Visualizing Upwelling at Monterey Bay in an Integrated Environment of GIS and Scientific Visualization

Oceanographic data are complex in that they incorporate multiple measurements and various scales. They are truly three-dimensional, and often vary in time. As the ability to acquire data is constantly being enhanced by the introduction of new and increasingly sophisticated instruments, it is challenging for oceanographers to inspect oceanographic processes by analyzing the complex data conventionally. In this article, we discuss an integrated GIS/visualization approach to visualize oceanographic data in Monterey Bay in order to get a better understanding of upwelling processes. The GIS system performs data interpolation, unifies map projection, and filters the processed data to a computer visualization package. The multidimensional visualization and animation features of the visualization tool are used to gain insight into marine upwelling processes. In such an integrated environment, the water properties (i.e., temperature, salinity, and density) in Monterey Bay during upwelling are visualized, and the characteristics of upwelling are examined. The center of upwelling and the maximum depth of upwelling in Monterey Bay during the 1995 upwelling season are identified. The differences in temperature changing patterns between a typical upwelling year and an El Nino year are shown in this study. The integration of GIS and visualization makes it easier for oceanographers to discover and understand upwelling.     

基于LAS观测的城镇感热通量时空特征及影响因素

利用2018年4月—2019年4月南京盘城大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测数据,分析了城镇感热通量的时空变化特征及影响因素。结果表明:1)南京城镇感热通量呈单峰型日变化特征,白天明显大于夜间,且白天晴天明显大于阴天,夜间晴天略小于阴天,晴、阴天小时感热通量年平均分别在2.25～200.53 W·m^-2、13.10～132.52 W·m^-2波动。2)城镇感热通量夏季明显大于冬季,8月昼、夜分别为112.19、23.54 W·m^-2,2月昼、夜分别为35.57、11.57 W·m^-2。3)晴天白天条件下,不同风向(通量贡献源区)城镇感热通量存在显著差异,即随着不透水层占比的增加,净辐射分配到感热通量的比例明显提高,当占比大于60％时提高趋势不明显。4)以莫宁-奥布霍夫长度判断大气稳定度为标准,C²_n法在计算感热通量的5种大气稳定度判断方法中的误判率较低且数据源于LAS,是比较适宜城镇夜间大气稳定度的判断方法。5)在影响城镇感热通量的地表参数中,有效高度变化的影响最大,风速变化的影响较大特别在秋冬季节更为明显,波文比变化对城镇感热通量的影响较小,温度、地表粗糙度和零平面位移变化的影响可忽略不计。     

高反照率城市建筑对城市高温及人体健康的影响

采用WRFv3.9.1模式和多层城市冠层模型的BEP/BEM方案耦合,以江苏省2017年7月20—28日一次高温热浪过程为背景,研究了高反照率墙面、路面及屋顶对城市高温及人体健康的影响。研究结果表明：(1)与普通建筑物表面算例(CTR)相比,城市中建筑物越高大密集的区域,降温幅度越明显。金融区白天时段(07—19时,北京时间)高反照率墙面算例(WALL)、高反照率路面算例(ROAD)、高反照率屋顶算例(ROOF),以及全部使用高反照率表面的算例(ALL)2 m高气温白天平均降低0.14、0.44、0.75、1.54℃;最大降温分别达0.98、1.06、1.53、2.71℃。同时,WALL、ROAD、ROOF、ALL算例可使得整个城市区域白天平均降温分别达到0.14、0.43、0.64、1.26℃。(2)当城市采用高反照率表面材料,高温得到一定程度缓解时,对于人体舒适度及死亡率也存在一定的影响。在高温热浪期间相较于CTR算例,13时,ALL算例在低密度住宅区、高密度住宅区、金融区的人体舒适度(THI)最大分别可降低0.93、1.11、1.48;热相关急诊率和死亡率最大可降低2.9%、4....     

小型水体对气温观测环境影响的初步模拟分析

为研究水体对气温观测环境的影响,应用WRF中尺度模式,通过对四季晴天小风、阴天大风背景天气下有无水体算例模拟结果的比较,分析了浙江青山湖水体(6.5 km2)对周边2 m高度处气温的影响。模拟结果表明:(1)冬季天气条件通常较稳定,水体对下风方的影响最为明显;春、秋季节水体对下风方的影响次之,夏季局地热力环流复杂,水体对下风方气温影响不若其他季节明显。(2)青山湖水体对下风方约5 km内的气温可能产生明显影响,非下风方缩短为0.4 km。(3)水体面积越大,对周边气温影响距离越大。(4)当风速大于6.2 m·s-1时,水陆热力性质差异迅速被平流项输送携带走,水体对下风方气温影响不明显。而湍流扩散项则将水体与陆面热力性质的差异向上传递,湍流强度大于0.5 m2·s-2时,水体对下风方气温的影响不明显。     

太湖蒸发量对未来气候变化响应的初步模拟分析

与深水湖泊相比,太湖等浅水湖泊更容易发生富营养化和水资源危机,且对气候变化的响应更为敏锐。本文利用气候模式产品数据驱动CLM4-LISSS湖泊陆面过程模型,模拟分析未来(2010—2100年)RCP2.6、RCP4.5、以及RCP8.5不同温室气体排放情景下太湖蒸发量的变化特征及其影响因子。结果表明:(1)CLM4-LISSS模型湖表温度的观测值与模拟值的相关系数为0.94,均方根误差为0.85℃,准确的湖表气温模拟使得通量的结果也比较准确,潜热模拟与观测的相关系数在0.78,均方根误差为55.32 W·m~(-2);(2)2010—2100年,三种不同温室气体排放情景下太湖蒸发都呈现增加的趋势,但增量比例不同,RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下,蒸发量每10 a增加量分别为23.7 mm,29.2 mm和34.5 mm。蒸发量的增加速率随着辐射强迫的增加而增大,其变化主要受风速与水汽压差的乘积的影响。     

