藏北高原高寒草甸地表粗糙度对地气通量的影响

利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所那曲高寒气候与环境观测研究站的BJ观测站2012年1 12月大气湍流观测资料及自动气象站观测资料,应用一种独立的确定地表动力学粗糙度Z0m的方法及两种热力学粗糙度Z0h的参数化方案(Z98和Y07),得出了Z0m和Z0h以及附加阻尼kB-1的变化规律。结果表明,Z0m在一定时间尺度(月、季)上存在着波动,Z0h在高原季风前、盛行期、衰退期有不同的日变化和季节变化特征。结合陆面模式CoLM将地表特征参数代入该模式进行数值模拟,初步探讨了地表粗糙度的变化规律及其对地表通量的影响,结果表明,Z0m的动态变化和Z0h参数化方案的改进提高了CoLM模式的模拟性能,模拟的地表通量更接近观测值。     

应用城市地表能量平衡方案研究城市冠层结构对城市热岛的热力影响

用南京大学区域边界层模式NJU-RBLM, 通过对一组理想试验的模拟, 研究了TEB方案 (town energy balance) 和SVAT方案 (soil－vegetation－atmosphere transfer) 模拟城市热岛现象的差异及本质原因, 发现TEB方案对城市热岛 (UHI) 尤其是夜间UHI模拟效果更优, 这是由于TEB方案具备较强模拟城市储热项的能力形成的。此外, 深入探讨UHI对大气边界层热力结构的影响, 发现UHI现象使城市和郊区的近地层位温廓线在清晨和傍晚都存在明显差异, 同时使城市区域气温全天高于郊区, 且日间城乡温差能达到的高度明显高于夜间。分析人为热源和建筑物冠层对UHI的影响时发现: 人为热源对UHI的影响在夜间强于白天, 而建筑物对白天城市湍能的影响强于人为热源的作用。     

泰来城市化对风影响研究

本文使用泰来气象站1971-2004年十六方位风速、风向资料,2009年7月-2010年6月气象站与附近测风塔10 m高度逐时风速、风向资料,分析城市化对风序列的影响。结果表明:泰来县年平均风速呈明显减弱趋势,每10 a大约下降0.36 m/s;泰来测风塔与气象站各方向风速比较,无论是风速差值,还是相对误差均表明城市对风速影响显著,对风向也有较大影响;结合城市空间布局及气象站在城市中的位置,分析泰来十六方位风速变化速率,发现各方向风速下降趋势较为明显,其中受城市影响较大方向风速减弱趋势明显,受城市影响小的方向风速减小趋势较弱。     

基于天津255m气象塔对近年天津近地面风和气温变化特征的研究

通过分析2010—2018年天津气象塔风、温度资料,对近年来天津城市边界层粗糙度、大气稳定度和逆温特征进行研究。结果表明:随着城市发展,气象塔周边各方向粗糙度和零平面位移明显增高,气象塔周边建筑物对80 m高度以下风场的影响较为明显。受湍流强度日变化影响,各季节中气象塔高层和低层风速日变化特征差异明显。通过温差-风速法计算大气稳定度发现稳定类层结多出现在秋冬季的夜间,稳定层结条件下逆温情况多发,其逆温强度、逆温层厚度和贴地逆温比例也明显高于不稳定和中性层结。天津城市热岛强度的时间分布表现出夜间强于白天,秋冬季强于春夏季的特征。城市热岛强度与大气稳定度时间分布具有一定相关性。     

海口城市化对热岛效应的影响

随着全球城市化快速发展、城市化水平逐渐提高,城市气候问题日益突出,城市热岛效应的形成机理也成为当前研究的热点。基于海口市2010—2015年社会经济、气象和Landsat卫星遥感数据资料,分析了海口市城市热岛强度变化和城市化发展对城市热岛效应的影响。结果表明,海口市的热岛强度逐渐增强,范围逐渐扩大。城市热岛强度具有明显的季节变化,春季最高,夏季和秋季逐次之,冬季最低。城市热岛强度与归一化建筑指数、人口密度和国内生产总值呈显著正相关,和归一化植被指数呈显著负相关,都通过了信度0.01的显著性检验。城市扩大植被面积在一定程度上有助于缓解城市热岛效应。     

