关于用台站资料估算西北干旱区夏季感热通量的热力参数化比较

气象台站观测的气象要素可能受城市化等因子的影响而与野外试验站的观测存在一定的差异,这影响野外试验获取的热力参数直接应用于西北干旱区台站感热通量的估算。本文选取了一些常用的热力参数化方案(包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案),通过敦煌站夏季估算的感热通量与野外观测的比较以及对整个西北干旱区夏季感热通量的估算,评价了这些热力参数化对动量粗糙度的敏感性和在西北干旱区的适用性。结果显示,热力输送系数取定值的方案计算西北干旱区的感热通量可能存在较大不确定;台站的动量粗糙度可能受城市化等因子的影响,但在感热通量计算时建议取台站下垫面的动量粗糙度;Y08方案估算的感热通量相对比较合理,可以用来研究西北干旱区的夏季地表感热输送特征。     

一个确定大气近地层湍流输送的计算方案

在相似理论的基础上,提出了一个确定大气近地层湍流输送特征(包括气象要素风、温度的垂直分布廓线,以及大气和下垫面之间的动量和热量通量交换)的计算方案.并与Businger(1971)的迭代计算方案进行了比较.该方案计算结果较好,应用方便.     

玉树隆宝2014年冬季冻土积雪对陆气通量关键参数的影响分析

利用玉树隆宝湿地的观测资料,分析了未冻结、冻结和冻结有积雪覆盖三种情况下动量通量和感热通量的日变化情况,计算了三种情况下动量总体输送系数、感热总体输送系数、动力学粗糙度和热力学粗糙度,分析了附加阻尼和粗糙度雷诺数的关系,并将三种附加阻尼的参数化方案进行了比较,结果表明:冻结状态下动量通量和感热通量的日变化幅度最大,冻结有积雪覆盖时,动量通量和感热通量的日变化幅度最小。动量总体输送系数C_D和感热总体输送系数C_H的值在冻结时最大,冻结有积雪覆盖时最小,动力学粗糙度和热力学粗糙度在冻结状况下最小,冻结有积雪覆盖时最大。未冻结、冻结和冻结有积雪覆盖状态下,三种附加阻尼kB~(-1)参数化方案中,幂函数型方案较为合适。     

用变分方法估算淮河流域总体输送系数

利用2001年6～7月间在安徽肥西的边界层观测资料,利用变分方法计算地面动量通量和感热通量,进而分别估算该处动量总体输送系数和感热总体输送系数。用变分方法计算的地面粗糙度为0.03m。在中性条件下,10m高处平均动量总体输送系数和感热总体输送系数分别为4.83×10-3和3.81×10-3,比值是1.27。总体输送系数具有明显的日变化特征,中午时段最大,夜晚最小;总体输送系数与大气稳定度存在明显关联,文中给出它们之间的拟合关系式;随着高度的增加总体输送系数减少,但减少幅度逐渐变小。     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

Assessment of surface drag coefficient parametrizations based on observations and simulations using the Weather Research and Forecasting model

海气界面动量交换对台风发展起着重要作用,其估算公式依赖于拖曳系数。本文利用观测和台风模拟试验对八种拖曳系数参数化方案进行系统的评估。结果表明,相对于早期的参数化方案,近些年提出的参数化方案对拖曳系数的描述有了显著的改进,主要体现在高风速条件下。不同的拖曳系数参数化方案对超强台风"海燕"的模拟路径几乎没有影响,但是对其强度、尺寸和结构的模拟结果有显著影响。     

非均匀地表类型有效粗糙度的计算和特征分析

利用湍流通量相等原理和ECMWF的总体湍流输送系数参数化方案,研究了气候数值模式中非均匀地表类型的有效粗糙度计算问题。结果表明,当存在两种地表类型且粗糙变率为2.3时,有效粗糙度比通常采用的对数加权平均值大40％左右,相应的总体湍流输送系数大16％左右,光滑地表类型和粗糙地表类型所占面积百分比分别为60％和40％时,有效粗糙度及相应的总体湍流输送系数和相应的对数加权平均值之差最大,并且有效粗糙度对大气层结不敏感,因而在气候模式中有实用价值。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

