干旱半干旱区非均匀地表区域能量通量的卫星遥感参数化

卫星遥感在估算非均匀地表区域能量通量时有其独到的作用。文中介绍了利用Landsat TM资料估算非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)量的参数化方案、研究结果和存在的难点问题。并提出了解决问题的可能途径。     

西北干旱区及高原上卫星遥感非均匀地表区域能量通量研究

介绍了目前利用Landsat TM和NOAA/AVHRR遥感资料进行非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)量研究的进展和存在的难点问题，并提出了解决问题的可能途径。     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。     

珠峰复杂地表区域能量通量的卫星遥感

珠峰地区地表状况十分复杂,既有冰川(雪山)、高寒草垫,又有裸露山地及荒漠戈壁.如何确定这样复杂下垫面上的地气间的区域能量通量,一直是困扰国内外科学家的难题.本文提出了一个利用卫星遥感资料结合地面观测求取珠峰地区区域地表特征参数(地表反射率与地表温度)、植被参数(NDVI、植被覆盖度、修正的土壤调整植被指数MSAVI及叶面指数LAI)和地表能量通量(净辐射通量、土壤热通量、感热通量及潜热通量)的参数化方案,并讨论了此方案的优缺点.     

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。     

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响.最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验.     

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.     

干旱及半干旱地区地表能量通量的卫星遥感参数化

对干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表能量通量的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。作者提出了一个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于中国西北地区“我国重大气候和天气灾害形成和预测理论的研究”(国家重点基础研究发展规划项目G1998040900,1999-2003)的“敦煌试验”区和“黑河试验”(HEIFE,1989-1994)区,并利用4个景(“敦煌试验区”:2000年6月3日-初夏、2000年8月22日-夏末和2001年1月29日-冬天:“黑河试验”区:1991年7月9日-夏季)的陆地资源卫星Landsat5 TM和Landsat-7 TM资料进行了分析研究,得到了有关干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的分布图像。最后还讨论了参数化方案的适用范围和需改进之处。     

白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究——实验介绍及近地层微气象特征分析

介绍了国家自然科学基金重点项目 "地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究" 在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验(时间分别是2004年11月16～22日和2005年9月8～27日),这两次实验获得了大量宝贵的资料,全面深入的资料分析正在进行中.此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析.结果表明: 陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大,而风速比水域上的小,其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高,夜间比水域上的低,11月份两地白天气温接近,但夜间陆地上的气温明显偏低; 无论是9月还是11月,水域上近地面层都是以下沉气流为主,而陆地则在中午前后存在弱的上升运动; 9月份,两地的近地面层短波射入辐射比较接近,但水域上的短波射出辐射比陆地上的大; 长波射入辐射则是陆地比水域的大,而长波射出辐射则是水域的比陆地的大; 两地的净辐射白天接近,夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大; 9月份,水陆两地的感热通量相差不大,为150～200 W/m2,而潜热通量比感热通量大,天气晴朗时可达到300 W/m2; 11月份,陆地的感热通量比潜热通量大,为100～120 W/m2,而水域地区的感热通量则与潜热通量相当; 两地的潜热通量相差不大,一般不超过50 W/m2.无论是9月还是11月,水域地区夜间都存在水汽向下输送的逆湿现象,而陆地只在9月份存在逆湿现象.2005年9月份的水温观测结果表明,白洋淀水体平均温度比水表平均温度明显偏高,而且日变化幅度很小,水表平均温度则日变化较大.     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

卫星遥感确定沙特阿拉伯吉达地区非均匀地表区域地表参数和能量通量

对临海沙漠地区非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)的研究,是一个十分重要但又是一个难点问题。本文提出了1个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其应用于沙特阿拉伯吉达地区,利用1个景的陆地资源卫星Landsat-7E^TM^ 资料进行了分析研究,得到了一些有关临海沙漠地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的新概念。最后讨论了所提出的参数化方案的适用范围和需改进之处。     

GAMIL模式海气湍流通量参数化方案的改进及其对大气环流年际变率模拟效果的影响

通过引人中尺度对流运动对海表湍流通量的贡献,改进了大气环流模式GAMIL1.0的海气湍流通量参数化方案.利用1979年1月至2000年12月的观测海温资料驱动GAMIL1.0模式,研究了海气湍流通量参数化改进对大气环流年际变化模拟效果的影响.结果表明:采用改进的海气湍流通量参数化方案,模拟的热带海表湍流热通量得到增强,...     

Spectral Structure of Small-Scale Turbulent and Mesoscale Fluxes in the Atmospheric Boundary Layer over a Thermally Inhomogeneous Land Surface

Spectral analysis was performed on aircraft observations of a convective boundary layer (CBL) that developed over a thermally inhomogeneous, well-marked mesoscale land surface. The observations, part of the GAME-Siberia experiment, were recorded between April and June 2000 over the Lena River near Yakutsk City. A special integral parameter termed the ‘reduced depth of the CBL’ was used to scale the height of the mixed layer with variable depth. Analysis of wavelet cospectra and spectra facilitated the separation of fluxes and other variables into small-scale turbulent fluctuations (with scales less than the reduced depth of the CBL, approximately 2 km) and mesoscale fluctuations (up to 20 km). This separation approach allows for independent exploration of the scales. Analyses showed that vertical distributions obeyed different laws for small-scale fluxes and mesoscale fluxes (of sensible heat, water vapour, momentum and carbon dioxide) and for other variables (wind speed and air temperature fluctuations, coherence and degree of anisotropy). Vertical profiles of small-scale turbulent fluxes showed a strong decay that differed from generally accepted similarity models for the CBL. Vertical profiles of mesoscale fluxes and other variables clearly showed sharp inflections at the same relative (with respect to the reduced depth of the CBL) height of approximately 0.55 in the CBL. Conventional similarity models for sensible heat fluxes describe both small-scale turbulent and mesoscale flows. The present results suggest that mesoscale motions that reach up to the relative level of 0.55 could be initiated by thermal surface heterogeneity. Entrainment between the upper part of the CBL and the free atmosphere may cause mesoscale motions in that region of the CBL.     