中国高分辨率地表粗糙度分布研究

利用2010年欧洲空间局(ESA)最新发布的高分辨率全球土地覆盖卫星观测数据,研究中国地区的地表粗糙度分布。参考两个常用气象模式CALMET和WRF中有关土地覆盖类型与地表粗糙度的分配方案,分别建立ESA土地覆盖类型数据与地表粗糙度的映射关系,编制了水平分辨率约300 m的中国地表粗糙度分布,并与实际观测数据进行比较分析。结果表明:(1)使用ESA土地覆盖类型数据有利于反映地表粗糙度更细致的空间分布,但无法反映城市区域内部的粗糙度变化;(2)基于CALMET模式的映射关系给出的地表粗糙度数值系统偏高;(3)基于WRF模式的映射关系能够给出更合理的地表粗糙度,与实际观测更相符,并可部分反映地表粗糙度的季节变化。     

城市化对辽宁省近地面风速的影响分析

利用1979—2018年辽宁省逐月风速资料和再分析资料,结合卫星遥感分类方法,并采用UMR(urban minus rural)方法和OMR(observation minus reanalysis)方法定量分析了城市化对辽宁省近地面风速的影响。研究表明:近40年辽宁省年和四季风速均呈减小趋势,城市站的减小速率明显快于乡村站,UMR值的变化趋势为-0.11 m·s~(-1)·(10 a)~(-1),城市化影响贡献率为73.3%;空间分布上,辽宁中北部城市群减小趋势较明显,南部和东南部风速减小相对缓慢;UMR方法计算的城市化影响呈现自西向东逐渐增强的纬向分布形势。再分析资料的减小趋势与乡村站的减小趋势较接近,春季风速的减小速率最明显;OMR值的变化趋势为-0.10 m·s~(-1)·(10 a)~(-1),对应的城市化影响贡献率为66.7%,利用两种方法计算得到的城市化影响和贡献率较一致,均能在一定程度上反映城市化对风速的影响。空间分布上,再分析资料显示渤海海峡风速呈微弱增加趋势,风速减小的高值区位于渤海北部和黄海北部。两种方法计算的城市化影响空间分布均呈现为西部和南部受城市化影响较小、中东部受城市化影响较大,一致性较好。     

标量粗糙度对地气交换的影响

为提高地-气间感热和潜热通量的精度,利用Garratt的公式将标量粗糙度Z0T和Z0q引入BATS,对六种不同的植被作对比试验。结果表明:标量粗糙度Z0T和Z0q均远远小于动量粗糙度Z0,约相差3～10个数量级不等。晴天状况下,农作物区Z0/Z0T最小,约103,阔叶林最大,达1010;雨天状况下,各种植被间标量粗糙度的差异减小了。计算的地表温度、感热通量、潜热通量较原BATS的更为合理。     