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。     

稻麦轮作农田近地层湍流通量计算方案对比研究

稻麦轮作农田是我国典型农田类型,其模拟效果对我国农田气候模拟具有重要参考价值。气候中尺度模拟结果对近地层通量极为敏感,选择合适的通量计算方案对模拟效果至关重要。因此,对比分析稻麦轮作农田下不同的通量计算方案具有重要意义。本文选取了8种具有代表性的近地层湍流通量计算方案,采用寿县国家气候观象台实测资料对比分析了各方案在稻麦轮作农田的计算特征和差异。结果表明,在不同稳定度和不同风速情况下,各方案的误差特征各异。本文基于归一化标准差综合评价了各方案的准确度,总体而言,所有方案的动量通量总体平均归一化平均差为0.536,其中SS14(Sharan和Srivastava,2014年)方案最大为0.575,SS20(Sharan和Srivastava等,2020年)方案最小为0.517;所有方案的感热通量总体平均归一化标准差为0.638,其中GLGS20(Gryanik等,2020年)方案最大为0.871,SS14方案最小为0.476。此外,本研究还给出了稻麦轮作农田不同稳定层结和不同风速情况下各通量计算方案的误差特征。本文的研究结论,可为准确计算近地层湍流通量提供支撑。     

An Analytical Formulation of the Monin–Obukhov Stability Parameter in the Atmospheric Surface Layer Under Unstable Conditions

A non-iterative analytical scheme is developed for unstable stratification that parametrizes the Monin–Obukhov stability parameter \(\zeta \) (\({=}z{/}L\), where z is the height above the ground and L is the Obukhov length) in terms of bulk Richardson number (\(Ri_B\)) within the framework of Businger–Dyer type similarity functions. The proposed scheme is valid for a wide range of roughness lengths of heat and momentum. The absolute relative error in the transfer coefficients of heat and momentum is found to be less than 1.5% as compared to those obtained from an iterative scheme for Businger–Dyer type similarity functions. An attempt has been made to extend this scheme to incorporate the similarity functions having a theoretically consistent free convection limit. Further, the performance of the scheme is evaluated using observational data from two different sites. The proposed scheme is simple, non-iterative and relatively more accurate compared to the schemes reported in the literature and can be used as a potential alternative to iterative schemes used in numerical models of the atmosphere.     

A METHOD FOR DETERMINING TURBULENT TRANSFER IN THE ATMOSPHERIC SURFACE LAYER

Derivation of bulk transport coefficients helps solving land surface processes. A similarity-based method for determining the turbulent transfer (including the flux exchange, the vertical distribution of wind and potential temperature) in the atmospheric surface layer is presented. Comparisons with iterative schemes (Businger, 1971) are given to demonstrate the advantages of the calculation methods.     

Turbulent characteristics and bulk transfer coefficients over the desert in the HEIFE area

Observations of surface-layer turbulence and turbulent fluxes were made over a desert in northwestern China as a part of HEIFE (HEIhe river Field Experiment). These show that the normalized variations of the vertical wind component and of the air temperature obey Monin-Obukhov similarity well, especially in free convective conditions. However, the variations of specific humidity do not obey Monin-Obukhov similarity.Mean bulk transfer coefficients of sensible heat and momentum flux are obtained as functions of stability over a wide stability range from the observed data of turbulent fluxes and mast profiles. However, the bulk transfer coefficient for water vapor could not be obtained because of the large scatter of the data. In free convective conditions, the sensible heat flux was found to be approximately proportional to the 1.4 power of temperature difference between the surface and 20m. The bulk transfer coefficient of sensible heat is also obtained as a function of the bulk Richardson number for practical convenience.     

