下垫面非均匀流域的幂指数TOPMODEL的模拟研究

利用取消流域土壤表层饱和导水率0K、土壤饱和导水率有效衰减系数m和地下水补给速率R为空间均匀假设的幂指数TOPMODEL,对流域水量平衡各分量进行敏感性研究试验,揭示空间非均匀性对幂指数TOPMODEL模拟结果的影响。从特定研究流域所得结果中可得的主要结论有:1)0K、m和R的空间变化对流域的逐日地表径流和基流以及逐日总径流有影响,针对设定的0K、m和R的空间变化,其中m的空间变化较明显地增加了逐日地表径流和洪峰流量。2)就设定的0K、m和R的空间变化而论,对流域多年平均年总径流以及蒸发模拟结果影响不大,但改变了径流在地表径流和基流之间的分配;其中R的空间变化影响最显著,m和0K的空间变化影响则较小。     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

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．     

地表粗糙度非均匀性对模式湍流通量计算的影响

理论分析和数值试验结果表明,地表参量的不均匀性对网格区地表湍流通量的计算有重要影响。近中性大气层结条件下,次网格粗糙度长度的变差系数、网格平均粗糙度及参考高度的选取是影响网格湍流通量计算的主要因素,其中次网格粗糙度长度的变差系数对计算偏差起主要决定作用。实际计算表明,某些特定地区(如植被气候过渡带)粗糙度的地表非均匀性引起的计算相对误差可达40%以上,选取特定的参考高度能改善高网格湍流通量计算的效果。非中性大气层结条件下,由地表粗糙度不均匀性所致的平均风速、位温梯度以及近地层大气稳定度的次网格分布都对网格湍流通量(感热通量)计算产生影响,比较而言,相对误差大小对大气稳定度的次网格分布最为敏感。所以,在目前的数值模式中有必要进一步对湍流通量计算过程中由于地表不均匀性产生的计算偏差加以考虑。     

地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响

次网格尺度地表非均匀性对于网格区平均通量具有重要影响。若将网格区视为均一地表 ,并不能真实描述地 气通量交换过程 ,且可造成很大误差。文中从理论上证明 ,区域平均水分通量的变化率可分解为两部分 :第一部分为区域水分通量的算术平均变化率 ;第二部分为非均匀性所引起的水分通量变化率扰动 ,它与区域内土壤水分空间分布的变差系数有关。数值试验表明 ,地表土壤水分的水平空间变差系数集中反映了区域内土壤水分分布的非均匀程度 ,不同土壤对同样的非均匀程度其敏感性是不同的。变差系数愈大 ,非均匀性愈强 ,在相同的土壤水分平均值下 ,不同土壤类型对地表非均匀程度的敏感性并不相同。例如沙土和粘土受非均匀性的影响就可相差数十倍。     

非均匀地表条件下区域平均径流率的一种参数化方法及其模拟试验

从陆面水文过程的物理机制出发，引进概率统计分布理论，推导出一种由非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度非均匀径流率的解析表达式，从而将通常的次网格尺度地表径流的参数化方案（mosaic方法）改进为考虑网格区整体非均匀性的统计-动力参数化方案。文中用仿真模拟资料验证了该方案的可靠性与可行性，并作数值试验。结果表明，该方案切实可行。     

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。     

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.     

关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论

本文是该会议关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论总结,涉及大气边界层观测试验、M-O相似理论的适用范、非均匀陆面边界层参数化、非均匀下垫面能量平衡、城市边界层,以及大气边界层湍流结构与特征等方面。希望这些讨论能为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。     

沙漠绿洲非均匀分布引起的中尺度通量的数值模拟

为了研究大气环流模式次网格中尺度通量的参数化问题，本文发展了一个Pielke中尺度边界层与陆面过程的耦合模式，陆面过程模式中包括一个简单植被水热传输模式及一个裸土沙漠模式。利用这一耦合模式，对黑河试验区中沙漠和绿洲这种典型的非均匀下垫面进行了模拟，20多个数值试验的模拟结果表明:（1）中尺度通量在特定的情况下具有和湍流通量相当的重要性，因此，大尺度模式中对中尺度通量的参数化是十分必要的。（2）对于中尺度通量的发展存在一个明显的最优尺度和最优块数，即当绿洲尺度为60 km，3块时，中尺度通量最大。而且当块数增加到一定数目时，可以忽略非均匀效应。（3）背景风速的增大可以使中尺度通量减小；粗糙度的试验说明非均匀块之间的热力差异的减小可使中尺度通量非线性地减小。     