城市化对石家庄站近地面风速趋势的影响

利用1972—2012年石家庄城市站和4个乡村站地面风速资料,采用城乡对比方法,对石家庄城市站地面风速序列中的城市化影响进行分析,结果表明,石家庄站年和季节平均地面风速和平均10 min最大风速的长期下降趋势,主要是由城市化因素引起。具体结论如下：(1)石家庄站年和四季平均风速、平均10 min最大风速和大风日数均呈极显著的减少趋势,年平均减少速率分别为-0.15 (m/s)/10a、-1.05 (m/s)/10a和-2.90 d/10a;乡村站年平均风速呈微弱下降趋势,年平均10 min最大风速减少较为明显,年大风日数减少趋势非常显著,减少速率分别为-0.02 (m/s)/10a、-0.21 (m/s)/10a和-2.19 d/10a。(2)石家庄站年平均风速下降趋势中的城市化影响为-0.13 (m/s)/10a,城市化影响非常显著,城市化贡献率达到86.0%。该站春、夏、秋、冬季平均风速变化的城市化影响分别为-0.16 (m/s)/10a、-0.10 (m/s)/10a、-0.13 (m/s)/10a和-0.15 (m/s)/10a,城市化贡献率分别为82.8%、87.6%、88.6%和85.4%。(3)石家庄站年平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响为-0.84 (m/s)/10a,城市化贡献率为79.7%;春、夏、秋、冬季平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响分别为-0.94 (m/s)/10a、-0.80 (m/s)/10a、-0.60 (m/s)/10a和-1.01 (m/s)/10a,城市化贡献率分别达到90.4%、78.6%、64.9%和79.1%。(4)城市化对石家庄站年大风日数减少的影响不显著,但冬季大风日数减少仍明显与城市化过程有关。     

藏北高原那曲地区不同下垫面地表粗糙度的变化特征研究

利用2008年、2010年和2012年藏北高原那曲地区MODIS卫星数据和站点大气湍流观测数据,分别应用Massman反演模型和一种确定地表粗糙度的独立方法,计算并分析地表粗糙度的时空变化特征并对反演模型进行验证,分析Z0m存在着明显的季节性变化特征。2—8月伴随冰雪消融与植被生长,Z0m逐渐增大,站点Z0m最大可达4～5 cm。9月至次年2月由于高原季风的衰退期等原因,Z0m逐渐减小,站点Z0m减小至1～2 cm。异常年份的降雪是Z0m明显低于常年的主要原因。依据Z0m的由小到大可以将下垫面分为冰雪类、稀疏草地类、茂盛草地类、城镇类4类,其中茂盛草地类和稀疏草地类分别占区域62. 49%和33. 74%,为主要类别,其Z0m年变化分别在2～6 cm和1～4 cm之间。两种计算方法得出的结论相关性较好,由于平均滑动作用,反演资料较实测计算结果偏小。整体而言,利用卫星数据反演算法计算的Z0m是可行的,并可应用于改进陆面模式参数,提高模式模拟的准确性,能更好的揭示区域的热通量交换。     

城市化对长沙市两气象站气温记录的影响

为深入认识城市对其附近气象站气温的影响,采用位于长沙市区东部和西部两个气象观测站的2007-2009年的逐日气温、风向和风速资料,结合地表覆盖特征数据,对比分析了两站气象记录差异,并通过改进的城市影响指数模型估算了气温资料中的城市影响偏差。分析显示：（1）2007-2009年东、西气象站逐月平均气温（T_mean）、最高气温（T_max）和最低气温（T_min）差异很大,最大差异分别可达0.90℃、0.83℃和1.34℃;（2）受城市及风向的影响,两气象站的逐月城市影响指数（K）差异较大,东、西站平均K值分别为2.01和1.50,年内同一台站的K值存在季节变化规律;（3）两站逐月△K与△T之间存在极显著正相关关系;（4）东、西两站2007年T_mean中的城市增温最大,分别达0.63℃和0.45℃。城市附近气象站气温记录受城市规模、风向和风速等因素影响明显,在分析长历时气候变化特征和利用站点记录数据进行空间分析时,有必要对气温数据进行订正。     

成都精细下垫面信息对城市气象影响的模拟试验

为了提高成都市精细化天气预报水平,使用成都地区精细下垫面土地利用资料,在WRF中耦合了单层城市冠层模式,对2008年7月6 日晴空背景下的成都城市气象特征进行了模拟,并和使用旧土地利用资料、slab模式的模拟结果进行了对比分析.模拟结果表明城区因为不透水下垫面的增加,使得地表蒸发和地表水汽通量显著减小,潜热通量减小,感...     

