非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究（Ⅱ）：逆湿现象的数值模拟研究

研究了逆湿现象，针对陆面过程模式的缺陷，利用文献[1]给出的逆湿现象形成的物理模型，设计了新的陆面过程参数化方案。该新方案成功地模拟出厂发生在绿洲附近的沙漠上的逆湿现象，模拟结果与实际观测的结果相互吻合，这表明所建立的新的陆面过程参数化方案是可行的。这些结论将为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。     

两种耦合模糊控制的局地化方法研究

在集合数据同化过程中,由于远距离的观测与同化状态之间存在着虚假相关,局地化方法受到广泛关注.此外,由于集合数的限制,容易引起欠采样和协方差被低估等现象,使得滤波效果欠佳.因此,提出模糊控制算法,模糊控制算法主要用于判断观测点与状态更新点之间的距离来匹配相应的观测权重,进而调整局地化系数来更新背景误差协方差和观测误差协方差矩阵,从而得到有效的状态估计.基于背景误差协方差局地化方法和观测误差协方差局地化方法,耦合模糊控制,形成了新的算法—模糊控制的背景误差协方差局地化方法和模糊控制的观测误差协方差局地化方法.利用Lorenz-96模型,在小集合数和局地化半径下,得出模糊控制的背景误差协方差局地化方法和模糊控制的观测误差协方差局地化方法有较好的同化性能.通过分析泰勒图谱甄别出新算法与观测点具有高度的相关性以及较小的空间变异性.最后,在不同维数的模糊控制器下,新算法的有效性进一步得到验证.为今后数据同化误差处理方面提供了良好的研究平台.     

夏季中国东部副高北缘雨带强度年际变化成因:副热带西风异常的动力强迫

根据中国东部副高北缘雨带的气候平均位置季节移动情况,定义了雨带强度指数,并用回归分析证实此指数能够很好地描述初夏和盛夏雨带的强度.基于定义的雨带强度指数分析发现,初夏副热带西风对雨带强度影响显著,但盛夏无显著影响.进一步研究表明,初夏副热带西风的增强通过作用于雨带上空西高东低的气温场使得对流层中层暖平流增强,进而加速上升运动,从而增强雨带;而到盛夏,环流形势的季节变化导致暖平流在雨带强度变化中起到的作用减小,这减弱了副热带西风对雨带强度的影响.     

中国北方干旱区感热及潜热的异常特征

通过对1949—1999年逐月NCEP／NCAR感热通量和潜热通量再分析资料的分析，发现在我国北方干旱区感、潜热通量的年际变化存在着2～3个敏感区，分别位于西北和华北及内蒙一带。其中以东部的华北—内蒙区最为显著。代表上述两个地区通量的平均年际变化表明，在20世纪60年代后期，感、潜热通量存在一个突变；进入70年代以后，上述两个地区的感热通量保持在一个较高的水平上，潜热通量的变化则呈现出相反的变化。     

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会“十五”重点项目“稀疏植被下垫面与大气相互作用研究”的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析。研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性线效应：干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策,主要结果表明：（1）揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。（2）发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。（3）发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;提示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性抗干扰能力的生态环境建设对策。（4）发展了强沙尘暴发展的动力学模式,揭示了强沙尘暴发展辐射冷却的正反馈机制。展示了强沙尘暴预报的良好前景。     

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。     

西北地区典型下垫面空气动力学阻抗估算方法改进及其验证

利用2010年古浪近地层野外观测试验取得的干旱区典型下垫面（荒滩、沙漠和农田）的观测资料,对常用的3种空气动力学阻抗算法——Verma—R算法、Liu算法、Thom算法进行了适用性检验,并通过分离Thom算法中的动量和热量粗糙度对其进行改进（下称Thom-2算法）。对比不同下垫面空气动力学阻抗估算结果发现：在沙漠和荒滩下垫面,动力因素较热力因素影响大,空气动力学阻抗与风速的指数关系较农田下垫面明显;与其他3种算法相比,考虑了热量粗糙度的Thom-2算法在各种典型下垫面上的估算结果与观测值相比偏差最小,且在较为均匀的荒滩和沙漠下垫面上估算的空气动力学阻抗精度较农田高;通过比较4种算法估算干旱区不同典型下垫面空气动力学阻抗结果,说明干旱区空气动力学阻抗的估算应考虑热力粗糙度的影响。     

大型风电场群风电场布局间距的模型研究

利用边界层理论和梯度输送原理,依据动量守恒定律,在大气中性层结条件下建立了风电场的动量吸收模型和风电场下游的动量补偿模型,计算出风电场尾流距离。参照实际风电场布局规模和风机几何参数设计数值试验,并对尾流距离与这些参量之间的关系进行了初步分析。结果表明,风电场尾流距离随风机直径、风塔高度、风机行数和风机动能利用系数的增加而增大,随地表粗糙度和风机列间距的增加而减小,并且这一距离不受风速和风机列数的影响。     

海河流域水汽输送及其变化特征分析

根据海河流域测站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和日本气象厅JRA-25资料,分析了1951—2008年夏季海河流域大气水汽含量的变化以及不同环流形势下的水汽输送特征,结果表明：海河流域大气水汽含量存在显著的年代际变化特征,与降水量存在显著统计相关;海河流域上空纬向水汽输送主要发生在850~700 hPa之间,经向水汽输送在850 hPa以下存在强的水汽输送带,它是海河流域水汽的主要贡献者,也是影响海河流域降水的最主要因素之一。气旋型环流和南风型环流对海河流域水汽输送有较大影响。     

标准化降水蒸发指数在中国区域的应用

利用中国气象局160个站1951～2010年月降水和月平均气温资料,分析了最近定义的一种干旱指数——标准化降水蒸发指数(SPEI)在我国不同等级降水区域的适用性,并与标准化降水指数(SPI)和湿润指数H进行了对比分析。结果表明:1)在我国年均降水量大于200 mm的地区,各种时间尺度的SPEI分析均适用;在干旱区(年均降水量小于200 mm),只有12个月以上的大尺度SPEI分析适用性较好;其中12个月尺度的SPEI分析在各区适用性最好。2)由于干旱区冬季的潜在蒸发量和降水量0值均较多,导致1、3、6个月的小尺度SPEI分析在该区不适用。3)与SPI和H指数相比,SPEI既能充分反映1997年气温跃变以后增温效应对干旱程度的影响,又可作为监测指数识别干旱是否发生和结束,能较准确地表征干旱状况。