黑河实验区非均匀地表能量通量的数值模拟

利用三维非静力RAMS模拟研究了黑河实验区非均匀地表能量通量，模拟结果表明：绿洲地表净辐射通量较沙漠戈壁大；绿洲及沙漠戈壁下垫面上的Bowen比分别为0．4和4．0；夜间绿洲上整晚维持蒸发，并有负感热通量。模拟结果与测站实测结果与卫星反演值的对比研究指出，RAMS对绿洲下垫面潜热通量的模拟和沙漠戈壁下垫面感热通量的模拟与实测值基本一致。卫星遥感反演及数值模拟方法对净辐射的估算与实测较吻合，绿洲地表感热通量的卫星反演值较数值模拟结果更接近于实际，但潜热通量的模拟值则较卫星估算值更接近于实际；沙漠戈壁地表则是感热通量的模拟值较卫星反演值更接近于实际。上述分析为今后结合卫星遥感改进RAMS陆面过程参数化，使使用于模拟研究干旱区非均匀下垫面地气相互作用提供了可靠依据。     

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。     

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。     

Parameterization of Heat Fluxes at Heterogeneous Surfaces by Integrating Satellite Measurements with Surface Layer and Atmospheric Boundary Layer Observations

The regional heat flux exchange between heterogeneous landscapes and the nearby surface layer (SL) is a key issue in the study of land-atmosphere interactions over arid areas such as the Heihe River basin in northwestern China and in high elevation areas such as the Tibetan Plateau. Based on analysis of the land surface heterogeneity and its effects on the overlying air flow, the use of SL observations, atmospheric boundary layer (ABL) observations, and satellite remote sensing (RS) measurements along with ...     

地表湿度及粗糙度非均匀分布情况下整体输送方法的初步研究

利用一个裸土与Pielke中尺度边界层的耦合模式，对大气环流模式网格尺度的地表湿度和粗糙度的非均匀分布情况下整体输送系数的平均方法进行了初步研究。首先估算了将单点陆面模式应用到大气环流模式的非均匀网格时所产生的误差，并且构造了一种有效阻抗的平均方法，与其他几种方法相比，它可以更有效地消除这种误差。     

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。     

On Modeling Dry Deposition of Long-Lived and Chemically Reactive Species over Heterogeneous Terrain

An explicit multi-layer subgrid-scheme was developed for ameso-/-scale model to consider subgrid-scale surface heterogeneity, dry deposition, biogenic and anthropogenic emission of trace gases. Since dry deposition measurements of highly reactive trace species are scarce we try to evaluate this scheme by heuristic principles. The results of simulations conducted for a 5×5 km² resolution with and without thisscheme are evaluated by using results of a model run with 1×1 km²resolution, which is taken as a `grand thruth' and which has the same resolution as the subgrid. The explict multi-layer subgrid scheme provides a similar distribution of dry deposition fluxes as the much more computationally expensive simulation with the 1×1 km² resolution.Dry deposition fluxes determined from observations give evidence that the explicit multi-layer subgrid scheme which does not require a constant flux approximation for a layer of several decameters leads to an improvement in determining the exchange between the atmosphere and the ground.Results of simulations with a microscale model show that the inhomogeneity at forest edges leads to an increase of the turbulent transports of up to a factor 4 compared to horizontally homogeneous terrain, which is assumed to be the conditions of the subgrid cells (and which is usually the assumption for the entire grid cell in mesoscale models). Inhomogeneity inside an extended stand of trees causes an overall increase of 5–10% withhigh local extremes, i.e. such an inhomogeneity results to an underestimation of dry deposition in meso-/-scale models. The effects are most pronounced for a wind direction perpendicular to the forest edge.     

Scintillometer-Based Turbulent Fluxes of Sensible and Latent Heat Over a Heterogeneous Land Surface – A Contribution to Litfass-2003

The performance of a combined large aperture scintillometer (LAS) and a millimetre wave scintillometer (MWS) for estimating surface fluxes of sensible and latent heat over natural landscape is investigated, using data gathered during LITFASS-2003. For this purpose the LAS–MWS system was installed in a moderate heterogeneous landscape over a path length of 4.7 km with an effective beam height of 43 m. The derived surface fluxes have been compared with aggregated eddy-covariance (EC) measurements. The fluxes of sensible and latent heat from the LAS–MWS combination, as well as sensible heat fluxes of the single LAS, agreed fairly well with the EC-based fluxes, considering the uncertainties of the similarity stability functions and observed energy imbalance.