时间和空间变化的回归修正系数修正计算动量及热量通量的变量, 并用修正后的变量计算海气交换通量, 进行耦合模式积分. 同时利用一个热带太平洋-全球大气耦合模式对该方案及常用的“距平耦合”方案进行了检验. 结果表明, 该方案优于“距平耦合”方案, 不仅可以更好的控制气候“漂移”现象, 而且, 能够改善区域耦合模式在热带太平洋区域的ENSO模拟.     

城市规划中绿化布局对区域气象环境影响的数值试验研究

城市的植被覆盖对城市区域的气象环境有重要影响. 为了探讨利用区域边界层气象模式来研究这种影响的可行性,本文以北京为例,采用北京地区目前的城市规划资料以及拟议中的绿化方案,初步模拟分析了不同绿化带布局对北京市冬夏气象环境的影响,并进行了讨论. 同时对地气相互作用过程中的各种地面通量进行一些定量分析,以研究其对气象环境的影响. 通过本文工作发现,所用区域边界模式能够较细致地模拟出城市规划中绿化布局对区域气象环境的影响. 结果表明：绿化林和绿化草地的增加会导致地面风速减小,一般减小05m/s;在冬天算例中,北部绿化林和绿化草地会造成白天轻微增温,夜间微弱降温,幅度约为05～1℃, 东南面绿化带对市区内气象环境影响不大;在夏天算例中,北部绿化林使气温降低,最大幅度约为2℃,东南面绿化林降低北京市区南部的气温,有利于缓解北京夏季的高温灾害.     

城市冠层结构热力效应对城市热岛形成及强度影响的模拟研究

本文在城市边界层预报模式中耦合了一个单层冠层模式,此模式能够体现城市冠层结构和人为热源对城市热岛的共同作用.通过传统平板模式和城市冠层模式的模拟结果与自动气象站观测资料对比发现,耦合了城市冠层模式的模拟结果与观测资料更为吻合,尤其能够较好地模拟出城市地区夜间地面的气温变化情况.对北京城市区域的模拟结果进行分析,白家庄地区冠层建筑物使得城市地区气温白天下降,夜晚上升,不考虑人为热源作用时,城市冠层使得白家庄站地面气温白天最低下降2.5℃,夜间气温最大升高为4.7℃.针对模拟区域较小的理想算例模拟结果分析表明,城市冠层模式能够很好地模拟城市地区地表能量平衡关系,体现城市冠层对长短波辐射的封截以及热量存储能力,全天平均净辐射通量由传统模式的43.38 W/m²变为84.19 W/m²,热存储通量白天最大值为278.04 W/m²,夜晚最大释放热存储通量为160.35 W/m².冠层建筑物和人为热源对夜间城市热岛强度的贡献分别为70.65％和29.35％.城市冠层建筑物对夜间城市热岛的形成起决定性作用.     

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.     

人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究

用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究,结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案.人为热通量密度变化的敏感性试验结果发现：人为热源的存在对城市热岛的生成有重要作用.计算结果表明,南京现有的人为热源排放量对该地区的城市热岛贡献率约为296％,若人为热通量密度在现有量值的基础上增大1倍,则其热岛贡献率可达429％;此外,人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用,能明显升高夜间近地层气温达05～10℃,并能使白天湍流活动的影响范围增大,混合层高度抬高,使夜间城市热岛环流的影响范围扩大.     

Determination of regional land surface heat fluxes over a heterogeneous landscape of the Jiddah area of Saudi Arabia by using Landsat‐7 ETM data

In this study, a parameterization method based on Landsat‐7 Enhanced Thematic Mapper (ETM) data and field observations is presented and tested for deriving the regional land surface variables, vegetation variables and land surface heat fluxes over a heterogeneous landscape. As a case study, the method and two Landsat‐7 ETM images are applied to the Jiddah area of Saudi Arabia. The regional distribution maps of surface reflectance, normalized difference vegetation index, modified soil adjusted vegetation index (MSAVI), vegetation coverage, leaf area index, surface temperature, net radiation flux, soil heat flux, sensible heat flux and latent heat flux have been determined over the Jiddah area. The derived results have been validated by using the ‘ground truth’. The results show that the more reasonable regional distributions of land surface variables (surface reflectance, surface temperature), vegetation variables (MSAVI and vegetation coverage), net radiation, soil heat flux and sensible heat flux can be obtained by using the method proposed in this study. Further improvement of the method is also discussed. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Observational study of land-atmosphere turbulent flux exchange over complex underlying surfaces in urban and suburban areas

Based on observation data from urban observation stations in Nanjing and Suzhou at two heights in the roughness sublayer above the canopy and observation data at three heights in the SORPES station at the Xianlin Campus of Nanjing University in a suburban area, the of land-atmosphere turbulent flux exchange and the energy balance over complex underlying surfaces were analyzed. The results indicated that in the roughness sublayer above the canopy, the nearsurface momentum flux, sensible heat flux, and latent heat flux increase with height, and the observation value of the surface albedo increases with height. However, the observation value of the net radiation decreases with height, thus resulting in a change in the urban surface energy budget with height. At the SORPES station in the Xianlin Campus of Nanjing University located in a hilly area, the momentum flux, sensible heat flux, and latent heat flux of the ground observation field significantly differed from those of the two heights on the tower, while the two heights on the tower were extremely close. These results indicate that the flux observation over the complex underlying surface exhibits adequate local only when it is conducted at a higher altitude above the ground. The turbulent flux observation results at a lower altitude in urban areas are underestimated, while the turbulent flux observation results near the surface produce a large deviation over the underlying hilly complex.     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.     

A land surface model incorporated with soil freeze/thaw and its application in GAME/Tibet

Land surface process is of great importance in global climate change, moisture and heat exchange in the interface of the earth and atmosphere, human impacts on the environment and eco- system, etc. Soil freeze/thaw plays an important role in cold land surface processes. In this work the diurnal freeze/thaw effects on energy partition in the context of GAME/Tibet are studied. A sophisti- cated land surface model is developed, the particular aspect of which is its physical consideration of soil freeze/thaw and vapor flux. The simultaneous water and heat transfer soil sub-model not only reflects the water flow from unfrozen zone to frozen fringe in freezing/thawing soil, but also demon- strates the change of moisture and temperature field induced by vapor flux from high temperature zone to low temperature zone, which makes the model applicable for various circumstances. The modified Picard numerical method is employed to help with the water balance and convergence of the numerical scheme. Finally, the model is applied to analyze the diurnal energy and water cycle char- acteristics over the Tibetan Plateau using the Game/Tibet datasets observed in May and July of 1998. Heat and energy transfer simulation shows that: (i) There exists a negative feedback mechanism between soil freeze/thaw and soil temperature/ground heat flux; (ii) during freezing period all three heat fluxes do not vary apparently, in spite of the fact that the negative soil temperature is higher than that not considering soil freeze; (iii) during thawing period, ground heat flux increases, and sensible heat flux decreases, but latent heat flux does not change much; and (iv) during freezing period, soil temperature decreases, though ground heat flux increases.