Stability Dependence of the Eddy-Accumulation Coefficients for Momentum and Scalars

From a set of turbulence data collected with a three-axis sonic anemometer/thermometer and described in a companion paper, we simulate the eddy-accumulation process for sensible heat and momentum fluxes. The resulting eddy-accumulation coefficient for momentum clearly depends on surface-layer stability; at neutral stability, its value is 0.63. On supplementing the scalar eddy-accumulation coefficients that we derive from our sensible heat flux data with values of sensible and latent heat flux coefficients reported by Businger and Oncley, we also find that scalar eddy-accumulation coefficients depend on stability, though more weakly than does the momentum coefficient. The coefficients for sensible and latent heat show no significant difference; we, thus, fit them with one function of stability whose value is 0.52 for neutral stratification.     

青藏高原总体输送系数的特征

利用中日亚洲季风机制合作研究计划设在西藏的 4个自动气象站（AWS）获得的5a多（199年7月～1998年12月）时次密集、观测连续的近地层梯度资料,以最小二乘法确定出相应站点各季节的地表粗糙度,并应用廓线-通量法计算了4站逐日的总体输送系数,分析了其随时间的变化特征。结果表明:青藏高原动量输送系数的多年平均值为3.53×10-3～4.99×10-3,热量输送系数为4.67×10-3～6.73×10-3,并且两种输送系数都存在明显的日变化和季节变化,部分站点还存在较明显的年际变化。另外,还讨论了总体输送系数与近地层大气层结稳定度、地表粗糙度以及地面风速等因子的关系,初步建立了可用常规气象站地面观测资料计算青藏高原总体输送系数的拟合公式。     

基于WRF模式的海面湍流通量参数化方案的研究

中尺度数值模拟结果特别是高影响天气的精细预报对近地层动量和热量通量极为敏感,因此近地层湍流通量参数化方案一直是大气科学研究中一个十分重要的课题.以TOGA-COARE观测试验资料为基础,本文将湍流通量参数化方案模块从天气研究预报(WRF)模式中提取出来,与最新研发的湍流通量参数化方案(即LGLC方案)进行对比测试分析....     

A comparison of airborne eddy correlation and bulk aerodynamic methods for ocean-air turbulent fluxes during cold-air outbreaks

Four bulk schemes (LKB, FG, D and DB), with the flux-profile relationships of Liuet al. (1979), Francey and Garratt (1981), Dyer (1974), and Dyer and Bradley (1982), are derived from the viscous interfacial-sublayer model of Liuet al. These schemes, with stability-dependent transfer coefficients, are then tested against the eddy-correlation fluxes measured at the 50 m flight level above the western Atlantic Ocean during cold-air outbreaks. The bulk fluxes of momentum (), sensible heat (H), and latent heat (E) are found to increase with various von Kármán constants (k _M for k _H forH, andk _E forE). Except that the LKB scheme overestimates by 28% (46Wm^–2), on the average, the fluxes estimated by the four bulk schemes appear to be in fairly good agreement with those of the eddy correlation method (magnitudes of biases within 10% for , 17% forH, and 13% forE). The results suggest that the overall fluxes and surface-layer scaling parameters are best estimated by FG and thatk _H <k _E . On the average, the FG scheme underestimates by 10% (0.032N m^–2) andE by 4% (12Wm^–2), and overestimatesH by 0.3% (0.5W m^–2). The equivalent neutral transfer coefficients at 10 m height of the FG scheme compare well with some schemes of those tested by Blanc (1985).The relative importance of various von Kármán constants, dimensionless gradients and roughness lengths to the oceanic transfer coefficients is assessed. The dependence of transfer coefficients on wind speeds and roughness lengths is discussed. The transfer coefficients for andE agree excellently between LKB and FG. However, the ratio of the coefficient forH of LKB to that of FG, increasing with decreasing stability, is very sensitive to stability at low winds, but approaches the neutral value of 1.25 at high winds.