城市不同下垫面的能量平衡及温度差异模拟

城市能量平衡是研究城市热岛效应的物理基础。利用北京市教学植物园2010年的实测数据,设置不同类型下垫面(植被覆盖类型:林地、草地和不透水层覆盖类型:道路、房屋),利用局地尺度城市气象参数化方案模拟并分析了相同气象条件和净辐射通量输入下,不同类型下垫面的显热、潜热通量及蒸散降温效应的差异。结果显示:(1)不同类型下垫面的各能量支出项有明显差异,植被覆盖区域和不透水层覆盖区域的波文比年均值分别为0.28和4.60,且在植被生长季差异较大;(2)城市扩展过程中道路、房屋替换林地、草地的过程,也是显热增加而潜热减少的过程。植被层向不透水层转换的过程中,显热通量年均增加32.74W/m²,潜热通量减少38.87W/m²,储热通量增加7.95W/m²;(3)理论上,植被蒸散的年降温效应使单位面积植被覆盖区域的气温比不透水层区域可低2.63℃。     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

城市热岛效应的研究进展与展望

随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果,通过对这些成果的综合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法。系统地回顾了城市热岛效应的研究历史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问题未来8个可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了粗略的展望。     

喀什地区“8.11”冰雹过程雷达探测分析

利用常规气象探测资料和多普勒天气雷达产品,对 2011年 8月 11 日在喀什发生的一强冰雹天气过程,从天气形势、雷达回波演变特征等几个方面进行了综合分析。结果表明: 这次冰雹天气出现在对流不稳定层结条件下,0 ℃层和 －20 ℃层的高度适宜。多普勒雷达能很好地监测冰雹天气的发生发展演变过程,＞ 70 dBZ 强回波区和悬垂结构及逆风区的出现,垂直累积液态含水量( VIL) 增加等都对冰雹天气的出现具有指示意义,对今后的防雹减灾工作有较好的应用价值。     

异常气温作用于水稻一维能量模型的数值分析

应用动力学方程建立四川内江市水稻的生长模型,通过FORCAL和MATLAB对方程参数拟合,并进行数值分析和定性分析,为水稻产量预报和气温对水稻生物量的影响评估提供科学依据。在传统的一维能量模型基础上,将水稻对外界能量的摄取能力与水稻生长季中的气温变化规律联系起来,得到水稻的生长曲线x（t）,并通过相平面轨迹得到x—T曲线,定性分析水稻的临界气温和最快生长率出现时间。通过低温对水稻分蘖期和高温对生殖生长期影响的比较,得出如下结论：水稻后期受高温影响比前期受低温影响严重。     

西藏地区强降雪过程的波包分布及传播特征

利用NCEP/NCAR高度场的再分析资料,通过波包传播诊断方法(WPD),对2005年10月19～23日西藏地区中东部及南部边缘地区一次大范围强降雪天气过程进行波包分布与波能传播特征分析。结果表明:500hPa高度场的波包分布和传播特征很好地反映此次过程;强降雪天气发生在波包大值区域内而且反映了过程的爆发和消亡;波包的分布特征与强对流天气的发生状况是一致的;波包的移动路径很好地反映了扰动能量的传播。此次过程是"积累-释放"的三次循环。     

一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案 (Town Energy Balance, 简称TEB) 的基础上建立了一个单层城市冠层模式, 并对南京市典型居民区1 km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟, 将模拟结果与同期观测值作了比对, 发现: TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好, 而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上, 本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式 (NJU－RBLM) 中, 作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一, 分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT (Soil－Vegetation－Atmosphere－Transfer model) 和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟, 以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较, 结果表明: TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善, 对近地面热力场的改善效果尤为明显, 可以很好地模拟出城市冠层中的“陷阱效应”。     

陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2008年夏季的观测资料,分析了陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制,计算了地表和5 cm深处土壤热通量板之间的热储存,并对地表能量不平衡特征重新进行了计算和评价。当把土壤热储存作为地表能量收支的一部分考虑后,不平衡差额绝对值平均降低了23 W.m-2,能量不闭合度平均减小了0.104,利用最小二乘法(OLS)进行线性回归得到的平均不闭合度减小了0.085。从白天和晚上的能量不闭合度频率分布也能够看出,土壤热储存对地表能量收支平衡有很大改善。但即使考虑了土壤热储存项,地表能量不闭合仍然很明显。除了土壤热储存,边界层大气不同形式的输送能力作为对地气能量通量交换过程中的重要因素,对能量不平衡也会产生深远影响。结果显示,地表能量不闭合度分别与垂直速度w、水平风速u和对流速度尺度w*有较密切的关系。涡动相关法通量计算中常通过坐标旋转强迫垂直速度变为零,然而非零的垂直速度和垂直平流是真实存在的,忽略垂直平流热量输送是产生地表能量不平衡的重要原因。     

初始场中尺度信息对暴雨预报的影响

由于观测资料分辨率与模式分辨率的不同,利用高分辨率模式对暴雨进行预报时,常规观测资料形成的初始场不能直接分辨出中尺度系统,这种中尺度系统特征的缺少可以认为是初始场的一种信息误差。利用中尺度天气分析的尺度分离方法可以提取这种中尺度信息。通过分析初始场中尺度信息的结构、演变特征及其对暴雨预报影响的机理,发现初始场中尺度信息的结构在主要雨带的对流敏感区具有明确的天气学意义,包含了有利暴雨产生的信息;其能量随时间也是增长的,特别是在积分12小时以后,能量迅速增长然后趋于稳定,超过了初始随机扰动的能量增长。利用减弱和增强初始场中中尺度信息的两种初始场作暴雨预报,其结果反映了初始场中尺度信息对暴雨预报的重要性,特别是对雨团位置和强度的预报,这些信息会直接影响暴雨的精细预报。     

运用能量学方法分析大冰雹的落区

运用大气能量学的方法,对2002年7月19日发生在河南省中西部地区的降雹过程进行了分析,结果显示:大冰雹均出现在高空能量锋区以内,落区在低层湿有效能量平流正值中心附近。利用能量分析作为预报基础,再结合地面和雷达探测等资料进行综合分析,可以得出有无冰雹天气及冰雹落区的预报结论。