Observed Wind Profiles and Turbulence Fluxes over an ice Surface with Changing Surface Roughness

Wind profile and eddy-correlation data obtained at two sites on a melting glacier surface in Iceland during the summer of 1996 are presented. Throughout the experiment the surface roughness increased rapidly from smooth to very rough, with the largest roughness element height obtained being about 1.7 m. In a layer close to the rough surface we find that the wind speed profiles were disturbed showing horizontal inhomogeneities as in a roughness sublayer. Its height was approximately two times the height of the main roughness elements (h) at both sites throughout the experiment. From the wind profiles and eddy-correlation data we calculated corrections for the displaced zero plane as a function of time and compared these with results obtained from a drag partitioning model. In general, the agreement was reasonable considering the ranges of uncertainty but the results indicate that the increasing horizontal anisotropy of the surface probably limits the use of the model. The values obtained for the roughness lengths are in good agreement with those calculated from a simple linear model, i.e., z₀/h = 0.5 with the frontal area index. Above the roughness sublayer the wind profiles, normalised standard deviations of wind speed, and the balance of the turbulence kinetic energy budget behaved as over an ideal homogeneous surface thereby confirming similarity of the flow.     

Influence of a Two-scale Surface Roughness on a Neutral Turbulent Boundary Layer

Flow in the urban boundary layer is strongly influenced by the surface roughness, which is composed principally of isolated buildings or groups of buildings. Previous research has shown that the flow regime depends on the characteristic height of these obstacles (H), and the spacing between them (W). In reality, the urban boundary layer contains roughness elements with a wide range of length scales; in many practical situations these can be classified into large-scale roughness—buildings, or groups of buildings—and small-scale roughness, such as street furniture and elements on the façades and roofs. It is important to understand how the small-scale roughness might modify mass and momentum transfer in the urban boundary layer, but relatively little information is available concerning the potential interaction between large- and small-scale roughness elements in the different flow regimes. This problem has been studied using wind-tunnel experiments, by measuring vertical velocity profiles over a two-dimensional obstacle array, adding small-scale roughness elements to the top of larger parallel square bars. The experiments were performed for different cavity aspect ratios: the results show that the small-scale roughness increases the turbulence intensities and the momentum transfer when the large-scale obstacles are closely packed (H/W > 1) but it has very little effect for more widely-spaced obstacles (H/W < 1).     

长沙城市化进程对局地气候的影响

利用1961—2010年湖南省长沙及周边郊县共5个气象站的逐日气温、降水和相对湿度观测数据,在对各气象要素资料序列进行均一性检验和订正的基础上,以郊县站作为背景场,系统地分析了长沙城市化不同阶段对城市气候的影响。结果表明:受城市化的影响,近50年长沙市区地面气温及其上升速率远高于郊县的,城市热岛效应明显,热岛效应对市区年平均气温的增温贡献率达30%,且主要出现在20世纪90年代之后,四季中城市化贡献率的最大值出现在夏季,秋季和春季的次之,冬季的最小。50年来长沙市区和郊县年降水量差值序列呈显著增加趋势,长沙城市雨岛效应较为显著,且主要发生在春季和夏季,城市化带来的雨岛效应加速了长沙降水结构两极分化,使城市内涝发生的概率进一步增大。50年来长沙市区和郊县年平均相对湿度及其差值的变化趋势均不显著,就全年平均而言,长沙的城市干岛效应并不明显,但近20年来干岛效应显著增强;分季节来看,近50年干岛效应主要发生在夏季。     

On Sea Surface Roughness Parameterization and Its Effect on Tropical Cyclone Structure and Intensity

A new parameterization scheme of sea surface momentum roughness length for all wind regimes, including high winds, under tropical cyclone (TC) conditions is constructed based on measurements from Global Positioning System (GPS) dropsonde. It reproduces the observed regime transition, namely, an increase of the drag coefficient with an increase in wind speed up to 40 m s-1 , followed by a decrease with a further increase in wind speed. The effect of this parameterization on the structure and intensity of TCs...     