Evaluation of the CAM and PX Surface Layer Parameterization Schemes for Momentum and Sensible Heat Fluxes Using Observations

In this study, the performances of the Community Atmosphere Model (CAM) and Pleim–Xiu (PX) surface layer parameterization schemes are investigated by using field observations. The parameterization schemes are evaluated against continuous momentum and sensible heat flux observations measured at two flat and homogeneous grassland sites in the suburb of Nanjing, eastern China. The observations were conducted from 30 December 2014 to 18 April 2017 at Jiangxinzhou and from 9 February 2015 to 26 March 2018 at Jiangning. It is found that the momentum flux is overall in good agreement with the observation, and the sensible heat flux is overestimated. The parameterizations of the momentum and sensible heat fluxes well capture the diurnal and seasonal patterns seen in the observations at the two sites. At Jiangxinzhou, the PX parameterization underestimates the momentum flux throughout the day and the CAM parameterization slightly overestimates it around the noon, while they underestimate the momentum flux throughout the year. The two parameterizations overestimate the sensible heat flux in the daytime as well as over the entire year. At Jiangning, the two parameterizations overestimate the momentum flux throughout the day and the sensible heat flux in the daytime, and overestimate both of them over the entire year. The two parameterizations are not significantly different from each other in reproducing the turbulent fluxes at the same site, while they perform differently at the two sites in terms of statistics. In addition, the parameterized fluxes increase with increased roughness length.     

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。     

Effects of Crop Growth and Development on Land Surface Fluxes

In this study, the Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis model (CERES3.0) was coupled into the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), which is called BATS CERES, to represent interactions between the land surface and crop growth processes. The effects of crop growth and development on land surface processes were then studied based on numerical simulations using the land surface models. Six sensitivity experiments by BATS show that the land surface fluxes underwent substantial changes when the leaf area index was changed from 0 to 6 m2 m-2. Numerical experiments for Yucheng and Taoyuan stations reveal that the coupled model could capture not only the responses of crop growth and development to environmental conditions, but also the feedbacks to land surface processes. For quantitative evaluation of the effects of crop growth and development on surface fluxes in China, two numerical experiments were conducted over continental China: one by BATS CERES and one by the original BATS. Comparison of the two runs shows decreases of leaf area index and fractional vegetation cover when incorporating dynamic crops in land surface simulation, which lead to less canopy interception, vegetation transpiration, total evapotranspiration, top soil moisture, and more soil evaporation, surface runoff, and root zone soil moisture. These changes are accompanied by decreasing latent heat flux and increasing sensible heat flux in the cropland region. In addition, the comparison between the simulations and observations proved that incorporating the crop growth and development process into the land surface model could reduce the systematic biases of the simulated leaf area index and top soil moisture, hence improve the simulation of land surface fluxes.     

Interaction between Wind and Temperature Fields in the Planetary Boundary Layer for a Spatially Heterogeneous Surface Heat Flux

Interaction between wind and temperature fields in the planetary boundary layerfor a spatially heterogeneous surface heat flux has been investigated using large-eddysimulation. It is shown that a substantial difference exists in the wind and temperaturefields, depending on whether the directions of the background wind and the surfaceheat flux variation are parallel or perpendicular.When they are parallel to each other, two-dimensional plumes induced by theheterogeneous surface heat flux are easily destroyed by the background wind,and the velocity field is strongly modified by convective eddies compared tothe case when they are perpendicular to each other. This leads to a substantialdifference in the profiles of turbulent kinetic energy and its flux.It also results in a difference between the two cases in the bulk properties of theplanetary boundary layer, such as the entrainment at the top of the planetary boundarylayer and the drag at the bottom, which have important implications for boundary-layermodelling. The difference between the two cases exists even when the background windspeed is as large as 15.0 m s^-1. Meanwhile, the contrast between two cases is weakened by the Coriolis force.     

太平洋湍流热通量异常与中国夏季降水年代际变化

采用NCEP/NCAR再分析感热、潜热资料,利用EOF方法,分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征及其与中国夏季降水的关系。分析结果显示,1951—2003年夏季太平洋湍流热通量距平的年代际分量的EOF前3个模态的方差贡献率分别为32.27%、12.52%、11.10%,且这3个模态分别与中国华北、华南和东北地区夏季降水的年代际关系密切;太平洋湍流热通量年代际异常EOF第1模态的时间系数与东亚夏季风指数年代际变化有显著的负相关。20世纪70年代中期以前,太平洋湍流热通量异常偏多,东亚夏季风偏强,对应华北降水偏多;20世纪70年代中期以后,太平洋湍流热通量异常偏少,东亚夏季风偏弱,对应华北夏季降水减少,干旱化趋势明显。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

荒漠戈壁下垫面表面动量和感热湍流通量参数化研究

用合理筛选以后的野外观测资料，研究了荒漠戈壁地表湍流通量参数化的问题。首先，分析了Monin-obukhov相似函数的特征，并拟台出了其经验公式。结果表明，风速和温度相似性函数随稳定度参数的变化曲线与典型经验曲线差异较小，并且在经验曲线分布范围以内，但中性时的值有所不同。同时，还用该资料给出了动量和标量粗糙度(感热粗糙度)长度的平均值及其标量粗糙度随摩擦速度的变化关系。发现标量粗糙度的平均值大约比动量粗糙度的小一个量级，并且随摩擦速度的增大而减小，但明显比其理论预测值要大。