基于信噪比检验的部分奇异值双参数修正估计

从分析LS估计和岭估计的奇异值展开式出发,研究了病态性问题的解算方法。岭估计中岭参数对较大奇异值的修正不能有效降低估计的方差,却增大了估计的偏差,这是导致岭估计有时效果不好的重要原因。首先借鉴TSVD思想,保留展式中较大奇异值所对应的项,然后修正展式中较小奇异值所对应的项。在修正前,利用信噪比检验,将各个参数按受到复共线性危害的大小分为两类,据此作出不同强度的双参数修正,提出了基于信噪比检验的部分奇异值双参数修正估计。实验结果表明,新方法的解算精度较高。     

太湖对周边城市热环境影响的模拟

太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时（北京时）近地层平均降温0.5-0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7-1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5-0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。     

应用E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型对东太湖湖-气交换的模拟

采用考虑沉水植物影响的E-ε湍流动能闭合湖泊热力学过程模型,模拟2013年8月东太湖湖-气交换过程,并利用太湖的站点观测数据对模型进行了验证。太湖水温的模拟值与观测值吻合较好,模型计算的各层水温与观测值相比,均方根误差均未超过1℃。同时模型也较好地模拟出太湖表面感热通量和潜热通量,潜热通量的模拟值与观测值的标准差为54.7 W/m2。由于湖水较浅,太湖的水温层结会明显受到天气状况的影响。晴朗小风条件下的湖水呈现显著的热分层现象,当风速为0.8 m/s,高层和底层的温差达到7.9℃。大风天气条件驱动较强的水体湍流混合,水温的热分层消失,风速为12 m/s,湖泊上层与底层的水温差仅0.12℃。此外,模拟结果较好地呈现出了东太湖沉水植物的存在通过增大湖体消光系数,减小到达湖体内部的热量,并增加对湖水的阻力,影响湖体中湍流动能的分布,并进而影响湖水温度的分布。综上所述,该模型能够较好地模拟出浅水大湖湖-气交换的过程。      

南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟

运用WRF模式,选取考虑城市冠层结构(UCM算例)及不考虑城市冠层(NOUCM算例)两种城市下垫面参数化方案,对南京2010年夏季晴天小风典型天气条件下的城市热环境以及不同下垫面的边界层特征进行了模拟研究。结果表明:1)UCM方案模拟结果与实际情况较为吻合。其中2 m气温的模拟有较大的改进,模拟结果明显高于NOUCM方案,与观测更为吻合,同时更好地模拟出了冠层建筑物对于近地层风速的拖曳,10 m风速的模拟有非常明显地提高。2)UCM方案较好地模拟出了城市的三维热岛分布。由于建筑物地表对辐射的截留,白天14时(北京时间,下同)热岛较强,地面2 m高度处热岛范围较大,热岛面积大约为120 km2,强度为2℃。同时建筑物的存在使得城市湍流动能更大,向上的垂直扩散增加,距地面20 m时,依然能看出明显的热岛效应,热岛强度为1.5℃。距地面55 m处,UCM模拟所得的热岛范围缩小,热岛强度为1.1℃。UCM模拟所得的白天地表热量的扩散影响可达143 m,02:00 2 m处热岛最强为2℃,热岛影响也可达70 m以上。3)不同下垫面呈现出了不同的边界层特征,城市冠层结构对周边下垫面边界层结构存在程度不等的影响,14:00城市区域的湍流混合更强,城市边界层高度升高100 m左右,02:00,城市冠层结构的存在,导致近郊庄稼下垫面及紫金山植被下垫面的稳定逆温层结明显减弱。     

Characteristics of δ13CDIC in lakes on the Tibetan Plateau and its implications for the carbon cycle

Dissolved inorganic carbon isotope (δ¹³C_DIC) is an important tool to reveal the carbon cycle in lake systems. However, there are only few studies focusing on the spatial variation of δ¹³C_DIC of closed lakes. Here we analyze the characteristics of δ¹³C_DIC of 24 sampled lakes (mainly closed lakes) across the Qiangtang Plateau (QTP) and identify the driving factors for its spatial variation. The δ¹³C_DIC value of these observed lakes varies in the range of ? 15·0 to 3·2‰, with an average value of ? 1·2‰. The δ¹³C_DIC value of closed lakes is close to the atmospheric isotopic equilibrium value, much higher than that in rivers and freshwater lakes reported before. The high δ¹³C_DIC value of closed lakes is mainly attributed to the significant contribution of carbonate weathering in the catchment and the evasion of dissolved CO₂ induced by the strong evaporation of lake water. The δ¹³C_DIC value of closed lakes has a logarithmic correlation with water chemistry (TDS, DIC and pCO₂), also suggesting that the evapo‐concentration of lake water can influence the δ¹³C_DIC value. The δ¹³C_DIC value shows two opposite logarithmic correlations with lake size depending on the δ¹³C_DIC range. This study suggests that the δ¹³C in carbonates in lacustrine sediments can be taken as an indicator of lake volume variation in closed lakes on QTP. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.