北京市城市化对地表温度时空特征的影响

分别采用常规气象数据和遥感资料,结合城市化发展总体水平不同的三大板块,分析北京市城市化对地表温度时空变化特征的影响。(1)将北京市1978—2006年常规气象站点的陆表温度(Land Surface Temperature,LST)观测资料与三大板块结合,分析城市化对LST年、季、白天、夜间、最大值和最小值的影响。发现1978—2006年期间,北京市三大板块LST均值总体上均呈上升趋势,且大多数情况下,第一板块的第二板块的第三板块的。(2)采用北京市2001年和2006年全年的EOS MODIS MOD 13归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)产品以及MOD11白天/夜间LST产品,分析城市化过程中下垫面变化对LST的影响。总体上,北京市2006年较2001年NDVI减少的比例为51.3%,白天LST升高的比例为73.74%,夜间LST升高的比例高达90.92%。(3)北京市2006年与2001年NDVI的差值以及白天、夜间LST的差值的联合分类结果表明,第一和第二板块均表现出2006年较2001年NDVI减少、白天LST增加的类别所占的百分比最大,分别占54.29%和40.95%,而且均大于其在第三板块中所占的比例34%,而三个板块中NDVI增加、白天LST减少的百分比与NDVI减少、白天LST增加的百分比之和均超过了50%。第一、第二和第三板块中2006年较2001年NDVI减少、夜间LST增加的类别所占百分比分别为51.67%、44.2%和42.46%。这些数据定量地说明了城市化过程中下垫面变化对白天、夜间LST的影响。     

Effect of Roughness on Surface Boundary Conditions for Large-Eddy Simulation

An important parameterization in large-eddy simulations (LESs) of high- Reynolds-number boundary layers, such as the atmospheric boundary layer, is the specification of the surface boundary condition. Typical boundary conditions compute the fluctuating surface shear stress as a function of the resolved (filtered) velocity at the lowest grid points based on similarity theory. However, these approaches are questionable because they use instantaneous (filtered) variables, while similarity theory is only valid for mean quantities. Three of these formulations are implemented in simulations of a neutral atmospheric boundary layer with different aerodynamic surface roughness. Our results show unrealistic influence of surface roughness on the mean profile, variance and spectra of the resolved velocity near the ground, in contradiction of similarity theory. In addition to similarity-based surface boundary conditions, a recent model developed from an a priori experimental study is tested and it is shown to yield more realistic independence of the results to changes in surface roughness. The optimum value of the model parameter found in our simulations matches well the value reported in the a priori wind-tunnel study.     

黄土高原半干旱区非均一下垫面粗糙度分析

利用2007年4月17日-2008年4月16日兰州大学半干旱气候与环境观测站边界层气象塔的风速、 风向、 温度、 气压、 湿度等观测资料, 采用经典的廓线法和风速、 风向标准差法, 分别计算了中性大气层结下观测站下垫面粗糙度长度, 并得到了具有黄土高原地理特征的地表粗糙度及其时空变化特征。计算结果表明, 季节变化对粗糙度的影响幅度可达0.159 m, 空间非均一性对粗糙度的影响幅度可达0.155 m。测站附近粗糙度春季为0.017 m, 夏季为0.062 m, 秋季为0.065 m, 冬季为0.018 m。测站西北方向上游粗糙度春季为0.17 m, 夏季为0.22 m, 秋季为0.34 m, 冬季为0.05 m。测站东南方向上游粗糙度春季为0.11 m, 夏季为0.17 m, 秋季为0.19 m, 冬季为0.05 m。该站下垫面粗糙度计算宜选用风速为6±1.5 m·s-1, 风向变化30°范围内的数据。